Алгоритмизация технологического процесса синтеза метил-трет-бутилового эфира при разработке АСУТП Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 66-52

С. Н. БАХМЕТЬЕВ

Омский государственный технический университет

АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СИНТЕЗА МЕТИЛ-ТРЕТ-БУТИЛОВОГО ЭФИРА ПРИ РАЗРАБОТКЕ АСУТП

С целью автоматизации управления процессом для повышения его качества исследуется математическая модель процесса и оценивается ее соответствие экспериментальным данным. Определена возможность описания связи параметров процесса с использованием уравнения линейной регрессии. Применение модели позволяет оптимизировать управление процессом синтеза МТБЭ и увеличить выход готового продукта.

Введение

Метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ) (2-метил-2метоксипропан) (СН3)3СОСН3 является самым эффективным средством для увеличения октанового числа бензинов. При его производстве главными задачами являются увеличение объема производства, снижение потерь и увеличение качества готовой продукции. Решение этих задач требует автоматизации процесса и управления им.

Для эффективного управления процессом синтеза МТБЭ необходимо решить задачу алгоритмизации процесса с выяснением возможных причин снижения качества и потерь п ходе синтеза.

1. Схема и описание процесса получения МТБЭ

МТБЭ получают, присоединяя метиловый спирт СН.,ОН к изобутилену (2-метилпропилену) С4Н8. При этом не требуется ни высоких температур, ни высоких давлений, Реакцию осуществляют на специальном катализаторе (чаще всего это ионообменные смолы) с высокой селективностью и почти полной конверсией за проход. Функциональная схема действующей технологической установки для синтеза МТБЭ представлена на рисунке 1.

Синтез МТБЭ из бутилен-изобутиленовой фракции и метанола происходит в прямоточном реакторе 1 и в реакционно-ректификационном аппарате 2. Подача потока отмытой бутилен-изобутиленовой фракции регулируется автоматически регулятором расхода 3. Смешивание сырьевых компонентов происходит в смесителе 6. Подача метанола в смеситель также регулируется автоматически регулятором расхода 7. Исходная бутилен изобутиленовая фракция непрерывно автоматически анализируется на содержание изобутилена хроматографом 9. Период анализа хроматографа составляет приблизительно 40 минут.

В прямоточном реакторе 1 происходит реакция синтеза. Конверсия изобутилена в этом реакторе достигает 60-70%. Отвод тепла реакции в реакторе 1 осуществляется за счет разогрева реакционной смеси и частичного ее испарения. Для нормального осуществления реакции синтеза температура исходного сырья в нижней зоне катализаторного слоя реактора должна быть в пределах 40-50 "С.

Реакционная смесь из реактора выводится двумя потоками: сверху реактора отбирается газовый поток (газовая фаза); выше катализаторного слоя реактора отбирается жидкая фаза.

При осуществлении процесса синтеза крайне важен правильный выбор величины расхода каждого продукта.

Как правило, расход бутилен изобутиленовой фракции (БИФ), содержащей изобутилен, принимается постоянным, а количество подаваемого метанола определяется в зависимости от нагрузки (величины расхода БИФ) и процентного содержания изобутилена в БИФ. Величина соотношения изобутилен-мета-нол в данном случае выбирается эмпирически, исходя из личного опыта технолога. Это в свою очередь возлагает большую ответственность на оператора, обслуживающего узел синтеза, в поддержании данного соотношения с учетом изменения процентного содержания изобутилена в БИФ.

Для поддержания определенного соотношения изобутилен-метанол используются показания хроматографа 25 — процентное содержание не прореагировавшего метанола в реакционной массе. При постоянной конверсии реактора эта величина в зависимости от текущей производительности реактора поддерживается в пределах 3-6%. При неправильном задании расхода метанола относительно расхода БИФ количество непрореагировавшего метанола на выходе реактора может быть либо больше, либо меньше требуемого значения. В обоих случаях это приводит к перерасходу исходного сырья, недополучению готовой продукции и снижению ее качества.

