способ автоматического контроля и управления процессом получения винилацетата на основе этилена

Формула изобретения

Способ автоматического контроля и управления процессом получения винилацетата на основе этилена, заключающийся в регулировании температуры парогазовой смеси на входе в реактор синтеза в зависимости от съема винилацетата, регулировании давления паров хладоагента в паросборнике реактора, регулировании расхода кислорода в узел подготовки парогазовой смеси в зависимости от его концентрации на входе в реактор и в узел подготовки парогазовой смеси, регулировании расхода возвратной уксусной кислоты, измерении расхода циркуляционного газа в узел подготовки парогазовой смеси, измерении расхода уксусной кислоты из узла подготовки парогазовой смеси на очистку от высококипящих соединений, измерении состава циркуляционного газа и содержания кислорода в парогазовой смеси, измерении расходов на факел диоксида углерода и циркуляционного газа из узла очистки циркуляционного газа, включающий расчет селективности катализатора по этилену, отличающийся тем, что дополнительно измеряют расход этилена на подпитку циркуляционного газа, расходы циркуляционного газа и парогазовой смеси на анализ, расход свежей уксусной кислоты в узел подготовки парогазовой смеси, температуру продуктов синтеза на выходе реактора, температуру хладоагента, подаваемого в рубашку реактора, давление парогазовой смеси на входе в реактор и перепад давления в реакторе и по измеренным значениям расходов на анализ циркуляционного газа и парогазовой смеси, расходов циркуляционного газа и кислорода в узел подготовки парогазовой смеси и концентраций кислорода в циркуляционном газе и парогазовой смеси вычисляют и контролируют расход кислорода в реактор и мольное отношение на входе в реактор газовой смеси, состоящей из этилена, диоксида углерода и инертов к кислороду, по измеренным значениям расходов диоксида углерода и циркуляционного газа на факел, расходов на анализ циркуляционного газа и парогазовой смеси и концентрации в циркуляционном газе и в парогазовой смеси кислорода, расхода этилена, концентрации диоксида углерода в циркуляционном газе, расхода циркуляционного газа в узел подготовки парогазовой смеси и по вычисленному значению расхода кислорода в реактор вычисляют и контролируют конверсии кислорода на образование диоксида углерода и винилацетата и селективность катализатора по этилену, по вычисленным значениям конверсии кислорода на образование винилацетата и расхода кислорода в реактор рассчитывают с учетом загрузки реактора катализатором и контролируют съем винилацетата, по измеренным значениям расходов свежей, возвратной уксусной кислоты и уксусной кислоты, подаваемой на очистку, вычисляют и контролируют расход кислоты в реактор, по вычисленным значениям расходов кислоты и кислорода в реактор определяют и контролируют мольное отношение уксусной кислоты к кислороду на входе в реактор, по вычисленному значению расхода кислоты в реактор и измеренным значениям расходов циркуляционного газа и кислорода в узел подготовки парогазовой смеси, расходов на анализ циркуляционного газа и парогазовой смеси вычисляют и контролируют мольную скорость потока смеси через реактор, по измеренным значениям расходов циркуляционного газа в узел подготовки парогазовой смеси, на анализ и на факел, расхода этилена на подпитку, концентрации этилена в циркуляционном газе, расходов на анализ парогазовой смеси и кислорода в узел подготовки парогазовой смеси вычисляют и контролируют конверсию этилена, по измеренным значениям расходов свежей, возвратной и загрязненной уксусной кислоты, вычисленным значениям мольного отношения уксусной кислоты к кислороду, конверсии кислорода на образование винилацетата, расхода кислорода в реактор вычисляют и контролируют конверсию уксусной кислоты, по вычисленным значениям конверсии кислорода на образование винилацетата и диоксида углерода, мольных отношений смеси этилена, диоксида углерода и инертов к кислороду и уксусной кислоты к кислороду, мольной скорости потока и измеренным значениям температуры парогазовой смеси на входе и продуктов синтеза на выходе реактора, давления смеси на входе в реактор и перепада давления в реакторе и температуры хладоагента вычисляют с учетом верхних и нижних ограничений коэффициенты математической модели синтеза винилацетата путем минимизации суммы квадратов отклонений, рассчитываемых по модели конверсий кислорода на образование винилацетата и диоксида углерода и температуры продуктов на выходе реактора от вычисленных по данным объекта значений этих конверсий и измеренного значения температуры продуктов на выходе реактора, а по измеренным значениям температуры хладоагента и давления его паров определяют коэффициенты зависимости температуры хладоагента от давления его паров, вычисляют с учетом верхних и нижних ограничений оптимальные значения температуры парогазовой смеси на входе в реактор, температуры хладоагента, расхода уксусной кислоты в реактор путем минимизации суммы квадратов отклонений, рассчитываемых по модели съема винилацетата и перепада температуры в реакторе от заданных значений этих параметров, причем ограничения на оптимальные значения температур формируют из измеренных значений этих параметров и заданных шагов их изменения, вычисляют задание регулятору расхода возвратной уксусной кислоты в узел подготовки парогазовой смеси, исходя из оптимального расхода уксусной кислоты в реактор и измеренных значений расходов свежей, возвратной уксусной кислоты и уксусной кислоты, подаваемой на очистку, вычисляют задание регулятору давления паров хладоагента в паросборнике реактора, исходя из оптимального значения температуры хладоагента и измеренного давления паров хладоагента с учетом вычисленных значений коэффициентов зависимости температуры хладоагента от давления его паров, вычисляют задание регулятору температуры парогазовой смеси на входе в реактор исходя из вычисленного оптимального и измеренного значений этой температуры, и вычисляют задание регулятору расхода кислорода в узел подготовки парогазовой смеси в зависимости от заданного и измеренного значений концентрации кислорода в смеси на входе в реактор, измеренных значений расходов кислорода и циркуляционного газа в узел подготовки парогазовой смеси, расхода циркуляционного газа на анализ и содержание в нем кислорода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам автоматического контроля и управления процессом получения винилацетата на основе этилена и может быть использовано в химической и нефтехимической промышленности для управления процессом синтеза винилацетата.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является способ автоматического управления процессом получения винилацетата на основе этилена, включающий регулирование температуры парогазовой смеси на входе в реактор в зависимости от съема винилацетата, определяемого по измеренным значениям расхода винилацетата-сырца и содержания винилацетата в нем и в зависимости от заданных граничных значений этой температуры, регулирование расхода возвратной уксусной кислоты в узел подготовки парогазовой смеси в зависимости от молярного отношения этилена к уксусной кислоте и заданных граничных значений этого расхода. Способ включает также регулирование давления паров хладагента в паросборнике реактора, расчет селективности катализатора синтеза винилацетата по этилену, осуществляемый по измеренным значениям расхода винилацетата-сырца, расходов на факел диоксида углерода и циркуляционного газа, содержания винилацетата в винилацетате-сырце и содержания диоксида углерода в потоке циркуляционного газа из узла очистки циркуляционного газа, сдуваемого на факел (SU, 1604816, А1, 07.11.1990).

