Особенности создания имитационно-моделирующих комплексов распространенных нефтехимических процессов на примере процесса синтеза винилацетата Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

G.N. Shut'ko, A.A. Shemjakin // Tez. dokl. mezhdunarodnoj teoreticheskoj konferencii. - Ufa: UTIS, 1995. - S. 137-138.

4. Dolomatov M.Ju. Ob analogii zakonov ravnovesnoj termodinamiki v slozhnyh jekonomicheskih i prirodnyh sistemah [Tekst] / M.Ju. Dolomatov // Sbornik trudov Mezhdunarodnoj nauchno-praktiches-koj konferencii: Aktual'nye problemy metodologii, filosofii nauki i obrazovanija. - M.; - Ufa: ATiSO, 2007. - T. 1. - 184 s. - S.43-48.

5. Dolomatov M.Ju. Programma ocenki social'noj naprjazhennosti v regionah [Tekst] / M.Ju. Dolomatov,

N.A. Zhuravleva // Sbornik trudov XIII Mezhdunarodnoj konferencija «Informatika: problemy, metodologija, tehnologii». - Voronezh: Voronezhskij gosudarstvennyj universitet, 2013.

6. Janovskij R.G. Global'nye izmenenija i social'naja bezopasnost' [Tekst] / R.G. Janovskij. - M.: Academia, 1999. - 44 s.

7. Duclos Jean-Yves Poverty and equity: measurement, policy and estimation with DAD [Text] / Jean-Yves Duclos, Abdelkrim Araar. - Boston, Dordrecht, London: Kluwer Academic Publishers, 2006. - 393 s.

Шулаева Е.А. Shulaeva Е.А.

кандидат технических наук, доцент кафедры «Автоматизированные технологические и информационные системы» Стерлитамакского филиала ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», Россия, г. Стерлитамак

Даминев Р.Р. Damintv R.R.

доктор технических наук, профессор, директор Стерлитамакского филиала ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», Россия, г. Стерлитамак

Исламутдинова А.А.

Islamutdinova A.A.

кандидат технических наук, доцент кафедры «Общая химическая технология» Стерлитамакского филиала ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», Россия, г. Стерлитамак

УДК 004.457

ОСОБЕННОСТИ СОЗДАНИЯ ИМИТАЦИОННО-МОДЕЛИРУЮЩИХ КОМПЛЕКСОВ РАСПРОСТРАНЕННЫХ НЕФТЕХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ПРИМЕРЕ ПРОЦЕССА СИНТЕЗА ВИНИЛАЦЕТАТА

Винилацетат является одним из важнейших мономеров, производство которого во всем мире возрастает быстрыми темпами, является сырьем в производстве поливинилацетата, поливинилового спирта, поливинилацеталей, сополимеров и др., используемых в производстве лаков, красок, клеев, волокон, лекарственных средств и т. д. Компьютерное моделирование процесса синтеза винилацетата, реализованное в рассматриваемом имитационно-моделирующем комплексе, способствует формированию компетенций выпускников технических вузов и повышению качества их подготовки и конкурентоспособности, а также позволяет: изучать перспективные технологии синтеза винилацетата методом ацето-ксилирования; моделировать и анализировать оптимальные условия проведения процесса с возможностью интерактивного изменения и расчета значений основных технологических параметров; проводить

построение графиков зависимостей выбранного выходного параметра процесса от выбранного входного параметра с возможностью увеличения в необходимой области для более точного исследования; разрабатывать архитектуру и состав технических средств автоматизированной системы управления технологического процесса с помощью интерактивной функциональной схемы автоматизации с интегрированной базой средств автоматизации и их характеристик; визуализировать в трехмерном представлении реакционную установку для отображения размещения оборудования, трубопроводов и исполнительных механизмов; создавать отчеты, включающие все основные параметры проведения процессов и результаты расчетов. Применение имитационно-моделирующего комплекса «Синтез винилацетата на основе этилена» позволит студентам в процессе обучения приобретать навыки управления технологическим процессом синтеза винилацетата, создавать автоматизированную систему управления процессом, что в целом повысит качество обучения студентов и конкурентную способность инженерно-технического персонала.

