CN1133447A - 化学反应器进料控制 - Google Patents

Abstract

反应物组成变化的反应性烃进料与可溶非反应性烃进料汇合成混合烃后，与其中反应物浓度稳定的反应性醇汇合成反应器完整进料。此系统保持反应器完整进料中相关反应物浓度的所需比值，通过依据混合烃中浓度测定值调节非反应性烃进料流速保持混合烃浓度稳定。通过计算混合烃与反应性醇进料流量比保持反应器完整进料中反应物所需比值，控制流量比，计算流量比为依据流量比调节反应性醇进料流速的手动设定比值控制仪的过程可变输入。

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所需产物生成的必要保证。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。含有非反应性烃如异丁烷的进料(本文称其为贫进料)同样适用于醚化方法。举例来说，贫进料与单一反应物料流共同进入反应器有助于反应之后的分离步骤。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。通过将浓度变化的反应性烯烃物流与贫烃进料置于第一混合器中合并形成混合烃进料得到反应器进料。随后使其与具备公知和稳定的反应物浓度的反应性醇进料在第二混合器中合并形成完整的反应器进料。通过测量醇进料流混合连接点的混合烃物流上游中反应性烯烃浓度、随后调整贫烃物流流速以便恒定混合烃物流中反应性烯烃的所需浓度来使反应器完整进料流中反应性组分达到所需比率。随后通过计算浓度得到控制的混合烃物料与其反应性组分浓度稳定的单一醇物流之间的流量比来实现流量比控制，恒定完整反应器进料流中反应性烯烃与醇之间所需的比率。计算出的流量比值是用以调整反应性醇进料流流速的手动设定比率控制器的过程可变输入值。

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体信号线。然而，本发明同样适用机械、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先有技术公知内容。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、气压、液压、机械或其它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点计算所需控制信号。然而，任何具有允许在实际时间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，而且还以二进制表示计算或实测值。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，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中，过程进料流包括两股单独反应物流和一股贫进料流，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。第三管线28连接流量控制阀30。管道28和20通过连接的阀22和30将烃进料物流供给连接点32，它们在此汇合流入管线34。配置适宜的混合装置如静态混合器36以便使流过管线34的物料基本上呈均相。管线24使得单一进料流过阀26到达混合连接点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。管线34中传送的进料含有反应性烃如异丁烯、该物流与反应性醇进料在连接点40处合并。适宜的混合装置如静态混合器62保证管线64中流动的物料基本上呈均相，随后进入反应器10。

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34采集新鲜过程进料样品并且依据含反应物流的分析结果传送代表流经管线34的新鲜进料中异丁烯体积百分比的异丁烯浓度信号52。

信号52作为过程变量输入被提供给分析器控制仪56。分析器控制仪56还被提供代表流经管线34的混合烃物流的所需异丁烯浓度设定值信号58。所需浓度通常小于流入管线20的物料中反应性组分最小预定浓度。

依据信号52和58，分析器控制仪56提供对应于信号52和58之间差异的输出信号60。信号60被标记为控制阀30的位置的表示形式，该阀与管线28相连，以便保持流入管线34的进料中实际异丁烯浓度基本上等于信号58所代表的所需浓度。来自分析器控制仪56的信号60为控制阀30的控制信号，控制阀30依据该信号被调节。

与管线34连接的流量变换器70给出表示管线34中混合烃进料流速的输出信号72。信号72为与分布式数控系统连接的流量比计算或算术部件74的输入信号。计算部74的输入信号还有表示管线24中单独醇反应物流速的信号48。对应于信号72和48，计算部件74提供代表管线34中反应性异丁烯和管线24中反应性醇的流量比的输出信号76。信号76是流量比控制仪78的过程变量输入信号。

供给流量比控制仪78的还有代表所需流量比的手动设定值信号80。这种所需流量比使得反应组分以大约1∶1的摩尔比通过管64和混合器62流入反应器10。

对应于信号76和80，比值控制仪78提供代表信号76与80之间差异的输出信号82。信号82被标定为所需反应性醇流速的表现形式，以便保持信号76代表的比值基本上等于信号80表示的所需比值。由流量比控制仪78提供的信号82被用作流量控制仪86的设定值输入。对应于信号48和82，流量控制仪86提供响应信号48与82之间差异的输出信号88。信号86被标定为使管线24中实际流量基本上等于信号82表示的所需流量要求的控制阀26的位置的表现形式。信号88被传送给控制阀26，控制阀26依据信号88而被调节。

本发明包含一个进料控制方案，其中反应物组成上的变化会改变反应器完整进料流中异丁烯与甲醇的比率，这些变化可以在混合连接点40之前检测到，因此可以设法在反应器整体进料流中组成发出变化之前进行调节。通过调节管道28中贫进料的流速与管道24中醇反应物进料的流速进行校正。