Недостатком этого подхода является то, что съем винилацетата и селективность катализатора по этилену рассчитываются с низкой частотой, определяемой частотой анализа состава винилацетата-сырца посредством системы аналитического контроля либо периодичностью лабораторного анализа. Система аналитического контроля дорогостояща, ненадежна в работе и сложна в эксплуатации из-за высокой агрессивности анализируемой среды, забивки пробоотборной системы полимерными соединениями. С помощью данного способа не определяется оптимальный расход уксусной кислоты в реактор с учетом съема винилацетата, не регулируется в зависимости от съема давление паров хладагента в паросборнике. Это приводит к снижению производительности установки по винилацетату и повышению его себестоимости.

Другим подходом является способ автоматического управления процессом получения винилацетата на основе этилена, включающий регулирование расхода уксусной кислоты из узла подготовки парогазовой смеси в выпарной аппарат на очистку от высококипящих соединений в зависимости от температуры паров кислоты в выпарном аппарате, определение молярного отношения этилена к уксусной кислоте с учетом расхода кислоты на очистку, регулирование расхода очищенной возвратной уксусной кислоты в узел подготовки парогазовой смеси в зависимости от заданных максимального и минимального значений этого расхода и молярного отношения этилена к уксусной кислоте на входе этого узла (SU, 1678816 A1, 23.09.1991).

Недостатком этого подхода управления является то, что величина задания регулятору расхода очищенной возвратной уксусной кислоты определяется без учета текущего значения съема винилацетата. Это ведет к снижению производительности установки по винилацетату.

Третьим подходом является способ автоматического управления процессом получения винилацетата на основе этилена, включающий регулирование температуры парогазовой смеси на входе в реактор синтеза в зависимости от съема винилацетата, определяемого по измеренным значениям расхода винилацетата-сырца и содержания винилацетата в нем, и в зависимости от заданных граничных значений этой температуры и максимального шага управления, регулирование давления пара в паросборнике реактора в зависимости от измеренного профиля температуры в межтрубном пространстве реактора по его длине и температуры смеси на входе в реактор (SU, 1685918 А1, 23.10.1991).

