RU2100340C1

RU2100340C1 - Method for controlling process of synthesis of glycols

Info

Publication number: RU2100340C1
Application number: RU95117383A
Authority: RU
Inventors: А.А. Головушкин; А.Н. Лабутин; Б.А. Головушкин; Л.С. Гордеев; В.Я. Колесников; А.В. Дерюгин; Е.А. Сучков
Original assignee: Ивановская государственная химико-технологическая академия
Priority date: 1995-10-06
Filing date: 1995-10-06
Publication date: 1997-12-27

Abstract

FIELD: industrial organic syntheses. SUBSTANCE: current reactor input concentration of ethylene oxide is calculated by way of controlling concentrations of desalted water and ethylene oxide aqueous solution from measured difference between input and output temperatures. Thereafter, from specified optimum distribution of output products, optimum concentrations of ethylene oxide and recycled glycol are calculated and further, utilizing material balance in mixer, optimum intakes of water, ethylene oxide aqueous solution, and glycol are found. Using static model of reactor, minimum temperature needed for heating reactor input mixture is also calculated, whereupon current intakes and heating temperature are corrected by means of varying commands for local controllers, and optimum values of ethylene oxide and recycled glycol concentrations are maintained by means dynamic stabilization. Current reactor input concentration of ethylene oxide is calculated from mathematical expression. EFFECT: optimized process parameters. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к автоматическому управлению процессом синтеза гликолей гидратацией оксида этилена и может быть использовано в химической промышленности. The invention relates to automatic control of the process of glycol synthesis by hydration of ethylene oxide and can be used in the chemical industry.

Известен способ управления процессом синтеза гликолей путем некаталитической гидратации оксида этилена (Технический регламент производства окиси этилена и гликолей N 104-85 Дзержинского ПО "Капролактам", Дзержинск, 1985, хранится в отраслевой библиотеке ГОСНИИХЛОР ПРОЕКТА, Москва), заключающийся в стабилизации соотношения расходов раствора оксида этилена и обессоленной воды на смешение, что при стабильной концентрации оксида этилена в водном растворе, поступающем на смешение, обеспечивает стабильную селективность по целевому продукту. A known method of controlling the process of glycol synthesis by non-catalytic hydration of ethylene oxide (Technical regulations for the production of ethylene oxide and glycols N 104-85 of Dzerzhinsky Production Association Kaprolactam, Dzerzhinsk, 1985, is stored in the industry library GOSNIIKHLOR PROJECT, Moscow), which consists in stabilizing the ratio of the costs of the oxide solution mixing ethylene and demineralized water, which, with a stable concentration of ethylene oxide in the aqueous solution supplied to the mixing, ensures stable selectivity for the target product.

Недостатком этого способа является отсутствие информации о концентрации оксида этилена, в потоке поступающем на смеситель и соответственно на реактор, что не позволяет точно стабилизировать уровень селективности по целевому продукту. The disadvantage of this method is the lack of information on the concentration of ethylene oxide in the stream fed to the mixer and, accordingly, to the reactor, which does not allow to precisely stabilize the level of selectivity for the target product.

