Система управления процессом каталитической сополимеризации Советский патент 1981 года по МПК G05B11/58 

(54)СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ

1

Изобретение относится к системам автоматической оптимизации и регулирования стационарных режимов процесса каталитической сополимери- j зации производства бутилкаучука и может найти применение в управлении каталитическими процессами сополимеризации в нефтяной, нефтехимической и нефтеперерабатывёцощей промьшшеннос-

ти.

Известна система автоматического регулирования, используемая при производстве бутилкаучука, в которой скорость подачи катализатора в полимеризатор регулируют изменением пневматического управляющего сигнала, зависящего от изменения входных сигналов, поступающих от отходящих газообразных углеводородов (конверсия), температуры полимеризатора и от за- данной величины вязкости бутилкаучука ri.

Однако известная система не учитывает возмущений, наносимых изменени- . ем активности катализатора (концентрация катализатора) и расхода паров этилена, которые не позволяют точно регулировать температуру каталитической сополимериэации при производ тве бутилкаучука и, тем саквлм, они- i-s СОПОЛИМЕРИЗАЦИИ

жает качество регулирования процесса, так как изменение концентрации катапизатора существенно влияет на скорость реакции сопо.пимеризации. При увеличении концентрации катализаторного раствора увеличивается выделение тепла (реакция экзотермическая) , ПРИ уменьшении концентрации катгшизаторного раствора уменьшается выделение тепла.

Известна также система автоматического регулирования температуры каталитической сополимеризации в полимеризаторе, содержащая регуляторы расхода шихты, уровня этилена в рубашке полимеризатора, регулятор температуры полимеризатора, который состоит из пропорционально-интегрального блока, последовательно соединенных блоков формирования ошибки и предварения, при этом входы регуляторов подключены к соответствующим датчикам расхода шихты, уровня этилена, температуры и их задания, а выходы - к соответствующим исполнительным механизмам, управляющую вычислительную машину, входы которой подключены через преобразователи к датчикам состава, расхода и температуры шихты, уровня и температуры этилена, температуры полимеризатора, состава, расхода и температуры катализатррного раствора конверсии и вязкости бутилкаучука, а выход соединен через преобразователи с заданием регулятора расхода шихты и температуры 2. Однако указанная система также не учитывает возмущений, наносимых .изменением активности катализатора (концентрация катс1лизатора) и изменением расхода паров этилена, что не по-зволяет точно регулировать темпера туру процесса. Кроме того, в ней не учитывается конверсия и вязкость бутилкаучука, что, в свою очередь, не позволяет получить бутилкаучук с заданными свойствами, а также не обеспечивает постоянство конверсии. Недостатком известных систем является также то, что в них стационар ный температурный режим не определяется в зависимости от технологически параметров, а устанавливается заведомй жестко.. В действительности стационарный режим температуры долже изменяться. Цель изобретения - расширение области применения и улучшение качества регулирования температуры процесса каталитической сополимеризации пр производстве бутилкаучука. Поставленная цель достигается тем, что в системе управления процес сом каталитической сополимеризации, соде.ржащей регуляторы расхода шихты уровня этилена в рубашке полимеризатора, регулятор температуры.полимеризатора, .