ES2315847T3 - Control del hinchamiento en un reactor de bucle de suspension. - Google Patents
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Abstract
Un procedimiento para el control del hinchamiento en el proceso de polimerización de olefinas, definiéndose, el citado hinchamiento, como un fenómeno que se encuentra asociado al inicio de un proceso de inestabilidad, caracterizado por fluctuaciones rápidas, significativamente más grandes que las usuales, en varias variables del proceso, comprendiendo, el citado procedimiento, las etapas de: a) proporcionar un reactor de bucle, de suspensión, encontrándose opcionalmente equipado, el citado reactor, con uno o más dispositivos previstos para mejorar la homogeneidad de la suspensión en circulación; b) medir, como función del tiempo, un parámetro de control de planta que exhibe un nivel incrementante en la fluctuación, durante el hinchamiento; c) procesar estas mediciones, a tiempo real, mediante tratamiento matemático de la señal, con objeto de determinar la desviación standard, la varianza, o los márgenes de fluctuación, o cualquier otra función monotónicamente relacionada a la varianza, para detectar el inicio del hinchamiento; d) diluir progresivamente el reactor, cuando el nivel de fluctuación, alcanza un nivel predeterminado, en donde, la dilución, se desencadena y se controla mediante el incremento de una cualquiera de las señales de la desviación standard, la varianza, o los márgenes de fluctuación, o cualquier otra función monotónicamente relacionada a la varianza, tal y como se determina en la etapa c).
Description
Control del hinchamiento en un reactor de bucle
de suspensión.
La presente invención, se refiere al sector de
la polimerización de olefinas, en un reactor de bucle, de
suspensiones.
El polietileno de alta densidad (HDPE), se
produjo, por primera vez, como polimerización de adición, realizada
en un líquido que era un disolvente para el polímero resultante. El
procedimiento, se reemplazó rápidamente por polimerización bajo
condiciones de suspensión, en concordancia con Ziegler o Phillips.
De una forma más específica, la polimerización en suspensión, se
realizó de una forma continua, en un reactor de tubo en bucle. Se
procedió a formar un efluente de polimerización, de forma continua,
el cual era una suspensión de partículas sólidas de polímero,
suspendidas en un medio líquido, comúnmente, el diluyente de
reacción y monómero no reaccionado (véase, por ejemplo, la
solicitud de patente estadounidense
US-A-2.285.721). Es deseable, el
separar el polímero y el medio líquido, que comprende un diluente
inerte y monómeros no reaccionados, sin exponer el medio líquido a
contaminación, de tal forma que, el citado medio líquido, pueda
reciclarse a la zona de polimerización, con una purificación
mínima, o sin purificación. Tal y como se describe en la patente
estadounidense US-A-3.152.872, se
procede a recolectar una suspensión del polímero y el medio líquido,
en una o más de patas de sedimentación del reactor de bucle, en
fase de suspensión, a partir del cual, la suspensión se descarga
periódicamente, a una cámara flash (de evaporación instantánea),
funcionando así, de esta forma, en una forma a base de lotes.
La mezcla, se evapora instantáneamente, con
objeto de retirar el medio líquido, de la "lanilla" de
polímero. Es necesario el proceder, a continuación, a recomprimir
el diluyente de polimerización vaporizado, con objeto de
reacondicionarlo y purificarlo.
Debido a los incentivos económicos,
generalmente, el reactor, se lleva hasta sus límites de
operabilidad. La alta concentración de monómero y comonómero
opcional, la alta temperatura y el alto contenido de sólidos, son
tres factores importantes que permiten incrementar la cinética de la
reacción química de polimerización.
