Реактор (Проек. АСОиУ)

Федеральное агентство по образованию
Нижнекамский химико-технологический институт (филиал)
государственного образовательного учреждения высшего
профессионального образования
Казанский государственный технологический университет










АВТОМАТИЗАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ

Методические указания

для студентов специальностей
230102, 220301











Нижнекамск, 2006
































Федеральное агентство по образованию
Нижнекамский химико-технологический институт (филиал)
государственного образовательного учреждения высшего
профессионального образования
Казанский государственный технологический университет










АВТОМАТИЗАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ

Методические указания

для студентов специальностей
230102, 220301











2006
Составители: Н.И. Ларионова, М.В. Коломоец, Г.П. Сечина.

Автоматизация химических реакторов. Методические указания/ Сост. Н.И. Ларионова, М.В. Коломоец, Г.П. Сечина. Нижнекамск, 2006.-60 с.

Рассмотрены вопросы автоматизации химических реакторов, особенности автоматизации трубчатых реакторов. Приведены принципиальные схемы автоматического управления реакторами непрерывного действия.

Предназначены для лабораторного обеспечения дисциплин «Проектирование АСОИУ» по специальности 230102 «Автоматизированные системы обработки информации и управления» и «Системы автоматизации и управления» по специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств».

Под редакцией профессора В.И. Елизарова

Печатается по решению методической комиссии Нижнекамского химико–технологического института по циклу дисциплин систем автоматизации, электротехники и электропривода

Рецензенты: доцент Р.М. Хусаинова
доцент Р.Н. Салахиев







СОДЕРЖАНИЕ

Введение
4

1. Общие сведения по теории химических процессов
8

2. Классификация химических реакторов
16

3. Способы обеспечения температурного режима химических процессов

22

4. Основные элементы схем автоматического управления реакторами непрерывного действия

25

5. Особенности регулирования трубчатых реакторов
31

6. Некоторые принципиальные схемы автоматического управления реакторами непрерывного действия


6.1. Реакция полимеризации
39

6.2. Технологическая схема процесса
40

6.3. Автоматизация процесса
43

6.4. Устойчивость тепловых режимов реакторов
45

6.5. Проблемы устойчивости
54

6.6.Реактор синтеза МБД в производстве бутилкаучука
55

6.7. Реактор полимеризации изопрена
56

6.8. Реактор сополимеризации изобутилена с изопреном
57

Библиографический список
60















ВВЕДЕНИЕ

Важнейшей составной частью химических производств является реакционное оборудование, предназначенное для осуществления необходимых химических процессов. Это оборудование включает в себя большое число различных реакционных аппаратов и установок, отличающихся принципом работы, типом и конкретным конструктивным исполнением, фазовым состоянием реагентов и т.д. Кроме того, химические процессы решающим образом влияют на экономику производства, поэтому существенное значение приобретает экономически обоснованный выбор эксплуатационных параметров химических реакторов. Химические реакторы отличаются разнообразием протекающих в них реакций, принципов действий и конструкций. Химический реактор является основным аппаратом в технологической схеме получения практически любого химического продукта. Работой реактора в значительной мере определяется производительность установки в целом, качество и себестоимость получаемых продуктов.
Упрощенная структурная схема реактора представлена на рис. 1.













Рис. 1. Структурная схема химического реактора
Скорость химической реакции определяется уравнениями кинетики и взаимодействием гидродинамических, массообменных и тепловых процессов в аппаратуре, от которых зависит концентрация реагентов и условия протекания реакции. В свою очередь, химические превращения в реакторе приводят к изменению тепловых и гидродинамических процессов в нем. Этим взаимосвязям соответствуют перекресные связи в структурной схеме реактора. Наличие таких внутренних обратных связей может приводить к возникновению неустойчивых режимов, автоколебаниям параметров процесса, изменению качества получаемого продукта и должно учитываться при построении систем автоматизации химических реакторов.
При рассмотрении реакторов как объектов управления многие их особенности не играют существенной роли. Весьма важным является разделение реакторов по режиму их работы на непрерывные и периодические. В первом случае реактор может сколько угодно долго работать при непрерывном вводе и выводе материальных потоков. Во втором случае реактор периодически останавливается для осуществления операций загрузки-выгрузки или для регенерации катализатора, сорбента. Непрерывный режим является наиболее предпочтительным для организации автоматизированного управления. Аппараты непрерывного действия обладают, как правило, высокой удельной производительностью, требуют меньшее количество обслуживающего персонала, благодаря чему широко применяются в химической промышленности. Реакторы периодического действия используются для проведения медленных химических процессов, гетерогенных каталитических процессов с частой регенерацией катализатора, а также в малотоннажных производствах. Автоматическое управления таких реакторов осуществляется с использованием различных реле времени, таймеров, дозаторов периодического действия, задатчиков с программным управлением. На современных крупных установках управление системой реакторов периодического действия, работающих параллельно, со смещенными фазами цикла производится с помощью специальных ЭВМ.
Задачи управления непрерывными и периодическими реакторами различны. Для непрерывно работающих реакторов характерны задачи стабилизации параметров на заданных значениях в стационарном режиме. Для периодически работающих реакторов – проведение процесса по заданной программе (например, изменение температуры в реакторе по определенному закону). Стационарный процесс в таком реакторе невозможен.
По фазовому состоянию реагентов различают гомогенные и гетерогенные. Реакции могут быть некаталитическими и каталитическими, иметь разный порядок, различаться типом механизма (необратимые, обратимые, последовательные, параллельные), а также условиями проведения (изотермические, неизотермические, при постоянном давлении, адиабатические и т.д.). Предполагается, что в изотермических реакторах теплообмен через стенку идеальный, а тепло, выделяемое в результате химической реакции или поглощаемое в ходе реакции, мгновенно отводится от реагирующей смеси, так что температура в реакторе не изменится. При полном отсутствии теплообмена через стенку реактора в нем протекает адиабатический процесс.
В зависимости от гидродинамики процесса различают два крайних режима работы реакторов: идеальное смешение и идеальное вытеснение. Химические реакции разделяются на экзотермические и эндотермические (с поглощением тепла). Более сложными для управления являются экзотермические процессы, когда сравнительно небольшое изменение температуры в реакторе может приводить к значительным изменениям степени конверсии. Иногда, это может вызвать неустойчивость процесса, если изменение количества выделяемого при реакции тепла не может быть скомпенсировано соответствующим изменением скорости отвода тепла. Неустойчивость процесса может приводить к взрывам и аварийной остановке реактора.
В первом разделе приведены общие сведения по теории химических процессов, даны понятия систем превращения и селективности.
Во втором разделе дана классификация химических реакторов и постановка задачи на автоматизацию.
В третьем и четвертом разделах приведены способы обеспечения температурного режима и основные элементы схем автоматического управления реакторами непрерывного действия.
В пятом разделе дана характеристика особенностей регулирования трубчатых реакторов, которые вызывают некоторую сложность при автоматизации.
В шестом разделе рассмотрен процесс полимеризации этилена под давлением и некоторые другие реакторы.
Данные методические указания будут также полезны студентам, выполняющим курсовые и дипломные проекты, в которых базовыми являются процессы, протекающие в реакторах различного вида. Приведенный анализ процесса химического превращения позволит правильно подойти к вопросу управления его режимом и выбрать наиболее рациональную схему автоматизации.











I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ПО ТЕОРИИ
ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Современный химический реактор – это сложный аппарат, имеющий много устройств и механизмов, выполняющих различные операции по ускорению производства целевого продукта, оборудованный сложной системой контрольно-из-мерительных приборов (контроль и регулирование температуры, состава и давления, уровня, расхода и т.п.). Все эти устройства и приборы должны учитываться при проектировании реактора.

