CN1046428C - 化学反应器进料控制 - Google Patents

Abstract

在化工产品的制备过程中，使多股含有单一反应物的进料流汇合成反应器混合进料，其中至少一股进料的反应物浓度有所变化，而另一股的反应物浓度基本上稳定，混合进料中相关反应物浓度的所需比值借助一控制系统被保持恒定，该系统依据工艺测定值与多股进料汇合前的参数推测混合进料中反应物浓度比。应用中，调节反应物浓度基本稳定的进料流的流速以便保持混合物流中推测的反应物浓度。

Description

化学反应器进料控制

本发明涉及过程控制，更具体地涉及至少两种流入化学反应器的反应物的比例的控制。本发明的另一方面涉及醚生产过程所用化学反应器的进料控制方法与设备。

在许多化学方法中，严密控制反应物的比率是使反应有利于生成所需产物的必要保证。举例来说，众所周知，通过使伯醇与在叔碳原子上具有双键的烯烃反应可以制备叔烷基醚，如甲醇与异丁烯或异戊烯反应分别形成甲基叔丁基醚(MTBE)或叔戊基甲基醚(TAME)。然而，过多地使用甲醇，会由于共沸物的形成而使得醚的纯化操作费用很高，导致难以蒸馏反应流出物。许多醚化方法采用由先前过程生产的进料物流，它们通常被直接地由诸如相同或邻近工厂的裂解单元或脱氢单元之类过程送入醚反应器内。在此情况下，由于过程随着在先过程中生产情况的不同而发生变化，烯烃进料物流中反应性烯烃组分的浓度会有所不同。尽管存在这种变化，仍然有必要严格地保持流入醚反应器的烯烃与醇反应物的比率。当进料流中反应物组分浓度较低和/或变化范围较宽时，以这种方式进行控制就更为必要，更难以实现。

在醚化方法中，反应性烯烃与醇的单一原料流流入一种混合器，混合后的物料流入反应器。本文所提及的单一反应物流为含有至少一种反应物但并非含有所有目的反应所需反应物的物料。过去，保持反应器进料中烯烃与醇浓度比恒定的典型控制方法独立地依赖于将含反应性烯烃进料流的流速控制在一个流量给定值。通过分析混合进料以便确定实际烯烃/醇比值来检测引起反应器进料中烯烃与醇浓度比值变化的因素—含烯烃物流中反应性烯烃浓度的变化，随后调整单一醇进料以便避免比值发生变化。尽管上述通过根据混合进料流的测量分析调整一种或多种单一进料流的流量来实现控制的方法被证实能够有效地控制烯烃与醇的浓度比，但是其应用受到限制。举例来说，含醇与烯烃组分的混合物的分析过程复杂，分析仪难以校准。此外，由于试样中有醇存在，分析仪器难以保养。

因此，本发明的目的之一是降低反应器流出物料中未反应组分的回收费用。

另一目的在于在不测量混合物流中每一反应组分浓度的条件下连续控制其中反应组分比率固定的混合进料中各反应组分的流量。

本发明更为具体的目的是恒定醚反应器进料流中异构烯烃与醇的所需的比率。

另一目的是提高高纯度醚产物生产方法的效率。

借助控制反应器进料的方法与设备实现本发明上述及其它目的，其中多股含有单一进料的物流(至少其中之一的所需反应物有所变化)合并形成反应器混合进料。通过基于单一反应物进料流的测定浓度与流速计算反应器混合进料流中浓度比值来保持反应器混合进料流中反应组分的所需比例。随后对单一反应物流实行流量比控制以便保持反应器进料中所需浓度比。

在优选实施方案中，含烃反应物的进料流的反应组分浓度是可变的，含醇反应物的进料流的反应组分浓度是稳定的，分析烃进料流以便确定反应性组分的浓度，同时测定单一烃与醇进料流的流速。基于这些测定值与醇进料流中已知的反应物稳定浓度，计算反应器混合进料流的反应组分浓度比。随后对含有单独反应物的物流进行流料比控制，此时浓度比控制仪的输出值对单独反应物进料流的流量比值控制仪进行调节以便将反应器进料流保持在所需的反应物浓度比值。