El consumo de potencia de la bomba de
circulación, normalmente, se incrementa lentamente, con el
incremento del contenido de sólidos. Cuando, uno cualquiera de los
tres parámetros mencionados anteriormente, arriba (concentración de
monómero y comonómero opcional, temperatura y contenido de sólidos),
se incrementa por encima de un cierto nivel, en dependencia de las
características del polímero y de las características del reactor,
se observa adicionalmente el hecho de que, el nivel de ruido de este
consumo de potencia, se inicia gradualmente y, si no se controla
apropiadamente, éste puede provocar una la interrupción de seguridad
de las operaciones. Este comportamiento, se conoce como fenómeno de
hinchamiento. Puede observarse el mismo tipo de comportamiento, en
otras mediciones de control de la planta, tales como, de una forma
no limitativa en cuanto a éstos, la temperatura del reactor, la
densidad de la suspensión, o el cambio de temperatura experimentado
por el agua de refrigeración que circula en la totalidad o en una
porción de la doble manta de enfriamiento o refrigeración.
En esta descripción y en el contexto de la
polimerización en bucle, en suspensión, el hinchamiento, se define
así, de este modo, como un fenómeno que se conoce bien por parte de
la persona experta en el arte especializado de la técnica, y que se
asocia con el inicio de una inestabilidad de proceso, caracterizado
por rápidas fluctuaciones, significativamente más grandes que lo
que es usual, en varias variables del proceso, siendo, la más
perturbante de éstas, la potencia de la bomba. El término rápidas,
en este contexto, significa el hecho de que, numerosos picos, se
encuentran separados por un transcurso de tiempo inferior a un
minuto. Mientas que, las operaciones normales se realizan con una
potencia de la bomba, la cual fluctúa dentro de unos márgenes que
son inferiores a 10 kW, tales márgenes, se incrementan por un
factor de 10, cuando el hinchamiento, se encuentra bien establecido.
La fluctuaciones, en el consumo de potencia de la bomba, son
importantes y, si éstas no se controlan, éstas pueden alcanzar
rápidamente el umbral de seguridad, induciendo con ello a acciones
automáticas que pueden incluir la interrupción de las operaciones,
finalizando así, de este modo, el proceso de polimerización. El
inicio de la inestabilidad, se encuentra ligado a la transgresión de
algunas limitaciones del proceso, asociadas con variables del
proceso que son mesurables, tales como, por ejemplo, la temperatura
del reactor, la concentraciones del monómero y/o comonómero y/o la
concentración de sólidos, en el reactor. El aprovechamiento de la
planta, se encuentra no obstante también ligado, entre otros
parámetros, a algunos de aquéllas variables, pero éstas están en
contra de los requerimientos de estabilidad. Existe, por lo tanto,
un fuerte incentivo económico para trabajar tan cerca como sea
posible, del límite de estabilidad multidimensional, con el riesgo
de que, alguna fluctuación natural del proceso, inicie la
inestabilidad del hinchamiento.
Las formas para el control de las operaciones, a
altas concentraciones de sólidos, son bien conocidas, en el arte
correspondiente a la técnica anterior. Así, por ejemplo,
la solicitud de patente europea EP - A - 432
555, proporciona un procedimiento para controlar el proceso
polimerización. Éste se realiza mediante el establecimiento de
señales de control, las cuales tipifican el caudal de flujo del
fluido diluyente que se requiere para:
(a) mantener una velocidad mínima para la
suspensión de reacción en circulación;
(b) mantener una cabeza de presión máxima en un
punto seleccionado en el reactor, y
(c) mantener un nivel máximo de la potencia
suministrada a la bomba de circulación.
Una de las señales (a), (b) y (c) anteriormente
mencionadas, arriba, correspondiente a aquélla que requiera el
mayor caudal de flujo del fluido diluyente, se selecciona
automáticamente, para manipular el flujo de diluyente.
La concentración de monómero y la temperatura
del reactor, se mantienen, usualmente, nominalmente constantes,
para mantener la calidad del producto en la estrecha especificación
requerida. El incremento de la concentración se sólidos, mejora, de
una forma general, la calidad del producto, ya que, a un caudal de
producción constante en el reactor, el tiempo de permanencia en el
reactor, definido como la masa de sólidos presente en el reactor,
dividido por la producción, se incrementa, con una concentración de
sólidos incrementante.