каждый из КОТОРЫХ состоит из последовательно соединенных блока формирования ошибки и блока предварения, подключенных к выходу и входу пропорционально-интегрального блока и выходного сумматора, причем входы параметров регуляторов расхода шихты уровня этилена в рубашке полимериза тора и температуры полимеризатора подключены, соответственно, к датчикам расхода шихты, уровня этилена температуры полимеризатора, выходы регуляторов подключены к соответствующим исполнительным механизмам, а вход задания регулятора температуры полимеризатора соединен с выходом вычислительного блока, входы которо подключены к датчикам состава, расхо да и темлературы шихты, температуры этилена, расхода и i jeMnepaTypbJ ката лизаторного раствора, конвенсии и вязкости бутилкаучука, установлены первый и второй сумматоры, кбмпенсаторы концентрации катализаторного раствора и расхода паров этилена, причем выход датчика концентрации катализаторного раствора через компенсатор концентрации катализаторно раствора подключен к плюсовой камер первого сумматора, другая плюсовая камера которого соединена с выходом регулятора температуры полимеризато ра, выход датчика расхода паров этилена подключен через компенсатор расхода паров этилена к одной из плюсовых камер ВТОРОГО сумматора, другая плюсовая камера которого соединена с выходом первого сумматора, а выход второго сумматора подключен к Исполнительному механизму, установленному на линии катализаторного раствора. На чертеже изображена принципиальная схема предлагаемой системы. Система содержит датчик 1 расхода шихты, установленный на линии подачи ее в полимеризатор, вторичный прибор 2, регулятор 3 расхода шихты, исполнительный механизм 4, установленный на линии подачи шихты в полимеризатор, преобразователь 5 пневматического сигнала в электрический, датчик 6 уровня этилена в полимеризаторе, установленный в полимеризаторе, вторичный прибор 7, регулятор 8 уровня этилена, исполнительный механизм 9, установленный на линии подачи его в рубшику полимеризатора, датчик 10 температуры шихты, установленный на линии подачи ее в поли-меризатор, преобразователь 11, датчик 12 температуры этилена, установленный в рубашке полимеризатора, преобразователь 13, датчик 14 состава шихты, установленный на линии подачи ее в полимеризатор, преобразователь 15, датчик 16 температуры полимеризатора, установленный в полимеризаторе, вторичный прибор 17, датчик 18 температуры катализаторного раствора, установленный на линии подачи его в полимеризатор, преобразователь 19, датчик 20 расхода паров этилена, вторичный прибор 21, датчик 22 концентрации катализаторного раствора, установленный на линии подачи его в полимеризатор, преобразователь 23, датчик 24 расхода катализаторного раствора, установленный на линии подачи катализаторного раствора в полимеризатор, вторичный прибор 25, преобразователь 26, датчик 27 состава отходящих газов (конверсии), установленный на линии отхода газов из дегезатора, преобразователь 28, датчик 29 вязкости бутилкаучука, установленный на линии выхода бутилкаучука из дегезатора, преобразователь 30, вычислительный блок 31. Каждый регулятор состоит из интегрального узла, содержащего элемент 32 сравнения, реле 33, переменные дроссели 34 и 35, емкость 36; пропорционального узла, содержащего элемент 37 сравнения, реле 38, переменные дроссели 39 и 40, элемент 41 умножения на постоянный коэффициент, интегральный и пропорциональный узлы составляют пропорционально-интегральный блок. Регулятор включает также блок фондирования ошибки, содержащий элемент 42 сравнения, элемент ИЛИ 4 блок предварения, содержащий переменный дроссель 44, емкость 45, эле мент 46 сравнения, эадатчик 47; выходной сумматор 48. Кроме того, система содержит компенсатор концентрации катализато ного раствора,включающий повторител 49 и делитель, состоящий из постоян ного дросселя 50 и переменного дро селя 51 первый сумматор 52, компен сатор расхода паров этилена, содержащий эвено предварения, состоящее из элемента 53 сравнения, переменно го дросселя 54, емкости 55, повтори тель 56, делитель, состоящий из постоянного дросселя 57 и переменного дросселя-58, второй сумматор 59/ ус литель 60 мощности; исполнительный механизм 61, установленный на линии катализаторного раствора. Динс1мические свойства полимеризатора каталитической сополимеризации как объекта управления могуг быть описаны следующей системой обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений, отражающих матери альный и тепловой балансы процесса: л Я.-М -М- г мI F о (VTn)V ш ш .