1.1. Факторы, определяющие конструкцию реактора

а) физические свойства и агрегатное состояние продукта,
б) требуемая интенсивность перемешивания,
в) температура и давление,
г) тепловой эффект и требуемая интенсивность теплообмена,
д) агрессивность и токсичность массы,
е) взрыво- и пожароопасность производства.
а) Химическая реакция может происходить при следующих сочетаниях агрегатного состояния реагентов: газ-газ (Г-Г), газ-жидкость (Г-Ж), газ - твердое тело (Г-Т), жидкость-жидкость (Ж-Ж), жидкость - твердое тело (Ж-Т), твердое тело - твердое тело (Т-Т).
Гомогенные системы характеризуются однородным физическим состоянием и прохождением химической реакции по всему объему аппарата. Поэтому производительность аппарата пропорционально зависит от объема.
Гетерогенные системы характеризуются наличием поверхности раздела фаз, на каждой поверхности идет химическое превращение вещества. Производительность аппаратов для гетерогенных реакций зависит от величины развития межфазной поверхности.
Для гомогенной поверхности «газ-газ» достаточно иметь замкнутый объем, в который закачиваются компоненты и создаются определенные температура и давление, необходимые для протекания реакции. Производительность в этом случае зависит от объема аппарата. Для непрерывно действующих реакторов производительность будет определяться временем пребывания компонентов в нем. Последнее зависит от наличия дополнительных перегородок в аппарате. Теплообмен в аппарате организуется за счет рубашки или трубчатого теплообменника с интенсификацией при помощи перемешивающих устройств.
Гетерогенная система «газ-жидкость» для ускорения реакции требует увеличения межфазной поверхности и турбулентности на границе раздела фаз за счет перемешивания и больших скоростей фаз при сохранении соответствия между межфазной поверхностью и реакционным объемом.
В зависимости от скорости реакции в системе «газ - твердое тело» выбирается необходимость и интенсивность перемешивания. Порядок проектирования реакторов для систем «газ - твердое тело» такой же, как и для гомогенных процессов. Разница заключается в том, что при расчете реактора для гетерогенных процессов принимают скорость реакции, учитывающую взаимосвязь химической реакции и массопередачи.
Скорость реакции гетерогенного процесса определяет производительность всей системы и является функцией скорости массопередачи, которая увеличивается в зависимости от турбулизации газового потока. Скорость потока должна соответствовать размерам аппарата (высоте), чтобы сохранить необходимое время контакта компонентов «газ - твердое тело» (Г-Т)
13 EMBED Equation.3 1415, где
где V – объем аппарата;
(0 – объемная скорость газа, при постоянной заданной температуре и давления в реакторе.
Таким образом, скорость потока газа определяет производительность реактора.
Система «Ж-Ж» сходна с системой «Г-Г», если две жидкости взаимно растворимы (т.е. процесс гомогенный).
Если же жидкости нерастворимы друг в друге (процесс гетерогенный), то система схожа с системой «Г-Ж».
Для системы «Т -Т» основным условием активного взаимодействия является развитая поверхность контакта, которая достигается тонким измельчением и интенсивным перемешиванием, позволяющим обновлять эту поверхность контакта.
Агрегатное состояние взаимодействующих реагентов определяет форму и конструкцию элементов реактора, например, теплообменников, мешалок.
б) Конструкция перемешивающих устройств выбирается в зависимости от агрегатного состояния компонентов, их физических свойств и требуемого теплообмена.
В гомогенных системах перемешивающее устройство служит только для условий теплообмена.
в) Температура является основным параметром в реакторе, поддержание которой необходимо для обеспечения заданной производительности и безопасности протекания процесса.
По заданной температуре выбирается конструкция и размеры теплообменника и теплоноситель. Если температура не более 1400С, то теплоноситель – водяной пар низкого давления; до 1800С – пар высокого давления; при более высоких температурах – высокотемпературные теплоносители; при температуре ниже 00С для охлаждения применяют рассолы, до 00С – артезианскую или обычную воду.
Давление в реакторе определяет форму и размеры аппарата, конструкцию узлов крепления трубопроводов и герметизации, материал и толщину корпуса.
г) Агрессивность реагентов влияет на выбор материала корпуса, учитывая коррозионную стойкость и его инертность к химическому процессу в аппарате.
Токсичность предъявляет особые требования к конструкции аппарата – идеальная и надежная герметизация, работа аппарата под вакуумом; дистанционный контроль и управление, система аварийного сброса.
Обработка взрыво-и пожароопасных веществ ведется в герметичных аппаратах с дистанционным управлением и контролем. Имеются устройства аварийного сброса, быстродействующие автоматические пожарные системы, локально-погружные системы, дренчерные и спринклерные устройства.
Научно-исследовательские работы в области автоматизации безопасности производств, с использованием реакторов, производится в следующих направлениях:
Создание быстродействующих автоматических систем для локализации и ликвидации возникших аварийных ситуаций;
Создание оборудования и реакторов с безопасным способом переработки токсичных, пожаро-и взрывоопасных веществ.
Реакционная масса в общем случае представляет смесь исходных реагентов (А1, А2, А3, ), промежуточных соединений (В1,В2, В3, ), конечных веществ (С1,С2,С3,.), инертных веществ и специальных добавок (растворители, газы носители, теплоносители, пеногасители, ингибиторы коррозии, коагулянты и т.д. – (Д1, Д2, Д3, ), катализаторов (Е1, Е2, Е3, ). В зависимости от фазового состояния этой смеси химические процессы могут быть гомогенными (газофазные, жидкофазные) или гетерогенными (газожидкостные, эмульсионные, суспензионные, с твердым катализатором). По тепловому эффекту химические процессы подразделяются на экзотермические (с выделением тепла) и эндотермические (с поглощением тепла).
Скорость химической реакции есть изменение (уменьшение или увеличение) числа молей реагентов в результате химического взаимодействия в единицу времени на единицу объема
(для гомогенных реакций) или на единицу поверхности (массы) для гетерогенных процессов.
13 EMBED Equation.3 1415 (1)
Скорость гомогенных химических реакций равна
13 EMBED Equation.3 1415 (2)
Вводя концентрацию С, в общем случае получим:
13 EMBED Equation.3 1415 (3)
или
13 EMBED Equation.3 1415 (4)

Для реакций, идущих при постоянном объеме в замкнутой системе, второе слагаемое уравнения (4) равно 0, и это уравнение приводится к виду:
13 EMBED Equation.3 1415 (5)
Знак «+» указывает, что в реакции накапливается вещество,
«-» - что концентрация вещества снижается
Для гетерогенных химических реакций скорость процесса можно представить следующими соотношениями.

13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415 (6)

13 EMBED Equation.3 1415 (7)

Согласно закону действующих масс скорость реакции пропорциональна наличной концентрации реагирующих веществ; так для реакции между исходными компонентами А и В будем иметь
13 EMBED Equation.3 1415 (8)
к – коэффициент пропорциональности, или константа скорости реакции
Гетерогенные химические процессы сопровождаются явлениями массопереноса реагентов у поверхности раздела фаз.
Скорость массопереноса зависит от:
удельной межфазной поверхности а;
гидродинамических условий, критерий Рейнольдса Re;
физических свойств, диффузионного критерия Прандтля Рrд.
Если химические превращения протекают очень быстро, то лимитирующей стадией гетерогенного химического процесса может стать скорость подвода и отвода реагирующих веществ к межфазной поверхности и от нее, т.е. массообменный процесс. Скорость такого химического процесса, протекающего в диффузионной области, описывается соотношением
13 EMBED Equation.3 1415 (9)

В том случае, когда медленной стадией гетерогенного процесса является химическое превращение, скорость процесса определяется уравнением вида (1), область протекания процесса называется кинетической.
Уравнения вида (1) и (9), записанные для основных компонентов и дополненные уравнениями материального и теплового баланса, являются основой технологического расчета реакторов.









Рис.2 Общая схема превращений исходного реагента GН в реакторе:

Работа всего реактора характеризуется целым рядом показателей. Реагент, подаваемый в аппарат в количестве GН, может:
а) в количестве GЦ превратится в целевой компонент;
б) в количестве GК выйти из аппарата, не вступая в химические реакции;
в) в количестве GП превратиться в побочные продукты (рис. 2).
В соответствии с этими обозначениями основные показатели химического процесса записываются следующим образом:
13 EMBED Equation.3 1415 - степень превращения,
13 EMBED Equation.3 1415 - (11)
Полная или интегральная селективность S – это отношение количества исходного реагента, расходуемого на целевую реакцию, к общему количеству исходного реагента, пошедшего на реакцию.
Степень превращения X- это доля исходного реагента, использованного на химическую реацию.
Есть также более сложные показатели, к которым относятся себестоимость получаемого целевого вещества или продукта и сумма приведенных затрат на единицу выпущенной продукции.
Химические реакторы являются часто наиболее сложными объектами регулирования на химическом заводе. Особенно это относится к тем реактором, в которых проходит быстрая экзотермическая реакция. Рост температуры реакции на 10С может увеличить ее скорость почти на 10 % и значительно изменить конверсию, а, следовательно, и производительность реактора. Кроме того, увеличение скорости реакции с ростом температуры может привести к неустойчивости реактора. Если, например, при подъеме температуры в реакторе на 10С скорость выделения тепла реакции увеличивается на 10 % и при этом не происходит резкого увеличения скорости теплоотвода, достаточного для восстановления нормальной температуры, то рост температуры будет продолжаться.
Степень самовыравнивания реактора зависит от соотношения скоростей выделения и отвода тепла с изменением температуры. Реактор будет устойчив, если, например, увеличение скорости выделения тепла на 10 % сопровождается 100% - ным увеличением скорости теплоотвода. Если скорость выделения тепла реакции увеличивается значительно быстрее, чем скорость теплотвода, но реактор сам по себе неустойчив, но в ряде случаев им удается управлять с помощью системы автоматического регулирования.
Промышленные реакторы по экономическим соображениям или вследствие не учета динамики процесса при проектировании системы часто работают в условиях, близких к неустойчивым режимам, при этом имеют место нарушения в ходе реакции, которые приводят к забивке трубок реактора или взрывам.
В том случае, когда системы автоматического регулирования недостаточно, чтобы стабилизировать быстро изменяющуюся температуру, применяется система автоматической аварийной блокировки, которая позволяет остановить реакцию путем выключения подачи сырья в реакторе или выделение катализатора.
При проектировании системы автоматического управления реактором необходимо хорошо знать кинетические закономерности процесса и выявлять параметры, в наибольшей степени, влияющие на скорость химических превращений.
Если процесс протекает в кинетической области, то важнейшим определяющим параметром является температура, изменение которой всего на 100С может более чем в два раза изменить скорость как основных, так и побочных реакций.
Для процессов, протекающих в диффузионной области, на первый план выдвигаются гидродинамические факторы, например, интенсивность перемешивания, размер частиц, капель, пузырьков дисперсионной фазы.
Целесообразно рассмотреть работу реактора в составе технологической установки и оценить, какие параметры необходимо стабилизировать или регулировать в определенных пределах.
Важнейшей информацией является зависимость основных показателей, определяемых выражениями (10 и 11), от условий работы реактора, на основе которых осуществляется выбор оптимального режима работы.

2. КЛАССИФИКАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ

Основу большинства химико-технологических процессов составляют реакторные процессы, в ходе которых сырье и реагенты превращаются в новые химические продукты.
Главными показателями, которые характеризуют процесс, являются скорость реакции и степень превращения сырья в готовый продукт.
Задача управления заключается в поддержании оптимальных значений этих показателей, обеспечивающих получение продукта заданного качества при максимальной производительности реактора и минимальных затратах.
Скорость реакции зависит от температуры и давления в реакторе, от концентрации реагирующих веществ и активности или концентрации катализатора. Следовательно, каждый из перечисленных факторов может быть использован в качестве управляющего воздействия на реакторный процесс.13 EMBED Equation.3 1415
Классификация химических реакторов и режимов их работы.
Химические реакторы для проведения различных процессов отличаются друг от друга по конструктивным признакам. Однако, несмотря на существующие различия, можно выделить общие признаки классификации реакторов, облегчающие систематизацию сведений о них, составление математического описания и выбор метода расчета.
Наиболее употребимы следующие признаки классификации химических реакторов и режимов их работы: 1) режим движения реакционной среды (гидродинамическая обстановка в реакторе); 2) условия теплообмена в реакторе; 3) фазовый состав реакционной смеси; 4) способ организации процесса; 5) характер изменения параметров процесса во времени; 6) конструктивные характеристики.
Классификация реакторов по гидродинамической обстановке. В зависимости от гидродинамической обстановки можно разделить все реакторы на реакторы смешения и вытеснения.
Реакторы смешения - это емкостные аппараты с перемешиванием механической мешалкой или циркуляционным насосом. Реакторы вытеснения - трубчатые аппараты, имеющие вид удлиненного канала. В трубчатых реакторах перемешивание имеет локальный характер и вызывается неравномерностью распределения скорости потока.
В теории химических реакторов обычно сначала рассматривают два идеальных аппарата - реактор идеального или полного смешения и реактор идеального или полного вытеснения.
Для модели идеального смешения принимается ряд допущений. Допускается, что в результате интенсивного перемешивания устанавливаются абсолютно одинаковые условия в любой точке реактора: концентрации реагентов и продуктов, степени превращения реагентов, температура, скорость химической реакции и т.д.
Реактор идеального вытеснения представляет собой длинный канал, через который реакционная смесь движется в поршневом режиме. Идеальное вытеснение возможно при выполнении следующих допущений: 1) движущий поток имеет плоский профиль линейных скоростей; 2) отсутствует обусловленное любыми причинами перемешивание в направлении оси потока.
Реальные реакторы в большей или меньшей степени приближаются к модели идеального вытеснения или идеального смещения. Внесение определенных поправок на неидеальность позволяет использовать модели идеальных аппаратов в качестве исходных для описания реальных реакторов.
Классификация по условиям теплообмена. Протекающие в реакторах химические реакции сопровождаются тепловыми эффектами (это тепловые эффекты химических реакций и сопровождающих их физических явлений, таких, например, как процессы растворения, кристаллизации, испарения и т.п.). Вследствие выделения или поглощения теплоты изменяется температура и возникает разность температур между реактором и окружающей средой, а в определенных случаях температурный градиент внутри реактора. Разность температур (Т является движущей силой теплообмена.
При отсутствии теплообмена с окружающей средой химический реактор является адиабатическим. В нем вся теплота, выделяющаяся или поглощающаяся в результате химических процессов, расходуется на «внутренний» теплообмен и на нагрев или охлаждение реакционной смеси.
Изотермические реакторы. Для сохранения постоянной температуры процесса в реакторах этого типа необходимо подводить или отводить тепло в соответствии с тепловым эффектом реакции. Однако, изотермические реакторы сравнительно редко используются в крупномасштабных производствах; высокая стоимость оборудования или теплообмена делает процесс неэкономичным. Поэтому промышленные реакторы чаще проектируются как адиабатическими или политропическими.
Политропические реакторы. В этих аппаратах предусмотрен подвод или отвод тепла.
В реакторах с промежуточным тепловым режимом тепловой эффект химической реакции частично компенсируется за счет теплообмена с окружающей средой, а частично вызывает изменение температуры реакционной смеси.
Особо следует выделить автотермические реакторы, в которых поддержание необходимой температуры процесса осуществляется только за счет теплоты химического процесса без использования внешних источников энергии. Обычно стремятся к тому, чтобы химические реакторы, особенно применяемые в крупнотоннажных производствах, были автотермическими.
Классификация по фазовому составу реакционной смеси. Реакторы для проведения гомогенных процессов подразделяют на аппараты для газофазных и жидкофазных реакций. Аппараты для проведения гетерогенных процессов, в свою очередь, подразделяют на газожидкостные реакторы, реакторы для процессов в системах газ - твердое вещество, жидкость твердое вещество и др. Особо следует выделить реакторы для проведения гетерогенно-каталитических процессов.
Классификация по способу организации процесса. По способу организации процесса (способу подвода реагентов и отвода продуктов) реакторы подразделяют на периодические, непрерывно-действующие и полунепрерывные (полупериодические).
В реакторе периодического действия все отдельные стадии протекают последовательно, в разное время. Все реагенты вводят в аппарат до начала реакции, а смесь продуктов отводят после окончания процесса. Продолжительность реакции можно измерить непосредственно, так как время реакции и время пребывания реагентов в реакционном объеме одинаковы. Параметры технологического процесса в периодически действующем реакторе изменяются во времени.
Между отдельными реакционными циклами в периодическом реакторе необходимо осуществить вспомогательные операции - загрузку реагентов и выгрузку продуктов. Поскольку во время этих вспомогательных операций не может быть получено дополнительное количество продукта, их наличие обусловливает снижение производительности периодического реактора.
В реакторе непрерывного действия (проточном) все отдельные стадии процесса химического превращения вещества и подача реагирующих веществ, химическая реакция, вывод готового продукта) осуществляются одновременно и, следовательно, непроизводительные затраты времени на операции загрузки и выгрузки отсутствуют. Поэтому на современных крупнотоннажных химических производствах, где требуется высокая производительность реакционного оборудования, большинство химических реакций осуществляют в непрерывно действующих реакторах.
Время пребывания отдельных частиц потока в непрерывно-действующем реакторе, в общем случае, случайная величина. Так как от времени, в течение которого происходит реакция, зависит глубина химического превращения, то она будет разной для частиц с разным временем пребывания в реакторе. Средняя глубина превращения определяется видом функции распределения времени пребывания отдельных частиц, зависящим, в свою очередь, от характера перемешивания, структуры потоков в аппарате и для каждого гидродинамического типа реактора индивидуальным.
Реактор полунепрерывного (полупериодического) действия характеризуется тем, что один из реагентов поступает в него непрерывно, а другой - периодически. Возможны варианты, когда реагенты поступают в реактор периодически, а продукты реакции выводятся непрерывно, или наоборот.
Классификация по характеру изменения параметров процесса во времени. В зависимости от характера изменения параметров процесса во времени одни и те же реакторы могут работать в стационарном и нестационарном режимах.
Рассмотрим некоторую произвольную точку, находящуюся внутри химического реактора. Режим работы реактора называют стационарным, если протекание химической реакции в произвольно выбранной точке характеризуется одинаковыми значениями концентраций реагентов или продуктов, температуры, скорости и других параметров процесса в любой момент времени. В стационарном режиме параметры потока на выходе из реактора не зависят от времени. Обычно это постоянство выходных параметров обеспечивается постоянством во времени параметров на входе в реактор.
Если в произвольно выбранной точке происходят изменения параметров химического процесса во времени по тому или иному закону, режим работы реактора называют нестационарным. Нестационарный режим является более общим. Стационарный режим возможен для непрерывно-действующих проточных реакторов. Но даже эти реакторы работают в нестационарном режиме в моменты их пуска и остановки. Нестационарными являются все периодические процессы.
Нестационарные реакторы характеризуются положительным или отрицательным накоплением вещества или энергии в реакторе. Например, для периодического реактора характерно положительное накопление продуктов реакции и отрицательное накопление (убыль) исходных реагентов. При протекании в таком реакторе экзотермической реакции в отсутствие теплообмена с окружающей средой будет иметь место накопление теплоты (энергии), которое приведет к росту температуры.
Стационарные проточные реакторы (описываются более простыми уравнениями); протекающие в них процессы легче автоматизировать.
Нестационарность процесса в реакторе, естественно, вносит определенные усложнения и в описание реактора, и в управление его работой, однако во многих случаях нестационарные режимы технологических процессов, протекающих в химических реакторах, легче приблизить к оптимальным.
Классификация по конструктивным характеристикам. Химические реакторы отличаются друг от друга и по ряду конструктивных характеристик, оказывающих влияние на расчет и изготовление аппаратов. По этому принципу классификации можно выделить такие типы реакторов: емкостные реакторы (автоклавы; реакторы-камеры; вертикальные и горизонтальные цилиндрические конверторы и т.п.). Колонные реакторы (реакторы-колонны насадочного и тарельчатого типа; каталитические реакторы с неподвижным, движущимся и псевдоожиженным слоем катализатора; полочные реакторы); реакторы типа теплообменника; реакторы типа реакционной печи (шахтные, полочные, камерные, вращающиеся печи и т.п.).

3. СПОСОБЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Температура для большинства процессов - это наиболее чувствительный индикатор и наиболее сильное возмущение. Поэтому в состав системы автоматизации реактора, входит САР температуры. Реализация САР зависит от характера процесса и его аппаратного оформления. В реакторе с мешалкой и теплообменником температура регулируется путем изменения расхода хладоагента.
При некоторых экзотермических реакциях с большим температурным коэффициентом скорости реакций в случае превышения определенной температуры скорость тепловыделения становится больше максимальной возможности теплоотвода реактора; тогда в нем быстро возрастает температура, что может привести к аварии. В подобных случаях особенно высокие требования предъявляются к точности САР температуры, а безопасность проведения технологического процесса обеспечивается применением системы автоматической блокировки реактора по температуре.
Важнейшим технологическим параметром химических процессов является температура реакционной массы. Практически все химические процессы сопровождаются выделением или поглощением тепла, либо осуществляются при температурах, отличающихся от нормальных. Температура процесса влияет на скорость почти всех химических реакций и ее увеличение или уменьшение вызывает изменение как количества получаемого продукта, так и его качества. В связи с этим при проектировании реакторов особое внимание уделяют обеспечению необходимого температурного режима. Эта задача чаще всего решается путем подвода или отвода тепла горячим или холодным теплоносителем см. рис. 3:
В некоторых случаях регулирование температуры экзотермических процессов осуществляют путем управления работой рекуперативного теплообменника, в котором исходная смесь подогревается до необходимой температуры за счет тепла прореагировавшей массы (рис. 4). Такой рекуперативный теплообменник может быть выносным или встроенным.
Необходимый температурный режим иногда обеспечивается:
введением в состав реакционной массы инертного теплового агента (вода, азот, водяной пар и т.п.);
изменением количества или соотношения реагентов в смеси;
- организацией ввода наиболее активного реагента одновременно в различные точки или сечения реактора (рис. 5).















Рис.3. Способы регулирования температурного режима химического процесса с использованием внешних теплоносителей.
а) тепловые рубашки реакторов;
б) поверхность встроенных теплообменных устройств;
в) поверхность выносных теплообменников
циркуляционных потоков;
г) поверхность промежуточных теплообменников между адиабатическими реакционными секциями.










Рис. 5. Методы управления температурой без использования теплообменной аппаратуры.
Конкретный способ поддержания температурного режима или их комбинации выбирается в зависимости от следующих параметров: скорости и теплового эффекта химического процесса; величины необходимой температуры и допустимого интервала ее изменения; фазового состояния и свойств реакционной массы; производительности и типа реактора.

4. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СХЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ РЕАКТОРАМИ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

Несмотря на большое разнообразие химических процессов, их аппаратурного оформления, системы автоматического управления отдельными реакторами и целыми установками имеют типовые схемы стабилизации и регулирования основных параметров: расход реагента, уровень реакционной массы, давление, температура в реакторе, состав (концентрация) в реакторе.
Среди перечисленных величин центральное место занимает расход, так как только путем изменения расходов материальных потоков можно регулировать, прямо или косвенно, все прочие параметры.









Рис.6. а – полная схема регулирования расхода,
б - упрощенная схема регулирования расхода.

Схема регулирования расхода (рис. 6 а) включает в себя:
- 1 - датчик, измеряющий расход;
- 2 – преобразователь, вырабатывающий сигнал датчика в унифицированный сигнал;
- 3 - регулятор расхода, в соответствии с законом регулирования осуществляет сравнение унифицированного сигнала с заданным значением;
- 4 - исполнительный механизм, который преобразует управляющий сигнал в механическое воздействие;
- 5 - регулирующий орган, непосредственно воздействующий на регулируемый поток.
В дальнейшем эта схема будет изображаться в упрощенной форме (рис. 6 б).
Регулирование уровня жидкости или сыпучих материалов в емкостях и реакторах производится регуляторами уровня путем изменения расхода входного потока (рис. 7 а, б) или выходного потока (рис. 7 в, г).
















Рис. 7. Принципиальные схемы регулирования уровня жидких материалов.
На рисунках (7 а, в) представлен вариант прямого регулирования, когда регулятор уровня непосредственно управляет регулирующим органом, установленным на линии входного потока. Предпочтительным является каскадное регулирование (рис. 7 б, г). Здесь подача или отвод продукта регулируется выше рассмотренным регулятором расхода, работа которого корректируется выходным сигналом регулятора уровня.
Главное преимущество каскадного регулирования заключается в улучшении качества13 EMBED Equation.3 1415работы системы при любых возмущениях по нагрузке. Если возмущения приложены к входу объекта, вторичный регулятор начинает оказывать регулирующее воздействие еще до того, как на выходе системы появится какое-либо отклонение; ошибка при этом может быть уменьшена в 10-100 раз по сравнению с ошибкой в одноконтурной системе. При возмущениях, приложенных к последующим элементам объекта, интегральная ошибка уменьшается в 2-5 раз за счет более высокой собственной частоты каскадной схемы регулирования.
Каскадные схемы часто применяются при регулировании температуры химических реакторов, так как даже небольшие отклонения температуры могут привести к ухудшению качества выходного продукта, а иногда к срыву реакции.
Весьма разнообразными являются схемы регулирования температурного режима процесса. В реакторах с тепловой рубашкой или встроенным теплообменником заданную температуру поддерживают путем изменения расхода теплоносителя (рис. 8 а). При наличии выносных регуляционных теплообменников температурный режим можно поддерживать путем изменения расхода циркулирующего потока (рис. 8 б). На установках с рекуперативным теплообменником преимущественно применяется схема регулирования, предусматривающая управление байпасного потока (рис. 8 в).
При использовании в качестве теплоносителя конденсирующего водяного пара или кипящей жидкости возможно применение трехступенчатой схемы (рис. 8 г). По этой схеме выходной сигнал от регулятора температуры (ТRC) управляет работой регулятора давления (РRC). Выходной сигнал с регулятора давления используется для коррекции расхода теплоносителя путем воздействия на регулятор расхода (FRC). Введение дополнительного контура по давлению способствует стабилизации теплового потока, так как давление в зоне конденсации кипения однозначно определяет температуру теплоносителя.
На рис. 8 д показана каскадная схема регулирования, в которой изменение температуры в рубашке реактора осуществляется регулированием давления кипящего хладоагента регулирующим органом, установленным на линии отвода кипящего хладоагента.
Уровень конденсата в рубашке стабилизируется регулирующим органом, установленным на линии подачи кипящего хладоагента.
На рис.8 е дана каскадная схема регулирования температуры в реакторе при осуществлении в нем экзотермической реакции. Регулятор температуры в реакторе TRC1 изменяет задание регулятору температуры TRC2 в рубашке реактора. На вход первичного регулятора поступает разность между заданным и измеренным значениями температуры реактора. Вторичный регулятор изменяет расход охлаждающей жидкости, поддерживая то значение температуры в водяной рубашке реактора, которая задается первичным регулятором. Основная инерция системы определяется аккумулирующей способностью жидкости в рубашке реактора, стенки реактора и жидкости в реакторе.
Рассмотрим реакцию системы на мгновенное увеличение температуры охлаждающей воды. Если предположить, что вода в рубашке хорошо перемешивается, температура в последней мгновенно начинает расти, и в течение нескольких секунд регулирующей клапан открывается, увеличивая расход воды. Колебания температуры в рубашке затухают за несколько циклов, причем период этих колебаний зависит непосредственно от собственной частоты внутреннего контура. Колебания температуры в реакторе будут значительно меньшими, чем в рубашке, благодаря демпфирующему действию стенки и самого реактора.
Если бы вторичный регулятор отсутствовал, изменения температуры воды не обнаружились бы так быстро, потому что сигнал, прежде чем попасть на вход регулятора, должен был бы пройти последовательно через четыре инерционных элемента (клапан, рубашка, стенка, реактор), включая распределенное термическое сопротивление стенки. При этом до начала работы регулятора температура в рубашке стала бы значительно выше, что привело бы к большому отклонению температуры в реакторе.
Как максимальное отклонение, так и период колебаний при этом были бы гораздо большими, чем при каскадном регулировании.
Начальный эффект возмущения (изменения расхода и температуры реагента, поступающего в реактор) обнаруживается почти мгновенно первичным преобразователем и первичным регулятором, но регулирующее воздействие прикладывается с инерцией, определяемой другими элементами системы. Максимальное отклонение оказывается при этом значительно большим, чем при эквивалентных возмущениях по изменению нагрузки, и может быть лишь немногим меньше, чем в одноконтурной схеме. Однако период колебаний в каскадной схеме всегда меньше, так как внутренний контур уменьшает инерционность системы, и, таким образом, в случае использование каскадного регулирования интеграл ошибки при возмущении по изменению расхода или температуры реагента также уменьшается.
Применение каскадного регулирования особенно эффективно тогда, когда внутренний контур обладает значительно большим быстродействием, чем внешний, и когда основные возмущения приложены к элементам внутреннего контура.
Давление в реакторах регулируется, как правило, путем изменения расхода газа или жидкости на выходе из аппарата.










































Рис.8. Схемы автоматического регулирования температурного режима химических реакторов.
е) по температуре в рубашке
д) по давлению кипящего хладоагента в рубашке.