Недостатком этого подхода и способа управления является то, что управление давлением пара в паросборнике реактора осуществляют без учета текущего значения съема винилацетата, а это ведет к снижению производительности установки по винилацетату.

Техническая задача изобретения - повышение производительности установки по винилацетату и снижение его себестоимости.

Техническая задача достигается тем, что в способе автоматического контроля и управления процессом получения винилацетата на основе этилена, заключающемся в регулировании температуры парогазовой смеси на входе в реактор синтеза в зависимости от съема винилацетата, регулировании давления паров хладагента в паросборнике реактора, регулировании расхода кислорода в узел подготовки парогазовой смеси в зависимости от его концентрации на входе в реактор и в узел подготовки парогазовой смеси, регулировании расхода возвратной уксусной кислоты, измерении расхода циркуляционного газа в узел подготовки парогазовой смеси, измерении расхода уксусной кислоты из узла подготовки парогазовой смеси на очистку от высококипящих соединений, измерении состава циркуляционного газа и содержания кислорода в парогазовой смеси, измерении расходов на факел диоксида углерода и циркуляционного газа из узла очистки циркуляционного газа, включающем расчет селективности катализатора по этилену, новым является то, что дополнительно измеряют расход этилена на подпитку циркуляционного газа, расходы циркуляционного газа и парогазовой смеси на анализ, расход свежей уксусной кислоты в узел подготовки парогазовой смеси, температуру продуктов синтеза на выходе реактора, температуру хладагента, подаваемого в рубашку реактора, давление парогазовой смеси на входе в реактор и перепад давления в реакторе и по измеренным значениям расходов на анализ циркуляционного газа и парогазовой смеси, расходов циркуляционного газа и кислорода в узел подготовки парогазовой смеси и концентраций кислорода в циркуляционном газе и парогазовой смеси вычисляют и контролируют расход кислорода в реактор и мольное отношение на входе в реактор газовой смеси, состоящей из этилена, диоксида углерода и инертов к кислороду, по измеренным значениям расходов диоксида углерода и циркуляционного газа на факел, расходов на анализ циркуляционного газа и парогазовой смеси и концентрации в циркуляционном газе и в парогазовой смеси кислорода, расхода этилена, концентрации диоксида углерода в циркуляционном газе, расхода циркуляционного газа в узел подготовки парогазовой смеси и по вычисленному значению расхода кислорода в реактор вычисляют и контролируют конверсию кислорода на образование диоксида углерода и винилацетата и селективность катализатора по этилену, по вычисленным значениям конверсии кислорода на образование винилацетата и расхода кислорода в реактор рассчитывают с учетом загрузки реактора катализатором и контролируют съем винилацетата по измеренным значениям расходов свежей, возвратной уксусной кислоты и уксусной кислоты, подаваемой на очистку, вычисляют и контролируют расход кислоты в реактор, по вычисленным значениям расходов кислоты и кислорода в реактор определяют и контролируют мольное отношение уксусной кислоты к кислороду на входе в реактор, по вычисленному значению расхода кислоты в реактор и измеренным значениям расходов циркуляционного газа и кислорода в узел подготовки парогазовой смеси, расходов на анализ циркуляционного газа и парогазовой смеси вычисляют и контролируют мольную скорость потока смеси через реактор, по измеренным значениям расходов циркуляционного газа в узел подготовки парогазовой смеси, на анализ и на факел, расхода этилена на подпитку, концентрации этилена в циркуляционном газе, расходов на анализ парогазовой смеси и кислорода в узел подготовки парогазовой смеси вычисляют и контролируют конверсию этилена, по измеренным значениям расходов свежей, возвратной и загрязненной уксусной кислоты, вычисленным значениям мольного отношения уксусной кислоты к кислороду, конверсии кислорода на образование винилацетата, расхода кислорода в реактор вычисляют и контролируют конверсию уксусной кислоты, по вычисленным значениям конверсии кислорода на образование винилацетата и диоксида углерода, мольных отношений смеси этилена, диоксида углерода и инертов к кислороду и уксусной кислоты к кислороду, мольной скорости потока и измеренным значениям температуры парогазовой смеси на входе и продуктов синтеза на выходе реактора, давления смеси на входе в реактор и перепада давления в реакторе и температуры хладагента вычисляют с учетом верхних и нижних ограничений коэффициенты математической модели синтеза винилацетата путем минимизации суммы квадратов отклонений, рассчитываемых по модели конверсий кислорода на образование винилацетата и диоксида углерода и температуры продуктов на выходе реактора от вычисленных по данным объекта значений этих конверсий и измеренного значения температуры продуктов на выходе реактора, а по измеренным значениям температуры хладагента и давления его паров определяют коэффициенты зависимости температуры хладагента от давления его паров, вычисляют с учетом верхних и нижних ограничений оптимальные значения температуры парогазовой смеси на входе в реактор, температуры хладагента, расхода уксусной кислоты в реактор путем минимизации суммы квадратов отклонений, рассчитываемых по модели съема винилацетата и перепада температуры в реакторе от заданных значений этих параметров, причем ограничения на оптимальные значения температур формируют из измеренных значений этих параметров и заданных шагов их изменения, вычисляют задание регулятору расхода возвратной уксусной кислоты в узел подготовки парогазовой смеси, исходя из оптимального расхода уксусной кислоты в реактор и измеренных значений расходов свежей, возвратной уксусной кислоты и уксусной кислоты, подаваемой на очистку, вычисляют задание регулятору давления паров хладагента в паросборнике реактора, исходя из оптимального значения температуры хладагента и измеренного давления паров хладагента с учетом вычисленных значений коэффициентов зависимости температуры хладагента от давления его паров, вычисляют задание регулятору температуры парогазовой смеси на входе в реактор, исходя из вычисленного оптимального и измеренного значений этой температуры, и вычисляют задание регулятору расхода кислорода в узел подготовки парогазовой смеси в зависимости от заданного и измеренного значений концентрации кислорода в смеси на входе в реактор, измеренных значений расходов кислорода и циркуляционного газа в узел подготовки парогазовой смеси, расхода циркуляционного газа на анализ и содержание в нем кислорода.

