PL212201B1 - Sposób regulowania procesu wytwarzania kwasu octowego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Dziedzina wynalazku

Niniejszy wynalazek dotyczy regulacji procesów wytwarzania kwasu octowego metodą karbonylowania metanolu lub jego pochodnej ulegającej karbonylowaniu, a szczególnie regulacji procesu podczas zaburzeń procesu i podczas powrotu od nich.

Tło wynalazku

Wśród obecnie wykorzystywanych procesów syntetyzowania kwasu octowego jednym z najbardziej przydatnych komercyjnie jest katalizowane karbonylowanie metanolu monotlenkiem węgla jak wyłożono w patencie USA nr 3769329 dla Paulika i in., wydanym 30 października 1973. Katalizator karbonylowania zawiera rod, albo rozpuszczony lub inaczej zdyspergowany w ciekłym środowisku reakcji, albo na podłożu obojętnej substancji stałej, wraz z promotorem katalizatora zawierającym fluorowiec, takim jak jodek metylu. Rod może zostać wprowadzony do układu reakcyjnego w dowolnej z wielu postaci, a ścisły charakteru ugrupowania rodu w aktywnym kompleksie katalizatora nie jest pewny. Podobnie, charakter promotora halogenkowego nie jest krytyczny. Uprawnieni z patentu ujawniają bardzo wielką liczbę przydatnych promotorów, z których większość stanowią jodki organiczne. Najbardziej typowo i użytecznie reakcję prowadzi się metodą ciągłego barbotowania gazowego monotlenku węgla przez ciekłe środowisko reakcji, w którym rozpuszczony lub zawieszony jest katalizator.

Ulepszenie procesu karbonylowania alkoholu w celu wytwarzania kwasu karboksylowego mającego o jeden atom węgla więcej niż alkohol w obecności katalizatora rodowego, według stanu techniki, jest ujawnione we wspólnie przypisanych patentach USA nr 5001259, wydanym 19 marca 1991; nr 5026908, wydanym 25 czerwca 1991; i nr 5144068, wydanym 1 września 1992; oraz w patencie europejskim nr EP 0161874 B2, opublikowanym 1 lipca 1992. Jak tam ujawniono, kwas octowy wytwarza się z metanolu, lub jego pochodnej ulegającej karbonylowaniu, w środowisku reakcji zawierającym octan metylu, halogenek metylu, zwłaszcza jodek metylu, i rod obecny w stężeniu katalitycznie skutecznym. Te patenty ujawniają, że stabilność katalizatora i zdolność produkcyjną reaktora karbonylowania można utrzymać na niespodziewanie wysokich poziomach, nawet przy bardzo niskich stężeniach wody, tj. 4 procent wagowo lub mniej, w środowisku reakcji (mimo ogólnej praktyki przemysłowej utrzymywania w przybliżeniu 14-15% wag. wody) przez utrzymywanie w środowisku reakcji, wraz z katalitycznie skuteczną ilością rodu i co najmniej ograniczonym stężeniem wody, określonego stężenia jonów jodkowych ponad i powyżej zawartości jodku, która jest obecna jako jodek metylu lub inny jodek organiczny. Jon jodkowy jest obecny jako prosta sól, przy czym korzystny jest jodek litu. Patenty uczą, że stężenie octanu metylu i soli jodkowych stanowią istotne parametry wpływające na szybkość karbonylowania metanolu z wytworzeniem kwasu octowego, zwłaszcza przy niskich stężeniach wody w reaktorze. Przez stosowanie względnie wysokich stężeń octanu metylu i soli jodkowych, otrzymuje się nieoczekiwany stopień stabilności katalizatora i zdolności produkcyjnej reaktora, nawet gdy ciekłe środowisko reakcji zawiera wodę w stężeniach tak niskich jak około 0,1% wag., tak niskich, że można je szeroko zdefiniować po prostu jako ograniczone stężenie wody. Ponadto, wykorzystywane środowisko reakcji polepsza stabilność katalizatora rodowego, tj. odporność na strącanie katalizatora, zwłaszcza podczas etapów procesu dotyczących odzyskiwania produktu. W tych etapach destylacja w celu odzyskania produktu kwasu octowego ma tendencję do usuwania z katalizatora monotlenku węgla, który w środowisku utrzymywanym w naczyniu reakcyjnym stanowi ligand o działaniu stabilizującym rod. Patenty USA nr 5001259, 5026908 i 5144068 stanowią odnośniki dla niniejszego.

Tak jak w przypadku dowolnego złożonego procesu chemicznego, opisany powyżej proces karbonylowania metanolu wymaga kontrolowania i regulacji pewnej liczby warunków procesu, takich jak szybkości podawania metanolu i monotlenku węgla, temperatura i ciśnienie reaktora, temperatura i ciśnienie destylacji rzutowej, warunki destylacji, i tym podobne. W szczególności, warunki procesu reguluje się starannie dla zapewnienia, żeby produkt kwasu octowego był skrajnie czysty, a w szczególności, żeby był zasadniczo wolny od wody, metanolu i kwasu propionowego. Wskutek tego, gdy jeden lub więcej z tych warunków procesu nagle zmienia się wskutek nieoczekiwanego zdarzenia, takiego jak nagły spadek zasilania monotlenkiem węgla, defekt pompy katalizatora, lub tym podobne, to szybkość wytwarzania musi zostać dostosowana - zazwyczaj zmniejszona - dla zapewnienia, żeby produkt kwasu octowego dalej spełniał wymagania jakościowe. Pożądane jest jednak, żeby po zaburzeniu procesu powrócić do normalnych warunków roboczych tak szybko, jak to możliwe. Zaobserwowano jednak, że regulatory procesu wykorzystujące algorytmy regulacji liniowej nie zapewniają dostatecznie szybkiego powrotu od zaburzeń procesu o dużej wielkości, ponieważ regulatory są dostrojone