5. ОСОБЕННОСТИ РЕГУЛИРОВАНИЯ
ТРУБЧАТЫХ РЕАКТОРОВ

Трубчатые реакторы обычно используют для проведения газофазных высокоэкзотермических процессов. В трубчатых реакторах возможны режимы, при которых велика параметрическая чувствительность реактора, т.е. незначительные колебания параметров процесса – расхода смеси через реактор, температуры хладагента, начальных значений концентраций реагентов, их начальной температуры и др. приводят к существенным изменениям температурного профиля по длине реактора. При этом температура в реакторе может оказаться значительно больше допустимой, и будет соответствовать аварийному режиму работы.
На рис. 9 приведены температурные профили для трубчатого реактора полимеризации этилена в области (хл = 337-343 К.














Рис. 9. Температурный профиль для трубчатого реактора полимеризации этилена.

Здесь температурный профиль имеет очень высокую чувствительность (изменение температуры хладагента (хл всего на 1-2 град. приводит к росту (max температуры в реакторе на 15-20 град), причем чувствительность температуры в реакторе к изменению (хл, существенно меняется по длине аппарата. На рис. 10 приведен график изменения коэффициента чувствительности 13 EMBED Equation.3 1415, по длине реактора. Максимальная чувствительность достигается в области температур, соответствующих перегибу в температурном профиле. Такой характер изменения чувствительности достаточно типичен для трубчатых реакторов и должен учитываться при их автоматизации.
















Рис. 10. График изменения коэффициента чувствительности Кч и температуры по длине реактора.

Сложность управления трубчатым реактором заключается в том, что необходимо управлять распределением параметра (температуры) по длине реактора, а управление является сосредоточенным (например, изменением температуры реакционной смеси на входе в реактор или температуры (расхода) теплоносителя в рубашке). В ряде случаев рубашку делают секционной по длине аппарата и температуру в каждой секции регулируют самостоятельно.
В качестве переменной, по которой ведется стабилизация температуры в реакторе, часто берут ее максимальное значение.
При этом в систему регулирования включают специальный блок выбора максимума (обеспечивающий автоматическое подключение к стабилизирующему регулятору датчика максимальной температуры в реакторе, либо подключают к регулятору температурный датчик, установленный по длине реактора в зоне, где обычно достигается максимальная температура.

Более предпочтительна схема (см. рис. 12), в которой значение максимальной температуры по длине реактора используют в системе аварийной защиты, срабатывающей при превышении максимально допустимого значения (max, а входной величиной регулятора температуры служит значение температуры в точке с максимальной чувствительностью.
При этом необходимо осуществлять автоматический выбор датчиков соответствующих максимальным температуре и чувствительности, что может оказаться достаточно сложным.
Применение средств вычислительной техники позволяет использовать при управлении трубчатыми реакторами интегральные оценки распределенного температурного профиля реактора [7].
Применение средств вычислительной техники позволяет использовать при управлении трубчатыми реакторами интегральные оценки распределенного температурного профиля реактора. Так, при аварийной защите трубчатого реактора полимеризации этилена в АСУ «Полимир» используют площадь S под температурным профилем по длине реактора (рис.11). Расчет этой площади осуществляется по показаниям датчиков температуры, установленных по длине реактора. Число таких датчиков составляет около 80.









Рис. 11 Оценка площади под температурным профилем по длине трубчатого реактора для аварийной защиты.
Исследование математической модели этого реактора позволило определить критическое значение площади Sкр., при повышении которого в реакторе возникают неустойчивые режимы. Алгоритм защиты реактора предусматривает сравнение текущего значения площади S с Sкр. При S ( ( Sкр. происходит срабатывание системы защиты реактора от аварий.
Важнейшими задачами являются стабилизация качества получаемых продуктов и управление производительностью химических реакторов. Решение этих задач в значительной мере сдерживается отсутствием соответствующих датчиков. Однако применение средств вычислительной техники для контроля и управления химическими реакторами позволяет использовать различные косвенные показатели, по которым с помощью моделей рассчитывают производительность реактора и показатели качества продукта, используемые при управлении процессом. Так, в АСУ «Полимир» математическую модель реактора используют для контроля текущей производительности реактора. В этой же системе качеством получаемого в трубчатом реакторе полимера управляют с помощью специальной адаптивной системы регулирования (рис. 12), в которой качество полимера определяется по математической модели реактора на основе измерения входных параметров в реакторе (расход смеси, температура по длине реактора и др.). Модель для расчета основного показателя качества получаемого полимера – индекса расплава – представляет собой регрессионное уравнение, коэффициенты которого периодически уточняют по данным лабораторных анализов, вводимых в управляющий вычислительный комплекс.
Оперативный расчет производительности осуществляется для каждой зоны реактора с помощью упрощенной модели процесса, представляющей собой уравнения материального баланса для мономера и инициатора:


13 EMBED Equation.3 1415 (12)

13 EMBED Equation.3 1415 (13)
где у1 – концентрация мономера;
у2 – концентрация инициатора;
Р – давление;
( - температура реакционной смеси;
l – текущая длина реактора,
0( l ( L; L – длина зон реактора;
а1 – а4, k1, k2 – постоянные коэффициенты.

Первоначально проводится опрос основных точек измерения по каждой зоне реактора (давление, дискретный температурный профиль по длине каждой зоны, расход инициатора, положение клапана, регулирующего соотношение расходов этилена в каждую зону). Данные этих измерений используют для расчета и проверки достоверности информации. На основании измерений рассчитывают концентрации инициатора на входе в каждую зону реактора и задают начальные условия для интегрирования системы уравнений (12), (13). Затем температурный профиль, измеренный в ряде точек по длине реактора, аппроксимируют полиномом. Коэффициенты полинома определяют методом наименьших квадратов так, чтобы минимизировать сумму квадратичных отклонений значений полинома от температуры в точках измерения. Далее уравнения (12), (13) интегрируют методом Эйлера по длине каждой из зон и определяют суммарную производительность реактора по обеим зонам. Значения температуры в правых частях уравнений на каждом шаге интегрирования рассчитывают по полученному при аппроксимации полиному.

























Рис. 12 Адаптивная система регулирования качества полимера в трубчатом реакторе полимеризации этилена.

Программа расчета производительности реактора работает в составе АСУ в реальном масштабе времени. Продолжительность цикла расчета – 5 мин. Результаты расчета выводятся на дисплей оператору-технологу и используются для настройки процесса на максимальную производительность (с учетом ограничений по качеству продукта).




























Рис. 13. АСР температуры в трубчатом реакторе и АСЗ.
блок выбора max 13 EMBED Equation.3 1415
регулятор температуры
блок выбора максимума температуры
блок аварийной сигнализации.
6. НЕКОТОРЫЕ ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
РЕАКТОРАМИ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

ПРОЦЕСС ПОЛИМЕРИЗАЦИИ ЭТИЛЕНА
ПОД ДАВЛЕНИЕМ

6.1. Реакция полимеризации

Полимеризация – это процесс образования высокомолекулярного вещества (полимера) путем соединения друг с другом большого числа молекул исходного низкомолекулярного вещества (мономера). Чтобы мономер мог полимеризоваться, он должен иметь в структуре своей молекулы группы, способные к присоединению. Ими чаще всего являются группы из двух атомов углерода, связанных двойной или даже тройной связью.
Одним из видов полимеризации является радикальная полимеризация, при которой растущая молекула от начала своего образования и до окончания роста представляет собой свободный радикал. Процесс образования каждой молекулы полимера происходит в следующем порядке: инициирование молекулы мономера с образованием первичного свободного радикала; последовательное присоединение мономера к растущей молекуле с сохранением в концевом звене свободной валентности; прекращение роста – обрыв цепи.
Схематически реакцию полимеризации можно изобразить так:
Инициирование:13 EMBED Equation.3 1415; (13)

Рост цепи: 13 EMBED Equation.3 1415 (14)
13 EMBED Equation.3 1415;
обрыв цепи:13 EMBED Equation.3 1415, (15)
где М – мономер; I – инициатор; П – полимер; А – активная молекула – радикал (индекс, стоящий при А, определяет степень полимеризации).
Кинетика реакций полимеризации этилена рассмотрена в работе [4].