通过添加流量控制仪90完成控制方案，该控制仪接收表示反应性进料流20中实际流速的可变信号46和表示进料流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92和46之间差异的输出信号94。信号94被标定为使进料流20实际流速基本上等于所需流速(信号92所示)要求的控制阀22的位置，依据信号94调节控制阀22。

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仍不超出本发明及其附带权利要求的范围。

Claims (8)

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第一混合器；

用于将含有烃反应物的第一进料流供给上述第一混合器入口的装置，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，

用于使所述第一进料流的所需流速保持恒定的装置；

用于将含不反应烃物料的第二进料流供给所述第一混合器的所述入口的装置，

用于由所述第一混合器出口提供混合烃进料流的装置；

用于合并两股流体物料的第二混合器；

用于将含有第二反应物的第三进料流供给所述第二混合器入口的装置，其中所述第二反应物在所述第三进料流中的浓度基本上稳定不变；

用于将所述混合烃进料流供给所述第二混合器的所述入口的装置，

用于将来自所述第二混合器出口的所述反应器完整进料流供给所述反应器进料入口的装置；

适用地位于所述第二进料流中的控制阀；

用于对应于所述混合烃进料流中所述第一反应物浓度建立第一信号的装置；

用于对应于所述混合烃进料流中所述第一反应物的所需浓度建立第二信号的装置，

用于对应于所述第一信号与所述第二信号之间差异建立第三信号的装置，其中所述第三信号被标定为使所述第一信号代表的所述混合烃进料中所述第一反应物浓度基本上等于所述第二信号表示的所需浓度要求的所述控制阀的位置表示形式；

用于使所述第二进料流的流速对应于所述第三信号的调节装置；和

用于使所述第三进料流速以相对于所述混合烃进料流呈所需比率为条件保持恒定的装置。

2.按照权利要求1的设备，其中所述用于使所述第三进料流速以与所述混合烃进料流呈所需比率为条件保持恒定的装置包括：

用于对应于所述混合烃进料流的实际流速建立第四信号的装置；

用于对应于所述第三进料流的实际流速建立第五信号的装置；

用于实现比率计算的算术单元；

用于将所述第四信号和第五信号提供给所述算术单元以及用于对应于所述第四信号与第五信号之间实际比值建立第六信号的装置；

用于对应于所述第四信号与所述第五信号的所需比值建立第七信号的装置；

用于对比所述第七信号与所述第六信号和用于对应于所述第六信号与所述第七信号之间差异建立第八信号的装置，其中所述第八信号被标定为对应于所述第三进料流流速的表现形式，用以保持所述第六信号代表的实际比率基本上等于所述第七信号代表的所需比率；和

用于依据所述第八信号调节所述第三进料流流速的装置。

3.按照权利要求1的设备，其中所述反应器包括醚反应器。

4.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。

5.一种反应器进料中反应物浓度比的控制方法，其中多股含反应物进料流与一股含非反应性烃物料的进料流汇合成为反应器的完整进料流，其中含有第一反应物的第一进料流含有一种反应性烃，该第一进料流的反应物浓度有所变化，而含有第二反应物—反应性醇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：

使所述第一进料流与含有非反应性烃的第三进料流汇合成为混合烃进料流；

使所述第二进料流与所述混合烃进料流汇合成为所述反应器的完整进料流；

对应于所述混合烃进料流中所述第一反应物的浓度建立第一信号，

对应于所述混合烃进料流中所述第一反应物的所需浓度建立第二信号；

对应于所述第一信号与所述第二信号之间差异建立第三信号，其中所述第三信号被标定为对应于所述第三进料流中控制阀位置的表现形式，用以保持所述第一信号代表的所述混合烃进料流中所述第一反应物浓度基本上等于所述第二信号代表的所需浓度；

依据所述第三信号调节所述第三进料流的流速；和

按照相对于所述混合烃进料的所需比率保持所述第二进料流的流速恒定。

6.按照权利要求5的设备，其中所述按照相对于所述混合烃进料流的所需比率保持所述第二进料流流速恒定的步骤包括：

对应于所述混合烃进料的实际流速建立第四信号；

对应于所述第二进料流的实际流速建立第五信号；

对应于所述第四信号与所述第五信号的比值建立第六信号；

对应于所述第四信号与所述第五信号的所需比值建立第七信号；

对比所述第六信号与所述第七信号并且依据所述第六信号与所述第七信号之间的差异建立第八信号，其中所述第八信号被标定为所述第二进料流流速的表现形式，用以保持所述第六信号代表的实际比值基本上等于所述第七信号表示的所需比值；以及

依据所述第八信号调节所述第二进料流的流速。

7.按照权利要求5的设备，其中所述反应器包括醚反应器。

8.按照权利要求5的设备，其中所述第一反应物选自异丁烯和异戊烯，所述第二反应物选自甲醇和乙醇。

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