由以上简述、权利要求书以及附图介绍可以明了本发明的其它目的与优点。

图1为先有技术混合控制二种化学组分的示意图。

图2为本发明混合控制二种反应性化学组分的示意图。

依照甲基叔丁基醚的制备方法描述本发明。然而，本发明适用于其它有必要控制流入反应器的反应物比值的制备方法。

基本上只有两种反应物，甲醇与异丁烯被用于生产甲基叔丁基醚。然而，本发明的混合控制适用于由两种以上反应物物流组成的混合物。

尽管本发明依据具体的反应器进料控制系统加以描述，但是同样适用于不同种类、构型的混合进料反应器。

图中虚线为优选实施例中电信号线或气动信号线。然而，本发明同详适用机械、液压或其它信息传递信号装置。在几乎所有控制系统中，都可以采用这类信号的某种组合形式。不过，采用任何与本发明方法与设备相匹配的其它信号传递类型都属于本发明范围。

所示的控制器可以采用不同的控制方式如比例控制、比例一积分控制、比例导数控制或比例—积分—导数控制。在此优选实施方案中。以比例—积分控制器为佳，但是任何能够接收两种输入信号和能够产生标定输出信号(代表两种输入信号的对比)的控制器也都属于本发明范围。比例—积分控制器的操作属于本领域公知内容。比例—积分控制器的输出控制信号可表示为 $S=K_{1}e+k_2{\∫}_{\mathrm{edt}}$ 其中：S=输出控制信号

e=两种输入信号之间的误差

K₁和K₂=常数

控制器输出信号的标定属于控制系统领域公知内容。控制器的输出信号基本上可以被标记为任何所需的因素或变量。其实例是所需的压力与实际压力在控制器中得到对比。控制器的输出信号可以代表某种气体流速所需的变化，以便使所需的和实际压力相等。另外，可以标定同一输出信号以便代表百分比或能够使所需压力与实际压力相等的温度变化。若控制器的输出范围为0-10伏，通常可将输出信号标定如下：5伏输出信号对应于某种特定流速或某种特定温度的50％。

用于测量方法特征参数及其产生信号的各种变换装置可以呈各种形式。例如，该系统的控制元件可以采用电模拟，数字电子、气动、液压、机械或其它相似种类设备或者一种或多种这类设备的组合形式。

本发明的优选实施方案采用分布式控制，其中进料组分的混合借助自身的数字式计算机/控制器操作，整个工厂通过众所周知的数据高速公路通讯系统内部互连成为单一单位。

分布式控制系统被用于本发明优选实施方案以便基于测量过程变量和参数以及被提供给控制系统的设定值计算所需控制信号。然而，任何具有允许在实时环境读取外部变量值并且传送信号这种软件的计算机控制系统都适用于本发明。

信号通道同样被用于代表在数字式计算机中进行计算的结果，术语“信号”被用于表示这种结果。因此，信号不仅是指电流或气压，而且还被用于以二进制表示计算或实测值。所以，本发明设备与方法可以采用过程控制领域专业人员可以得到与理解的范围广泛的具体设备实施。

图1为醚反应器的传统混合进料控制方法，其中10表示醚反应器，进入反应器的材料的工艺流程细节将在图2中进行更详细的描述。图1中，分析器系统14测量混合进料流中两种反应物的浓度并且计算浓度比。将测定浓度比与分析器控制仪16中设定的比值对比，输出分析器控制信号调节流量比控制器18。流量比控制器的输出被用来调节具有最稳定浓度的反应物流的流量控制器，从而保持所需的分析比值(位置16所示)。

图2描述与图1相同的工艺流程，所不同的是按照本发明进行控制。第一导管20具有流量控制阀22，第2进料管线24连接有流量控制阀26。管道20和24通过连接的阀22和26将单独进料物流供给连接点28，它们在此汇合形成新鲜进料，经管线30流入反应器40。配置适宜的混合装置如静态混合器32以便使流过管线30的物料基本上呈均相，随后进入反应器40。在优选实施方案中，管线20传送的物料为含异丁烯的物流如来自裂解装置含有约10-25％反应性异丁烯组分的丁烷—丁烯物流。在此物流中，异丁烯含量通常较低并且通常变化不定，甚至每一小时之间均有所不同。另外，管线20中传送的物料为来自脱氢单元、含有高达约40％反应性异丁烯的物流，不过，其中异丁烯浓度同样可以变化。管线24传送的进料为来自主体贮存的甲醇，因此，该进料不存在整体组成或甲醇含量变化失控的问题。