иа, (Тп-ТэУ, Ki Vz C-E/RT), Со/4„ л;к-- --А-е V ,G. где С„ -концентрация катализатора в реакторе, -величина энергии активаци -. концентрация изобутилена полимеризаторе; -концентрация изобутилена в шихте; -температура в полимеризаторе, К; -температура в шихте на входе в полимеризатор., к; -температура охлаждающего этилена. К/ -постоянная времени реакто ра, Ч -константа роста цепи сопо лимеризации, л/г-моль-с/ -константа обрыва цепи реа ции сополимеризации, расход шихты; объем полимеризатора, м удельная теплоемкость ших ты, ккал/кГК, кг/м плотность шихты, тепловой эффект реакции полимеризации, ккал/кг; ммолекулярный вес изобутилв на, г/моль, поверхность теплопередачи коэффициент теплоотдачи от полимеризатора к метал лической стенке, ккал/Ч1 -тепло, выделяемое мешалкой в полимеризатор, ккал/ч, -универсальная газовая постоянная, R«l,98 кал/моль wpaii, 1 41 - предэкспоненциаль-: ный множитель. Иэмёнениё скорости циркуляции изза изменения толщины льда вызывает соответствующие изменения ol. но благодаря большому среднему уровнюо это Мсшо сказывается на тепловом балансе и поэтому моягно принять с const, чтоупрощает анализ устойчивости в стационарном режиме dr ° Откуда с учетом уравнений (l) имеем д 4лнЦц1Кг.),Сц,Я1.Тш шСшРш 1 в этой формуле Ц,о/,Р,К2,К,,дН, н и Сщ - константы, а М, W, W, Т , T5и С - переменные, которые через преобразователи 5,11, 13, 19, 26, 28 И 30 непрерывно поступают в блок 31. Зная расход шихты и составшихты, , вычислительный блок рассчитывает расход изобутилена Wj,. Величины Q , oi F, , К,дН, вручную вводятся в блок 31.Из указанной формулы видно, что при различных режимах блок 31 непрерывно вычисляет и передает команды на устройство температуры для настройки контрольных точек. Блок 31, получая информацию, вычисляет, какой будет новая температура полимеризатора при ограничениях /4 / Xs. ; С аЗдесь блок 31 решает задачу статической оптимизации температуры процессе каталитической сополимеризаци-и с целью получения бутилкаучука с заданными свойствами при заданных ограничениях. Сигнал от датчика 1 расхода шихты через вторичный прибор 2 поступает в регулятор 3 расхода шихты. Регулятор 3 расхода шихты при помощи исполнительного механизма 4 изменяет расход шихты, ВЬход вторичного прибора 2 через преобразователь 5 соеинен с блоком 31. Сигнал ,с датчика 6 уровня,через вторичный прибор 7 поступает в регулятоо 8 уровня этилена, а последний, свою очередь, при помощи исполнительного механиэма 9 поддерживает требуемый уровень этилена в рубашке олимеризатора. , Сигнал от датчиков 14 состава ихты, 1 расхода шихты, 12 темперауры этилена, 18 температуры катали аторного раствора, 22 концентрации атализаторного раствора, 27 состаа отходящих газов (конверсия), 29 язкости бутилкаучука через соответтвующие преобразователи 13, 5, 11, . 19, 26, 28 и 30 поступают в блок 31 В него вводятся также данные о константах. Выход блока 31 как эадгиощий сигнал поступает на вход регулятора температуры полимеризатора (32-60) , который, в свою очередь, изменяет расход катализаторного раствора при помощи исполнительного механизма 61, тем самым регулируется температура в полимеризаторе. Сигнал от датчика 22 концентрации катализатор ного раствора через преобразователь 23, компенсатор концентрации катализаторного раствора (49-51) поступает на первый сумматор 52. Сигнал от датчика расхода паров .этилена через вторичный прибор 21, 1 компенсатор расхода паров этилена С53-58) поступает ко входу второго сумматора 59. Блок 31, получая информацию (дан ные о процессе, осуществляет вычис ления вязкости по Муни, сравнивает эту величину со стандартной величиной; если (U (С 2 находятся в пределах ограничения, он стабилизирует температуры. Когда не удовлетв ряется ограничение этрго диапазона, то рассчитываются новые условия процесса, которые приводят к возвра ту величины, чтобы получить правиль ную величину Муни. Когда вычислены новые условия для полимеризатора, блок 31 оценивает, какие изменения могут быть выполнены для достижения этих величин. Если нужно изменить температуру, то блок 31 осуществляет настройку температуры