Ключевые слова: синтез винилацетата, имитационно-моделирующий комплекс, моделирование, функциональная схема автоматизации, средства автоматизации, контур регулирования.

FEATURES OF IMITATIONAL MODELING COMPLEX PREVALENT PETROCHEMICAL PROCESSES ON THE EXAMPLE OF VINYL

ACETATE SYNTHESIS

Vinyl acetate is one of the major monomers, which production worldwide growing rapidly, is the raw material in the production of polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, polyvinyl copolymers, etc., used in the production of varnishes, paints, adhesives, fibers, drugs, etc. The simulation of vinyl acetate synthesis, simulation and implemented the considered modeling complex contributes to the formation of competencies of graduates of technical universities and improve the quality of their training and competitiveness, as well as allows you to: explore emerging technologies vinyl acetate synthesis method acetoxylation, simulate and analyze the optimal process conditions with the possibility of interactive changes and calculating the values of the main technological parameters; spend plotting the selected output parameter of the process on the selected input parameter with the option to increase in the required area for more precise research, to develop the architecture and composition of the technical means of automated control system of technological process with the help of an interactive functional circuit with integrated automation base of automation and their characteristics; visualize the three-dimensional representation of reaction unit to display the placement of equipment, pipelines and actuators, create reports, including all the major parameters of the processes and results of the calculations. The use of simulation and modeling complex «Synthesis of ethylene vinyl acetate» will allow students in learning to learn skills of process control vinyl acetate synthesis, creating an automated process control system, which generally improve the quality of student learning and the competitiveness of the engineering staff.

Key words: vinyl acetate synthesis, simulation and modeling complex, simulation, functional layout automation, automation, control loop.

В настоящее время системы имитационного моделирования являются наиболее эффективным средством исследования сложных систем. В отличие от традиционного аналитического моделирования принцип имитационного основывается на том, что математическая модель воспроизводит процесс функционирования во времени, причем имитируются элементарные события, протекающие в системе с сохранением логики их взаимодействия [1].

Использование имитационно-моделирующего комплекса (ИМК) «Синтез винилацетата на основе этилена» [2, 3] в процессе обучения и тренировки инженерно-технического персонала повышает безопасность реальных технологических процессов за

счет отработки навыков их проведения в штатных режимах (рис. 1).

Существует ряд аналогов, рассматриваемого имитационно-моделирующего комплекса, разработчиками которых являются крупные фирмы, специализирующиеся на разработке программного обеспечения, предназначенного для использования в промышленной сфере, включая подготовку специалистов в той или иной отрасли. Как правило, такие продукты технически крайне сложны и управлять ими могут только хорошо подготовленные специалисты. К тому же их цена составляет несколько тысяч долларов.

Обзор литературных источников [4, 5] и анализ

работы действующих производств по получению ции в промышленности занимает парофазный син-винилацетата показали, что наиболее прочные пози- тез винилацетата из этилена.

Рис. 1. Рабочее окно программы, окно с описанием реактора винилацетата и его 3D-модель

Используемая упрощенная функциональная схема автоматизации (ФСА), представленная на рис. 2, предполагает осуществление надежного и быстрого автоматического контроля за важнейшими показателями процесса синтеза конверсией кислорода, этилена и уксусной кислоты, селективностью катализатора по этилену, съемом винилацетата, обеспечение возможности оптимального управления процессом синтеза винилацетата путем надежного поддержания съема винилацетата и перепада температуры в реакторе на заданном уровне, что позволяет увеличить производительность установки по ви-нилацетату и снизить себестоимость винилацетата.

ФСА состоит (рис. 2) из узла подготовки парогазовой смеси 1, реактора синтеза винилацетата 2, паросборника реактора 3, узла отделения циркуляционного газа от жидких продуктов синтеза 4, анализаторной 5, узла компримирования циркуляционного газа 6, узла очистки циркуляционного газа от инертов и диоксида углерода 7, теплообменников 8 и 9.

