Способ автоматического управления процессом пиролиза в трубчатой печи Советский патент 1981 года по МПК C10G9/20 G05D27/00 

1

Изобретение относится к управлению технологическими процессами и предназначено для автоматического управления процессом пиролиза углеводородов .

Известен способ автоматического управления процессом пиролиза путем регулирования температурного профиля змеевика изменением расхода топливного газа 1.

Известен также способ автоматического управления процессом пиролиза в трубчатой печи путем стабилизации расходов сьфья и пара и оптимального поиска температуры на выходе печи изменением расхода топливного газа в зависимости от соотношения противоположно изменяющихся в зоне управления :1начений концентраций продуктов в пирогазе 2 .

Недостатком известных способов является то, что они не обеспечивают высокого выхода целевых про- дуктов при переменных характеристиках пиролизных установок.

Цель изобретения - повьиаение выхода целевых продуктов.

Поставленная цель достигается тем, что оптимальный поиск темпера- туры пирогаза осуществляют в зависимости от соотношения концентрации этилена и суммы концентраций пропилена и пропана в пирогазе.

На фиг. 1 приведена зависимость соответственно простого (ПКС) и сложного (СКС) критерия соотношения от температуры пиролиза (Тцмр) при различных составах сырья (2Гс),и постоянной нагрузке по сырью (Gg) ;

10 на фиг. 2 - функциональная схема системы локального автоматического управления печью пиролиза.

При управлении по известному способу поддерживают на заданном опти15мальном уровне соотношение концентраций этилена и пропилена в пирогазе, которое можно назвать простым критерием соотношения (ПКС)

ПКС -§1 ,

20

где С. - концентрация этилена в пирогазе, об.%:

концентрация пропилена в 25пирогазе, об.%.

Колебания расхода сырья и пара, температуры пирогаза, изменение характеристик пиролизного агрегата и другие возмущения вызывают противоположно направленное изменение концентраций этилена и пропилена в пирогазе что приводит к отклонению текущей величины ПКС от его оптимального заданного значения. При этом в системе управления вырабатывается сигнал на изменение расхода.топливного газа и температура пирогаза на выходе из трубной печи пиролиза изменяется до тех пор, пока текущее значение ПКС не становится равным заданному. При равенстве текущего значения ПКС заданному процесс пиролиза углеводородов происходит в оптимальных условиях.

Однако в промыишенных условиях пиролизу часто подвергается сырье

переменного состава. Так, например, содержание пропана в пиролизируемой пропан-бутановой смеси изменяется от 8,5 до 80%, бутана от 9 до 89%, что соответствует изменению удельного веса сырья от 1,88 до 2,6 кг/м

Характер изменения концентраций этилена и пропилена (целевых продуктов) в пирогазе при пиролизе сырья переменного состава для различных нагрузок по сырью различный.

В табл. 1 приведены концентрации этилена С и пропилена С. в пирогазе для различных нагрузок G и составов сырья fc. при температуре пиролиза

8. Const.

пир

31,6

9,7

2,6

2,24 30,0 9,8 1,88 28,0 11,2 Из табл. 1 видно, что при темпера туре пиролиза , нагрузках 6 и 7 т/ч, с уменьшением удельного веса сырья концентрация этилена в пирргазе уменьшается. При нагрузке В т/ч концентрация этилена сначала увеличивается, а затем падает. Причем с увеличением нагрузки интервал изменения концентрации этилена при изменении состава сырья во всем диапазо.не уменьшается. Такой характер изменения концентр ций этилена и пропилена в пирогазе приводит к тому, что кривые зависимости ПКС от температурь и качества сырья JTc с увеличением нагру ки GQ начинают пересекаться (фиг. 1 В этом случае поддержание постоянст ва соотношения концентраций этилена и пропилена не позволяет вести процесс в оптимальном режиме. Так, наприМер, при нагрузке 8 т/ч и темпер турах пиролиза 815-830С система автоматического управления по ПКС при увеличении доли пропана в сырье (уменьшении удельного веса сырья) приводит к уменьшению температуры пиролиза, а не к увеличению,, как то требует оптимальный режим пиролиза более легких углеводородов.. При управлении процессом .пиролиз по предлагаемому способу поддерживается на заданном оптимальном уров величина сложного критерия соотноше ния fCKC)