分别与管线20和24协同操作的流量变换器42和44产生代表管线传送的进料体积流速的流量信号46和48。

分析变换器50用于从管线20采集新鲜过程进料样品并且依据合反应物流的分析结果传送代表流经管线20的新鲜进料中异丁烯体积百分比的异丁烯浓度信号52。

优选地与分布式控制系统连接的计算机部件100接收作为输入信号的流速信号46和48，浓度信号52与代表管线24中物流的稳定甲醇浓度的操作器进入信号54。该甲醇浓度信号典型地被设定约为100％。如上所述，甲醇来自贮存地，其整体组成或甲烷含量未发生变化失控的现象。为了响应信号40、48、52和54，计算机计算部件100提供代表反应器混合进料中异丁烯浓度的输出信号60和代表反应器混合进料中甲醇浓度的另一输出信号62。信号60和62依据下式计算：

C_i,M=(F_t,O×C_i,O)/(F_t,O+F_t,A)

C_m,M=(F_t,A×C_m,A)/(F_t,O+F_t,A)式中C=浓度，％(体积)

F=流速，桶/小时脚标：t=全部组份，O=烯烃进料，

i=异丁烯，A=醇进料，

m=甲醇，M=混合物流

本发明包括一种进料流入控制系统，其中通过在到达混合连接点28之前进行测量来检验可能引起混合进料中异丁烯/甲醇比值变化的反应物组成变化，因此，这种变化是在反应器进料发生变化之前就完成了。通过在计算部件64中计算异丁烯/甲醇比值并且提供从推理上讲代表反应器混合进料中异丁烯/甲醇比值获取作为分析控制仪68过程变量输入信号的修正值。被提供给分析控制仪68的还有代表混合进料中所需异丁烯/甲醇浓度比的设定值信号输入70。

依据信号66和70，分析器控制仪68提供对应于信号66和70之间差异的输出信号72。信号72被标记为代表单一烯烃进料20中物料流量与单一醇物流中物料流量之比。信号72以变量输入信号被提供给流量控制仪74。被供给流量控制仪74的变量输入的还有代表烯烃物流20中物料流量与醇物流24物料流量比值的流量比信号76。信号76由基于流量信号46和48的比值计算部件78提供。

流量控制仪74提供对应于信号72与76之间差异的输出信号80，该信号被标记为代表单独进料物流24中物料的实际流速，该实际流速须使得信号76代表的流量比基本上等于信号72表示的流量比。信号80被作为变量输入供给控制仪84。被供给控制仪84的还有代表单独进料24中物料实际流速的信号48。流量控制仪84提供响应信号80与48之间差异的输出信号86。该信号被标记为代表为了保持信号48所示流量比基本上等于信号80所示流速所需的控制阀26的位置。借助附加流量控制仪90而完成控制过程，该控制仪接收代表烯烃进料20中实际流速的变量信号46与代表进料20所需流速的设定值信号92。依据信号46和92，流量控制仪90提供对应于信号46与92之间差异的输出信号94。信号94被标记为代表为了保持进料20的实际流速基本上等于信号92所示预期流速所要求的控制阀22的位置，控制阀22依据信号94操作。

图2所示优选实施方案对本发明进行描述。

适用于本发明图2所示实施方案的具体元件如流量转换器和分析器变换器，计算机过程控制设备均属公知内容，并且是在诸如Per-ry所著《化学工程手册》第六版第22章中详细讨论的市售控制元件。

虽然依据优选实施方案对本发明进行了描述，但是本领域专业人员所进行的合理的改进与变通方式仍不超出本发明及其附带权利要求的范围。

Claims (12)

1．一种设备，其中包括：

一个反应器；

一个用于使两股流体汇合的混合器；

用于将含有第一反应物的第一进料流供给上述混合器入口的装置，其中所述第一反应物在所述第一进料流中的浓度有所变化，

用于将含第二反应物的第二进料流供给所述混合器的所述入口的装置，其中所述第二反应物在所述第二进料流中的浓度基本上稳定不变；

用于将来自所述混合器出口的混合进料流供给所述反应器进料入口的装置；

用于对应于所述第一进料流的实际流速建立第一信号的装置；

用于对应于所述第二进料流的实际流速建立第二信号的装置；

用于建立代表所述第一信号与所述第二信号之比的第三信号的装置；

用于建立代表所述第一进料流中所述第一反应物实际浓度的第四信号；

一台计算机，其程序设计用于基于所述第一信号、所述第二信号与所述第四信号计算所述混合进料中所述第一反应物与所述第二反应物的浓度，其中所述计算机建立代表所述混合进料中所述第一反应物浓度的第五信号与代表所述混合进料中所述第二反应物浓度的第六信号；