PL 212 201 B1 do utrzymywania regulacji w wąskim zakresie normalnych warunków roboczych zamiast szerokiego zakresu wynikającego ze znacznego zaburzenia. W szczególności, regulatory liniowe ograniczone są pod tym względem, że wzmocnienie regulatora (tj., zależność między wielkością odchylenia od warunków docelowych związanych z pewną zmienną (zmiennymi) regulacji, i wielkością korekcyjnego działania regulującego osiągana przy użyciu zmiennej (zmiennych) nastawianej), zamiast zmiennego, jest ustalone. Przykładem wzmocnienia jest zmiana przepływu pary wodnej do wymiennika ciepła wymaganego do spowodowania jednostopniowej zmiany temperatury strumienia procesowego. Podczas zmian przepływów, takich jak zakłócenia, skład strumienia procesowego będzie zmieniać się, powodując zmianę ilości pary potrzebnej do uzyskania zmiany temperatury o jeden stopień. Ze względu na to ograniczenie regulatorów liniowych, większość wielowymiarowych regulatorów predykcyjnych nie może utrzymywać regulacji i szybkiego powrotu od zaburzeń procesu o dużej wielkości. Nawet gdy te regulatory działają w oparciu o empiryczny lub teoretyczny model procesu, to założeniem leżącym u podstaw ich schematu regulacji jest zazwyczaj to, iż wzmocnienia procesu (t j., wielkość odpowiedzi procesu na działanie regulujące) są bardziej lub mniej liniowe. Dla procesów chemicznych to założenie okazuje się być raczej zawodne, szczególnie gdy odchylenie od warunków docelowych jest bardzo duże lub gdy równocześnie zachodzi szereg reakcji związanych ze sobą. Jest to sytuacja dokładnie taka, jak w reaktorze kwasu octowego, gdzie oprócz karbonylowania metanolu jedna cząsteczka metanolu może reagować (odwracalnie) z cząsteczką kwasu octowego z wytworzeniem octanu metylu i wody; dwie cząsteczki metanolu mogą reagować z wytworzeniem eteru dimetylowego i wody; zaś octan metylu także może reagować bezpośrednio z monotlenkiem węgla i wodą z wytworzeniem kwasu octowego. W rzeczywistości okazuje się, że co najmniej niektóre ze wzmocnień procesu dla reaktora karbonylowania metanolu nie tylko są nieliniowe, ale faktycznie zmieniają znak zależnie od warunków procesu. Podczas znaczących zakłóceń procesu karbonylowania metanolu szczególnie nieprawdopodobne jest, żeby wzmocnienia były stałe, co regulację liniową czyni mniej skuteczną.

Mimo dostrzeganych wad regulatorów opartych na modelach liniowych dla układów reakcyjnych kwasu octowego, ogólnie nie uważano za właściwe wykorzystywania do tego zastosowania regulatorów nieliniowych. Opis zgłoszenia wynalazku USA nr 2003/0018213 ujawnia sposób regulowania procesu wytwarzania kwasu octowego w ciągłym procesie karbonylowania metanolu tlenkiem węgla, w fazie ciekłej, w obecności wody i homogenicznego katalizatora. Jednakże przedstawione w tym zgłoszeniu rozwiązanie nie ujawnia ani nie sugeruje regulacji tego procesu podczas poważnego zaburzenia poprzez regulację opartą na modelu nieliniowym. Aż do teraz, ogólnie uważano, że regulatory nieliniowe najlepiej wykorzystuje się w środowiskach, gdzie nastawienia procesu są zmieniane celowo (np. w celu zmiany gatunku produktu) i celem jest zminimalizowanie czasu przejścia między gatunkami. Istniejące nieliniowe zastosowania regulujące skupiały się na wytwarzaniu polimerów, gdzie zmiany gatunków produktu są częste. Te zastosowania nie skupiały się na zmianach związanych z przepływami. Istnieje jednak zapotrzebowanie na systemy regulacji, które w odpowiedzi na nieoczekiwane zakłócenia są zdolne do kierowania procesami nieliniowymi tak, by uzyskać szybki powrót.

Jednym z takich obecnie dostępnych handlowo systemów jest system z firmy ASPEN Technology, który do obsługi zakłócenia procesu wykorzystuje dwa oddzielne składniki. Oprócz regulatora dynamicznego do utrzymywania regulacji aż do zajęcia się przerwaniem procesu, rozwiązanie z firmy ASPEN wykorzystuje osobny składnik planowania wzmocnień, który zaprojektowany jest do kierowania powrotem do normalnych warunków roboczych. Wskutek tego, program planowania wzmocnień traktuje powrót od warunków nienormalnych do normalnych jako zmianę gatunku i przy powrocie narzuca szereg przejść zasadniczo liniowych. Tym niemniej, pozostaje zapotrzebowanie na system regulacji, który integruje te składniki. Ten cel osiąga niniejsze ujawnienie.