процесса так, чтобы ограничения по конверсии С . удовлетворялись. Блок 31 связан с процессом через преобразователи 5, 11/ 13, 19, 26, 28 и 30, которые проводят сигнашы аналоговых измерений из датчиков пр цесса в дискретную форму и передает команды на устройство температуры для настройки контрольных точек. Блок 31, получая информацию (дан ные) о переменных процессах, вычисляет, какой будет новая температура, полимеризатора при ограничениях f( (г Д установления этой температуры блок 31 корректи хует задания рег лятору тем пературы (32-60), а он, в свою очередь, так изменяет расход катализаторного раствора, чтобы получилась заданная температура при ограничени ях на вязкости бутилкаучука | А|г конверсии C(. Чтобы быстро перейти в заданный .режим и стабилизировать заданную температуру, в системе учитываются основные возмущения концентрации ка тализаторного раствора и расхода па ров этилена. Эти возмущающие воздействия действуют на температуру проа. Причем расход паров этилена информацию о скорости реакции лимеризации. Изменение расхода в этилена и скорость реакции лимеризации прямо пропорционгшьринцип действия системы состоит едующем. а входы регулятора температуры тся Сигналы в соответствии нным текущим Т„., значенияемпературы полимеризатора/ орционгшьные текущему значению концентрации катализатор.р t раствора и текущему значению .-. расхода паров этилена. Усттво обрабатывает следующий алгоуправления:. Т.. ) .eb« К.К. ---. «ом.вых.р.п.э., . V.j при IV.О/ TM при Рц о ; т,и THJ при РК.О; 1Кл при , -е;.т d/Pn/ . )1.46 в -gif- лых к.к .р . f .n.9. .p.n.3.Xv .вых -управляющие воздействия;-сигнал рассогласования/ .-р ; компенсирующее КОЛЛ.ВЬ1ХЖ.К.р. воздействие компенсатора концентрации катализаторного раствора/компе и с ирующее ком.вых.п.р.п.эвоздействие компенсатора расхода паров этилена;- коэффициент усиления устройства по каиалу температуры к. Кг)/ постоянная времени интэгрировакия по каналу температуры (.TK, .У . - комаидное давление для переключения параметров регулятора по каиалу температуцш; - постоянная времаии блока формирования функции пере- . ключения; i. - коэффициент усиления устройства по каналу концентрации катализафорного раствора - коэффициент усиления устройства по каналу расхода паров этилена; - постоянная времени звена предварения по каналу расхода паров этилена. Сигнал от температурного дат-шка 16, преобразуясь в пневматический сигнал с помощью вторичного прибора 17, поступает ко входу пропорциональ но-интегрального регулятора с переменной структурой температуры (32-4 Этот регулятор работает следующим образом. На входы регулятора подаются сигналы, пропорциональные заданному Р от блока 31 Ссоответствующие оптимальные значения температуры для данного состояния процесса)и текущему Р„ значениям температуры полимеризатора. Регулятор отрабатывает следующий алгоритм управления:Рвь. -V) 4i -V) „„ „(IQ при Г(,0,ф при (к при 1т„2при. Параметры регулятора К и Т выбиргиотся в зависимости от состояния регулирования. Теперь рассмотрим ра боту регулятора по элементным цепочкам,.,, Выходной сигнал элемента 37 сравнения РВЫХЗТ (РО-РЖ РЗТ проходя через проточные реле 38, переменные дроссели 39 и 40 поступа ет в минусовую камеру элемента 41 ум ножения, на выходе которого отрабатй вается регулирующее воздействие вида .4 К( + РО где К получает одно из двух значений К,К 2 в зависимости от уровня сигна ла, формируемого при помощи блока формирования функции переключения Р sign Т - -/ВЫХ.46d t При этом с помощью блока формировани модуля ошибки (42-43), вычисляется модуль ошибки /РИТ- + РО Интегральный узел, состоящий из элементов 32-36 , реализует следующий алгоритм: 1.-1(Рьт-Р тЬ 3 ВЫХ4 Тц ИТ ЗТ РВМИЛ поступает к плюсовой камере выходного сумматора 48, к минусовой камере которого поступает опорное давление Р, а к другой плюсовой камере поступает сигнал Рвь1Х4Н выходе выходного сумматора отрабатывается регулирующее воздействие Р Р -Р +Р --Г/р вых.4в ВЫХ.И Ъ вы)c.4 -РЗТ) ((р„,. -Р,Т. ) +PJ, К(. -)a 4-jK.