Se desea, de hecho, el incrementar el tiempo de
residencia o permanencia en el reactor, con objeto de maximizar el
tiempo de contacto con el catalizador, y para mejorar la
granulometría del producto final. Ya que, la masa de sólidos
presentes en el reactor, se define como el producto del volumen del
reactor por la densidad de la suspensión y por el contenido de
sólidos, y como la densidad de la suspensión, se incrementa con el
contenido de sólidos, es así, de este modo, altamente deseable, el
incrementar el contenido de sólidos. De una forma desafortunada, la
causa más usual del hinchamiento, es el alto contenido de
sólidos.
Por todas estas razones expuestas, es deseable
el operar el reactor, en unas condiciones que se encuentren lo más
cercanas posibles, al inicio del hinchamiento.
Es un objeto de la presente invención, el
detectar el inicio del hinchamiento.
Es otro objeto de la presente invención, el
controlar y frenar el desarrollo del hinchamiento.
Es también una finalidad de la presente
invención, el mejorar la productibilidad del catalizador, y así, por
lo tanto, el caudal de producción del reactor.
Es todavía otro objeto de la presente invención,
el incrementar la concentración de sólidos en el reactor, en las
patas de sedimentación.
Es todavía otro objeto de la presente invención,
el incrementar la producción del polímero, en un reactor de bucle,
de suspensión.
Correspondientemente en concordancia, el
hinchamiento, se controla mediante la dilución del medio del
reactor, desencadenándose y controlándose, la citada dilución,
mediante la desviación standard o la varianza de los márgenes de
fluctuación, o de cualquier otra función monotónicamente relacionada
a la varianza de una medición de control de la planta, que exhiba
un nivel de fluctuación incrementante, cuando acontece
hinchamiento.
Contrariamente a la solicitud de patente europea
EP - A - 423 555, la cual describe la manipulación del caudal de
flujo, con objeto de impedir el incremento de la potencia real de la
bomba, por encima de un umbral predeterminado, la presente
invención, no se basa en el control de los valores reales de las
mediciones de control de planta seleccionados, sino en el control
de la desviación standard de tales mediciones de control de planta
seleccionados. Tal y como puede verse en la figura 1, el
hinchamiento, tal y como se describe anteriormente, arriba, empieza
a desarrollarse, sin un incremento significativo de la potencia real
de la bomba. El objetivo de la presente invención, es el controlar
el hinchamiento incipiente, en una etapa temprana.
Las mediciones del control de planta son, por
ejemplo, el consumo de potencia de la bomba, la temperatura del
reactor, la densidad de la suspensión, o la diferencia de
temperatura entre el líquido de refrigeración entrante y saliente,
o cualquier combinación de tales tipos de mediciones.
\vskip1.000000\baselineskip
La figura 1, representa la potencia de la
bomba, expresada en kW, como función del tiempo, expresado
en horas, para un reactor de bucle, sin "
by-pass" de derivación, durante un hinchamiento
incontrolado.
La figura 2, representa, de una forma
esquemática, el reactor de bucle (1), con una línea de
"by-pass" de derivación (2), insertada entre
dos puntos del bucle principal. Éste incluye, asimismo, las patas de
sedimentación (3).
La figura 3, representa la potencia de la bomba,
expresada en KW, como función del tiempo, expresado en horas, para
un reactor de bucle, con un " by-pass" de
derivación, durante un hinchamiento incontrolado.
La figura 4, representa la señal procesada
propuesta, utilizada para el control de la dilución del reactor, en
el caso del hinchamiento correspondiente a la figura 3. La potencia
de la bomba, se exhibe en la parte superior, con objeto de
facilitar una mejor visualización del tiempo de reacción de la
detección.
