JP2019518018A - アンモ酸化反応器の制御 - Google Patents
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Abstract
Description
アクリロニトリル反応器を、最良のアクリロニトリル収率を得るために、可能な最大の線速度で、および固定された反応器温度で動かすことが望ましい。この目的を達成するに当たっての主な困難は、所与の反応器のための冷却コイルが、それらが有するパスの数に基づいて冷却能力が異なるという事実から来る。そのため、温度応答は、反応器中、運転に加えられるまたは運転から除かれるコイルのタイプに応じて様々である。伝統的な制御スキームでは、線速度と反応器温度とを独立に制御しようとする試みがなされ、通常、特に反応器内部のコイル取り換えの間、反応的に制御行動が取られる。このことは制御器の応答時間を変わることなく増加させ、コイル取り換えの後に温度が落ち着くのに長い時間がかかる。そのため、制御スキームでは、コイル取り換えの間、キー変数の間の相互作用を考慮に入れて、先取りした制御行動を取らなければならない。
アンモ酸化方法は、反応物流の流れをアンモ酸化反応器中へ導入することを含む。反応物流は、アンモニア、酸素含有ガス;プロパン、プロピレン、イソブテン、イソブチレンおよびこれらの混合物からなる群から選択される炭化水素を含む。該方法は、蒸気をアンモ酸化反応器中に配設されたコイルへ供給して、約350℃〜約480℃の反応器作動温度を付与することを含む。該方法は、さらに、反応器へ添加される酸素の量、および蒸気温度を、反応器空塔線速度を維持するように制御することを含む。
別の態様では、アンモ酸化方法は、反応物流の流れをアンモ酸化反応器中へ導入することを含む。反応物流は、アンモニア、酸素含有ガス;プロパン、プロピレン、イソブテン、イソブチレンおよびこれらの混合物からなる群から選択される炭化水素を含む。該方法は、蒸気をアンモ酸化反応器中に配設されたコイルへ供給して、約350℃〜約480℃の反応器作動温度を付与することを含む。該方法は、さらに、反応器へ添加される酸素の量、ならびに蒸気温度を、反応器空塔線速度を目標反応器空塔線速度の約95%以内および目標反応器温度の約95%以内に維持するように制御することを含む。
反応物流の流れをアンモ酸化反応器中へ導入するアンモ酸化方法。反応物流は、アンモニア、プロピレンおよび酸素含有ガスを含む。該方法は、過熱蒸気をアンモ酸化反応器中に配設された過熱コイルへ供給することを含む。一態様では、1組の操作変数は、反応器酸素の流量、過熱蒸気温度、吸収器圧力、および吸収器への貧水(lean water)の量を含み、1組の制御変数は、反応器線速度および反応器温度を含む。少なくとも1組の制御変数を制御することは、反応器へ添加される酸素の量、および過熱蒸気温度を制御することを含む。
該方法のいくつかの態様の、上記のおよび他の、態様、特徴および利点は、以下の図から、より明らかになる。
アンモ酸化反応器
図1は、使用される典型的なアンモ酸化(アクリロニトリル)反応器を例示している。示されるように、反応器10は、反応器シェル12、空気グリッド14、供給物スパージャ16、飽和冷却コイル17を含む一般に18で示される冷却系および過熱冷却コイル19、ならびにサイクロン20を備える。飽和冷却コイル17および過熱冷却コイル19が反応器10の一側面に位置しており、サイクロン20が他の側面に位置していると図1が示してはいるが、実際の実践では、これらの構造は反応器全体にわたって一様に位置していることが理解されよう。通常の作動の間、該方法は、アンモニア、酸素含有ガス、ならびにプロパン、プロピレン、イソブテン、イソブチレンおよびこれらの混合物からなる群から選択される炭化水素を含む反応物流の流れを導入することを含む。一態様では、加工空気が、空気入口22を通って反応器10中へ装入され、一方、プロピレンサプライライン13から得られるプロピレンと、アンモニアサプライライン15から得られるアンモニアとの混合物が、供給物スパージャ16を通って反応器10中へ装入される。双方の流量ともに、反応器内部におけるアンモ酸化触媒の床44を流動化させるのに十分多く、ここで、プロピレンおよびアンモニアの、アクリロニトリルへの触媒アンモ酸化が起きる。プロピレンの、アンモ酸化反応器への流量は、酸素とプロピレンとの比、約2〜約2.1、およびアンモニアとプロピレンとの比、約1〜約1.5を付与するのに効果的である。アンモニアは、NH3/C3制御器によって制御される。