6.2. Технологическая схема процесса

Упрощенная технологическая схема производства полиэтилена при высоком давлении представлена на рис. 14 [3]. Исходным сырьем служит газ этилен, который поступает из газгольдера Г в компрессор первого каскада К-1, сжимается там до 30-35 МПа (300-350 кгс/см2), а затем поступает в компрессор второго каскада К-2, где давление газа поднимается до 150 МПа (1500 кгс/см2). Этилен под давлением 150 МПа (1500 кгс/см2) поступает в приемную емкость Е-1, из которой впускной клапан (поз. 8-1) и фильтр тонкой очистки двумя потоками подается в трехзонный реактор с перемешивающим устройством. Верхний поток, предварительно нагретый в теплообменнике Т, подается в верхнюю зону реактора, а нижний вводится между средней и нижней зонами. Полимеризация проходит при давлении 110-150 МПа (1100-1500 кгс/см2), температуре 170-2500С и в присутствии незначительного количества инициатора (кислорода, перекиси дитретичного бутила, перекиси декумила и других органических перекисей). Инициатор вводится в газ либо до его сжатия перед компрессором, либо после сжатия непосредственно перед реактором (поз. 6-1). Выделяющееся при реакции тепло отводится с газом, полимером и через стенки реактора. В нижней части реактора реакция полимеризации заканчивается, газ и полимер охлаждаются. За один проход газа через реактор в полимер превращается 10-15% этилена. Образовавшийся полимер вместе с не прореагировавшим газом через регулирующий клапан (поз. 7-2) поступает в следующий аппарат – отделитель О, где при давлении 300 кгс/см2 происходит разделение полимера и газа. Полиэтилен из нижней части отделителя через клапан (поз. 10-1) выгружается в шнековый приемник Е-2, а газ через клапан (поз. 9-2) попадает в циклон Ц, где очищается от мелких частиц полимера, а затем возвращается в газгольдер Г. Полученный продукт из приемника поступает на переработку.
Кроме реакторов с перемешивающими устройствами в производстве полиэтилена высокого давления широко используются трубчатые реакторы вытеснения, представляющие собой зигзагообразную трубу (l/d>>100) с водяной рубашкой для подогрева газа в начале реактора и отвода тепла в зоне реакции.
Температура в реакторе существенно изменяется по его длине. Определенные области функционирования процесса соответствуют высокой параметрической чувствительности температуры в реакторе, когда небольшим флуктуациям параметров соответствуют значительные изменения температуры, что может привести к аварийным ситуациям. Управление температурой осуществляется изменением давления в аппарате: при превышении допустимого значения температуры давление в реакторе снижается, что приводит к уменьшению скорости реакции полимеризации и снижению температуры. Такое сосредоточенное управление в ряде случаев недостаточно эффективно. Поэтому используют также алгоритмы контроля и управления процессом, учитывающие распределение температуры по длине.
Управление другими участками технологической линии в основном заключается в стабилизации на заданном значении ряда параметров, сигнализации об их отклонениях и осуществлении ряда предаварийных и аварийных защит.
В остальном, технологическая схема аналогична вышеописанной.



















ЭВМ
Ввод



Вывод




Рис. 14. Упрощенная технологическая схема производства полиэтилена.
6.3. Автоматизация процесса

Основной задачей управления для проведения экзотермической реакции полимеризации этилена является обеспечение устойчивости режимов работы реактора. Эта задача в особенности актуальна для реакторов полимеризации этилена с перемешивающим устройством. Для трубчатых реакторов задача управления заключается в поддержании оптимального температурного профиля. Устанавливая тот или иной профиль температуры, можно влиять на производительность реактора и качество получаемого полимера.
Процесс полимеризации протекает с большой скоростью, при высоких значениях температуры и давления. Это обусловливает жесткие требования к поддержанию температуры и давления в устойчивой для процесса области. При выходе этих параметров за допустимые пределы начинается реакция разложения с последующим взрывом.
Температурный режим в реакторе стабилизируется двумя двухконтурными автоматическими системами регулирования (АСР), см. рис.14. Главным регулятором одной из них является регулятор температуры верхней зоны реактора (контур 2), вспомогательным – регулятор температуры потока этилена после теплообменника Т (контур 1). Регулирующее воздействие вносится путем изменения расхода пара, подаваемого в теплообменник Т. Главным регулятором другой АСР, является регулятор температуры нижней зоны реактора (контур 4), вспомогательным – регулятор температуры нижней зоны (контур 3). Регулирующее воздействие производится изменением расхода этилена, подаваемого между нижней и средней зонами реактора (поз. 3-2).
Отметим, что регулирование температуры в реакторе может осуществляться с помощью различных управляющих воздействий: регулирование теплосъема через стенки реактора, изменением давления в реакторе, изменением расхода инициатора или добавлением в промежуточные точки реактора холодного реакционного газа (как в данном случае).
Давление в реакторе стабилизируется изменением расхода смеси и расплавленного полиэтилена из нижней зоны реактора в отделитель О с помощью регулирующего клапана (поз. 7-2). Улучшение качества регулирования давления в реакторе достигается стабилизацией давления в отделителе. Регулирующее воздействие при этом вносится дросселированием газа из отделителя О в циклон Ц регулирующим клапаном (поз. 9-2) и периодической выгрузкой полимера из отделителя открытием клапана (поз. 10-1).
Соотношение расходов этилена и инициатора поддерживается изменением расхода инициатора. Количество инициатора в этилене во многом определяет ход процесса полимеризации, количество и качество получаемого продукта.
Если реакция идет недостаточно интенсивно, на что указывают низкие температуры в реакторе и малая производительность при высоком давлении и достаточной подаче газа, то концентрация инициатора повышается. Если температуры высокие, производительность большая, но продукт получается слишком текучим (т.е. с малым молекулярным весом), то содержание инициатора понижается. При получении продукта с очень большим молекулярным весом принимаются противоположные меры.
Пуск реактора и аварийная защита. Сложность управления процессов в основном обусловлена возможностью возникновения реакцией разложения этилена и полиэтилена. Эти реакции идут с большой скоростью, с большим выделением тепла и поэтому воспринимаются как взрыв.
Внешне начало реакции разложения этилена обнаруживается резким подъемом давления и температуры в реакторе. Если не принять соответствующих мер, то сработает отрывной клапан, рассчитанный на давление 180 МПа (1800 кгс/см2) и содержимое реактора будет выброшено в атмосферу. Реактор полностью останавливается.
Чтобы предотвратить отрыв клапана, следует своевременно открыть аварийный вентиль (поз. 8-2). Одновременно с этим необходимо быстро закрыть клапан (поз. 7-2), установленный на линии от реактора в отделитель, чтобы избежать попадания углерода в отделитель.
Ввиду большой опасности разложения этилена при осуществлении пуска, требуется медленный подъем давления в реакторе при помощи соответствующего пускового устройства.
По разрешению оператора система автоматического пуска и останова реактора осуществляет плавный подъем давления в реакторе до заданного значения, а при необходимости быстро снижает задание регулятору давления.

6.4.Устойчивость тепловых режимов реакторов

При оптимизации химических реакторов, в которых протекают экзотермические реакции, и управлении или одним из основных вопросов является определение тепловой устойчивости реакторов.
Понятие устойчивости системы впервые сформулировал А.М. Ляпунов: «Система называется устойчивой, если после наложения какого-либо возмущения она возвращается в прежнее состояние при снятие этого возмущения».
Применительно же к химическим реакторам, в которых проходят экзотермические реакции, различные возмущения (изменение расходов поступающих компонентов, ухудшение теплоотвода, флуктуации состава исходной смеси и т.д.) могут настолько вывести процесс из стационарного состояния, что он уже не вернется к исходному режиму. Поэтому возникает необходимость оценки устойчивости стационарных режимов работы реактора.
Рассмотрим реактор непрерывного действия с мешалкой.
Скорость подачи реагентов, концентрация исходных веществ во входном потоке и время пребывания реагентов в реакторе постоянны. В реакторе осуществляется необратимая экзотермическая реакция первого порядка. Часть тепла реакции отводится с потоком выходящего продукта, а другая часть передается охлаждающей воде в рубашке реактора. Тепло, выделяющееся в результате химической реакции, и тепло, отводимое через рубашку реактора и с выходящим продуктом, можно изобразить графически в зависимости от температуры реакции, как показано на рисунке 15:















Рис. 15. Возможные состояния равновесия для реактора с перемешивающим устройством.

Кривая тепловыделений характеризует количество тепла, выделяющегося при соответствующей установившейся температуре в реакторе. Выделяемое тепло рассчитывается следующим образом:
13 EMBED Equation.3 1415;

13 EMBED Equation.3 1415 (14)

где Q – выделяемое тепло, ккал/ч;
С0 – концентрация питания;
х – скорость превращения;
(Н – тепло реакции;
k – константа скорости реакции I порядка;
Е – энергия активации;
Т – абсолютная температура;
V – объем;
F – скорость подачи реагентов.