Streszczenie wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób regulowania procesu wytwarzania kwasu octowego metodą karbonylowania metanolu lub jego pochodnej ulegającej karbonylowaniu, obejmujący etapy:

kontrolowania szybkości wytwarzania kwasu octowego w normalnych warunkach roboczych; zmniejszenia szybkości wytwarzania w odpowiedzi na nieoczekiwaną i znaczną zmianę warunków roboczych wskutek zaburzenia procesu; regulowania procesu przy zmniejszonej szybkości wytwarzania; i zwiększenia szybkości wytwarzania po zajęciu się zmianą warunków wytwarzania, aż co najmniej szybkość wytwarzania powróci do normalnego zakresu roboczego; charakteryzujący się tym, że proces reguluje się metodą wielowymiarowej regulacji nieliniowej opartej na modelu procesu, podczas poważnego zaburzenia poza normalnymi warunkami roboczymi

PL 212 201 B1 i/lub podczas okresu powrotu po zajęciu się tym zaburzeniem, podczas co najmniej jednego z etapów, etapu zmniejszania szybkości wytwarzania, regulowania procesu przy zmniejszonej szybkości i zwiększania szybkości wytwarzania aż szybkość ta powróci do normalnego zakresu roboczego, przy czym nieoczekiwana i znaczna zmiana warunków roboczych wymagająca zmniejszenia szybkości wytwarzania, wynika ze zmiany warunku wybranego z grupy obejmującej:

(a) znaczne ograniczenie dostępności monotlenku węgla; (b) uszkodzenie pompy katalizatora lub zasilania; (c) utratę wydajności ogrzewania lub chłodzenia; (d) zalanie kolumny oczyszczającej w dalszej części linii produkcyjnej; (e) znacznych odchyleń od oczekiwanych składów w jednym lub więcej strumieniach związanych z kolumną oczyszczającą; f) brak możliwości składowania kwasu octowego; i ich kombinacji.

Sposób korzystnie charakteryzuje się tym, że model procesu obejmuje model dynamiczny co najmniej sekcji reakcji procesu.

Korzystnie sposób charakteryzuje się tym, że model procesu obejmuje model dynamiczny co najmniej sekcji oczyszczania procesu.

Korzystnie sposób charakteryzuje się tym, że model procesu obejmuje model pierwszych zasad co najmniej sekcji reakcji procesu.

Sposób korzystnie charakteryzuje się tym, że model procesu obejmuje model pierwszych zasad co najmniej sekcji oczyszczania procesu.

Korzystnie sposób charakteryzuje się tym, że następnie obejmuje etap ciągłego optymalizowania warunków procesu na podstawie modelu procesu, gdy szybkość wytwarzania mieści się w normalnym zakresie roboczym.

W jednym z aspektów, niniejsze ujawnienie przedstawia więc sposób regulowania procesu wytwarzania kwasu octowego metodą karbonylowania metanolu lub jego pochodnej ulegającej karbonylowaniu, który obejmuje kontrolowanie szybkości wytwarzania kwasu octowego; zmniejszenie szybkości wytwarzania w odpowiedzi na zmianę warunku procesu lub warunku aparatury procesowej; po zmniejszeniu szybkości wytwarzania, regulowanie procesu przy zmniejszonej szybkości wytwarzania; i zwiększenie szybkości wytwarzania po zajęciu się wspomnianą zmianą warunku, aż co najmniej szybkość wytwarzania powróci do normalnego zakresu roboczego; gdzie podczas co najmniej jednego z etapów zmniejszenia szybkości wytwarzania, regulowania procesu przy zmniejszonej szybkości wytwarzania, i zwiększania szybkości wytwarzania aż szybkość wytwarzania powróci do normalnego zakresu roboczego, proces reguluje się metodą wielowymiarowej regulacji nieliniowej opartej na modelu procesu. Ujawniony sposób może utrzymywać regulację podczas rozmaitych zmian warunków, w tym, ale bez ograniczania do tego, jednego lub więcej warunków spośród następujących: (a) znacznych ograniczeń dostępności monotlenku węgla; (b) defektu pompy katalizatora lub zasilania; (c) utraty ogrzewania lub chłodzenia; (d) zalania dalszej (będącej w dalszej części linii produkcyjnej) kolumny oczyszczającej; (e) znacznych odchyleń od oczekiwanych składów w jednym lub więcej strumieniach związanych z kolumną oczyszczającą (na przykład, niedoboru wody lub nadmiaru kwasu octowego w produkcie górnym kolumny frakcji lekkiej, które mogą spowodować utratę rozdziału faz); (f) braku pojemności składowania produktu kwasu octowego; i podobnych zmian. Sposób jest także zdolny do utrzymywania regulacji, gdy przejście oznacza zaplanowaną zmianę szybkości wytwarzania lub gatunku.

W innym aspekcie, niniejsze ujawnienie opisuje proces wytwarzania kwasu octowego metodą karbonylowania metanolu, obejmujący etap regulowania co najmniej sekcji reakcji procesu i/lub sekcji oczyszczania procesu przy użyciu wielowymiarowego nieliniowego regulatora predykcyjnego opartego na modelu nieliniowym procesu. Regulator wykorzystuje ten sam model procesu do regulowania procesu podczas działań normalnych, podczas stanu zakłócenia procesu i także podczas okresu powrotu po zajęciu się zaburzeniem.

Zwięzły opis rysunków

Chociaż wynalazek jest podatny na rozmaite modyfikacje i postacie alternatywne, to dla przykładu konkretne warianty wykonania zostały pokazane na rysunkach i zostaną niniejszym opisane szczegółowo. Należy jednak rozumieć, że wynalazek nie ma być ograniczany do poszczególnych ujawnionych postaci. Zamiast tego, wynalazek ma obejmować wszelkie modyfikacje, równoważniki i alternatywy mieszczące się w zakresie wynalazku, jak zdefiniowano załączonymi zastrzeżeniami.

Figura 1 to schemat reprezentatywnego procesu karbonylowania metanolu przydatnego do stosowania z niniejszym wynalazkiem.

PL 212 201 B1

Figura 2 to wykres szybkości wytwarzania kwasu octowego w odniesieniu do czasu, przez okres obejmujący zaburzenie procesu i oczekiwany następujący po nim okres powrotu, gdy stosuje się regulator na podstawie modelu nieliniowego zgodnie z jednym z aspektów niniejszego ujawnienia.