図1にさらに例示されているように、飽和冷却コイル17および過熱冷却コイル19に加えて、冷却系18はまた、蒸気ドラム24、再循環ポンプ26、シャットオフバルブ28および蒸気制御バルブ30も備える。蒸気ドラム24の下部は、約4.2mPaG等の昇圧、および約225℃等の昇温に維持されている飽和液状冷却水で満たされる。蒸気ドラム24の上部は、この液状冷却水と平衡の飽和蒸気で満たされる。当技術分野で周知であるように、水は、これらの昇温で液体として存在し、その理由は、それもまた1気圧超の下にあるからである。
実際の実践では、飽和冷却コイル17を通る冷却水の流量は、この冷却水の所定の割合、例えば典型的には約15%が蒸気へと転換されるように選択される。したがって、図1に示されるように、飽和冷却コイル17中で生成された加熱冷却水は、蒸気ドラム24の上部へ戻り、そのため、この冷却水流の蒸発性留分は蒸気ドラムの上部に残ることができ、一方、この冷却水流の液状部分は、蒸気ドラムの下部に落ちて、既にそこにある液状冷却水と混合することができる。蒸気ドラム24は、メイクアップ水導管54を備えてもよい。
個々の各コイルにおける個々の各シャットオフバルブ28は、冷却水が特定の飽和冷却コイル17を通って流れてもそうでなくても、唯一のバルブ制御である。つまり、飽和冷却コイル17は、追加のバルブ、または飽和冷却コイル17を通る冷却水の流れを制御するための他の流量制御デバイスを一切なしに構成される。その理由は、このような追加のバルブが、本明細書で記載の方法における、所望の作動および冷却コイルの制御を達成するのに不必要であるためである。加えて、出口においてバルブを取り除くことはまた、こうした出口バルブが使用されていたら逆に必要であったはずの安全バルブへの必要性も取り除く。そのため、運転中の冷却コイル(それらのバルブが開いている飽和冷却コイル17について)の全てを通る総流量は、ポンプ26からの吐出流量によって設定される。
過熱冷却コイル19の重要な機能は、アクリロニトリルプラントの他の部分で使用される蒸気タービンを駆動させるための過熱蒸気を供給するために、コイル19中で生成された蒸気の温度を上げることであり、湿った蒸気中の液滴がタービン内部を損傷させうるためである。この目的のために、過熱冷却コイル19を通って出た過熱蒸気は、典型的には、蒸気出口ヘッダ34を通って、これらの蒸気タービンへ直接移送するための蒸気サプライ導管35へ吐出される。
多くのアクリロニトリルプラントにおける一般の実践は、蒸気サプライ導管35中へ通る蒸気の温度が、蒸気ドラム24から直接この導管へサプライされる蒸気の量を調整することによって制御されうるように、蒸気入口ヘッダ32および蒸気出口ヘッダ34をバイパスライン33と接続させることを含む。蒸気ドラム24中の蒸気の温度が過熱冷却コイル19を通って出る過熱蒸気の温度よりも必然的に低いので、バイパスライン33を通る蒸気の流量を増やすことは、蒸気サプライ導管35に到達している蒸気の温度を必然的に下げる。蒸気制御バルブ30をバイパス経路33中に含めることも、ほとんどの商業アクリロニトリルプラントにおいて常法であり、その作動は、蒸気サプライ導管35中の蒸気の測定温度T1に応答して制御器39によって制御される。次いで、制御バルブ30は、約340から385℃の間のいずれかの常温にて、蒸気サプライ導管35中の蒸気の測定温度T1を維持するように作動される。
一態様では、該方法は、コイルの熱伝導面積が変化する間、改良された温度制御、および反応器温度の減少した偏差を付与する。この態様では、反応器温度の偏差は、コイルの熱伝導面積が変化する間、約10℃以下に維持され、別の態様では約6℃以下、別の態様では約5℃以下、別の態様では約3℃以下に維持される。
別の態様では、反応器断面積当たりの利用可能な過熱コイル総面積(ft2/ft2)は、約1〜約7、別の態様では約2〜約6、別の態様では約3〜約5である。生成されたアクリロニトリル1メートルトン当たりの過熱コイルによって除去される熱(Kcal)当たりの過熱コイル面積(ft2)は、約275,000〜約475,000、別の態様では約300,000〜約400,000、別の態様では325,000〜約375,000である。