Расход свежей уксусной кислоты в узел 1 подготовки парогазовой смеси измеряют и регулируют автоматизированным контуром 3. Расход возвратной уксусной кислоты в узел 1 измеряют и регулируют автоматизированным контуром 4. Расход уксусной

кислоты из узла подготовки парогазовой смеси на очистку от высококипящих соединений измеряется автоматизированным контуром 1. Расход циркуляционного газа в узел подготовки парогазовой смеси измеряется автоматизированным контуром 14, а расходы циркуляционного газа и парогазовой смеси на анализ измеряются соответственно автоматизированными контурами 10 и 5. Расход этилена на подпитку циркуляционного газа измеряется автоматизированным контуром 15, расходы на факел диоксида углерода и циркуляционного газа из узла 7 измеряются соответственно автоматизированными контурами 16 и 17.

Содержание кислорода, этилена, диоксида углерода в циркуляционном газе измеряется автоматизированными контурами 7, 8, 9, содержание кислорода в парогазовой смеси измеряется автоматизированным контуром 6.

Температура парогазовой смеси на входе в реактор измеряется и регулируется автоматизированным контуром 12.

Давление парогазовой смеси на входе в реактор измеряется автоматизированным контуром 21, а перепад давления на реакторе - контуром 11.

Температура хладагента, поступающего в рубашку реактора из паросборника 3, измеряется ав-

Рис. 2. Упрощенная ФСА по производству винилацетата на основе этилена

томатизированным контуром 19, а температура продуктов синтеза на выходе из реактора - контуром 20.

Давление паров хладагента в паросборнике 3 измеряется и регулируется автоматизированным контуром 13.

Информация от датчиков 1-1, 2-1, 3-1, 4-1, 5-1, 6-1, 7-1, 8-1, 9-1, 10-1, 11-1, 12-1, 13-1, 14-1, 15-1, 16-1, 17-1, 19-1, 20-1, 21-1 поступает на входы контроллера, в котором вычисляются контролируемые показатели процесса синтеза винилацетата, коэффициенты математической модели данного процесса, определяются задания регуляторам температуры парогазовой смеси на входе в реактор, давления паров

хладагента в паросборнике реактора, расходов возвратной уксусной кислоты и кислорода в узел подготовки парогазовой смеси.

Контроль и управление процессом синтеза ви-нилацетата по предлагаемому способу осуществляется следующим образом [4].

На основании информации, поступающей в контроллер от датчиков расхода 3-1, 14-1, 10-1 и 5-1, анализаторов кислорода 6-1 и 9-1 вычисляются и контролируются расход кислорода в реактор и мольное отношение на входе в реактор смеси этилена, диоксида углерода и инертов к кислороду:

ТГР -(я -ТТАН\ ПП1 А^мГТ -ГтЛН А^С ПП1 гКИС ~\гЦГ Гцг )' и»и1 лцг "1~гкис гпс лпс

<Л =

где "кис - вычисленное текущее значение кислорода в реактор, нм3/ч; - вычисленное текущее значение мольного отношения смеси этилена, диоксида углерода и инертов к кислороду на входе в реактор, моль/моль; FЦГ , FШС - расходы циркуляционного газа и кислорода в узел подготовки парогазовой смеси, измеряемые соответственно датчиками 14-1 и 3-1, нм3/ч; Рщ, Р^ - расходы циркуляционного газа и парогазовой смеси на анализ, измеряемые

соответственно датчиками 10-1 и 5-1, нм3/ч; Ацр ,

лшс ^

Апс - концентрации кислорода в потоках циркуляционного газа и парогазовой смеси, поступающих на анализ, измеряемые соответственно датчиками

(1) (2)

кис

6-1 и 9-1, об. %.

На основании информации, поступающей от датчиков расхода на факел диоксида углерода 16-1 и циркуляционного газа 17-1, от датчиков расхода на анализ циркуляционного газа 10-1 и парогазовой смеси 5-1, от датчика расхода циркуляционного газа

14-1, анализаторов кислорода 6-1 и 9-1, анализатора диоксида углерода 8-1, от датчика расхода этилена

15-1 и по вычисленному значению расхода кислорода в реактор Ркис контроллером рассчитываются и контролируются конверсии кислорода на образование диоксида углерода и винилацетата, а также селективность катализатора по этилену:

Хр =1,5 .

