(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アセチレン類及び／又はジエン類を含む原料フィードに水素を添加し、アセチレン類及び／又はジエン類をオレフィン類へ転化する水添反応装置の自動制御システムであって、原料フィード中のアセチレン類及びジエン類のモル濃度及び原料フィードの流量及び原料フィードに供給する水素ストリーム中の水素のモル濃度から、反応器入口の［水素のモル数／（アセチレン類＋ジエン類）のモル数］の比率（Ｒ）を設定値に維持するために必要な水素ストリームの流量を制御するコントローラーを有し、反応器入口の温度（Ｔ）及び反応器入口の［水素のモル数／（アセチレン類＋ジエン類）のモル数］の比率（Ｒ）と反応器出口の未反応水素のモル濃度（Ｘ）との間の動的相関モデルを有し、Ｔ及びＲを調整してＸを予め定められた上下限値の間に自動制御する水添反応装置の自動制御システム。
【請求項２】
アセチレン類及び／又はジエン類を含む原料フィードに水素を添加し、アセチレン類及び／又はジエン類をオレフィン類へ転化する水添反応装置の自動制御システムであって、原料フィード中のアセチレン類及びジエン類のモル濃度、原料フィードの流量及び原料フィードに供給する水素ストリーム中の水素のモル濃度から、反応器入口の［水素のモル数／（アセチレン類＋ジエン類）のモル数］の比率（Ｒ）を設定値に維持するために必要な水素ストリームの流量を制御するコントローラーを有し、反応器入口の温度（Ｔ）及び反応器入口の［水素のモル数／（アセチレン類＋ジエン類）のモル数］の比率（Ｒ）と反応器出口の（アセチレン類＋ジエン類のモル濃度）（Ｙ）との間の動的相関モデルを有し、Ｔ及びＲを調整してＹを予め定められた上下限値の間に自動制御する水添反応装置の自動制御システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載のシステムにおいて、化学量論的に必要な、反応器入口の［水素のモル数／（アセチレン類＋ジエン類）のモル数］の比率（Ｒ0）を算出し、その一定倍率の値ＲminをＲの調整範囲の下限とする請求項１又は請求項２記載の水添反応装置の自動制御システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は石油化学工場などで、エチレン、プロピレンなどのオレフィン製品の不純物であるアセチレン類及び／又はジエン類を除去するために使用される水添反応装置の自動制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
エチレン、プロピレンなどのオレフィン製品を生産するプラントでは製品中のアセチレン類、又はジエン類をある許容値以下まで除去しなければならない。そのために水添反応装置などアセチレン類、又はジエン類の除去装置が必要である。オレフィン中のアセチレン、ジエン類の水添反応では、通常パラジウム(Pd)等の貴金属触媒をアルミナ等の不活性物質に担持させた触媒を充填した固定床触媒反応器に、原料と水素(H2)を流通させ、アセチレン類、又はジエン類に水素を選択的に付加してオレフィン類に転化することによって、アセチレン類、又はジエン類を除去する。触媒の性能によって加えられた水素は比較的高い選択率でアセチレン類又はジエン類の付加反応に消費されるが、それ以外の水素はオレフィン類に付加し、パラフィン類に転化してしまう。さらにアセチレン類、ジエン類を許容値以下まで除去するのに必要な最少の量以上に水素を加えると、すべてオレフィン類に付加してパラフィンに転化してしまう。
【０００３】
すなわち、エチレン中のアセチレン水添反応を例にとると、反応器では以下の反応が起こっている。
反応Ａ    Ｃ2Ｈ2＋Ｈ2→  Ｃ2Ｈ4
反応Ｂ    Ｃ2Ｈ4＋Ｈ2→  Ｃ2Ｈ6
【０００４】
ここで反応Ａは主反応であり、不純物であるアセチレンを除去し、製品物質であるエチレンへ転化する反応である。反応Ｂは副反応であり、製品物質のエチレンをエタンへ転化する反応である。
【０００５】
反応設備の運転においては、反応速度を確保するために反応器入口温度を調節し、反応器出口のアセチレン濃度を許容値以下にするために必要な水素を加える。反応の選択性は触媒の劣化状況や、運転温度によって変わるため反応に必要な水素量も変化するが、従来は必要水素量の変化が起こっても、出口のアセチレン濃度が許容値を超えない様に過剰量の水素を常時添加している。そのため、必要以上に副反応である反応Ｂが進行し、エチレンがエタンに転化する量が多くなってしまっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