Технический результат изобретения заключается в том, что осуществляется надежный и быстрый автоматический контроль за важнейшими показателями процесса синтеза - конверсией кислорода, этилена и уксусной кислоты, селективностью катализатора по этилену, съемом винилацетата, обеспечивается возможность оптимального управления процессом синтеза винилацетата путем надежного поддерживания съема винилацетата и перепада температуры в реакторе на заданном уровне, что позволяет увеличить производительность установки по винилацетату и снизить себестоимость винилацетата.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется примером его выполнения и фиг.1, 2, 3.

На фиг.1 представлена схема реализации предлагаемого способа.

На фиг.2 приведена блок-схема алгоритма идентификации (настройки) модели синтеза винилацетата.

На фиг.3 представлена блок-схема алгоритма оптимизации отделения синтеза винилацетата.

Схема реализации предлагаемого способа (фиг.1) состоит из узла подготовки парогазовой смеси 1, реактора синтеза винилацетата 2, паросборника реактора 3, узла отделения циркуляционного газа от жидких продуктов синтеза 4, анализаторной 5, узла компримирования циркуляционного газа 6, узла очистки циркуляционного газа от инертов и диоксида углерода 7, теплообменников 8 и 9. Расход свежей уксусной кислоты в узел 1 подготовки парогазовой смеси измеряют датчиком 10, расход кислорода в узел 1 измеряют датчиком 11 и регулируют регулятором 12 и регулирующим клапаном 13. Расход возвратной уксусной кислоты в узел 1 измеряют датчиком 14 и регулируют регулятором 15 и регулирующим клапаном 16. Расход уксусной кислоты из узла подготовки парогазовой смеси на очистку от высококипящих соединений измеряется датчиком расхода 17. Расход циркуляционного газа в узел подготовки парогазовой смеси измеряется датчиком 18, а расходы циркуляционного газа и парогазовой смеси на анализ измеряются соответственно датчиками 19 и 20. Расход этилена на подпитку циркуляционного газа измеряется датчиком 21, расходы на факел диоксида углерода и циркуляционного газа из узла 7 измеряются соответственно датчиками 22 и 23. Содержание кислорода, этилена, диоксида углерода в циркуляционном газе измеряется соответственно анализаторами 24, 25, 26, содержание кислорода в парогазовой смеси измеряется анализаторам 27. Температура парогазовой смеси на входе в реактор измеряется датчиком 28 и регулируется регулятором 29 и клапаном 30. Давление парогазовой смеси на входе в реактор измеряется датчиком 31, а перепад давления на реакторе - датчиком 32. Температура хладагента, поступающего в рубашку реактора из паросборника 3, измеряется датчиком 33, а температура продуктов синтеза на выходе из реактора - датчиком 34. Давление паров хладагента в паросборнике 3 измеряется датчиком давления 35 и регулируется с помощью регулятора 36 и регулирующего клапана 37.