別の態様では、反応器断面積当たりの利用可能な飽和コイル総面積(ft2/ft2)は、約8〜約18、別の態様では約8〜約15、別の態様では約10〜約13である。生成されたアクリロニトリル1メートルトン当たりの飽和コイルによって除去される熱(Kcal)当たりの飽和コイル面積(ft2)は、約2,375,000〜約2,900,000、別の態様では約2,400,000〜約2,800,000、別の態様では約2,500,000〜約2,700,000である。
別の態様では、該方法は、反応器頂圧を、約3.8psig〜約5.0psig、別の態様では4.0psig〜約5.0psig、別の態様では約4.0psig〜約4.5psigに制御することを含む。
図2は、アクリロニトリルの製造に適用される、本開示の態様に従った一実施形態の概略流れ図である。図を参照すると、装置100は、反応器10、クエンチ容器20、流出物圧縮機30および吸収器40を備える。流れ1中のアンモニア、および流れ2中の炭化水素(HC)供給物は、合わせた流れ3として反応器10へ供給されてもよい。HC供給物流2は、プロパン、プロピレンおよびイソブチレンならびにこれらの組み合わせからなる群から選択される炭化水素を含んでもよい。触媒(図2に示されず)が、反応器10中に存在してもよい。酸素含有ガスが、反応器10へ供給されてもよい。例えば、空気が、空気圧縮機(図2に示されず)によって圧縮されて反応器10へ供給されてもよい。
クエンチ容器20中、反応器流出物流4は、ライン12を経てクエンチ容器20へ入るクエンチ水性流5と接触させることによって冷却されてもよい。クエンチ水性流5は、水に加えて酸を含んでもよい。次いで、アクリロニトリルを含む冷却反応器流出物(アセトニトリル、シアン化水素および不純物等の共生成物を含む)が、クエンチ流6として、ライン13を経て流出物圧縮機30へ運ばれてもよい。
非吸収流出物9は、パイプ16を通って吸収器カラム40の頂部から出る。非吸収流出物9は、吸収器オフガス焼却装置(AOGI)または吸収器オフガス酸化装置(AOGO)中で燃焼されうるオフガスを含んでもよい。
冷却系(図2に示されず)は、圧縮機30に、または圧縮機30の下流に位置されてもよく、冷却系は、吸収器40へ入る前に、圧縮流出物圧縮機流7を、所定の温度、例えば約105°F(約40.5℃)へ冷却するように構成される。
一態様では、吸収器40は、40〜60枚のトレイを備えてもよい。一態様では、吸収器40は、50枚のトレイを備えてもよい。圧縮流出物圧縮機流7は、吸収器の底部トレイの下で、吸収器40へ入ってもよい。一態様では、吸収器40は、第2の水性流8中の冷蔵水の様々な流量(冷蔵水0量を含む)で作動されてもよい。
一態様では、吸収器40は、従来の方法における吸収器中の圧力よりも高い圧力で作動されてもよい。この高い圧力で吸収器40を作動させることによって、吸収器は、従来の方法における吸収器よりも効率的に作動されうる。本開示の方法において達成された、吸収器の、より高い効率に起因して、豊水流18中のアクリロニトリルの同じ回収が、従来の方法におけるように達成されうるが、吸収器中のアクリロニトリルを吸収するのに必要とされる水は少ない。この態様では、豊水は、約5質量%以上の有機物、別の態様では約6質量%以上の有機物、別の態様では約7質量%以上の有機物を有する水を指す。一態様では、吸収器中のアクリロニトリルを吸収するのに使用される水は、プロセス用水または都市用水(例えば約4〜45℃の温度を有する)であってもよい。この態様では、プロセス用水または都市用水は、約95質量%超の水、別の態様では約97質量%超の水、別の態様では約99質量%超の水、別の態様では約99.9質量%超の水である。一態様では、第2の水性流8の温度は、約4〜約45℃、別の態様では約10〜約43℃、別の態様では約27〜約32℃の範囲内であってもよい。