不純物であるアセチレン又はジエン類を許容値以下に維持しつつ、副反応で失われるオレフィン類を最小限に留めることが、製品の回収率を上げ、後段の蒸留塔におけるエネルギーを低減する観点から望ましい。したがって常に反応設備の活性、選択性を監視しながら、活性を維持するための入口温度を可能な限り低く抑え、かつ必要最小限の水素を加えることが必要である。
【０００７】
実際の運転においては、運転員がこのような調整を行っているが、原料フィードの流量変動や組成の変動が起こっても、アセチレン類、ジエン類が反応器出口へリークしない事を最重点においているため、高めの入口温度を設定し、過剰気味の水素を添加しているのが現状である。
【０００８】
この調整を自動化し、原料フィードの流量変動や組成の変動、更に水素ストリーム中の水素純度の変動などに追従して、常に不純物であるアセチレン又はジエン類を許容値以下に維持しつつ、副反応で失われるオレフィン類を最小限に留めることが、本発明が解決しようとする課題である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、水添反応装置の運転において、反応活性をあらわす指標として、反応器出口の未反応水素濃度（Ｘ）、及び反応選択性を表す指標として、反応器出口のアセチレン類又はジエン類の濃度（Ｙ）を採り、これを予め定められた上下限値内に制御すべく、反応器入口温度（Ｔ）、及び反応器入口における水素/（アセチレン類＋ジエン類）比（Ｒ）を調整する水添反応装置の自動制御システムである。
【００１０】
すなわち、本発明は、アセチレン類及び／又はジエン類を含む原料フィードに水素を添加し、アセチレン類及び／又はジエン類をオレフィン類へ転化する水添反応装置の自動制御システムであって、原料フィード中のアセチレン類及びジエン類のモル濃度及び原料フィードの流量及び原料フィードに供給する水素ストリーム中の水素のモル濃度から、反応器入口の［水素のモル数／（アセチレン類＋ジエン類）のモル数］の比率（Ｒ）を設定値に維持するために必要な水素ストリームの流量を制御するコントローラーを有し、反応器入口の温度（Ｔ）及び反応器入口の［水素のモル数／（アセチレン類＋ジエン類）のモル数］の比率（Ｒ）と反応器出口の未反応水素のモル濃度（Ｘ）との間の動的相関モデルを有し、Ｔ及びＲを調整してＸを予め定められた上下限値の間に自動制御する水添反応装置の自動制御システムに係るものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
水添反応によってフィード中のアセチレン類、ジエン類を除去するためには、反応の活性と主反応の選択性を高く維持することが重要である。例えば活性が低ければ水素を必要量加えたとしても、その水素が反応せずに、アセチレン類が残留してしまう。また主反応の選択性が低ければ加えた水素は副反応に多く消費され、主反応に使用される水素が不足してしまう。
【００１２】
反応活性をコントロールする操作変数としては反応器入口温度があげられる。具体的には反応器入口温度を上げれば、主反応、副反応とも反応速度が増加して、添加した水素は反応に用いられる。一方で温度を上げすぎると主反応の選択性が悪化して、水素が不足する。したがって反応が完了するのに必要なできるだけ低い温度に調整するのがよい。反応活性の指標として反応器出口の未反応水素濃度を採り、この濃度を予め定められた上下限値内で維持する様に、反応温度を調整するコントローラーによって、反応活性を適正にコントロールできる。
【００１３】
一方で、反応活性を適正に維持していれば、必要水素量を添加すればアセチレン濃度を許容値内に維持する事ができる。必要水素量は主反応に必要な水素量と、ある選択率で同時に起こる副反応に消費される水素量の和である。もし水素が不足すればアセチレン類又はジエン類が反応器出口にリークする。また水素が過剰であれば、過剰分の水素は全て副反応に消費され、オレフィン類のロスが増加する。
【００１４】
従って、反応器出口のアセチレン又はジエン類の濃度を監視して、これが許容値以内の微小量検出されている状態を維持すれば、その瞬間の反応選択性に応じた必要最低限の水素量を維持できていることになる。よって反応選択性の指標として、反応器出口のアセチレン類又はジエン類の濃度を採り、これを予め定められた上下限値内に維持する様に、反応器入口における水素／（アセチレン類＋ジエン類）比を調整するコントローラーによって、必要最低限の水素量を維持できる。
【００１５】