Figura 3 to wykres szybkości wytwarzania kwasu octowego w odniesieniu do czasu, dla okresu powrotu następującego po zaburzeniu procesu. Krzywa A oznacza odpowiedź dla kombinacji regulacji kierowanej przez operatora, a następnie normalnej regulacji opartej na modelu liniowym. Krzywa B oznacza ulepszoną odpowiedź otrzymaną przy użyciu regulatora opartego na modelu nieliniowym zgodnie z jednym z aspektów niniejszego ujawnienia.

Opis przykładowych wariantów wykonania

Poniżej opisano jeden lub więcej przykładowych wariantów wykonania wynalazku. Dla przejrzystości, nie wszystkie cechy rzeczywistego wdrożenia są opisane w niniejszym opisie. Należy oczywiście uwzględnić, że przy projektowaniu jakiegokolwiek takiego rzeczywistego wariantu wykonania, trzeba podjąć liczne decyzje swoiste dla wdrożenia, żeby osiągnąć konkretne cele projektowe, takie jak spełnienie ograniczeń związanych z układem i z ekonomiką, które zmieniają się między wdrożeniami. Ponadto, należy rozumieć, że takie prace projektowe mogą być złożone i czasochłonne, tym niemniej dla specjalistów korzystających z niniejszego ujawnienia powinny być przedsięwzięciem rutynowym.

Figura 1 przedstawia powszechnie stosowany proces karbonylowania metanolu do wytwarzania kwasu octowego. Jak wyjaśniono w patentach USA nr 3769329 i 5001259, które stanowią odnośnik dla niniejszego, reakcję karbonylowania typowo prowadzi się wprowadzając monotlenek węgla i strumień zasilający zawierający metanol, i/lub jego pochodną ulegającą karbonylowaniu, do reaktora z mieszaniem wraz z katalizatorem, na przykład katalizatorem rodowym lub irydowym, jodkiem organicznym takim jak jodek metylu, i (w przypadku katalizatora rodowego) jodkiem nieorganicznym takim jak jodek litu jak opisano wyżej. Strumień wylotowy z reaktora poddaje i się destylacji rzutowej w celu odzyskania katalizatora i jodku nieorganicznego. Często wykonuje się to w oddzielnym naczyniu, nie pokazanym na Figurze 1, z którego pozostałość zawraca się do reaktora, a produkt górny poddaje się dodatkowemu oczyszczaniu. Produkt z destylacji rzutowej poddaje się szeregowi destylacji w celu oczyszczenia produktu kwasu octowego przez usunięcie i zawrócenie nieprzereagowanego metanolu, octanu metylu i jodku metylu na kolumnie frakcji lekkiej lub rozdzielacza; usunięcie wody w kolumnie suszącej; i (jeśli to konieczne) usunięcie kwasu propionowego, innych związków zawierających grupę karbonylową, takich jak aldehyd krotonowy, i jodków wyższych alkili, takich jak jodek heksylu, na kolumnie frakcji ciężkiej. Znany jest szereg dalszych ulepszeń; na przykład, produkt górny z kolumny frakcji lekkiej typowo składa się z odrębnych faz ciekłych ciężkiej i lekkiej, które oddziela się w naczyniu dekantera i które można przerabiać oddzielnie (np. w celu usunięcia alkanów lub aldehydu octowego) przed zawróceniem do reaktora. Ogólnie wiadomo, że niezdolność do utrzymywania tego rozdzielania faz ciecz-ciecz wskazuje na pewne problemy procesowe, które, jeśli nie zostaną skorygowane, mogą znacznie zaburzyć działanie procesu.

Podobnie należy rozumieć, że szereg innych przerwań procesu może wymagać czasowego zmniejszenia szybkości wytwarzania kwasu octowego aż do skorygowania problemu. Na przykład, znaczne zmniejszenie zasilania reaktora albo monotlenkiem węgla albo metanolem będzie wyraźnie wymagać zmniejszenia szybkości wytwarzania. Co mniej oczywiste, defekt pompy katalizatora lub utrata pary wodnej do ogrzewania kolumn destylacyjnych może także wymagać czasowego zmniejszenia szybkości. Zalanie kolumny oczyszczającej, które wskazuje na zmianę składu w układzie reakcyjnym, może także wymagać zmniejszenia szybkości. W praktyce zmniejszenia szybkości mogą także być konieczne, jeżeli brakuje dostępnej pojemności magazynowej na produkt kwasu octowego.

Gdy przerwanie procesu wymaga zmniejszenia szybkości wytwarzania kwasu octowego, to oczywiście bardzo ważne jest, i żeby zminimalizować czas trwania zmniejszenia szybkości. Gdy przerwanie jest względnie nieznaczne, to typowy liniowy wielowymiarowy regulator predykcyjny może skorygować je automatycznie; ale w przypadku znacznego przerwania, model predykcyjny zapewniony w regulatorze typowo nie jest dostatecznie elastyczny, żeby prawidłowo obliczyć wymagane działanie korekcyjne. W szczególności, ponieważ taki regulator zakłada, że wzmocnienia procesu są liniowe, to wyjście regulatora będzie zmieniać się bardzo powoli (i ze stałą szybkością), żeby uniknąć przekompensowania. Wskutek tego, kilka godzin lub nawet dni może zabrać to, żeby proces wytwarzania kwasu octowego powrócił po poważnym zaburzeniu procesu, nawet po zajęciu się samym zaburzeniem. Gdy instalacja pracuje z wydajnością pełną lub do niej zbliżoną, ponieważ zapotrzebowanie

PL 212 201 B1 jest wysokie, to przedłużone zwłoki przy powracaniu do pełnej wydajności mogą iść w miliony dolarów utraconych zysków.