2. Аналитическое описание процесса синтеза

Исследуем взаимосвязь между основными параметрами процесса. Исходными продуктами для получения МТБЭ являются метанол (СН3ОН) и изобутилен (С,НВ). При смешении исходного сырья и присутствии катализатора химическая реакция синтеза в реакторе описывается следующим уравнением [3]:

СН3ОН + С4Нв = С5Н120 + <}, 32 56 68

где указаны числовые значения расхода компонентов в г/моль.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАЛЕНИЯ

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 И3> 2003

Рис. 1. Функциональная схема узла синтеза МТБЭ.

Из данного уравнения следует, что для осуществления химической реакции необходимо выдерживать массовое соотношение исходных продуктов по следующей зависимости:

или

32

" 56 ' '

(1)

где С(| — массовый расход метанола, поступающего на реакцию; — массовый расход изобутилена.

В свою очередь массовое количество изобутилена С,, поступающего на реакцию в составе БИФ, можно определить, зная показания хроматографа 9:

с/ - с1«ф ■ GS1

(2)

где С'ЕИ, - концентрация изобутилена в БИФ (показания хроматографа 9); СБИФ — массовый расход БИФ.

Таким образом, из формул (1) и (2) мы можем вывести зависимость массового расхода метанола от массового расхода изобутилена:

32 ,

G-"=sec-'G"-

(3)

Первая задача управления заключается в обеспечении заданного соотношения компонентов метанола и изобутилена перед смесителем. Здесь основным возмущающим фактором при постоянном массовом расходе БИФ будет меняющееся качество БИФ (концентрация изобутилена в БИФ).

В реакторе 1 под воздействием катализатора происходит химическая реакция изобутилена с метанолом. Время реакции составляет 2-3 часа. Зная коэффициент конверсии реактора (в нашем случае по экспериментальным данным он составляет 60-70%), мы можем определить количество метанола, не вступившего в реакцию:

G=(1-KJ-GU

(4)

где см - количество метанола, не вступившего в реакцию; Кр — коэффициент конверсии реактора. Тогда концентрация метанола, не вступившего в реакцию, на выходе из реактора будет определяться выражением вида:

С =

или

С =

, +

(1-К„)Си с„ + GtOT>

(5)

С =

— Г1 Г 4-О

с (1-K„J-KC

1+ К-С1

(6)

32

где См — концентрация непрореагировавшего метанола в реакционной массе на выходе из реактора. В нашем случае на выходе из реактора реакционная масса присутствует в жидкой и газообразной фазе. Учитывая незначительный массовый расход газообразной фазы по отношению к жидкой фазе, а также незначительное содержание метанола в газообразной фазе, будем считать, что Сч - концентрация непрореагировавшего метанола в жидкой фазе реакционной массы. Измерение См обеспечивает хроматограф 25.

Подставляя значение массового расхода метанола из формулы (3) в формулу (5), получим зависимость вида:

где Кст — постоянный коэффициент, равный .

Таким образом, мы выяснили, что концентрация непрореагировавшего метанола на выходе реактора напрямую зависит от концентрации изобутилена в БИФ. И эта величина может быть использована в управлении для корректирования количества подаваемого метанола на смеситель (на реакцию).

3. Проведение экспериментальных исследований

Для проверки адекватности описания (6) были проведены экспериментальные исследования. Для этого в течение 5 дней регистрировались показания хроматографов 9 (концентрация изобутилена в БИФ) и 25 (концентрация непрореагировавшего метанола в реакционной массе). Данные накапливались в виде исторических графиков в существующей SCADA системе с дискретностью 20-30 минут. Всего получилось 255 временных срезов. На основании исторических графиков были составлены таблицы исходных массивов данных. Для обработки данных и моделирования была использована математическая система MATLAB (в первую очередь пакет расширения Statistics Toolbox).