コントローラーの形態としては、予め反応器入口温度（Ｔ）及び反応器入口の[水素のモル数/（アセチレン類のモル数＋ジエン類のモル数）比]（Ｒ）と、反応器出口の未反応水素モル濃度（Ｘ）、及び反応器出口のアセチレン類又はジエン類モル濃度（Ｙ）の動的な相関をプラントテストによって把握し、この相関をモデルとして使用する多変数モデル予測制御コントローラーを用いる。この動的関係を表すモデルの種類は、ステップ応答モデル、線形回帰モデル、ＰＬＳモデル、ニューラルネットワークなどがあげられるが、上記の関係を適切に表すモデルであればその種類は限定されない。
【００１６】
モデル予測制御を使用する理由としては反応器フィード流量や、入口のアセチレン類又はジエン類の濃度などの変化を外乱要素としてコントローラーに取り込むことによって、より安定して反応器出口の水素濃度、及びアセチレン類又はジエン類の濃度を維持できるためである。
【００１７】
上述のモデル予測制御コントローラーによって設定される反応器入口の［水素のモル数／（アセチレン類＋ジエン類）のモル数］の比率（Ｒ）は、実際には原料フィードに加えられる水素ストリームの流量によって調整される。
【００１８】
このコントローラーが有する動的相関モデルはより精度の高いものがよいが、実際のプラントにおいては、この動的相関モデルを作成する際には予想できなかった状況も起こりうる。従ってこの動的相関モデルによって予測される反応器の挙動と実際の挙動に誤差が生ずる場合があり、このような場合においても、反応器出口のアセチレン類、ジエン類のモル濃度は許容値以下にする必要がある。そのために、化学量論的に必要な反応器入口の[水素／（アセチレン類＋ジエン類）]（Ｒ0）をあらかじめ計算しておき、この値に一定倍率を乗じた値（Ｒmin）を、コントローラーが調整するＲの調整範囲の下限とする。
【００１９】
次に、請求項１における制御システムについて説明する（図２参照。請求項２の場合は、ＸをＹに置き換える。）。モデル予測制御コントローラーは現在のプロセス（ここでは水添反応系）の制約条件を守るように、あらかじめ定められた上下限値（ＸH,ＸL）の範囲内で最適なＸの設定値（ＸSV）を設定する。現状値（Ｘ）と設定値（ＸSV）の偏差がモデル予測制御コントローラーに入力され、この偏差を修正するような反応器入口の[水素のモル数／（アセチレン類＋ジエン類）のモル数]の比率（Ｒ）、反応器入口温度Tの設定値を出力する。ＲはＲコントローラーに入力され、原料フィード流量（Ｆ）、原料フィード中のアセチレン類のモル濃度（ＣAi）、及び原料フィードに加えられる水素ストリーム中の水素濃度（ＣHi）の測定値を用いて、入力されたＲとする為の水素ストリームの流量（ＦH）を出力する。その結果プロセスにはＦHとＴが設定される。ＦHとＴはこの設定値になるように、一般的な単ループのコントローラーによって常に維持される。プロセスはＦHとＴに応答してＸの現状値を出力する。このようにしてＸはあらかじめ定められた上下限値の間に維持される。
【００２０】
【発明の効果】
以上、説明したとおり、本発明によれば主反応であるアセチレン類又はジエン類の水添反応を優先的に起こし、かつ副反応であるオレフィン類の水添反応を必要最低限に抑える事ができる。さらに、コントローラーが使用する動的相関モデルに誤差があった場合にも、反応器出口のアセチレン又はジエン類のモル濃度（Ｙ）が許容値を超える事を回避できる。これによって水添反応装置におけるオレフィン類の増加量を最大とし、オレフィン製品の回収率を上げるとともに、後段の精留塔におけるエネルギーを低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の対象となる水添反応装置の構成を示すものであり、一例として３塔式のアセチレン水添反応装置の場合を示す。
【図２】請求項１における制御システムの概念図である。（請求項２の場合はＸをＹに置き換える。）
【符号の説明】
１：反応器  第１槽
２：反応器  第２槽
３：反応器  第３槽
４：第１槽入口加熱器
５：第１槽出口冷却器
６：第２槽出口冷却器
Ｆ：原料フィード
Ｈ１：第１槽入り水素
Ｈ２：第２槽入り水素
Ｈ３：第３槽入り水素
Ｔ１：第１槽入口温度
Ｔ２：第２槽入口温度
Ｔ３：第３槽入口温度
Ａ１：第１槽入口アセチレン濃度
Ａ２：第１槽出口（第２槽入口）アセチレン濃度
Ａ３：第２槽出口（第３槽入口）アセチレン濃度
Ａ４：第３槽出口アセチレン濃度
Ａ５：第１槽出口水素濃度
Ａ６：第２槽出口水素濃度
Ａ７：第３槽出口水素濃度
【図１】
0003849445.tif 000002
【図２】
0003849445.tif 000003