高度プロセス制御(APC)としても知られるモデル予測制御(MPC)は、プロセスの挙動を未来へと予測するプロセスモデルを使用し、次いで、所望の目標からのプロセスの偏差に対抗する最適化された制御行動を実行する。プロセスを制御するのに伴い、MPCはまた、キーとなるプロセス変数を動かすことによって、プロセスを、最も「経済的な」条件に向けて駆動するよう試みる。本プロセスの一態様は、反応器温度および線速度を制御するMPCを含む。該プロセスは、コイル取り換えの間、最小の偏差を有する、反応器、および反応器常温のために可能な最大の線速度を達成するMPCを使用することを含む。
本明細書で使用されるとき、用語「操作変数」は、高度プロセス制御器によって調整された変数を指す。用語「制御変数」は、所定の値(設定された点)での、または所定の範囲(設定された範囲)内の、高度プロセス制御器によって保たれた変数を指す。「変数を最適化する」は、変数を最大化するまたは最小化すること、および変数を所定の値に維持することを指す。
最適化されることになるパラメータのための最適値は、別々の最適化ステップから得ることができ、または最適化されることになる変数は、性能関数に含むことができる。
モデル予測制御が適用されうる前に、人は、最適化されることになる変数についての、および制御変数についての、操作変数のステップ変化の効果を最初に決定する。これは、1組のステップ応答係数をもたらす。この1組のステップ応答係数は、該方法のモデル予測制御の基礎を形成する。
あるいは、該項は、二乗された項の和であってもよく、その事例では、性能指数は、二次である。その上、操作変数、操作変数における変化に、および制御変数に、制約が設定されうる。これは、性能指数の最小化で同時に解決される別々の1組の等式をもたらす。
最適化が別々に行われる場合、最適化されることになる変数は、各制御動作についての予測されたエラーにおける制御変数として含まれ、最適化は、制御変数のための基準値を付与する。
あるいは、最適化は、性能指数の算出内で行われ、これは、適当な重み係数を有する性能指数における第3の項を付与する。この事例では、制御変数の基準値は、一定のままである所定の定常状態値である。
性能指数は、未来制御動作のための操作変数の値を付与する制約を考慮に入れて最小化される。しかしながら、唯一、次の制御動作が遂行される。次いで、未来制御動作のための性能指数の算出が、再び始まる。
本明細書で開示されている本発明は、特定の実施形態、例およびそれらの適用の手段によって説明されてはいるが、それらへの多数の修正および変形が、特許請求の範囲で述べられる本発明の範囲から逸脱することなく、当業者によってなされることができる。
Claims (35)
- アンモ酸化の方法であって、
アンモニア、酸素含有ガス;プロパン、プロピレン、イソブテン、イソブチレンおよびこれらの混合物からなる群から選択される炭化水素を含む反応物流の流れを、アンモ酸化反応器中へ導入する工程と、
蒸気をアンモ酸化反応器中に配設されたコイルへ供給して、約350℃〜約480℃の反応器作動温度を付与する工程と
を含み、
反応器へ添加される酸素の量、および蒸気温度が、反応器空塔線速度を維持するように制御される、前記方法。 - 反応器空塔線速度が、約0.5m/秒から約1.5m/秒の間に維持される、請求項1に記載の方法。
- 反応器空塔線速度が、約0.7m/秒から約1.0m/秒の間に維持される、請求項2に記載の方法。
- 反応器空塔線速度が、約0.75m/秒から約0.80m/秒の間に維持される、請求項3に記載の方法。
- 反応器温度の偏差が、コイルの熱伝導面積が変化する間、約10℃以下に維持される、請求項1に記載の方法。
- 蒸気が、過熱蒸気であり、コイルが、過熱コイルである、請求項1に記載の方法。
- 過熱蒸気が、約355℃〜約400℃の温度で供給される、請求項6に記載の方法。
- 反応器頂圧が、約3.8psig〜約5.0psigに維持される、請求項1に記載の方法。
- 反応器断面積当たりの利用可能な過熱コイルの総面積(ft2/ft2)が、約1〜約7である、請求項6に記載の方法。
- 生成されたアクリロニトリル1メートルトン当たりの過熱コイルによって除去される熱(Kcal)当たりの過熱コイル面積(ft2)が、約275,000〜約475,000である、請求項9に記載の方法。
- 反応物流が、プロピレンを含む、請求項1に記載の方法。
- プロピレンの、アンモ酸化反応器への流量が、酸素とプロピレンとの比、約2〜約2.1、およびアンモニアとプロピレンとの比、約1〜約1.5を付与するのに効果的である、請求項11に記載の方法。