Информация от датчиков 10, 11, 14, 17-28, 31-35 поступает на входы блока контроля и управления 38, в котором вычисляются контролируемые показатели процесса синтеза винилацетата, коэффициенты математической модели данного процесса, определяются задания регуляторам температуры парогазовой смеси на входе в реактор, давления паров хладагента в паросборнике реактора, расходов возвратной уксусной кислоты и кислорода в узел подготовки парогазовой смеси.

Контроль и управление процессом синтеза винилацетата по предлагаемому способу осуществляется следующим образом.

На основании информации, поступающей в блок 38 от датчиков расхода 11, 18, 19 и 20, анализаторов кислорода 24 и 27 вычисляются и контролируются расход кислорода в реактор и мольное отношение на входе в реактор смеси этилена, диоксида углерода и инертов к кислороду:





где вычисленное текущее значение кислорода в реактор, нм³/ч;

вычисленное текущее значение мольного отношения смеси этилена, диоксида углерода и инертов к кислороду на входе в реактор, моль/моль;

F_ЦГ, F_КИС - расходы циркуляционного газа и кислорода в узел подготовки парогазовой смеси, измеряемые соответственно датчиками 18 и 11, нм³/ч;

расходы циркуляционного газа и парогазовой смеси на анализ, измеряемые соответственно датчиками 19 и 20, нм³/ч;

концентрации кислорода в потоках циркуляционного газа и парогазовой смеси, поступающих на анализ, измеряемые соответственно датчиками 24 и 27, об. %.

На основании информации, поступающей от датчиков расхода на факел диоксида углерода 22 и циркуляционного газа 23, от датчиков расхода на анализ циркуляционного газа 19 и парогазовой смеси 20, от датчика расхода циркуляционного газа 18, анализаторов кислорода 24 и 27, анализатора диоксида углерода 26, от датчика расхода этилена 21 и по вычисленному значению расхода кислорода в реактор блоком 38 рассчитываются и контролируются конверсии кислорода на образование диоксида углерода и винилацетата, а также селективность катализатора по этилену:







где х₂ ^Р - рассчитанное текущее значение конверсии кислорода на образование диоксида углерода, доли ед.,

х₁ ^P - рассчитанное текущее значение конверсии кислорода на образование винилацетата, доли ед.;

S_L ^Р - рассчитанное текущее значение селективности катализатора синтеза по этилену, %.

Коэффициент, равный 1,5 в формуле (3), отражает тот факт, что в соответствии с принятым химизмом процесса синтеза винилацетата из этилена на образование 2 молекул СО₂ расходуется 3 молекулы кислорода:





Коэффициент, равный 2 в формуле (5), отражает тот факт, что одна молекула кислорода реагирует с 2 молекулами этилена в реакции (6), а коэффициент в формуле (5) отражает то, что в реакции (7) одна молекула этилена реагирует с 3 молекулами кислорода.

По вычисленным значениям текущего расхода кислорода в реактор и текущей конверсии кислорода на образование винилацетата X₁ ^P вычисляется с учетом загрузки реактора катализатором и контролируется съем винилацетата:



где объем катализатора, загруженного в реактор, л;

86 - вес одного моля винилацетата, кг/моль;

текущее количество молей винилацетата, образующегося в реакторе, моль/ч;

1000 - переводной коэффициент из кг в г;

22,4 - объем, занимаемый 1 молем газа при нормальных условиях, нм³/моль.

Мольное отношение на входе в реактор уксусной кислоты к кислороду определяется по формуле [моль/моль]:





где расход свежей уксусной кислоты в узел подготовки парогазовой смеси, измеряемый датчиком 10, кг/ч;

расход возвратной уксусной кислоты после очистки парогазовой смеси, измеряемый датчиком 14, кг/ч;

расход уксусной кислоты из узла парогазовой смеси на очистку от высококипящих соединений измеряемый датчиком расхода 17, кг/ч;

вычисленное значение расхода уксусной кислоты в реактор, кг/ч;

60 - вес одного моля уксусной кислоты, кг/моль.

Блоком 38 контролируется также мольная скорость потока смеси через реактор в [гмоль/с], которая рассчитывается по формуле:



где переводной коэффициент из [кгмоль/ч] в [гмоль/с];

Конверсия этилена рассчитывается следующим образом:



где концентрация этилена в циркуляционном газе, измеряемая датчиком 25, об.%.

Конверсия уксусной кислоты определяется блоком 38 по следующей формуле:



После вычисления значений величин блок 38 вычисляет коэффициенты математической модели синтеза винилацетата, которая имеет следующий вид:







l=[0,L] - высота слоя катализатора, м.