На начальном участке наклон кривой тепловыделения увеличивается вследствие экспоненциального влияния температуры на скорость реакции.
На конечном участке кривой наклон начинает убывать вследствие уменьшения концентрации реагентов, и кривая тепловыделения асимптотически приближается к количеству тепла, выделяемому при полном превращении реагентов.
Количество отводимого тепла линейно зависит от температуры, если коэффициент теплопередачи, температура рубашки и теплоемкость продукта постоянны.

13 EMBED Equation.3 1415 (15)

На рис. 15 показаны три возможные случая работы реактора при различных значениях температуры рубашки и общем коэффициенте теплопередачи. В первом случае существует только одно пересечение линии теплоотвода с кривой тепловыделения (т. А), которое и определяет температуру реакции. Эта точка соответствует устойчивой работе реактора, т.к. малое увеличение температуры в реакторе вызывает значительно больший рост теплоотвода, чем образование тепла. Это приводит к снижению температуры до ее прежнего состояния. Во втором случае коэффициент теплопередачи тот же, что и ранее, то температура рубашки реактора выше, и единственное пересечение кривой тепловыделений с линией топлоотвода существует только в точке В – точке устойчивой работы реактора при условиях, близких к почти к полному превращению реагентов. В третьем случае, когда кривая тепловыделений пересекается в трех точках с прямой теплоотвода, точка Д характеризует неустойчивый режим работы реактора, хотя уравнение теплового баланса в ней все же удовлетворяется. Небольшое увеличение температуры в этом случае увеличивает скорость выделения тепла реакции сильнее, чем скорость теплоотвода, что вызывает быстрое повышение значение температуры, соответствующего состоянию равновесия в точке Е. Уменьшение температуры от значения, соответствующего точке Д, приводит к ее снижению до величины, соответствующей точке С.
Характеристики, приведенные на рис. 15, соответствуют равновесным скоростям выделения и отвода тепла и определяют необходимое, но не достаточное условие устойчивости реактора, которое заключается в том, чтобы наклон линии отвода тепла в точке пересечения характеристик был больше, чем наклон кривой выделения тепла. При анализе устойчивости необходимо учитывать динамику реактора и, в частности, скорость изменения концентрации реагентов с температурой. Если реактор работает в режиме работает в режиме, соответствующем точке С, где степень превращения составляет ( 30 %, и температура реакции резко поднимается на 10С, то возрастание скорости выделения тепла будет больше, чем это следует из равновесной кривой, т.к. концентрация реагентов при новом значении температуры не сразу достигает своего равновесного значения. Максимальное увеличение скорости выделения тепла происходит, если концентрация реагентов постоянна.

13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415 (16)

Для реакции первого порядка можно показать, что наклон равновесной кривой и максимальная скорость изменения температуры в реакторе связаны коэффициентом, учитывающим количество превращенного реагента,

13 EMBED Equation.3 1415 (17)

Таким образом, при номинальной степени превращения, равной 50 %, резкое увеличение температуры может привести к увеличению количества выделяемого тепла Q, вдвое больше, чем это получается из анализа равновесных кривых. Практически же вследствие повышения температуры будет иметь место некоторое падение концентрации реагента и изменение Q будет находится между значениями, получающимися из уравнения (16) и из равновесных кривых. При этом точное значение температуры зависит от порядка реакции и характера возмущения. Однако реакция независимо от ее порядка будет устойчива к малым отклонениям температуры, если скорость изменения теплоотдачи больше чем максимальная скорость изменения тепловыделений.
Для устойчивой работы реактора необходимо, чтобы

13 EMBED Equation.3 1415 (18)

U – общий коэффициент теплоотдачи;
А – поверхность теплообмена, площадь поперечного сечения, const, концентрация компоненты А;
Ср – удельная теплоемкость.

Если большая часть тепла реакции отводится через рубашку реактора, то разность температур не должна превышать величину RT2/Е, которую называют критической разностью температур.
13 EMBED Equation.3 1415 (19)

Реактор будет устойчив, если Т-Треак.< (Ткр.
при
13 EMBED Equation.3 1415 (20)

Условие устойчивости состоит в том, что прямая теплоотвода идет круче, чем прямая тепловыделения. Это условие можно записать формулой
13 EMBED Equation.3 1415 (21)
Неравенство (21) – математическое условие тепловой устойчивости реактора полного смешения.
Если температура в т. Е допустима по условиям технологии, то работать следует при ней, т.к. в этом случае скорость реакции и степень превращения будут максимальны. Однако в некоторых случаях эта температура является недопустимо высокой: например, потому, что при ней начинают идти побочные процессы.
Работать при температуре, соответствующей т. С нецелесообразно, т.к. скорость реакции слишком мала, а при температуре в т. Д – режим неустойчив. Что делать?
1 – Построить систему автоматического регулирования, стабилизирующую неустойчивый режим.
2 – Сделать теплоотвод столь интенсивным, чтобы линия отвода тепла была всюду круче линии его выделения.










Рис. 16. Температурные зависимости выделения (1) и отвода (2) тепла для процесса устойчивого во всем интервале Т.
Повышать устойчивость можно, увеличивая либо коэффициент теплопередачи, либо поверхность теплопередачи (отно шение 13 EMBED Equation.3 1415).

Рис. 17 Влияние времени пребывания вещества на режим работы реактора

Диаграммы выделения отвода тепла можно использовать для изучения связи между другими параметрами процесса. На рис. 17 показано изменение режима работы реактора при изменении времени пребывания вещества (кривые T1ср, Т2ср, Т3ср) и одинаковых условиях отвода тепла из реактора (прямая линия). Время пребывания вещества в реакторе определяется его объемом и расходом реагента. Последний может быть использован в качестве управляющего воздействия. При большом и малом времени пребывания вещества в реакторе (кривые T1ср и Т3ср) в нем возможно только одно стационарное состояние (точка 5 для T1ср и 1 для Т3ср). При большом времени пребывания вещества химическая реакция будет проходить почти полностью и поэтому стационарное состояние в реакторе устанавливается при высокой температуре. При малом времени пребывания превращение в реакторе мало (вещество «проскакивает» через реактор) и стационарная температура в нем низкая. В промежуточном случае в реакторе возможно три стационарных состояния (точки 2, 3, 4).
Диаграмма выделения - отвода тепла в реакторе позволяет оценить устойчивость его стационарных состояний. На рис. 18 представлен случай, когда в реакторе возможно три стационарных состояния (точки b, с, d). Пусть режиму работы реактора соответствует стационарное состояние в точке b. Если по каким-либо причинам температура в реакторе станет выше, чем у2b, например, 13 EMBED Equation.3 1415, то количество выделяемого тепла будет 13 EMBED Equation.3 1415, а отводимого 13 EMBED Equation.3 1415, причем 13 EMBED Equation.3 1415.
Поскольку теперь отводится тепла больше, чем выделяется, температура в реакторе будет снижаться и возвращаться к значению y2b, При снижении температуры по сравнению с у2ь, т. е. при г/2ьАг/г, количество выделяемого тепла Qt (у2ЬАу2) будет больше, чем отводимого Qi (учъАу2), и, следовательно, температура в реакторе будет расти до точки Ь, где Qi = Q2. Таким образом, стационарное состояние реактора в точке Ь является устойчивым.
Аналогичный анализ для точек d и с показывает, что точка d соответствует устойчивому, а точка с неустойчивому стационарному состоянию реактора, так как в последнем случае даже при незначительном отклонении от состояния равновесия температура в реакторе будет либо увеличиваться до точки d (при отклонении у2с + Ау2), либо уменьшаться до точки b (при отклонении у2сАу2).