Ci

СХС

Ci-vRC

12,0

30,1

10,6

28,3

28,9 10,4

29,7 9,8 28,7 10,2 28,7 10,3

На фиг. 1 приведены графики зависимости СКС (К I) от температуры 65 Т пир И качества сырья -(Те для разлйчгде С - концентрация этилена в пи рогазе, об.%; С - концентрация пропилена в .пирогазе, об.%; С - концентрация пропана в пирогазе , об.%; К - коэффициент пропорциональ. ности. Показатели, из которых формируется СКС, интегрально и наиболее полно характеризуют условия протекания процесса пиролиза. Любые изменения параметров на входе или изменения внутренних характеристик процесса вызывают изменение целевых противоположно изменяющихся в зоне управления показателей процесса - концентраций этилена и пропилена в пирогазе. Изменение третьего показателя СКС, т.е. концентрации пропана в пирогазе при пиролизе сырья постоянного состава аналогично изменению концентрации пропилена в пирогазе. При изменении же состава сырья тенденции изменения концентраций пропана и пропилена в пирогазе противоположйы. Так, при увеличении доли пропана в исходном сырьё концентрация пропана в пирогазе увеличивается, а концентрация пропилена уменьшается. Таким образом, появление противоположных тенденций в характере изменения концентраций пропана и пропилена в пирогазе свидетельствует об изменении состава пиролизируемого сырья, ных нагруэоч G. , Из графика видно, что введение значения концентрации пропана в критерий соотношения приводит к спрямлению кривых зависимос СКС от основного управляющего параметра (тег пературы) и ликвидации их пересечения, а следовательно,при этом устраняются недостатки известной систегды управления процессом пиролиза по ПКС, Увеличение (уменьшение) доли про пана в исходном сырье приводит к увеличению (уменьшению) концентраци пропана в пирогазе, что уменьшает (увеличивает) текущее значение СКС и приводит к увеличению (уменьшению температуры пиролиза. Таким образом поддержание постоянного значения СК обеспечивает выбор оптимальной температуры пиролиза для каждого данно го расхода и состава сырья. Наприме при увеличении доли пропана в сырье температура увеличивается до величи ны, при которой выход этилена из сырья данного качества находится -Вблизи экстремума. Причем степень приближения к последнему на каждом из режимов пиролиза при полном диапазоне изменения расхода и состава сырья зави-сит от задания величины СКС и ширины зоныпоиска оптимально температуры пиролиза, Ширина зоны поиска оптимальной температуры пиролиза для данного диапазона изменения состава сырья устанавливается с помощью коэффицие та пропорциональности К, Увеличение его позволяет расширить зону поиска оптимальной температуры для данного расхода сырья и всего диапазона изменения его. По экспериментальным данным и полученной на их основе ма тематической модели процесса пироли пропан-бутанового сырья исследована зависимость ширины зоны поиска температуры от величины коэффициент пропорциональности К в условиях изменения состава сырья от пропана до бутана. На основе анализа полученны зависимостей выбраны пределы измене ния коэффициента пропорциональности К от 0,5 до 3,которые позволяют изм нять ширину зоны поиска температуры от О до ,При К 0,5 ширина зоны поиска температуры на минимальной нагрузке {б т/ч) составляет 18-20С а при максимашьной 8 т/ч) снижается практически до О, т.е. при изменении состава сырья во всем диапазоне при максимальной нагрузке печи пиролиза температура пиролиза остается бгз изменения. При увеличении К ширина зоны поиска оптимальной температуры увеличивается для данного диапазона изменения состава сырья с существенным преобладанием скорости роста на больших нагрузках и при К 3 для всего диапазона изменения нагрузки печи превышает 40 С, т.е. перекрывает необходимый диапазон для раздельного пиролиза пропана и бутана. Изменение величины СКС позволяет сместить -зону поиска температуры в сторону пропиленового или этиленового режимов, т.е. ближе или дальше от экстремума выхода этилена. В промышленных условиях пиролиза ширина зоны поиска оптимальной температуры практически зависит от диапазона изменения состава сырья и верхнего температурного ограничения, определяемого конструктивными характеристиками печи пиролиза. Температурные ограничения при пиролизе сырья с предельной долей в нем пропана на действующих пе.