用于建立代表所述第五信号与所述第六信号之比的第七信号的装置：

用于依据所述第三信号与所述第七信号调节所述第二进料流的流速从而将所述混合进料流中所述第一反应物与所述第二反应物的浓度比保持在所需数值的装置。

2．按照权利要求1的设备，其中还包括：

用于建立代表所述混合进料流中所述第一反应物与所述第二反应物之间所述期望比值的第八信号的装置；

用于比较所述第七信号与所述第八信号并且依据所述第七信号与所述第八信号之间差异建立第九信号的装置，其中所述第九信号被际记为代表为保持所述混合进料流中所述第一反应物与所述第二反应物的浓度比所需的所述第一进料流与所述第二进料流之间的流量比。由所述第七信号表示的该比值基本上等于所述第八信号表示的所需比值。

3．按照权利要求2的设备，其中还包括：

用于比较所述第三信号与所述第九信号并且依据所述第三信号与所述第九信号之间差异建立第十信号的装置，其中所述第十信号被标记为代表为保持由所述第三信号表示的流量比基本上等于所述第九信号表示的比值所需的所述第二进料流的流速。

4．按照权利要求1的设备，其中所述计算机的程序设计用于计算所述混合进料流中所述第一反应物与所述第二反应物的浓度，该计算机包括与分布式控制系统相连的计算机装置。

5．按照权利要求1的设备，其中所述反应器包括醚反应器。

6．按照权利要求1的设备，其中所述第一反应物为选自异丁烯和异戊烯的烃，所述第二反应物为选自甲醇和乙醇的醇。

7．按照权利要求1的设备，其中所述第一与第二反应物的计算浓度另外基于代表所述第二进料流中所述第二反应物浓度的常数。

8．一种反应器进料中反应物浓度比的控制方法，其中多股进料物流汇合成为混合进料流，其中含有第一反应物的第一进料流的反应物浓度有所变化，而含有第二反应物的第二进料流在反应物浓度方面基本上保持稳定，所述方法包括下列步骤：

对应于所述第一进料流的实际流速建立第一信号，

对应于所述第二进料流的实际流速建立第二信号；

对应于所述第一信号与所述第二信号之比建立第三信号；

对应于所述第一进料流中所述第一反应物的实际浓度建立第四信号；

利用计算机，基于所述第一信号、所述第二信号和所述第四信号计算所述混合进料中所述第一反应物与所述第二反应物的浓度，其中所述计算机建立代表所述混合进料流中所述第一反应物浓度的第五信号与代表所述混合进料流中第二反应物浓度的第六信号；

建立代表所述第五信号与所述第六信号之比的第七信号；

依据所述第三信号与所述第七信号调节所述第二物流的流速，从而保持所述混合物流中所述第一反应物与所述第二反应物的所需比值。

9．按照权利要求8的方法，其中还包括：

建立代表所述混合进料流中所述第一反应物与所述第二反应物的所述预期比值的第八信号；和

比较所述第七信号与所述第八信号并且依据所述第七信号与所述第八信号之间差异建立第九信号，其中所述第九信号被标记为代表为保持所述混合进料流中所述第一反应物与所述第二反应物之比所需的所述第一进料流与所述第二进料流之间的流量比，由所述第七信号表示的该比值基本上等于所述第八信号表示的所需比值。

10．按照权利要求9的方法，其中还包括：

比较所述第三信号与所述第九信号并且依据所述第七信号与所述第九信号之间差异建立第十信号，其中所述第十信号被标记为代表为保持由所述第三信号表示的流量比基本上等于所述第九信号表示的比值所需的所述第二进料流的流速。

11．按照权利要求8的方法，其中所述第一反应物为选自异丁烯与异戊烯的烃，所述第二反应物选自甲醇与乙醇。

12．按照权利要求8的方法，其中还包括：

使用代表所述混合进料流中所述反应物浓度的常数计算所述第一与第二反应物浓度。

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