Fф +

гду +

Рщ Рцт . 0,01"

{рцг ~ Fэт )

(3)

кис

{}7 + Т7ф V F Ашс. 0 01

v-p 1 VP \ГЦГ ГЭТ ^ гЦТ ) ГЦГ ЛЦГ U'U1

1 2--(р -F )

\гЦГ гэт )

- 0,01. FTÀ" . А™с - 0,01. Fß! . А

ЦТ

кис

кис

ПС

(4)

spL =

9 Yp J7P ZA1 ' г КИС

-Yp . Fp + 2XP . Fp

ГКИС ^ ^^ 1 гКИС

. 100% =

6. 100% 6+ 2

(5)

Xf

где X2 - рассчитанное текущее значение конверсии жает тот факт что в соответствии с принятьш хи-

кислорода на образование диоксида углерода, доли мизмом пРоцесса синтеза винилацетата из этилена

ед.; Хр - рассчитанное текущее значение конверсии на образование 2 молекул СО2 расх°дуется 3 м°ле-

кислорода на образование винилацетата, доли ед.; кулы кисл°рода: SL - рассчитанное текущее значение селективности катализатора синтеза по этилену, %.

Коэффициент, равный 1,5 в формуле (3), отра-

1

С2Я4 + о2 + снъсоон ся3 - соо -сн = сн2 + Н20,

(6)

с2н4 + зо2

2 С02 + 2 Н20.

(7)

Коэффициент, равный 2 в формуле (5), отражает тот факт, что одна молекула кислорода реагирует с 2 молекулами этилена в реакции (6), а коэффициент 1/3 в формуле (5) отражает то, что в реакции (7) одна молекула этилена реагирует с 3 молекулами кислорода.

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

чР _ ¿Л1

- '

F^jjc 86 1000

. (8)

22,4 . VK

где VK - объем катализатора, загруженного в реактор, л; 86 - вес одного моля винилацетата, кг/

моль;

. Frmc

22,4

текущее количество молей

винилацетата, образующегося в реакторе, моль/ч; 1000 - переводной коэффициент из кг в г; 22,4 -объем, занимаемый 1 молем газа при нормальных

условиях, нм3/моль.

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

d2 =

22,4 . К

60 . F,

УК TjP _ трС , трВ ' ГУК - ГУК Т ГУК

Frn , (9)

кис

где Рур- - расход свежей уксусной кислоты в узел подготовки парогазовой смеси, измеряемый датчиком 10, кг/ч; Рук - расход возвратной уксусной кислоты после очистки парогазовой смеси, измеряемый датчиком 14, кг/ч; Рук - расход уксусной кислоты из узла парогазовой смеси на очистку от высококипя-щих соединений, измеряемый датчиком расхода 17, кг/ч; Рук - вычисленное значение расхода уксусной кислоты в реактор, кг/ч; 60 - вес одного моля уксусной кислоты, кг/моль.

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

=

J_ 36

^ 77 I 17 _ ТГ^Я _ Т?АН „С . 77Д 773

ЦТ + ГКИС "ЦТ ГПС Гук + гш -

\

22,4

60

(10)

где 1/36 - переводной коэффициент из [кгмоль/ч] в [гмоль/с]. Конверсия этилена рассчитывается следующим образом:

Яэг

цг Л^-100^эг)0,01

Х*=-

Рцг Яэт

{Рцт-РЩ) АЭЩ. 0,01

1-

гт АН ПС

Рцг Рцг + ^КИС

(11)

ЗУ

где Ацр - концентрация этилена в циркуляционном газе, измеряемая датчиком 8-1, об.%.

Конверсия уксусной кислоты определяется по следующей формуле:

(¿2 РКИС 60 . (12)

(рук + Рук ~ ^ук ) . 22,4 Реализованная функциональная схема автома-

ХуК -1 ~

тизации в имитационно-моделирующем комплексе является интерактивной [2]. Она позволяет пользователю самостоятельно подбирать средства автоматизации, входящие в ранее рассмотренные контуры, используя встроенную базу данных с характеристиками приборов (рис. 3) и автоматически проверять правильность выбора (рис. 4).

Рис. 3. Выбор расходомера в качестве первого прибора контура из базы средств автоматизации и его характеристик

Представленные зависимости (1)-(12) визуализируются в ИМК в виде графиков зависимостей выбранного выходного параметра процесса от выбранного входного параметра с возможностью увеличения в необходимой области для более точного исследования (рис. 5). Трехмерный режим отображения технологической установки позволяет пользователю наглядно видеть конструктивные особенности аппаратов, расположение оборудования, средств автоматизации и разветвления трубопроводов (рис. 6).