Кинетические уравнения для скоростей образования винилацетата (W₁) и диоксида углерода (W₂) представляются в виде:





где x₁ и x₂ - соответственно конверсии кислорода на образование винилацетата и диоксида углерода;

S - внутреннее сечение трубки реактора, равное



d_В - внутренний диаметр трубки реактора, м;

мольная концентрация кислорода на входе в реактор, моль/моль:



₁- мольное отношение этилена, диоксида углерода и инертов к кислороду на входе в реактор, моль/моль;

₂- мольное отношение уксусной кислоты к кислороду на входе в реактор, моль/моль;

С_Р - теплоемкость парогазовой смеси на входе в реактор, ккал/мольград;

H₁ и Н₂ - тепловые эффекты образования винилацетата и диоксида углерода, ккал/моль;

N - количество трубок в реакторе, шт.;

К_Т - коэффициент теплопередачи от реакционной смеси к хладагенту, ккал/м²чград.

- число, равное 3,14;

Т и Т_Х - температура реакции синтеза и хладагента соответственно, К;

Р - давление в реакционной зоне реактора, ата.;

К₁ и К₂ - предэкспоненциальные множители в константах скоростей реакций образования винилацетата и диоксида углерода;

d_ср - средний диаметр трубки реактора [м], равный:



d_Н - наружный диаметр трубки реактора, м;

L - полная высота слоя катализатора, м;

₀ - мольная скорость потока смеси через реактор, моль/с.

В модели принято, что давление в зоне реакции Р и температура хладагента являются постоянными величинами. Настраиваемыми параметрами модели являются предэкспоненциальные множители K₁, К₂ и коэффициент теплопередачи K_T. При настройке модели на уравнения (1319) накладываются следующие ограничения:

X₁(l=0)=X₂(l=0)=0 (20)

T(l=0)=T_ВХ+273Т(l=L)=T_ВЫХ+273 (21)



T_X=T_X ^P=T_ХЛ+273 (23)



где Т_ВХ - температура парогазовой смеси на входе в реактор, измеряемая датчиком 28^oС;

Т_ХЛ - температура хладагента, измеряемая датчиком 33^oС;

Р_ВХ - давление парогазовой смеси на входе в реактор, измеряемое датчиком 31, ати;

P - перепад давления на реакторе, измеряемый датчиком 32, ати;

Т_ВЫХ - температура продуктов синтеза на выходе реактора, измеряемая датчиком 34^oС.

Если модель адекватно описывает процесс синтеза винилацетата, то должны соблюдаться следующие условия:

х₁(l=L)=х₁ ^Р, х₂(l=L)=х₂ ^Р, Т(l=L)=Т_ВЫХ+273 (25)

Поэтому в качестве критерия идентификации модели синтеза принят следующий:

R₁(K₁,K₂,K_Т)=[x_1L(K₁,K₂,К_Т)-x₁ ^Р]²+[x_2L(K₁,K₂,K_Т)-x₂ ^Р]²+[Т_L(К₁, К₂,К_Т)-(Т_ВЫХ+273)]² (26)

Задача вычисления коэффициентов К₁, K₂, К_Т заключается в нахождении таких значений этих коэффициентов, которые обеспечивают при вычисленных значениях величин (соответственно смотри формулы 2, 3, 4, 9, 10, 21, 23, 24) минимум критерия (26) при ограничениях, накладываемых на значения величин K₁, К₂, К_Т:



при



Перепишем ограничения (28), накладываемые на искомые переменные K₁, К₂, К_T, следующим образом:



С учетом ограничений (29) целевая функция (27) запишется следующим образом:



где Y_i - величины (29),

10¹⁰ - "штрафной коэффициент".

Алгоритм определения оптимальных значений коэффициентов К₁ ⁰, К₂ ⁰, К_T ⁰, соответствующих критерию (30), представлен на фиг.2.

Блок 2 алгоритма осуществляет выбор начальных значений коэффициентов К₁, К₂, К_Т, соответствующих условию (28).

Блок 3. Решение методом прямоугольников уравнений модели синтеза винилацетата (13)-(19) при условии (20)-(24), нахождение величин Х_{1 L}, Х_{2 L}, Т_L.

Блок 4. Вычисление значения критерия R₁ по формуле (27).

Блок 5. Сравнение величины R₁ с заданной малой величиной ₁.

Если R₁₁, алгоритм заканчивает свою работу, если R₁>₁, следует переход к блоку оптимизации 6.