El consumo de potencia de la bomba, en las
condiciones operativas de funcionamiento normales, se exhibe en la
figura 1, la cual representa la potencia de la bomba, expresada en
kW, como función del tiempo, expresado en horas. De una forma
típica, el consumo de potencia de la bomba, es del orden de unos
valores comprendidos dentro de unos márgenes que van de 200 KW a
800 kW, en dependencia del tamaño y de la forma del reactor y la
desviación standard de la señal, debida al ruido en blanco, es del
orden de un valor comprendido dentro de unos márgenes que van de 1
a 10 kW. A medida que incrementa el contenido de sólidos, el consumo
de la bomba, incrementa muy lentamente, manteniendo el mismo nivel
de señal de ruido en blanco. Cuando acontece el hinchamiento, la
desviación standard, comienza a incrementarse, y alcanza
progresivamente un nivel inaceptable, provocando que el sistema se
interrumpa, tal y como puede verse en la misma figura 1.
Otras mediciones de control en planta, como
(pero no de una forma limitativa en cuanto a éstos), la temperatura
del reactor, la densidad de la suspensión y el cambio de temperatura
experimentado mediante el agua de refrigeración que circula en la
totalidad o en una porción de la doble manta de refrigeración,
exhiben también, todas ellas, variaciones en la desviación
standard, las cuales se incrementan, con el incremento de la
concentración de sólidos.
De una forma sorprendente, se ha encontrado el
hecho de que, este incremento de la fluctuación, se debe a la
superposición de ruido en blanco constante de una única señal
característica del reactor. La amplitud de la citada señal única,
se incrementa progresivamente, durante el fenómeno del
hinchamiento.
Se han venido estudiando algunos parámetros de
la señal, tales como, por ejemplo, la desviación standard, o la
varianza, o la gama o márgenes de fluctuación, o cualquier otra
función nonotónicamente relacionada a la desviación standard. Los
tratamientos usuales matemáticos de la señal, tales como, por
ejemplo, la desconvolución, el filtrado de la frecuencia, las
técnicas standard de modelos patrón de reconocimiento, pueden
aplicarse a la seña, antes de la computación del detector
relacionado con la varianza, en dependencia de la intensidad de la
señal única característica del reactor, mencionada justo
anteriormente, arriba.
El hinchamiento, se controla procediendo a
diluir el medio del reactor, decreciendo, con ello, el contenido de
sólidos y la temperatura.
Tan pronto como los parámetros de la señal de la
bomba se incrementan por encima de un predeterminado umbral, los
bucles de control del reactor, se modifican, con objeto de inyectar
más diluyente en el reactor. La cantidad de diluyente inyectado, se
incrementa progresivamente, hasta un nuevo valor que es típicamente
dos veces más grande, que el valor de partida. Un diluyente típico,
es el isobutano. Este esquema de control, se ajusta, para mantener
el reactor, justo en el inicio del hinchamiento, con objeto de
maximizar la concentración de sólidos y, así, de este modo, el
rendimiento productivo de la instalación.
La presente invención, da así a conocer, de este
modo, un procedimiento para el control del hinchamiento en el
proceso de polimerización de olefinas, definiéndose, el citado
hinchamiento, como un fenómeno que se encuentra asociado al inicio
de un proceso de inestabilidad, caracterizado por fluctuaciones
rápidas, significativamente más grandes que las usuales, en varias
variables del proceso, comprendiendo, el citado procedimiento, las
etapas de:
a) proporcionar un reactor de bucle, de
suspensión, encontrándose opcionalmente equipado, el citado reactor,
con uno o más dispositivos previstos para mejorar la homogeneidad
de la suspensión en circulación;
b) medir, como función del tiempo, un parámetro
de control de planta que exhibe un nivel incrementante en la
fluctuación, durante el hinchamiento;
c) procesar estas mediciones, a tiempo real,
mediante tratamiento matemático de la señal, con objeto de
determinar la desviación standard, la varianza, o los márgenes de
fluctuación, o cualquier otra función monotónicamente relacionada a
la varianza, para detectar el inicio del hinchamiento;
d) diluir progresivamente el reactor, cuando el
nivel de fluctuación, alcanza un nivel predeterminado, en donde, la
dilución, se desencadena y se controla mediante el incremento de una
cualquiera de las señales de la desviación standard, la varianza, o
los márgenes de fluctuación, o cualquier otra función
monotónicamente relacionada a la varianza, tal y como se determina
en la etapa c).