Jednym z podejść alternatywnych, które spotkało się z pewnym sukcesem, jest planowanie wzmocnień. To podejście wykorzystuje ograniczoną liczbę odrębnych zestawów parametrów i dostrojenia regulatora do regulowania indywidualnych, dobrze scharakteryzowanych obszarów roboczych w obrębie całkowitego zakresu procesu. Wskutek tego, to podejście zajmuje się nieliniowymi wzmocnieniami procesu przez podzielenie procesu na obszary robocze, w których obrębie wzmocnienie procesu jest bardziej lub mniej liniowe. Dwa zasadnicze wyzwania przy wdrażaniu tego podejścia to opracowanie wielu odrębnych zestawów parametrów regulacji i dokładne zidentyfikowanie punktów przejścia między obszarami roboczymi.

Skrajnie ważne jest także, żeby utrzymywać regulację procesu podczas poważnego zaburzenia procesu. Ze względu na skuteczność, może nie być to możliwe albo właściwe, żeby okres powrotu podzielić na wiele obszarów liniowych. Tak więc, systemy planowania wzmocnień stają się nieskuteczne. Systemy planowania wzmocnień nie są przydatne zwłaszcza do obsługi zaburzeń procesu, ponieważ są one przede wszystkim zaprojektowane do umożliwiania zaplanowanych przejść między dwoma stanami roboczymi, a nie do przyspieszania powrotu od nieoczekiwanej i znacznej zmiany warunków roboczych. W szczególności, podejście planowania wzmocnień efektywnie wymagałoby oddzielnego zestawu parametrów dostrojenia procesu dla powrotu od każdego z prawdopodobnych zakłóceń. W odróżnieniu od tego, system regulacji oparty na modelu nieliniowym według niniejszego wynalazku wymagałby tylko pojedynczego zestawu parametrów regulacji, ponieważ sam model uwzględnia zaburzenia procesu.

Jak zauważono wyżej, aż do niedawna zastosowanie nieliniowej regulacji procesu opartej na modelu uważano za nieodpowiednie dla złożonych procesów chemicznych, takich jak karbonylowanie metanolu, ze względu na dużą liczbę konkurujących reakcji i złożone zachowanie wzmocnień procesu, jak również wysoki koszt opracowania dokładnego modelu procesu przydatnego do wdrożenia regulacji nieliniowej. Zgłaszający stwierdzili jednak, że regulacja nieliniowa oparta na dokładnym modelu procesu może zapewnić znacznie szybszy powrót od zaburzeń procesu niż podejście planowania wzmocnień lub podobne, ponieważ regulator lepiej może prawidłowo przewidywać wpływ zmian wyjścia regulatora na proces. Ten szybszy powrót przekłada się na zwiększoną dochodowość, ponieważ proces powraca szybciej do działania ze swoją optymalną wydajnością.

Ten polepszony czas powrotu jest zilustrowany schematycznie na Figurze 2, która stanowi wykres rodzajowy szybkości wytwarzania kwasu w odniesieniu do czasu. Docelową szybkość wytwarzania R1 utrzymuje się aż do czasu t1, gdy zaburzenie procesu (takie jak nagłe zmniejszenie zasilania monotlenkiem węgla) wymaga zmniejszenia szybkości wytwarzania do R2 w czasie t2 aż do t3, gdy stan wymagający zmniejszenia i szybkości zostanie skorygowany. Stosując regulację opartą na modelu nieliniowym według niniejszego wynalazku, nieliniowy regulator wielowymiarowy zawrócił proces do szybkości wytwarzania R1 w czasie t4. W odróżnieniu od tego, ponieważ liniowy regulator wielowymiarowy pracuje tylko w wąskim) zakresie roboczym, powrotem procesu zazwyczaj kieruje połączenie liniowej regulacji automatycznej i bezpośredniej regulacji operatora. W tych warunkach proces powraca bardziej powoli do szybkości wytwarzania R1. W trybie regulacji opartej na modelu nieliniowym według niniejszego wynalazku i regulator może lepiej przewidywać wpływy zmian wyjścia regulatora, pozwalając na szybszą odpowiedź. Wskutek tego, proces powraca do stanu stacjonarnego szybciej. Jest to zilustrowane na Figurze 3, gdzie przy użyciu regulacji opartej na modelu liniowym w połączeniu z bezpośrednią regulacją operatora, proces powraca do stanu stacjonarnego wzdłuż krzywej A, osiągając pierwotną szybkość R1 w czasie t5. W odróżnieniu od tego, przy użyciu regulacji opartej na modelu nieliniowym zgodnie z procesem według niniejszego wynalazku, proces powraca do stanu stacjonarnego wzdłuż bardziej stromej (tj. szybszej) krzywej B, osiągając pierwotną szybkość R1 w czasie t4. Należy rozumieć, że proces powraca od zaburzenia procesu znacznie szybciej, gdy system regulacji jest oparty na dokładnym nieliniowym modelu procesu.

Regulacja oparta na modelu nieliniowym według niniejszego wynalazku może, w rozmaitych wariantach wykonania, także być stosowana do regulowania procesu podczas czasowego warunku wymagającego skorygowania zmniejszenia szybkości, tj., między czasem t2 i t3. Ponieważ zmniejszona szybkość wytwarzania, R2, może być niepowtarzalna dla każdego z osobnych typów zakłócenia procesu i w istocie dla różnych wystąpień tego samego zakłócenia procesu, to podczas tego okresu korekcyjnego regulacja oparta na modelu nieliniowym ma zalety wobec regulacji opartej na modelu liniowym. Jeżeli w i tym czasie stosuje się regulację opartą na modelu liniowym, to dla każdego

PL 212 201 B1 z możliwych do pomyślenia zakłóceń procesu należałoby opracować odrębne zestawy parametrów regulacji. Podobnie, rozważa się, że regulacja oparta na modelu nieliniowym według niniejszego wynalazku może, w rozmaitych warianty wykonania, także być stosowana do regulowania procesu w czasie, kiedy szybkość wytwarzania jest zmniejszana, tj., między czasem t1 a t2.