Блок 6. Нахождение с помощью метода конфигураций Хука-Дживса новых значений коэффициентов минимизирующих функцию (30), при этом уравнения модели (13)-(19) интегрируются методом прямоугольников при условиях (20)-(24). Найденное значение сравнивается затем в блоке 5 с заданной малой величиной ₁. Если значение то алгоритм заканчивает свою работу и оптимальные значения коэффициентов равны

Если то методом Хука-Дживса находятся новые значения

В результате работы алгоритма (фиг.2) определяются такие значения коэффициентов K₁ ⁰, K₂ ⁰, K_T ⁰, которые обеспечивают заданный минимум функции (30) и являются искомыми величинами, обеспечивающими адекватность модели синтеза объекту.

Зависимость между температурой хладагента и давлением его паров в паросборнике реактора выражается следующей формулой:



где а₁, а₂, a₃ - параметры модели определяемые, экспериментально.

В модели (31) корректировке подлежат только коэффициент а₃, который определяется блоком 38 следующим образом:



Откуда



где Т_ХЛ и Р_ХЛ - измеренные соответственно датчиками 33 и 35 значения температуры хладагента и давления его паров (ати);

а₁ ⁰, а₂ ⁰ - постоянные коэффициенты зависимости (32), определяемые экспериментально и равные: а₁ ⁰=3774,4; а₂ ⁰=11,595.

После настройки модели синтеза винилацетата и определения коэффициента аз блоком 38 определяются оптимальные значения температуры хладагента и расхода уксусной кислоты в реактор.

Задача оптимизации режима реактора синтеза винилацетата заключается в поиске таких значений температуры парогазовой смеси, температуры хладагента и расхода уксусной кислоты в реактор, которые обеспечивают минимум критерия:



при ограничениях:



Перепишем ограничения (35), накладываемые на искомые переменные Т₀, Т_Х, F_УК, следующем образом:



С учетом ограничений (36) целевая функция (34) запишется следующим образом:



где Y_i - величины (36);

10¹⁰ - "штрафной" коэффициент;

заданные значения соответственно съема винилацетата и температуры на выходе реактора;

где заданный перепад температуры в реакторе.

В процессе поиска оптимальных значений Т₀, Т_Х, F_УК, обеспечивающих min R₂, предполагается, что расход кислорода в реактор, мольное отношение смеси этилена, диоксида углерода и инертов к кислороду, давление в зоне реакции равны расчетным значениям, вычисленным соответственно по формулам (1), (2), (24), а значения величин равны:







При этом значения Х_1L(Т₀,Т_X,F_УК) и Т_L(Т₀,T_Х,F_УК) находятся из решения системы уравнений (13)-(19).

Алгоритм определения оптимальных значений переменных обеспечивающих (37), приведен на фиг.3.

Блок 2. Осуществляет выбор начальных значений переменных Т₀,Т_X,F_УК, соответствующих условию (35).

Блок 3. Решение системы уравнений (13)-(19) при условиях (20)-(24), (38), (39), и выбранных в блоке 2 значениях Т₀, Т_X, F_УК.

Блок 4. Вычисление значения функции R₂(Т₀,Т_X,F_УК) по формуле (34).

Блок 5. Сравнение вычисленной величины R₂ с заданной малой величиной ₂. Если R₂₂, алгоритм переходит к блоку 7 и заканчивает свою работу. Если R₂>, алгоритм переходит к блоку 6.

Блок 6. Нахождение методом конфигураций Хука-Дживса новых значений величин , минимизирующих функцию (37), вычисление функции При этом уравнения модели (13)-(19) интегрируются методом прямоугольников при условиях (20), (24), (38), (39) и

Найденное значение сравнивается затем в блоке 5 с заданной величиной ₂.

Если то алгоритм заканчивает свою работу и оптимальные значения переменных равны Если же то методом Хука-Дживса находятся новые значения .

Таким образом, в результате работы алгоритма (фиг.3) определяются такие значения переменных которые обеспечивают заданный минимум функции (37) и являются искомыми величинами.

Ограничения по температуре парогазовой смеси на входе в реакторе и по температуре хладагента в (35) формируется следующим образом:



где T₁, T₂, T₃, T₄- заданные шаги изменения температур ^oС, выбираемые в пределах 0,3-1^oС.

Такой выбор ограничений по температуре связан с необходимостью обеспечения постепенного повышения температуры парогазовой смеси на входе в реакторе в течение цикла работы катализатора, обеспечивающего компенсацию падения активности катализатора с течением времени.

На основании вычисленных оптимальных значений блок 38 вычисляет задания соответствующим регуляторам.