-.T) Далее этот сигнал поступает ic плюсовой камере первого сумматора 52 к другой плюсовой камере которого пЬстулает сигнал компенсирующего воз действия компенсатора концентрации катализаторного раствора Р.,-,.. .,,., „„ .l4Ckm Doi% р.П .кр. .5 На выходе первого сумматора получаетсяРБЫХЛЙ ) 4;I(V -РЗТ) +о№)пц.1Ср. вых.я поступает к плюсово камере второго сумматора 59, к другой плюсовой камере которого поступает сигнал компенсирующего.воздействия расхода паров этилена Рцом.вых.р.и. 9. . Рвыч.7 Р( + Р..р.и,.). На выходе второго сумматора отрабатйвается регулирующее воздействиеРВЫХГ(ГГТ ) + |- IfPnr -P,jn JI-EJ-S+ciPy,.K.K.p -«-KT +РП.Р.П., Таким образом, применение такого . perj/лирования позволяет компенсировать возмущения по контурам расхода паров этилена и концентрации катализаторного раствора. Применение компенсирующих воздей ствий по контуру концентрации каталиэаторного раствора (22,23,49-51) и по контуру расхода паров этилена (20, 21, 53-58) полностью исключает возмущения, связанные с изменением концентрации катализаторного раствора и расхода паров этилена, которые могли бы в противном случае вызвать нежелательные изменения температуры. Переходные процессы при изменениях концентрации катализаторного раствора и расхода паров этилена при таком регулировании существенно улучшаются. Предлагаемая система управления . роцессом повышает его экономическую эффективность при одновременном, обесечении максимальной надежности безварийной работы и максимальной веоятности выпуска бутилкаучука соотетствующего ограничения 4 JU2 Автоматическое нахождение стациоарного температурного режима и его ачественная стабилизация позволяют овысить качество управления процесом полимеризации. Качественное регуирование и уменьшение амплитуды олебаний температуры около заданноо значения (квазискользящий режим) беспечивает получение полимера с аданными свойствами (однородный по a4ecTBi, а также приводит к увелиению продолжительности цикла работы олимеризатбров. Форм;/ла изобретения ч Система управления процессом катаитической :ополимеризации, содержащая регуляторы расхода шихты, уровня этилена в рубашке полимеризатора, регулятор температурь полимеризатора кажлый из которых состоит из последовательно соединенных блока формирования ошибки и блока предварения, подключенн лх к выходу и входу пропор ционально-интегрального блока, и . выходного сумматора, причем входы па раметров регуляторов расхода шихты. уровня этилена в рубашке полимеризатора и температуры полимеризатора подключены, соответственно, к датчикам расхода шихты,уровня этилена в полимеризаторе и температуры полимеризатора, выходы регуляторов подключе ны к соответствуквдим исполнительным механизмам,а вход задания регулятора температуры полимеризатора соединен выходом вы ислительного блока, входы которого подключены к датчике состава, расхода и температуры шихты, температуры этилена, расходу и темпе ратуры катализаторного раствора, кон версии и вязкости бутилкаучука,о т.лича. ющаяся тем, что, с целью расширения ббласти применения системы и улучшения качества регулирования, в ней установланы.первый. и второй сумматоры, компенсаторы концентрации катализаторного раствора и расхода паровэтилена, причем выход датчика концентрации катализаторного раствора через компенсатор концентрации катализаторного раствора подключен к плюсовой камере первого cyivBviaTopa, другая плюсовая камера которого соединена с выходом регулятора температуры полимеризатора, выход датчика расхода паров этилена подключен через компенсатор расхода паров этилена к одной из плюсовых камер второго сумматора, другая плюсовая камера которого соедкхнена с выходом первого сумматора, а выход второго сумматора подключен к испохнительмому механизму, установленному на линии катализаторного раствора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1,Патент США W 3427138, кл. 23-260, опуелик.1970. 2.Дясафаров Э.М. и др. Промышленное внедхрение систем автоматического регулирования с переменной структурой в производстве бутилкаучука. Промьшлеяность синтетического каучука, М. , 1977, 7, с.12 (прототип).