Рис. 18. Анализ устойчивости реактора по диаграмме выделения отвода тепла
Анализ устойчивости по диаграмме выделения отвода тепла дает необходимое, но не достаточное условие устойчивости. Кроме того, следует иметь в виду, что речь идет об устойчивости «в малом» (т. е. при небольших отклонениях от стационарного состояния). Если, например, реактор работал в нижнем стационарном состоянии (точка Ь), и под действием возмущений температура в реакторе выросла до значения, большего, чем г/2с, то после снятия возмущения режим в реакторе не вернется в точку Ь, а придет к верхнему стационарному состоянию (точка d). Возникновение неустойчивости в реакторе связано с наличием внутренней положительной обратной связи при осуществлении экзотермических процессов: скорость реакции с ростом температуры в реакторе экспоненциально увеличивается, что приводит к увеличению количества выделяемого тепла реакции и, в свою очередь, вызывает рост температуры в аппарате, и т. д.
На основании изложенного выше можно получить аналитическую запись критерия устойчивости стационарного состояния, вытекающего из анализа диаграммы выделения отвода тепла: для устойчивости стационарного состояния необходимо, чтобы наклон линии тепловыделения в точке стационарного состояния был меньше, чем наклон линии теплоотвода, т. е. при изменении температуры скорость тепловыделений была меньше, чем скорость теплоотвода:



6.5. Проблемы устойчивости

В экзотермических химических реакторах увеличение скорости реакции с температурой можно рассматривать как результат действия положительной обратной связи, которая стремится сделать систему неустойчивой.
Положительная обратная связь имеет место также в автокаталитических системах и может привести к возникновению автоколебаний при постоянной температуре в реакторе.
Внутренняя положительная обратная связь возникает в том случае, когда тепло выходящих продуктов адиабатического реактора используется для подогрева реагентов. Небольшое изменение скорости реакции приводит к увеличению температуры на выходе реактора, после этого более нагретый продукт проходит через теплообменник, еще больше нагревая реагенты, что в свою очередь приводит к дополнительному увеличению скорости реакции.
Возврат части выходящего потока на вход реактора является внешней обратной связью, которая может быть либо положительной, либо отрицательной в зависимости от кинетики реакции. Если реактор изотермический, то возврат непрореагировавшей части реагентов обычно является положительной обратной связью, однако режим работы реактора при этом все же устойчив. Увеличение концентрации поступающего реагента приводит к увеличению концентрации реагента в выходном продукте, но при этом для реакций первого, второго дробного порядков коэффициент увеличения будет меньше единицы.
Поэтому незначительное уменьшение скорости реакции приводит к поспешному увеличению концентрации реагента на входе реактора до тех пор, пока общее количество вещества, прореагировавшего в единицу времени, не станет равным расходу свежего реагента.
В адиабатическом реакторе величина температуры и процент конверсии могут быть очень чувствительны к изменениям в величине расхода или в составе рецикла.

6.6. Автоматизация реактора синтеза метилбутилдиоксана (МБД) в производстве бутилкаучука (см. рис. 17).

Синтез МБД осуществляется в реакторе Р под давлением 1,2-1,5 МПа и температуре 70-850С. Водная шихта, содержащая продукты гидролиза ДМД, 5-7% щавелевой кислоты с формалином, непрерывно, через теплообменник Т-1, обогреваемый паром, подается в нижнюю часть реактора. Сюда же поступает изобутилен. Расход изобутилена регулируется регулятором расхода. Температура водной шихты на входе в реактор регулируется подачей пара в теплообменник Т-1.
Реакция синтеза МБД протекает с выделением тепла, для съема которого в межтрубное пространство реактора подается конденсат с температурой 50-600С. Температура в реакторе регулируется ростом конденсата. Реакционная масса с верха реактора, пройдя холодильник Т-2, поступает на дальнейшую переработку.

6.7 Автоматизация реактора полимеризации изопрена
(рис. 18)

Процесс полимеризации изопрена в изопентане осуществляется в присутствии катализатора Циглера-Натта непрерывным способом в полимеризационных батареях, состоящих из трех или более полимеризаторов, последовательно соединенных между собой. Полимеризаторы снабжены рубашками, оборудованы скребковыми мешалками для непрерывного интенсивного перемешивания реакционной массы и очистки внутренней поверхности полимеризатора от пленки полимера. Реакция полимеризации протекает с выделением тепла, которое снимается за счет предварительного захолаживания шихты, каталитического комплекса и циркуляции рассола через рубашки аппаратов.
Изопентан-изопреновая шихта насосом Н-1 подается в пропановый холодильник Т, где охлаждается до 00. Температура шихты на выходе из холодильника регулируется изменением расхода жидкого пропана.
Охлажденная шихта поступает в один из трех первых по ходу процесса полимеризаторов П. Сюда же насосом Н-2 подается каталитический комплекс. Постоянство подачи шихты и катализатора поддерживается регуляторами расхода на соответствующих линиях. Регулирование температуры полимеризата на выходе из аппаратов осуществляется: в первом по ходу полимеризаторе – подачей каткомплекса, в последующих – подачей рассола в рубашки полимеризаторов. Для регулирования молекулярного веса полимера в линию шихты предусмотрена подача водорода.

6.8. Автоматизация реактора сополимеризации изобутилена с изопреном (рис. 19).

Рабочая шихта, охлажденная до температуры 90-950С, подается в нижнюю часть полимеризатора П. Сюда же подаются катализаторный раствор и диизобутилен. Подача компонентов управляется регуляторами расхода. Реакция сополимеризации сопровождается выделением значительного количества тепла, отвод которого осуществляется испарением жидкого этилена в трубных пучках внутри реактора. Жидкий этилен поступает в трубные пучки через сепаратор С, где поддерживается постоянный уровень с помощью регулятора уровня. После дросселирования и испарения пары этилена из трубных пучков через сепаратор отсасываются компрессором. Температура внутри полимеризатора регулируется изменением расхода диизобутилена.


















Рис. 19. Схема сополимеризации изобутилена с изопреном.





















Рис. 17. Схема синтеза метилбутилдиоксана в производстве бутилкаучука.






















Рис. 18. Схема полимеризации изопрена

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Автоматизация химических реакторов/ Руководство для лабораторной работы/ сост. И.Н. Терюшев, Казань: КХТИ, 1980.

Паушкин Я.М., Адельсон С.В., Вишнякова Т.П. Технология нефтехимического синтеза. - М.: Химия. 1973 г., ч. I

Огоджанов Г.А., Голубятников В.А., Шувалов В.В. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности. - М.: Химия, 1991 г.

Вольтер Б.В., Софиев А.Э., Шатхан Ф.А. Автоматизация производства полиэтилена. - М.: Химия. 1973г. ч. I.

Кутепов А.М., Бондаренко Т.И. Беренгартен М.Г. Общая химическая технология – 2-е изд. исп. доп. – М.: Высш. шк., 1990 – 520 с.; ил.

Галиакберов З.К. Основы расчета химических реакторов. –К. 1976. КХТИ.

Дудников Е.Г. Автоматическое регулирование в химической промышленности: Уч. для вузов – М.: Химия. 1987 г., 368 с.

Ерриот П. Регулирование производственных процессов. Перевод с английского. «Энергия» М.: 1967 г. – 480 с.

9. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии. Книга 1.М.: «Логос», «Высшая школа»,2002 г., 912 с.











13PAGE 15


13PAGE 141415


13PAGE 15


-13PAGE 145915-


13PAGE 15


-13PAGE 146115-









GH



2

(р, К

(хл = 335 К

337,5 К

340 К

342,5 К

l

(р, 13 EMBED Equation.3 1415

(

13 EMBED Equation.3 1415

l

4

1

продукты реакции

исходные реагенты

АЗС

3

PC

PIRK

ТC

ТIRC

ТDY

ТSA

ТY





С

Активный реагент

Реагент

Катализатор

расход и состав продуктов реакции

тепло реакции

Температура

FRC

5

4

3

2

1

г

в

LIRC

FRC

LIRC

б

а

г

в

ТRC

РRC

FRC

б

а

FRC

ТRC

LIRC

ТЕ

FRC

LRC

шихта

изобутилен

конденсат

конденсат

пар

пром. вода обратная

пром. вода прямая

FRC

FRC

TRC

TRC

FRC

Т-1

Т-2

Р

полимеризат

Н-2

Н-1

FRC

TRC

FRC

FRC

водород

FRC

FRC

TRC

FRC

С

П

П

П

шихта

пропан газ

пропан жидкий

каткокомплекс

рассол обратный

рассол прямой

FRC

TRC

TRC

FRC

Т














GЦ – целевой продукт,
GП – побочный продукт,
GК – не прореагировавший реагент.

ТЕ

FRC

ТRC

FRC

ТRC

ТЕ

Е-1

РТ
7-1



РТ
5-1

10-1

Е-2

7-2

ТЕ
4-1

О

К-2



РТ
9-1

3-2

8-1

К-1



ТЕ
3-1



Ц

ТЕ
1-1

ТЕ
2-1

9-2

Т

Г

6-1

пар

Р

1-2

Теплоноситель

Реагенты

8-2

а

инициатор

В

б

Е

С

Д

А

Q тепловыделения

3

Qотвод

1

13 EMBED Equation.3 1415

Qотв

Т в реакторе

ТЕ

2

ТД

Qотв

ТС

к кал/ч

Давление

F, Q, T реагентов

Тепловой
процесс

Химический процесс

Гидродинамические и массообменные процессы

РЕАКТОР

д

е

г

в

б

а

ТRC2

TRC1

РRC

ТRC

LRC

Д

1

2

ТД + (ТД

ТД

13 EMBED Equation.3 1415

Т

(10)

избирательность
(селективность).


l

(

( реактора

L

(хл

S

Задания марки
полимера

Jэкспер.

Jрасч.

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415



Jзад

Адаптивная модель

M1 M2 M3

M

J

M

J

Регуляторы

Реактор
полимеризации

Рис. 4. Схема работы реактора с рекуперативным теплообменником

П

FRC

LIRC

TRC

пары
этилена

на дегазацию

FRC

катализаторный раствор

FRC

FRC

диизобутилен

шихта

жидкий
этилен



 
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·вд
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·Root EntryEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native

Приложенные файлы

  • doc 13452
    Размер файла: 610 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий