УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ РЕАКТОРОМ ПОЛУНЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

Предлагаемое техническое решение относится к области управления объектами с нестационарной динамикой, обусловленной переменными составом реакционной массы (РМ) и степени заполнения реактора, касается, в частности, вопросов стабилизации температурного режима экзотермических процессов и повышения эффективности перемешивания, реализуемых в реакторах полунепрерывного действия (РПНД), которое найдет широкое применение в химической, нефтехимической, химико-фармацевтической, лакокрасочной, витаминной, пищевой и других специализированных отраслях промышленности при производстве промежуточных и целевых продуктов (пигментов, красящих лаков, масел, моторных топлив, лекарственных препаратов, витаминов и высокоэнергетических компонентов).
Известно большое количество способов и устройств по управлению РПНД, каждый из которых используется, исходя из особенностей кинетики и термодинамики протекающего процесса, его технологического и аппаратурного оформления, производительности установки:
1. А.с.: 521003 МПК В 01 I 1/00, публ. 1976, 525463 МПК В 01 I 1/00, публ. 1976, 664681 МПК В 01 I 1/00, публ. 1979, 978114 МПК G 05 Д, публ. 1982, 1230667 МПК В 01 I 19/00, публ. 1986, 1634659 МПК В 01 I 19/00, публ. 1991, 1690840 МПК В 01 I 19/00, публ. 1992, 1736600 МПК В 01 I 19/00, публ. 1992, 1804903 МПК В 01 I 19/00, публ. 1993.
2. Бирюков В.В. Диссертация, к.т.н. Периодические реакторы как объекты управления. М. 1965.
Голант В.А. Диссертация, к.т.н. Полунепрерывные реакторы как
объекты управления по величине рН. М. 1967.
3. Системы и средства автоматизации потенциально опасных процессов химической технологии. Межвуз. сб. научн. трудов. Л.; Изд. ЛТИ им. Ленсовета, 1979 - 124 с / Сахненко В.И. и др. Разработка системы управления реактором полунепрерывного действия, с.93-97.
Автоматизация потенциально опасных процессов химической технологии. Межвуз. сб. научн. трудов. Л.: Изд. ЛТИ им. Ленсовета. 1984 - 152 с / Сахненко В.И. и др. Управление экзотермическим процессом в реакторе полунепрерывного действия, с.126-130/.
Известно устройство автоматического управления процессом ацетонирования в РПНД для получения диацетонсарбозы на установке, содержащей собственно РПНД, расходную емкость (РЕ), теплообменник, циркуляционный насос, с системой автоматического управления: контроля, регулирования → и сигнализации (Т.К.Берендс и др. Элементы и схемы пневмоавтоматики. М.: Машиностроение, 1976. - 246 с // с.211-219; рис.158, 159).
Недостатками приведенного устройства управления считаются:
1. Невысокая точность стабилизации температурного режима в РПНД.
2. Значительная длительность стадии дозирования, обусловленная использованием регулятора фиксированной структуры без учета неконтролируемых внутренних параметрических и внешних возмущающих воздействий, а также привода мешалки с застабилизированной скоростью вращения.
Также известно устройство по автоматическому управлению РПНД, изложенное в статье "Вопросы эксплуатационной надежности процесса нитрования метилового эфира хлоргидрина стирола в РПНД" (см. Химико-фармацевтический журнал, 1988, №2, с.221-226, рис.5). Недостатками устройства являются:
1. Невысокая точность стабилизации температуры реакционной массы (РМ) - (±0,5°С), связанная с отсутствием коррекции по учету взаимного влияния колебаний температуры РМ и других
промежуточных координат объекта управления (ОУ) - РПНД на подачу дозируемого компонента (ДК).
2. Установка одноклапанной системы на сливной линии РЕ с ДК, не позволяющая обеспечить требуемую точность регулирования температуры в течение всей длительности процесса дозирования и одновременно реализовать его минимальную длительность.
3. Невозможность точного измерения приращения уровня РМ в РПНД при переменном ее составе, приводящем к существенным изменениям электрофизических и теплофизических свойств РМ (плотности, проводимости, диэлектрической проницаемости, теплоемкости), для правильной корректировки скорости вращения двигателя мешалки, что отрицательно сказывается на длительности дозировки.
Известно устройство по управлению РПНД на установке, содержащей собственно реактор смешения и расходную емкость, с управляющим воздействием для стабилизации температуры реакционной массы (РМ) по подаче сжатого воздуха через дроссельный вентиль и трехходовый регулирующий клапан в воздушную полость расходной емкости (А.с. 1606178; МПК 5 В 01 119/00, публ. 1990 г.).
Недостатком приведенного устройства является невысокая надежность, обусловленная избыточностью используемых средств автоматизации, а также невысокая эффективность перемешивания из-за применения привода мешалки с фиксированным числом образцов, что отрицательным образом сказывается на точности стабилизации и длительности дозировки.
В качестве ближайшего аналога принято устройство, описанное в статье "Проблемы автоматизации реактора полунепрерывного действия" авторов В.И.Сахненко и др., опубликованной в Химико-фармацевтическом журнале (1996 г. №2, с.42-46). В указанной статье на с.45, рис.2 представлена функциональная схема управления РПНД.
Недостатком известного устройства является аппаратурная и информационная избыточность, что ведет к снижению ее надежностных показателей.
1. Процессы органического синтеза, реализуемые в РПНД, в настоящее время составляет примерно 75% всех существующих промышленно-технологических систем получения и промежуточных компонентов и целевых продуктов. Автоматизация же процессов, являясь одним из эффективных методов научно-технологического прогресса, способствует повышению производительности РПНД за счет увеличения выхода целевого продукта и сокращения длительности дозировки, а также обеспечивает снижение аварийности процесса благодаря своевременному обнаружению появление аномальных режимов по внезапному отклонению температуры реакционной массы и оперативной выработке противоаварийных управляющих воздействий.
2. Однако уровень автоматизации действующих и проектируемых РПНД остается до сих пор невысоким из-за значительной сложности последнего, как объекта управления и потенциальной опасности самих экзотермических процессов, проводимых в нем, а также недостаточной изученности учета указанных факторов при совершенствовании систем управления объектами подобного класса.
3. Сложность РПНД, как объекта управления, обусловлена нестационарностью динамических характеристик по каналу управляющего воздействия, связанной с переменными составом реакционной массы и степенью заполнения реактора, а потенциальная опасность процесса, способная перейти при стечении определенных нежелательных обстоятельств (отказы в системе стабилизации температуры дозировки компонента, работы мешалки, возникновение протечек в теплообменных устройствах реактора, недопустимое отклонение параметров хладоагента) в реальную аварию с тяжелыми
последствиями, скрыта в громадной концентрации межатомной связи энергии, таящейся в исходных промежуточных, в особенности конечных продуктах реакции.
Поэтому разработка более рациональных систем автоматического управления объектами подобного класса на основе изучения особенностей их поведения в регламентном и аномальном режимах, остается одной из актуальнейших задач.
4. При дозировке агрессивных жидкостей (концентрированные азотная и серная кислота, бром) с использованием регулирующих, отсечных клапанов, могут возникать ненужные отказы в подаче дозируемого компонента в реактор из-за образования протечек в сальниковых уплотнениях клапанов или попадания твердых включений на седло под лоток клапана. Чтобы избегать таких отрицательных последствий целесообразнее организовать подачу агрессивных жидкостей непосредственно передавливанием, используя принцип "монтежю".
5. Особенно эффективно использование этого принципа подачи дозируемого компонента при прямом нитровании, когда в качестве дозируемого компонента служит концентрированная смесь азотной и серной кислот. Преимущество прямого нитрования, при котором в реакторе постоянно существует избыток органического соединения, заключается в возможности получения чистого мононитросоединения без примеси взрывоопасных ди- и тринитросоединений, а также в максимальном использовании азотной кислоты для образования именно мононитросоединений.
6. Следует отметить, что при прямом нитровании из-за низкого содержания азотной кислоты в реакторе, возникает побочная реакция между органическим соединением и нитрозилсерной кислотой, в результате чего образуется побочный продукт - комплекс Баттче, который в условиях повышенной температуры легко окисляется, что сказывается на выходе и качестве целевого мононитросоединения.
Поэтому реакции нитрования при прямом сливе нитрующего компонента проводят при пониженных температурах, а это при обычном регулировании скорости его подачи приводит к ухудшению качества стабилизации температуры РМ в РПНД.
7. Необходимость использования регулируемого привода мешалки в РПНД обусловлена переменной степенью заполнения реактора и переменным составом РМ по мере подачи дозируемого компонента из расходной емкости или емкости - хранилища данного реагента. В начальный период процесса дозирования, когда концентрации реагирующих компонентов максимальны, вероятность соударений молекул наибольшая. Но по мере того, как исходные компоненты превращаются в продукты реакции, их концентрации падают, а вместе с этим и снижается вероятность столкновений молекул, участвующих в реакции компонентов. Чтобы застабилизировать вероятность их столкновений на максимальном уровне, вне зависимости от объема отдозированного компонента в реактор, целесообразно по мере увеличения степени его заполнения пропорционально увеличивать и скорость вращения мешалки.
8. Стадия дозирования, когда большинство всех параметров РМ и РПНД претерпевают существенные изменения, является самой сложной с точки зрения стратегии управления, требующей разработки более эффективной (в смысле стабилизации температуры РМ) и безопасной (предотвращение развития аномальных режимов) системы управления.
Дозировкой (подачей компонента из расходной емкости 2) можно управлять по температуре РМ в РПНД, изменяя давление в расходной емкости, при этом:
где αp - коэффициент расхода;
F - сечение трубопровода, м;
ΔР - перепад давления между расходной емкостью и РПНД, Кпа;
Н - изменение уровня в расходной емкости 2, м;
2
2
1
ΔР=Р-Р, где
2
P - давление в расходной емкости, Кпа;
1
P - давление в РПНД, кПа,
3
ρ - плотность дозируемой жидкости, кг/м,
2
g - ускорение силы тяжести, м·с.
Задачей изобретения является повышение выхода целевого продукта, сокращение длительности дозировки за счет повышения точности стабилизации, температуры реакционной масс, а также повышение поддержания устройства в условиях управляемой подачи агрессивных сред.
Предложено устройство автоматического управления реактором полунепрерывного действия на установке, включающей реактор смешения и расходную емкость, причем реактор смешения снабжен мешалкой с регулируемым приводом, выполненным на базе статического преобразователя частоты, клапаном разгрузки, теплообменниками, патрубками подачи компонентов в реактор смешения, а также подачи и выхода хлодоагента через теплообменники, вытяжной системой отвода газообразных побочных продуктов реакции, при этом расходная емкость оснащена тремя отсечными клапанами, два из которых установлены на крышке расходной емкости, а третий сливной расположен в днище; переточной трубой для управляемой подачи дозируемого компонента в реактор смешения, не доходящей с входной стороны до ее днища, а с выходной стороны, соединенной через обратный клапан с трубопроводом подачи дозируемого компонента в реактор смешения, в зону работы мешалки, содержащее в качестве информационных каналов датчики температуры реакционной массы в реакторе смешения, уровня дозируемого компонента и давления емкости, расхода дозируемого компонента и давления сжатого воздуха в расходной емкости, расхода дозируемого компонента в переточной трубе, установленного перед
обратным клапаном, датчиком скорости вращения мешалки, одним аналоговым и пятью дискретными электропневматическими преобразователями, три из которых размещены у отсечных клапанов, а аналоговый - у патрубка подачи сжатого воздуха расходной емкости, четвертый расположен у клапана разгрузки, а пятый у отсечного клапана подачи хладоагента в теплообменники реактора смешения, микропроцессорным контроллером, при этом выходы с датчиков уровня, давления, расхода, температуры и скорости вращения мешалки соединены соответственно с первым, вторым, третьим, четвертым и пятым входами микропроцессорного контроллера, первый выход с которого соединен с аналоговым электропневматическим преобразователем, второй выход через статический преобразователь частоты параллельно связан с двигателем мешалки и с датчиком скорости вращения мешалки, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой выходы соединены с первым, вторым, третьим, четвертым и пятым дискретными электропневматическими преобразователями соответственно, в котором, согласно полезной модели, аналоговый электропневматический преобразователь расположен непосредственно на крышке расходной емкости, пневматический выход с которого соединен напрямую с воздушной полостью расходной емкости, электрический вход связан с первым выходом микропроцессорного контроллера, а второй отсечной клапан установлен на воздушном патрубке расходной емкости, пневмопривод которого через второй дискретный электропневматический преобразователь соединен с четвертым выходом микропроцессорного контроллера.
Сущность полезной модели поясняется следующими графическими материалами:
1. Функциональной схемой устройства по автоматическому управлению РПНД, представленной на фиг.1.
2. Структурной схемой автомата защиты РПНД, представленной на фиг.2. На фиг.1 представлена функциональная схема устройства по
автоматическому управлению РПНД на установке, состоящей из реактора 1 и расходной емкости (РЕ) 2.
РПНД 1 в качестве теплообменных устройств снабжен рубашкой 3 и змеевиком 4, соединенными между собой последовательно посредством трубной переметки 5. Реактор 1 оснащен пропеллерной мешалкой 6 с двигателем 7 клапаном разгрузки 9 аварийного сброса) 8 содержимого реактора, он также снабжен патрубками подачи: хладоагента 9, заполнения исходным компонентом 10 до отметки 11; патрубками выхода; хладоагента с пониженной энтропией 12 и газообразных побочных продуктов реакции 13. По окончании дозировки уровень РМ повышается до отметки 14. На патрубке подачи хладоагента расположен отсечной клапан (ОК) 15.