чах не позволяют достигнуть максимально возможного выхода этилена из сырья и добиться полной эффективности использования сырья. В целом выбор оптимального значения СКС зависит от потребности производства в этилене, пропилене и других продуктах пиролиза, условия оптимальной работы последующих стадий м ногоступенчатого производства этилена, стоимости сырья, товарных продуктов и других показателей. По математической модели процесса пиролиза пропан-бутановой смеси переменного состава, полученной на основе экспериментальных данных, исследована зависимость выхода целевых продуктов (этилена, пропилена и их суммы) от величины СКС. Ниже приведены суммарные в-ыходы целевых продуктов (дд-г 9пр) различных величин СКС (коэффициент пропорциональности К 1) при условии,что пиролизуют сырье , удельный вес которого равномерно меняется от 1,88 до 2,6 кг/м и на нагрузках 6,7; 7,5; 8 т/ч печь работает одинаковое время. Величина СКС g + Зпр вес.% 2.048, 72.148,9 2.249,4 2,2549,9 2.349,7 2.449,5 2.549,4 Как видно из приведенных данных, оптимальное значение (при К I) равно. 2,25. ПрИ этом достигается аксимальный суммарный выход целеых продуктов . Стабилизация расхода сырья и паа (фкг, 2) осуществляется с помощь контура 1 регулирования расхода сырья и контура 2 регулирования асхода пара. Регулирование температурного реима процесса пиролиза осуществляетя контуром регулирования температуы.. Температура пирогаза на выходе з печи пиролиза измеряется термоарой. 3. Вел ичина термо-ЭДС термоары с помощью преобразователей 4 реобразуется в стандартный пневматический сигнал 0,2-1,0 кгс/см и поступает на регулятор 5 температуры где сравнивается с заданным от оптимизатора 6 значением температуры. Выходной сигнал регулятора 5 темпера туры поступает на исполнительный механизм 7, который изменяет подачу топливного газа на горелки. Пирогаз после закалочно-испарительного аппарата (ЗИЛ) проходит через пробоотборное устройство Ь, где происходит его закалка (охлажде ние) и очистка от жидких продуктов. После удаления влаги и осушки пирогаз направляется в хроматограф-9, который 11ериодически (через 1015 мин) выдает пневматические сигна лы, пропорциональные объемной концентрации компонентов в пирогазе. Пневматические сигналы, пропорциональные концентрации этилена пропилена и пропана в пирогазе, запоминаются в пневматической приставке хроматографа 10. Сигнал концентраци пропана поступает на реле 11 соотно НИИ, где он умножается на коэффициент К и вместе с сигналом концентра ции пропилена поступает на вход при бора 12 алгебраического суммировани на выходе которого формируется пнев матический сигнал Р.. где С - пневматический сигнал концентрации пропилена в пиро газе ; пневматический сигнал концентрации пропана в пирога зе; коэффициент пропорциональности (К О,5-3,0). Пневматический сигнал Р и пневматический сигнал концентрации этилена в пирогазе Р поступает на вхо оптимизатора 6, где определяется значение, текущей величины сложного критерия соотношения (СКС) и проис ходит сравнение ее с заданным значением СКСз. Выход Р, оптимизатора служит заданием для регулятора температуры пирогаза. Если режим пиролиза соответствует заданному (оптимальному), то текущее значение СКС равно его заданному значению СКС и температура пирогаза на выходе из печи поддерживается постоянной. Отклонение режима пиролиза от оптимальных условий вызывает изменение состава пирогаза и соответственно изменяется величина СКС. В этом случае выход Р оптимизатора 6 изменяется, что приводит к изменению температурного режима, а следовательно, и к изменению текущего значения . Увеличение или уменьшение температуры пиролиза происходит до тех пор, пока текущее значение СКС не становится равным заданному (оптимальному) значе зию СКС. Использование предлагаемого способа управления позволяет увеличить выход целевых продуктов для одной печи производительностью 7 т/ч на 0,047 т/ч или 330 т/год. Формула изобретения Способ автоматического управления процессом пиролиза в трубчатой печи путем стабилизации расходов сырья и пара и оптимального поиска температуры пирогаза на выходе печи изменением расхода топливного газа в зависимости от .концентраций продуктов в пирогазе, отличающийся тем, что, с целью повышения выхода целевых продуктов, оптимальный поиск температуры пирогаза осуществляют в зависимости от соотношения концентрации этилена и суммы концентрация пропилена и пропана в пирогазе. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР 338245, кл. С 10 G 9/20, 1970. 2.Авторское свидетельство СССР №474256, кл. ,С 10 G 9/20, 1970.