Odpowiednio, twórcy wynalazku stwierdzili, że dla procesu karbonylowania metanolu dostrzegane wady regulacji nieliniowej już nie przeważają nad zaletami. W szczególności, wysoki koszt opracowania modelu predykcyjnego, który w pełni uwzględnia nieliniowości we wzmocnieniach procesu, jest kompensowany przez potencjalne oszczędności kosztów wynikające z szybszego powrotu do stanu stacjonarnego, który umożliwia taki model.

Oprogramowanie regulacyjne przydatne do wdrożenia wielowymiarowej regulacji nieliniowej obejmuje system regulacji nieliniowej Galaxy z firmy PAS, Inc. System modelowania PAS NOVA® lub podobny pakiet można zastosować do opracowania modelu pierwszych zasad układu. Ten system jest szczególnie właściwy dla procesu wytwarzania kwasu octowego, ponieważ jest zdolny do modelowania złożonego schematu reakcji w reaktorze jak również następujących dalej procesów rozdzielania. W odróżnieniu od predykcyjnych systemów regulacji dla modeli liniowych, system Galaxy uwzględnia nieliniowości procesu tak, że pojedynczy zastaw parametrów dostrojenia regulatora może być stosowany do kierowania całym procesem. To różni się zasadniczo od podejścia planowania wzmocnień, w którym implementuje się osobne zestawy parametrów regulacji zależnie od aktualnych warunków procesu.

Specjaliści korzystający z niniejszego ujawnienia uznają, że dla któregokolwiek konkretnego procesu wytwarzania kwasu octowego zmienne zależne, np., zmienne regulowane, i zmienne niezależne, np., zmienne manipulowane i zakłócenia zewnętrzne, prawdopodobnie będą różne. Chociaż rozmaite wdrożenia procesu będą prawdopodobnie mieć pewne takie zmienne zależne i niezależne wspólne, to prawdopodobnie istnieć będą także różnice wśród rozmaitych wdrożeń. Podobnie, zestaw wzmocnień o głównej istotności dla regulacji procesu będzie różny dla każdego z wdrożeń procesu karbonylowania metanolu. Chociaż pewne wzmocnienia będą prawdopodobnie istotne dla każdego z wdrożeń procesu, to należy oczekiwać, że pewne wzmocnienia mogą być istotne tylko dla pewnych wdrożeń procesu. Podobnie, istotność któregokolwiek ze wzmocnień dla celów modelowania będzie się między procesami zmieniać.

Typowy proces karbonylowania metanolu może mieć nawet 20 do 25 zmiennych zależnych związanych z warunkami docelowymi i nawet 15 do 20 zmiennych niezależnych, które zapewniają regulację korekcyjną. Zmienne zależne, co do których można oczekiwać, że będą wspólne dla wielu procesów karbonylowania metanolu, obejmują: strumień z zaworu zasilania monotlenkiem węgla procent otwarcia; przepływ zasilania monotlenkiem węgla; strumień z zaworu chłodzenia reaktora procent otwarcia; poziom w reaktorze; strumień z zaworu przepływu z reaktora do destylacji rzutowej procent otwarcia; strumień z zaworu przepływu zawracania katalizatora - procent otwarcia; różnicę ciśnień kolumny frakcji lekkiej; ciężar właściwy frakcji ciężkiej produktu górnego dekantera kolumny frakcji lekkiej; różnice ciśnień kolumny suszącej; temperaturę regulacji kolumny suszącej; stężenie wody w dolnej sekcji kolumny suszącej; stężenie wody w pozostałości z kolumny suszącej; strumień z zaworu przepływu pary wodnej kolumny suszącej; i poziom w odbieralniku produktu górnego z kolumny suszącej. Specjaliści korzystający z niniejszego ujawnienia uznają, że dla pewnych procesów nie wszystkie z tych zmiennych zależnych mogą być odpowiednie i że dla pewnych procesów może być odpowiednia dodatkowa zmienna zależna.

Zmienne niezależne, co do których można oczekiwać, że będą wspólne dla wielu procesów karbonylowania metanolu, obejmują przepływ wlotowy metanolu; temperaturę reaktora; przepływ z reaktora do destylacji rzutowej; temperaturę regulacji kolumny suszącej; przepływ powrotny do kolumny suszącej z odbieralnika produktu górnego kolumny suszącej; przepływ powrotny do reaktora z odbieralnika produktu górnego kolumny suszącej; i ciśnienie w odbieralniku produktu górnego kolumny suszącej. Specjaliści korzystający z niniejszego ujawnienia uznają, że dla pewnych procesów nie wszystkie z tych zmiennych niezależnych mogą być odpowiednie i że dla pewnych procesów może być odpowiednia dodatkowa zmienna niezależna.