На рис. 2 приведены тренды концентрации изобутилена C(t) в БИФ и метанола CM(t) на выходе реактора (1 — зависимость C^t), 2 — CM(t)).

Экспериментальные данные сравнивались с теоретическими данными, полученными путем расчета теоретической зависимости концентрации непрореагировавшего метанола на выходе реактора отконцен-трации изобутилена в БИФ по (6) — См(С.). Расчет проводился при изменении концентрации изобутилена С, от 25% до 45% с дискретностью 0,1 % и коэффициенте конверсии реактора Кр = 0,60 и Кр=0,70. То есть были рассчитаны две теоретические зависимости См(С^, одна при коэффициенте конверсии реактора Кр = 0,60, другая - при Кр = 0,70. Полученные графики теоретической зависимости CJCj сравнивались с экспериментальными данными (рис. 3). На рисунке 3 экспериментальные данные показаны точками, а теоретические зависимости — линиями (сплошная линия для Кр = 0,70, штрихпунктирнаядля Кр = 0,60).

Теоретические зависимости СК(Щ построены без учета времени реакции (запаздывания реактора), которое может составлять 2-3 часа. При помощи математического пакета MATLAB было осуществлено смещение показаний хроматографов 9 и 25 относительно друг друга на 2 часа для учета запаздывания, а также уточнен коэффициент конверсии реактора (был принят равным 73%).

На рис. 4 представлена экспериментальная зависимость концентрации метанола от концентрации изобутилена (красные точки +) с учетом двухчасового запаздывания реактора, теоретическая зависимость СМ(С,) при конверсии реактора 73% (синяя линия), а также результат линейной регрессии экспериментальных данных (красная сплошная линия), выполненной в среде MATLAB. Как видно из рисунка, результат регрессии достаточно хорошо совпадает с теоретическим результатом.

Максимальное расхождение (абсолютная ошибка) между теоретической зависимостью и линейной регрессией составляет 0,0855% при концентрации изобутилена С, = 35,8%. При этом данной концентрации

i X

£ w

я

ь

•'еч

s

азоо «ио

"Пгпе, min.

Рис. 2. Тренды концентрации изобутилена и метанола.

F

+ : •ч

+ 1 ) Т-. .

+ ,7

-hj. J.1 "ЧЙ^Ч-^'Т * -

г. W s ifcrt1 .tr-sл1

Ф-Н+

Рис. 3. Экспериментальная и теоретическая зависимости С„(С,|.

Рис. 4. Экспериментальная и теоретическая зависимости СМ(С,) с учетом времени реакции.

изобутилена соответствует следующее аппроксимированное значение концентрации метанола: 4,4999%. Тогда максимальная относительная ошибка определяется выражением:

с 0.0855 ,„„„, 0= _____ 100%

4.4999

или

6 = 1.9% . Заключение

Тахим образом, для описания процесса синтеза МТБЭ с целью оптимизации управления процессом можно использовать зависимость:

1

ВМФ

- 1+ К„-С'и1ф ■

При этом относительная ошибка 5 по экспериментальным данным составляет 1,9%. На основании этого можно рекомендовать в качестве первой задачи системы управления — автоматическое регулирование

расходов 3 и 7 в массовых единицах (т/ч) с автоматическим поддержанием нужного соотношения мета-нол-изобутилен; а в качестве второй задачи — корректирование массового расхода метанола 7 в зависимости от концентрации непрореагировавшего метанола на выходе реактора (каскадное регулирование).

Литература

1. Перов В.Л. Основы теории автоматического регулирования химико-технологических процессов. - М.: Химия, 1970. - 352 с.

2. Скобло А.И., Трегубова И.А., Молоканов Ю.К. Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. — 2-е изд., пере-раб. идоп. - М,: Химия, 1982. - 584е., 363 ил.

3. Технологический процесс получения метил-трет-бутилового эфира.

БАХМЕТЬЕВ Сергей Николаевич, аспирант кафедры автоматизации и робототехники.