РЕ 2 оснащена переточной трубой 16 для подачи дозируемого компонента в реактор, не доходящей до днища РЕ с входной стороны и опущенной в РПНД на выходе в зону работы перемешивающего устройства. На переточной трубе установлен обратный клапан 17, представляющий собой односедельный отсечной клапан прямого принципа действия (нормально закрыт) и препятствующий образованию опасного сифонно-самостоятельного потока, когда управляющий командный РМ из РПНД, когда управляющий командный в РЕ упадет до нулевой отметки, а уровень РМ в РПНД станет выше уровня дозируемого компонента в РЕ.
РЕ оснащена следующими ОК:
18 - заполнение РЕ дозируемым компонентом до отметки 19.
20 - обратного принципа действия (нормально открыт) аварийного сброса давления из газовой полости РЕ и, тем самым, прекращения подачи дозируемого компонента в реактор (реализации принципа отсечки подачи компонента)
21 - разгрузки РЕ от загрязненного остатка отдозированного компонента. В РЕ контролируют:
1
- уровень дозируемого компонента посредством датчика уровня 22 с выдачей информационного сигнала по каналу X на микропроцессорный
контроллер с малой степенью интеграции (МПК) 23, снабженного дисплеем и принтером;
- давление в газовой полости РЕ с помощью датчика давления 24 с
2
выдачей информационного сигнала по каналу Х на МПК 23;
3
- расход дозируемого компонента, подаваемого в РПНД, посредством датчика расхода 25 с выдачей информационного сигнала по каналу Хна МПК 23.
В РПНД контролируют:
4
5
- температуру РМ посредством термопреобразователя 26 и скорость вращения мешалки посредством частотомера 27 с выдачей информационных сигналов по соответствующим каналам Х и Х в МПК 23.
В РПНД регулируют:
4
1
- в режиме стабилизации температуру РМ по сигналу с термопреобразователя 26 по информационному каналу Х с выдачей с МПК 23 командного сигнала по каналу У управляющего воздействия на электропневматический аналоговый преобразователь (ЭАП) 26, выход с которого непосредственно связан с воздушной полостью РЕ2;
1
1
2
- в режиме программного параметрического изменения скорости вращения мешалки 6 в функции от объема отдозированного компонента по сигналу с датчика уровня 24 по информационному каналу Х на вход МПК 23 с выдачей командного воздействия по каналу Z через тиристорный преобразователь частоты (ТПЧ) 29 по каналу У на двигатель 7 мешалки 6.
На установке управляют:
3
- заполнением РЕ2 дозируемым компонентом до уровня 18 воздействием по команде с МПК 23 по каналу У через электропневматический дискретный преобразователь (ЭДП) 30 на пневмопривод отсечного клапана (ОК) 18;
4
- аварийным сбросом давления сжатого воздуха из газовой полости РЕ2 в случае отсечки подачи дозируемого компонента в реактор при аварийном повышении температуры воздействием по команде с МПК 23 по каналу У через ЭДП 31 на пневмопривод ОК 20;
5
- сливом загрязненного остатка отдозированного компонента из РЕ воздействием по команде с МПК 23 по каналу У через ЭДП 32 на пневмопривод ОК 21;
6
- подачей хладоагента в теплообменные устройства реактора воздействием по команде с МПК 23 по каналу У через ЭДП 33 на пневмопривод ОК 15;
7
- аварийным сбросом РМ из реактора воздействием по команде с МПК 23 по каналу У через ЭДП 34 на пневмопривод клапана разгрузки 8.
1
На фиг.2 представлена структурная схема автомата защиты, реализованная в МПК 23. Она включает в себя адаптивный регулятор температуры (APT) РМ 35, первый блок задания (1БЗ) 36 по выработке управляющего воздействия на отсечку подачи дозируемого компонента при аварийном повышении температуры РМ, второй блок задания (2БЗ) 37 по выработке управляющего воздействия на сброс РМ из реактора при дальнейшем аварийном повышении температуры, логический элемент "ЗАПРЕТ" 38, блокирующий выработку управляющего сигнала с APT 35 по каналу Y на ЭАП 30 при аварийном повышении температуры РМ, и два ключевых усилителя сигнала (1 КУС) 39 и (2 КУС) 40 выработки дискретного управляющего воздействия на ЭПД 31 и 34, соответственно. Соотношение значений установок по температуре с РМ на APT 35, 1БЗ 36 и 2БЗ 37 выбираются из следующих условий неравенства:
3
13
23
Тр<T<T.
Использование предлагаемой полезной модели позволяет повысить производительность РПНД на 10-12% и обеспечить безаварийность процесса в условиях дозировки высокоагрессивных сред.