Wobec liczby zmiennych zależnych i zmiennych niezależnych, które mogą być odpowiednie dla dowolnego poszczególnego wdrożenia procesu, liczba potencjalnych wzmocnień, które można byłoby rozważać dla nieliniowej regulacji wielowymiarowej, jest potencjalnie znaczna. Jak można określić z modelowania procesu, wzmocnienia (wskazane poniżej jako zmienna niezależna : zmienna zależna), co do których należałoby oczekiwać, że będą wspólne dla wielu wdrożeń procesu karbonylowania

PL 212 201 B1 metanolu, obejmują następujące: a) temperatura regulacji kolumny suszącej : stężenie wody w pozostałości z kolumny suszącej; b) temperatura regulacji kolumny suszącej : strumień z zaworu przepływu pary wodnej kolumny suszącej; c) ciśnienie w odbieralniku produktu górnego kolumny suszącej : różnice ciśnień kolumny suszącej; d) przepływ powrotny do reaktora z odbieralnika produktu górnego kolumny suszącej : poziom w odbieralniku produktu górnego z kolumny suszącej; e) przepływ powrotny do kolumny suszącej z odbieralnika produktu górnego kolumny suszącej : różnice ciśnień kolumny suszącej; f) przepływ powrotny do kolumny suszącej z odbieralnika produktu górnego kolumny suszącej : temperatura regulacji i kolumny suszącej; g) przepływ powrotny do kolumny suszącej z odbieralnika produktu górnego kolumny suszącej : strumień z zaworu przepływu pary wodnej kolumny suszącej; h) przepływ powrotny do kolumny suszącej z odbieralnika produktu górnego kolumny suszącej : różnice ciśnień kolumny suszącej; i) ciśnienie kolumny suszącej : stężenie wody w dolnej sekcji kolumny suszącej; j) ciśnienie kolumny suszącej : temperatura regulacji kolumny suszącej; k) ciśnienie kolumny suszącej : stężenie wody w pozostałości z kolumny suszącej; 1) ciśnienie kolumny suszącej : strumień z zaworu przepływu pary wodnej i kolumny suszącej; m) przepływ wlotowy metanolu : przepływ zasilania monotlenkiem węgla; n) przepływ wlotowy metanolu : strumień z zaworu zasilania monotlenkiem węgla - procent otwarcia; o) przepływ wlotowy metanolu : różnice ciśnień kolumny suszącej; p) przepływ wlotowy metanolu : poziom w i odbieralniku produktu górnego z kolumny suszącej; q) przepływ wlotowy metanolu : stężenie wody w pozostałości z kolumny suszącej; r) przepływ wlotowy metanolu : różnica ciśnień kolumny frakcji lekkiej; s) przepływ wlotowy metanolu : ciężar właściwy frakcji ciężkiej produktu górnego dekantera kolumny frakcji lekkiej; t) przepływ wlotowy metanolu : strumień z zaworu chłodzenia reaktora - procent otwarcia; u) przepływ wlotowy metanolu : poziom w reaktorze; v) temperatura reaktora : ciężar właściwy frakcji ciężkiej produktu górnego dekantera kolumny frakcji lekkiej; w) przepływ z reaktora do destylacji rzutowej : strumień z zaworu przepływu zawracania katalizatora procent otwarcia; x) przepływ z reaktora do destylacji rzutowej : różnica ciśnień kolumny frakcji lekkiej; y) przepływ z reaktora do destylacji rzutowej : poziom w reaktorze; i z) przepływ z reaktora do destylacji rzutowej : strumień z zaworu przepływu z reaktora do destylacji rzutowej - procent otwarcia. Specjaliści korzystający z niniejszego ujawnienia uznają, że dla modeli pewnych procesów nie wszystkie z tych wzmocnień mogą być odpowiednie i że dla modeli pewnych procesów mogą być odpowiednie dodatkowe wzmocnienia. Swoiste dobory wzmocnień do zawarcia w modelu będą zmieniać się między procesami i będą zależeć od licznych czynników, obejmujących, ale bez ograniczania do tego, cele regulacji, strategię regulacji, i inne rozważania praktyczne, takie jak niezawodność sygnalizacji. Wysiłek podejmowany w celu zidentyfikowania wzmocnień, które powinno się stosować dla nieliniowej regulacji wielowymiarowej dla któregokolwiek konkretnego procesu, chociaż ewentualnie złożony i czasochłonny, dla i specjalistów korzystających z niniejszego ujawnienia powinien być przedsięwzięciem rutynowym.

W szczególnie korzystnym wariancie wykonania, układ regulacji na podstawie modelu obejmuje także możliwość optymalizacji ekonomicznej w czasie rzeczywistym. Ta cecha pozwala systemowi identyfikować i wdrażać zmiany regulacji, które optymalizują szybkość wytwarzania kwasu octowego w odniesieniu do kosztu strumieni wejściowych i mediów (np. pary wodnej i elektryczności) tak, że proces może pracować w warunkach najbardziej korzystnych ekonomicznie.

Dla umożliwienia lepszego zrozumienia niniejszego wynalazku podane są następujące przykłady pewnych aspektów niektórych wariantów wykonania. Następujących przykładów pod żadnym pozorem nie powinno się odczytywać jako ograniczenie s lub określenie zakresu wynalazku.

P r z y k ł a d y

Przykład 1

Proces karbonylowania metanolu, taki jak ogólnie zilustrowano na Figurze 1, prowadzono w trybie niskiej zawartości wody w warunkach stanu ustalonego przy docelowej szybkości wytwarzania R1, na podstawie przepływu metanolu.

W czasie t1 proces poddano zakłóceniu, dzięki czemu doświadczono zmniejszenia przepływu monotlenku węgla. W czasie t2 proces pracował przy zmniejszonej szybkości wytwarzania R2, która wynosiła 32% szybkości R1. W tym czasie proces poddano wielowymiarowej regulacji opartej na modelu nieliniowym, uzyskanym z modelowania pierwszych zasad. Warunki, gdy proces pracował w czasie t2, wyrażone albo jako różnica od odnośnych warunków przed zaburzeniem procesu albo jako i procent odnośnego warunku przed zakłóceniem procesu (100%), były takie, jak następuje:

Różnica temperatur: - 12°C

Ciśnienie reaktora: 94,6%

PL 212 201 B1

Przepływ monotlenku węgla: 32%

W czasie t3 przywrócono przepływ monotlenku węgla. W tym czasie, proces pracował przy szybkości wytwarzania, która wynosiła 31% szybkości R1. Warunki procesu w czasie t3, wyrażone albo jako różnica od odnośnych warunków przed zaburzeniem procesu albo jako procent odnośnego warunku przed zakłóceniem procesu (100%), były takie, jak następuje:

Różnica temperatur: - 20°C

Ciśnienie reaktora: 100%

Przepływ monotlenku węgla: 31%

Proces poddano wielowymiarowej regulacji opartej na modelu nieliniowym w celu przywrócenia procesu do warunków poprzedniego stanu ustalonego związanego z docelową szybkością wytwarzania R1, którą osiągnięto w czasie t4. W czasie t4 warunki procesu, wyrażone albo jako różnica od odnośnych warunków przed zaburzeniem procesu albo jako procent odnośnego warunku przed zakłóceniem procesu (100%), były takie, jak następuje:

Różnica temperatur: < 1°C

Ciśnienie reaktora: 100%

Przepływ monotlenku węgla: 100%

Powrót od zmniejszonej szybkości wytwarzania R2 zgodnie z tym przykładem jest wskazany na Figurze 2, a także krzywą B na Figurze 3.

Średni skład środowiska reakcji, w tym, ale bez ograniczania do tego, poziomy jodku metylu i octanu metylu, w czasach t2, t3, i t4 były zasadniczo niezmienione w stosunku do tych poziomów przed zakłóceniem procesu, świadcząc o zdolności wielowymiarowej regulacji opartej na modelu nieliniowym do wydajnego sprowadzania procesu wytwarzania kwasu octowego do docelowych szybkości wytwarzania po zakłóceniu.

Przykład porównawczy 2

Proces karbonylowania metanolu prowadzono jak opisano w Przykładzie 1, z tym wyjątkiem, że w czasie t3, proces poddano połączeniu regulacji przez operatora i wielowymiarowej regulacji opartej na modelu liniowym w celu przywrócenia procesu do warunków poprzedniego stanu ustalonego związanego z docelową szybkością wytwarzania R1, który osiągnięto w czasie t5. Powrót od zmniejszonej szybkości wytwarzania R2 zgodnie z tym przykładem porównawczym jest wskazany krzywą A na Figurze 3.

Zatem niniejszy wynalazek jest dobrze dostosowany do spełniania zadań i osiągania celów i korzyści, zarówno wymienionych jak i tych, które są nieodłączne od nich. Chociaż wynalazek został zilustrowany i opisany przez odniesienie do przykładowych wariantów wykonania wynalazku, to takie odniesienie nie oznacza ograniczania wynalazku, i nie należy wysnuwać takiego ograniczenia. Wynalazek nadaje się do tworzenia znacznych modyfikacji, zmian i równoważników co do formy i funkcji, co dostrzegą specjaliści w tej dziedzinie i korzystający z niniejszego ujawnienia. Na przykład, niniejszy wynalazek nie jest ograniczony do stosowania procesów wykorzystujących jako katalizator rod. Niniejszy wynalazek można stosować do układów stosujących inne układy katalityczne, w tym do procesów stosujących iryd. Zilustrowane i opisane warianty wykonania wynalazku są tylko przykładowe, i nie wyczerpują zakresu wynalazku. Wskutek tego, wynalazek ma być ograniczany tylko charakterem i zakresem załączonych zastrzeżeń, dających pełną wiedzę o równoważnikach pod każdym względem.

Claims (6)

1. Sposób regulowania procesu wytwarzania kwasu octowego metodą karbonylowania metanolu lub jego pochodnej ulegającej karbonylowaniu, obejmujący etapy:

kontrolowania szybkości wytwarzania kwasu octowego w normalnych warunkach roboczych; zmniejszenia szybkości wytwarzania w odpowiedzi na nieoczekiwaną i znaczną zmianę warunków roboczych wskutek zaburzenia procesu; regulowania procesu przy zmniejszonej szybkości wytwarzania; i zwiększenia szybkości wytwarzania po zajęciu się zmianą warunków wytwarzania, aż co najmniej szybkość wytwarzania powróci do normalnego zakresu roboczego;

znamienny tym, że proces reguluje się metodą wielowymiarowej regulacji nieliniowej opartej na modelu procesu, podczas poważnego zaburzenia poza normalnymi warunkami roboczymi i/lub podczas okresu powrotu po zajęciu się tym zaburzeniem, podczas co najmniej jednego z etapów, etapu

PL 212 201 B1 zmniejszania szybkości wytwarzania, regulowania procesu przy zmniejszonej szybkości i zwiększania szybkości wytwarzania aż szybkość ta powróci do normalnego zakresu roboczego, przy czym nieoczekiwana i znaczna zmiana warunków roboczych wymagająca zmniejszenia szybkości wytwarzania, wynika ze zmiany warunku wybranego z grupy obejmującej:

(a) znaczne ograniczenie dostępności monotlenku węgla;

(b) uszkodzenie pompy katalizatora lub zasilania; (c) utratę wydajności ogrzewania lub chłodzenia; (d) zalanie kolumny oczyszczającej w dalszej części linii produkcyjnej; (e) znacznych odchyleń od oczekiwanych składów w jednym lub więcej strumieniach związanych z kolumną oczyszczającą; (f) brak możliwości składowania kwasu octowego; i ich kombinacji.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że model procesu obejmuje model dynamiczny co najmniej sekcji reakcji procesu.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że model procesu obejmuje model dynamiczny co najmniej sekcji oczyszczania procesu.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że model procesu obejmuje model pierwszych zasad co najmniej sekcji reakcji procesu.

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że model procesu obejmuje model pierwszych zasad co najmniej sekcji oczyszczania procesu.

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że obejmuje etap ciągłego optymalizowania warunków na podstawie modelu procesu, gdy szybkość wytwarzania mieści się w normalnym zakresie roboczym.