- 反応器流出物を吸収器へ運ぶ工程をさらに含み、吸収器が、約35psig〜約40psigの圧力を有する、請求項1に記載の方法。
- アンモ酸化の方法であって、
アンモニア、酸素含有ガス;プロパン、プロピレン、イソブテン、イソブチレンおよびこれらの混合物からなる群から選択される炭化水素を含む反応物流の流れを、アンモ酸化反応器中へ導入する工程と、
蒸気をアンモ酸化反応器中に配設されたコイルへ供給して、約350℃〜約480℃の反応器作動温度を付与する工程と
を含み、
反応器へ添加される酸素の量、および蒸気温度が制御され、反応器空塔線速度が、目標反応器空塔線速度の約95%以内および目標反応器温度の約95%以内に維持される、前記方法。 - 反応器空塔線速度が、目標反応器空塔線速度の約98%以内に維持される、請求項14に記載の方法。
- 反応器温度の偏差が、コイルの熱伝導面積が変化する間、目標反応器温度の約98%以内に維持される、請求項14に記載の方法。
- 蒸気が、過熱蒸気であり、コイルが、過熱コイルである、請求項14に記載の方法。
- 過熱蒸気が、約355℃〜約400℃の温度で供給される、請求項17に記載の方法。
- 反応器圧力が、約3.8psig〜約5.0psigに維持される、請求項14に記載の方法。
- 反応器断面積当たりの利用可能な過熱コイルの総面積(ft2/ft2)が、約1〜約7である、請求項17に記載の方法。
- 生成されたアクリロニトリル1メートルトン当たりの過熱コイルによって除去される熱(Kcal)当たりの過熱コイル面積(ft2)が、約275,000〜約475,000である、請求項20に記載の方法。
- 反応物流が、プロピレンを含む、請求項14に記載の方法。
- プロピレンの、アンモ酸化反応器への流量が、酸素とプロピレンとの比、約2〜約2.1、およびアンモニアとプロピレンとの比、約1〜約1.5を付与するのに効果的である、請求項22に記載の方法。
- 反応器流出物を吸収器へ運ぶ工程をさらに含み、吸収器が、約35psig〜約40psigの圧力を有する、請求項14に記載の方法。
- アンモ酸化の方法であって、
アンモニア;プロパン、プロピレン、イソブテン、イソブチレンおよびこれらの混合物からなる群から選択される炭化水素、ならびに酸素含有ガスを含む反応物流の流れを、アンモ酸化反応器中へ導入する工程と、
過熱蒸気をアンモ酸化反応器中に配設された過熱コイルへ供給する工程と
を含み、
1組の操作変数が、反応器酸素流量、過熱蒸気温度、吸収器圧力、および吸収器への貧水の量を含み、1組の制御変数が、反応器線速度および反応器温度を含み、
少なくとも1組の制御変数を制御することが、反応器へ添加される酸素の量および過熱蒸気温度を制御することを含む、前記方法。 - 少なくとも1組の制御変数を制御しながら少なくとも1組のパラメータを最適化するために、反応器空塔線速度および反応器作動温度をモデル予測制御に基づいて制御して、操作変数のための同時制御行動を決定することを含む、請求項25に記載の方法。
- 約0.5m/秒〜約1.5m/秒の反応器線速度を付与する、請求項26に記載の方法。
- 約0.7m/秒〜約1.0m/秒の反応器線速度を付与する、請求項27に記載の方法。
- 約0.75m/秒〜約0.80m/秒の反応器線速度を付与する、請求項28に記載の方法。
- 反応器圧力が、約3.8psig〜約5.0psigに維持される、請求項25に記載の方法。
- 過熱コイルの熱伝導面積が変化する間、約10℃以下の温度の偏差を付与する、請求項25に記載の方法。
- 反応器温度の偏差が、コイルの熱伝導面積が変化する間、約5℃以下に維持される、請求項31に記載の方法。
- 過熱蒸気が、約355℃〜約400℃の温度を有する、請求項25に記載の方法。
- プロピレンの、アンモ酸化反応器への流量が、酸素とプロピレンとの比、約2.0〜約2.1、およびアンモニアとプロピレンとの比、約1〜約1.5を付与するのに効果的である、請求項25に記載の方法。
- 反応器流出物を吸収器へ運ぶ工程をさらに含み、吸収器が、約35psig〜約40psigの圧力を有する、請求項25に記載の方法。
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