El dispositivo con el que se pretende mejorar la
homogeneidad de la suspensión en circulación, puede ser una línea
de derivación, del tipo "bay-pass", en donde,
la suspensión en circulación, tiene un tiempo diferente de
recorrido, que en la línea transversal.
El nivel predeterminado, se define como el
porcentaje del nivel de fluctuación, medido a un bajo contenido de
sólidos. Este porcentaje, es de menos de un 300%, de una forma
preferible, de menos de un 250%, de una forma mayormente
preferible, de menos de un 180%.
Claims (8)
1. Un procedimiento para el control del
hinchamiento en el proceso de polimerización de olefinas,
definiéndose, el citado hinchamiento, como un fenómeno que se
encuentra asociado al inicio de un proceso de inestabilidad,
caracterizado por fluctuaciones rápidas, significativamente
más grandes que las usuales, en varias variables del proceso,
comprendiendo, el citado procedimiento, las etapas de:
a) proporcionar un reactor de bucle, de
suspensión, encontrándose opcionalmente equipado, el citado reactor,
con uno o más dispositivos previstos para mejorar la homogeneidad
de la suspensión en circulación;
b) medir, como función del tiempo, un parámetro
de control de planta que exhibe un nivel incrementante en la
fluctuación, durante el hinchamiento;
c) procesar estas mediciones, a tiempo real,
mediante tratamiento matemático de la señal, con objeto de
determinar la desviación standard, la varianza, o los márgenes de
fluctuación, o cualquier otra función monotónicamente relacionada a
la varianza, para detectar el inicio del hinchamiento;
d) diluir progresivamente el reactor, cuando el
nivel de fluctuación, alcanza un nivel predeterminado, en donde, la
dilución, se desencadena y se controla mediante el incremento de una
cualquiera de las señales de la desviación standard, la varianza, o
los márgenes de fluctuación, o cualquier otra función
monotónicamente relacionada a la varianza, tal y como se determina
en la etapa c).
2. El procedimiento de la reivindicación 1, en
donde, el dispositivo con el que se pretende mejorar la homogeneidad
de la suspensión en circulación, puede ser una línea de derivación,
del tipo "bay-pass", en donde, la suspensión
en circulación, tiene un tiempo diferente de recorrido, que en la
línea transversal.
3. El procedimiento de la reivindicación 1 ó 2,
en donde, el parámetro de control de planta, es el consumo de
potencia de la bomba, la temperatura del reactor, la densidad de la
suspensión, o la diferencia de temperatura experimentada por el
agua de refrigeración, cuando circula en la totalidad o en unan
porción de la doble manta de refrigeración.
4. El procedimiento de la reivindicación 3, en
donde, el parámetro de control de planta, es el consumo de potencia
de la bomba.
5. El procedimiento de una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en donde, el procesado de la etapa
c), incluye la amplificación de factor de relación de la señal con
respecto al ruido.
6. El procedimiento de una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en donde, la dilución progresiva, se
lleva a cabo mediante el incremento progresivo de la cantidad de
diluyente inyectado en el reactor.
7. El procedimiento de una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en donde, el nivel predeterminado de
fluctuación, definido como un porcentaje del nivel de fluctuación,
medido a un bajo contenido de sólidos, es de menos de un 300%.
8. El procedimiento de la reivindicación 7, en
donde, el nivel predeterminado de fluctuación, es de menos de un
180%.
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