Имитационно-моделирующий комплекс используется в учебном процессе на кафедрах «Автоматизированные технологические и информационные системы» и «Общая химическая технология» филиала Уфимского государственного нефтяного технического университета (УГНТУ) в г. Стерлита-маке; на кафедре «Электрооборудование и автоматика промышленных предприятий» филиала УГНТУ в г. Салавате и на кафедре «Нефтехимия и химическая технология» УГНТУ.

Рис. 4. Проверка правильности собранного контура регулирования расхода кислорода в интерактивной ФСА

Рис. 5. Рабочее окно программы «Построение графика» и окна выбора измеряемого и отслеживаемого параметра

Реализация технологии синтеза винилацетата на основе этилена возможна на ОАО «Башкирская содовая компания» (г. Стерлитамак). Доступность сырья, востребованность продукта свидетельствуют об актуальности выбранной технологии для создания имитационно-моделирующего комплекса «Синтез винилацетата на основе этилена». В качестве даль-

нейшего развития проекта предполагается разработка компьютерного тренажера для других наиболее распространенных процессов химической технологии, в частности полимеризации винилхлорида.

Список литературы 1. Шулаева Е. Технологические процессы в

Рис. 6. 3D-модель технологической установки

электродинамических реакторах. Моделирование и системы управления. - Издатель: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, Germany, ISBN 978-3-659-11692-6, 2012. - 160 с.

2. Шулаева Е.А. Интерактивная функциональная схема автоматизации процесса «Синтез вини-лацетата на основе этилена»/ Е.А. Шулаева, Р.Р. Да-минев, А.А. Исламутдинова, Я.М. Ярославцев, И.Т. Шарипов // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. - Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. - № 2013616017 от 25.06.2013 г.

3. Шулаева Е.А. Синтез винилацетата на основе этилена: виртуальная лабораторная работа /Е.А. Шулаева, Р.Р. Даминев, А.А. Исламутдинова и др. // Регистрационное свидетельство обязательного федерального экземпляра электронного издания № 29065 от 15.02.2013. Номер гос. регистрации обязательного экземпляра электронного издания -0321204297.

4. Способ автоматического контроля и управления процессом получения винилацетата на основе этилена: пат. 2184725 Рос. Федерация. № 2001128929/12: заявл. 26.10.2001: опубл. 10.07.2002.

5. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. - М.: Химия, 1981. - 608 с.

References

1. Shulaeva E. Tehnologicheskie processy v jelektrodinamicheskih reaktorah. Modelirovanie i sistemy upravlenija. - Izdatel': LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, Germany, ISBN 978-3-659-11692-6, 2012. - 160 s.

2. Shulaeva E.A. Interaktivnaja funkcional'naja shema avtomatizacii processa «Sintez vinilacetata na osnove jetilena» / E.A. Shulaeva, R.R. Daminev, A.A. Islamutdinova, Ja.M. Jaroslavcev, I.T. Sharipov // Svidetel'stvo o gosudarstvennoj registracii programmy dlja JeVM. - Federal'naja sluzhba po intellektual'noj sobstvennosti, patentam i tovarnym znakam. -№ 2013616017 ot 25.06.2013.

3. Shulaeva E.A. Sintez vinilacetata na osnove jetilena: virtual'naja laboratornaja rabota / E.A. Shulaeva, R.R. Daminev, A.A. Islamutdinova i dr. // Registracionnoe svidetel'stvo objazatel'nogo federal'nogo jekzempljara jelektronnogo izdanija № 29065 ot 15.02.2013. Nomer gos. registracii objazatel'nogo jekzempljara jelektronnogo izdanija - 0321204297.

4. Sposob avtomaticheskogo kontrolja i upravlenija processom poluchenija vinilacetata na osnove jetilena: pat. 2184725 Ros. Federacija. № 2001128929/12: zajavl. 26.10.2001: opubl. 10.07.2002.

5. Lebedev N.N. Himija i tehnologija osnovnogo organicheskogo i neftehimicheskogo sinteza. M.: Himija, 1981. 608 s.