Задание регулятору расхода возвратной уксусной кислоты 15 в узел подготовки парогазовой смеси 1 вычисляют следующим образом:





где оптимальное значение расхода возвратной уксусной кислоты в узел подготовки парогазовой смеси, кг/ч;

оптимальное значение расхода кислоты в реактор, кг/ч, рассчитанное алгоритмом оптимизации (фиг.3);

расход свежей уксусной кислоты, измеряемый датчиком 10, кг/ч;

расход загрязненной уксусной кислоты на очистку измеряемой датчиком 17, кг/ч;

расход возвратной уксусной кислоты в узел 1 подготовки парогазовой смеси, измеряемый датчиком 14, кг/ч;

значение уставки регулятору 15 на прошлом N-1 шаге, кг/ч. На первом шаге

значение задания (уставки) регулятору 15 на текущем N шаге, кг/ч. На первом шаге

Задание регулятору давления паров хладагента 36 в паросборнике 3 вычисляют следующим образом:





где оптимальное значение давления паров хладагента в паросборнике 3, ати;

Т_X ⁰ - оптимальное значение температуры хладагента, рассчитанное алгоритмом оптимизации (фиг.3), ^oС;

значение уставки регулятору 36 на текущем N шаге, ати. На первом шаге

значение установки регулятору 36 на прошлом N-1 шаге, ати. На первом шаге

Р_ХЛ - измеренное датчиком 35 давление паров хладагента в паросборнике 3, ати.

Задание регулятору температуры парогазовой смеси 29 на входе в реактор 2 определяют следующим образом:



где значение задания регулятору 29 на текущем N шаге, ^oС;

значение задания регулятору 29 на прошлом N-1 шаге, ^oС;

Т₀ ⁰ - оптимальное значение температуры парогазовой смеси, рассчитанное в алгоритме оптимизации (фиг.3), ^oС.

Т_вх - измеренное датчиком 28 значение температуры парогазовой смеси на входе в реактор, ^oС.

Задачей оптимального управления расходом кислорода в узел подготовки парогазовой смеси является поддержание заданного значения концентрации кислорода (в об.% на сухой газ) в парогазовой смеси на входе в реактор. Для максимальной текущей выработки винилацетата заданное значение концентрации кислорода в смеси должно быть не меньше предельного, определяемого границей безопасности процесса.

Из материального баланса по кислороду для узла подготовки парогазовой смеси следует равенство:



где величина, равная 0, при условии безошибочных измерений расходов и концентраций.

В промышленных условиях из-за погрешностей измерений величина в (47) не будет равна 0. Ее численное значение вытекает из (47) и равно:



Равенство (47) записано для измеренных значений Для заданного значения величины выражение (47) запишется следующим образом:



Откуда:



где расход кислорода, необходимый для поддержания заданного значения концентрации кислорода

рассчитывается по формуле (48).

Уставка регулятору расхода кислорода 12 в узел подготовки парогазовой смеси определяется следующим образом:



где значение уставки регулятору расхода кислорода 12 на N шаге, нм³/ч. На первом шаге

значение уставки регулятору расхода кислорода 12 на N-1 шаге, нм³/ч. На первом шаге

F_КИС - измеренный датчиком 11 расход кислорода в узел подготовки парогазовой смеси, нм³/ч.

Рассчитанные блоком 38 значения уставок регулятором расхода кислорода 12, уксусной кислоты 15, температуры смеси 29, давления хладагента 36 поступают с выхода блока 38 в камеры задания этих регуляторов. Реализация функционального блока 38 осуществляется с помощью средств вычислительной техники.

Предлагаемый способ автоматического контроля и управления позволяет надежно и быстро контролировать важнейшие показатели процесса синтеза конверсии кислорода, этилена и уксусной кислоты, селективность катализатора по этилену и съем винилацетата, позволяет оптимально управлять процессом синтеза винилацетата, надежно поддерживая съем винилацетата и перепад температуры на реакторе на заданном уровне. Это позволяет увеличить производительность установки по винилацетату и снизить его себестоимость.

Пример реализации способа

В таблице 1 приведены измеренные значения параметров объекта на текущем N шаге.

В таблице 2 представлены постоянные величины, используемые в расчетах, включая граничные значения коэффициентов модели синтеза, используемые при настройке модели по алгоритму настройки (фиг.2), граничные значения на переменные Т₀, Т_Х, Т_УК используем при оптимизации процесса по алгоритму оптимизации (фиг. 3), а также приведены задания по съему винилацетата, температуре на выходе реактора, концентрации кислорода в парогазовой смеси.

В таблице 3 приведены расчетные значения параметров и величин, используемых для контроля и управления по предлагаемому способу.

Рассчитанные блоком 38 значения заданий (уставок) регулятором 15, 36, 29, 12 (табл. 3 величины 17, 19, 20, 23) поступают с выхода блока 38 в камеры заданий этим регуляторам.