Наиболее близким по совокупности признаков, т. е. прототипом, является способ управления процессом синтеза гликолей гидратацией оксида этилена (авт. св. 1581716 А1 СССР, МКИ C 07 C 31/20, G G 05 D 27/00) путем регулирования расходов обессоленной воды и водного раствора оксида этилена, в котором дополнительно измеряют концентрацию моноэтиленгликоля, температуру реакционной массы на входе в реактор и температуру в трех расположенных последовательно зонах реактора зоне разгона, зоне протекания реакции и зоне стабилизации температуры, определяют оптимальное значение концентрации оксида этилена на входе в реактор, при котором значение селективности процесса по моноэтиленгликолю принимает максимальное значение, рассчитывают текущее значение концентрации оксида этилена на входе в реактор и корректируют расходы обессоленной воды и водного раствора оксида этилена в зависимости от соотношения значений оптимальной и текущей концентрации оксида этилена на входе в реактор. Кроме того, дополнительно измеряют значение температуры на выходе из реактора и регулируют температуру входной смеси в зависимости от текущих значений температуры в зоне стабилизации и температуры целевого продукта на выходе из реактора путем воздействия на расход греющего пара, подаваемого в подогреватель. The closest in combination of features, i.e., the prototype, is a method for controlling the process of glycol synthesis by hydration of ethylene oxide (ed. St. 1581716 A1 of the USSR, MKI C 07 C 31/20, GG 05 D 27/00) by controlling the flow rate of demineralized water and an aqueous solution of ethylene oxide, in which the concentration of monoethylene glycol is additionally measured, the temperature of the reaction mass at the inlet of the reactor and the temperature in the three successive zones of the reactor, the acceleration zone, the reaction zone and the temperature stabilization zone, are optimally determined the value of the concentration of ethylene oxide at the inlet to the reactor, at which the selectivity of the process for monoethylene glycol takes the maximum value, the current value of the concentration of ethylene oxide at the entrance to the reactor is calculated and the flow rates of demineralized water and an aqueous solution of ethylene oxide are adjusted depending on the ratio of the optimal and current concentrations ethylene oxide at the inlet to the reactor. In addition, the temperature at the outlet of the reactor is additionally measured and the temperature of the inlet mixture is controlled depending on the current temperature in the stabilization zone and the temperature of the target product at the outlet of the reactor by affecting the flow rate of the heating steam supplied to the heater.

Недостатком прототипа является то, что предложенный способ управления направлен на обеспечение максимальной селективности только одного продукта -моноэтиленгликоля, в то время как целевыми продуктами могут являться и высшие гликоли или их совокупность. Кроме того, к недостаткам можно отнести необходимость многократного численного интегрирования дифференциальных уравнений, описывающих процесс, с целью идентификации математической модели, с помощью которой определяется текущая концентрация оксида этилена на входе в реактор, а затем путем итерационной поисковой процедуры устанавливаются оптимальная концентрация и оптимальная температура смеси на входе в реактор, что снижает быстродействие системы управления и соответственно качество управления. The disadvantage of the prototype is that the proposed control method is aimed at ensuring maximum selectivity of only one product, monoethylene glycol, while the target products can be higher glycols or their combination. In addition, the disadvantages include the need for multiple numerical integration of differential equations describing the process in order to identify a mathematical model that determines the current concentration of ethylene oxide at the inlet to the reactor, and then, using an iterative search procedure, the optimal concentration and optimal temperature of the mixture are established at the entrance to the reactor, which reduces the speed of the control system and, accordingly, the quality of control.

Изобретательская задача состояла в разработке достаточно простого и быстродействующего способа управления процессом синтеза гликолей некаталитической гидратацией оксида этилена, обеспечивающего оптимальное распределение продуктов на выходе из реактора при заданных технологических ограничениях и минимум энергозатрат, а также динамическую стабилизацию объекта. The inventive task was to develop a fairly simple and high-speed method for controlling the process of glycol synthesis by non-catalytic hydration of ethylene oxide, which ensures optimal distribution of products at the outlet of the reactor under given technological limitations and a minimum of energy consumption, as well as dynamic stabilization of the object.

Поставленная задача достигается тем, что в способе управления процессом синтеза гликолей гидратацией оксида этилена путем регулирования расходов обессоленной воды и водного раствора оксида этилена по измеренной разности температур на выходе и входе реактора рассчитывают текущую концентрацию оксида этилена на входе в реактор, затем по заданному оптимальному распределению продуктов на выходе из реактора рассчитывают оптимальную концентрацию оксида этилена и рециркулирующего гликоля, с помощью материального баланса смесителя рассчитывают оптимальные расходы воды, водного раствора оксида этилена и гликоля, потом по статической модели реактора рассчитывают минимальную температуру подогрева смеси на входе в реактор и затем корректируют текущие расходы и температуру подогрева путем изменения заданий локальным регуляторам, а оптимальные значения концентраций оксида этилена и рециркулирующего гликоля поддерживают с помощью системы динамической стабилизации. Кроме того, необходимо отметить, что текущую концентрацию оксида этилена на входе в реактор рассчитывают по формуле
X_овх = β•ΔT₀,
где ΔT₀ разность температур на выходе и входе реактора;
X_0вх концентрация оксида этилена на входе в реактор;
β теплофизический коэффициент.The problem is achieved in that in the method for controlling the process of glycol synthesis by hydration of ethylene oxide by controlling the flow rates of demineralized water and an aqueous solution of ethylene oxide from the measured temperature difference at the outlet and inlet of the reactor, the current concentration of ethylene oxide at the inlet to the reactor is calculated, then according to a given optimal distribution of products at the outlet of the reactor, the optimal concentration of ethylene oxide and recycle glycol is calculated using the material balance of the calculation mixer the optimal flow rates of water, an aqueous solution of ethylene oxide and glycol are melted, then the minimum temperature of the mixture heating at the inlet to the reactor is calculated from the static model of the reactor, and then the current flow rates and the heating temperature are adjusted by changing the tasks of the local regulators, and the optimal concentrations of ethylene oxide and recycle glycol are maintained using a dynamic stabilization system. In addition, it should be noted that the current concentration of ethylene oxide at the inlet to the reactor is calculated by the formula
X _ovh = β • ΔT ₀ ,
where ΔT _{0 is} the temperature difference at the outlet and inlet of the reactor;
X _{0in the} concentration of ethylene oxide at the inlet to the reactor;
β thermophysical coefficient.

На чертеже представлена блок-схема системы управления процессом синтеза гликолей, которая состоит из смесителя 1, где смешиваются раствор оксида этилена, обессоленная вода и гликоль, подаваемый с помощью рецикла со 100%-ной концентрации после разделения для получения определенных соотношений. Реакционная смесь подогревается до определенной температуры в системе теплообменников 2 для обеспечения практически полной конверсии оксида этилена в трубчатом адиабатическом реакторе 3. На чертеже показаны также регулятор температуры смеси на входе в реактор 4, регуляторы расходов воды, раствора оксида этилена и гликоля 5-7 соответственно, получающие задания от вычислительного устройства 8. Регуляторы и вычислительное устройство получают информацию от первичных преобразователей 9-13. Контуры регулирования снабжены исполнительными устройствами 15-18. The drawing shows a block diagram of a glycol synthesis process control system, which consists of mixer 1, where ethylene oxide solution, demineralized water, and glycol are mixed by recycling at a 100% concentration after separation to obtain certain ratios. The reaction mixture is heated to a certain temperature in the heat exchanger system 2 to ensure almost complete conversion of ethylene oxide in a tubular adiabatic reactor 3. The drawing also shows the temperature regulator of the mixture at the inlet to the reactor 4, flow rate regulators of water, a solution of ethylene oxide and glycol 5-7, respectively. receiving tasks from the computing device 8. Regulators and the computing device receive information from the primary converters 9-13. The control loops are equipped with actuators 15-18.

Общий расход на реактор измеряется с помощью первичного преобразователя 12. Вся информация поступает в вычислительное устройство 8, которое работает в супервизорном режиме с локальными регуляторами. The total flow rate to the reactor is measured using the primary Converter 12. All the information goes into the computing device 8, which operates in a supervisor mode with local controllers.

Способ управления осуществляют следующим образом. The control method is as follows.

Приняв для трубчатого реактора синтеза гликолей модель идеального вытеснения и приняв равными тепловые эффекты всех стадий реакции:
1) Рассчитывают текущую концентрацию оксида этилена на входе в реактор по формуле
X_0вх = β•ΔT₀,
где ΔT₀ разность температур на выходе и входе реактора, измеряемая первичными преобразователями 13 и 14;
X_0вх концентрация оксида этилена на входе в реактор;
β теплофизический коэффициент.By adopting a model of ideal displacement for the tubular glycol synthesis reactor and assuming equal thermal effects of all stages of the reaction:
1) Calculate the current concentration of ethylene oxide at the inlet to the reactor according to the formula
X _0in = β • ΔT ₀ ,
where ΔT _{0 is} the temperature difference at the outlet and inlet of the reactor, measured by the primary converters 13 and 14;
X _{0in the} concentration of ethylene oxide at the inlet to the reactor;
β thermophysical coefficient.

2) Рассчитывают оптимальные концентрации окисла этилена X $\binom{*}{0вх}$ и рециркулирующего гликоля X $\binom{*}{0iвх}$ по заданному оптимальному распределению продуктов на выходе реактора X $\binom{*}{0i}$ , используя решения кинетических уравнений
X₀ (m -1)•(1-e^-t)-m•C₀•t + X_0вх,

где

X₀, Y₀, X_0i концентрации оксида этилена, воды и i-го гликоля;
X

\binom{y}{0i}

решение при нулевых граничных условиях;
C₀ 1 +

m отношение констант скоростей всех стадий реакций к константе первой стадии;
t обобщенная переменная

, где, в свою очередь, k константа скорости первой стадии;
ω₀ линейная скорость потока в реакторе;
z пространственная координата реактора.2) Calculate the optimal concentration of ethylene oxide X

\binom{*}{0in}

and recycled glycol X

\binom{*}{0in}

for a given optimal distribution of products at the outlet of the reactor X

\binom{*}{0i}

using solutions of kinetic equations
X ₀ (m -1) • (1-e ^-t ) -m • C ₀ • t + X _0in ,

Where

X ₀ , Y ₀ , X _{0i the} concentration of ethylene oxide, water and i-glycol;
X

\binom{y}{0i}

solution under zero boundary conditions;
C ₀ 1 +

m is the ratio of the rate constants of all stages of the reactions to the constant of the first stage;
t generalized variable

, where, in turn, k is the rate constant of the first stage;
ω _{0 is the} linear flow rate in the reactor;
z spatial coordinate of the reactor.

При этом учитывают практически полное превращение оксида этилена в реакторе. In this case, the almost complete conversion of ethylene oxide in the reactor is taken into account.

3) Рассчитывают оптимальные расходы U $\binom{*}{1}$ , U $\binom{*}{2}$ , U $\binom{*}{3}$ воды, раствора оксида этилена и рециркулирующего гликоля соответственно, исходя из материального баланса смесителя

U U₁ + U₂ + U₃,
где U₁, U₂, U₃ расход воды, раствора оксида этилена и гликоля, приходящего с рециклом, на входе в смеситель соответственно;
U расходы на выходе смесителя;
X_0вх, Y_0вх, X_0iвх концентрации оксида этилена, воды и гликоля на выходе из смесителя, т. е. на входе в реактор, соответствующие обозначениям со штрихами концентрации на входе в смеситель.3) Calculate the optimal costs U

\binom{*}{one}

, U

\binom{*}{2}

, U

\binom{*}{3}

water, a solution of ethylene oxide and recycled glycol, respectively, based on the material balance of the mixer

UU ₁ + U ₂ + U ₃ ,
where U ₁ , U ₂ , U _{3 the} flow of water, a solution of ethylene oxide and glycol, coming with recycling, at the entrance to the mixer, respectively;
U costs at the outlet of the mixer;
X _0in , Y _0in , X _{0iin the} concentration of ethylene oxide, water and glycol at the outlet of the mixer, i.e. at the inlet to the reactor, corresponding to the designations with concentration strokes at the inlet to the mixer.

4) Рассчитывают минимальную температуру подогрева реакционной смеси на входе в реактор T $\binom{*}{0вх}$ , обеспечивающую полное превращение оксида этилена в реакторе, исходя из уравнения, связывающего концентрацию оксида этилена и приведенную температуру

X_0вх - X₀ = -β•(θ_0вх-θ₀)
и используя уравнения для X_o(t) и выражение для обобщенной переменной t.4) Calculate the minimum temperature of the reaction mixture at the inlet of the reactor T

\binom{*}{0in}

ensuring the complete conversion of ethylene oxide in the reactor, based on the equation relating the concentration of ethylene oxide and the reduced temperature

X _0in - X ₀ = -β • (θ _{0in -θ} ₀ )
and using the equations for X _o (t) and the expression for the generalized variable t.

5) Корректируют текущие расходы и температуру подогрева путем изменения задания локальным регуляторам 4-7 согласно полученным оптимальным значениям T $\binom{*}{0вх}$ , U $\binom{*}{1}$ , U $\binom{*}{2}$ и U $\binom{*}{3}$ .
6) Поддерживают оптимальные значения концентраций оксида этилена и рециркулирующего гликоля с помощью системы динамической стабилизации с обратной связью, обеспечивающей постоянную температуру на выходе реактора при постоянной температуре на входе, учитывая, что при постоянной температуре на входе в реактор T_вх Т_0вх, что обеспечивается регулятором 4, изменение температуры на выходе реактора ΔT(τ) и изменение концентрации на входе в реактор ΔX_вх(τ) связаны передаточной функцией

где

соответствующие изображения;
τ_з время запаздывания, равное времени пребывания в реакторе.5) Correct the running costs and heating temperature by changing the task to the local regulators 4-7 according to the obtained optimal values of T

\binom{*}{0in}

, U

\binom{*}{one}

, U

\binom{*}{2}

and U

\binom{*}{3}

.
6) Maintain optimal concentrations of ethylene oxide and recycled glycol using a dynamic feedback stabilization system that provides a constant temperature at the outlet of the reactor at a constant temperature at the inlet, given that at a constant temperature at the inlet of the reactor T _I T T _{0 in} , which is provided by the regulator 4, the change in temperature at the outlet of the reactor ΔT (τ) and the change in concentration at the inlet of the reactor ΔX _in (τ) are related by the transfer function

Where

relevant images;
τ _h delay time equal to the residence time in the reactor.

При этом выходной регулируемой переменной является температура на выходе реактора, а регулирующими переменными будут расходы оксида этилена и обессоленной воды, поступающие в смеситель. In this case, the output controlled variable is the temperature at the outlet of the reactor, and the regulatory variables will be the consumption of ethylene oxide and demineralized water entering the mixer.

Таким образом, разработан способ оптимального управления процессом синтеза гликолей, в котором в отличие от прототипа, обеспечивается не максимальная селективность по моноэтиленгликолю, а оптимальное распределение продуктов на выходе, поскольку целевыми продуктами могут являться и высшие гликоли или их совокупность. Кроме того, предложены беспоисковая процедура определения концентрации оксида этилена на входе в реактор и определение оптимальной концентрации по заданному распределению продуктов на выходе, что значительно снижает объем вычислений и повышает быстродействие системы статической оптимизации. Кроме системы статической оптимизации, которая рассматривается в прототипе, предложена система динамической стабилизации процесса с обратной связью, которая удерживает процесс вблизи оптимального статического режима. Thus, a method for optimal control of the glycol synthesis process was developed, in which, unlike the prototype, not the maximum selectivity for monoethylene glycol is ensured, but the optimal distribution of products at the output, since higher glycols or their combination can also be target products. In addition, a non-search procedure is proposed for determining the concentration of ethylene oxide at the inlet to the reactor and determining the optimal concentration from the given distribution of products at the outlet, which significantly reduces the amount of computation and increases the speed of the static optimization system. In addition to the static optimization system, which is considered in the prototype, a dynamic process stabilization system with feedback is proposed, which keeps the process near the optimal static mode.

Claims

1. A method for controlling the process of glycol synthesis by hydration of ethylene oxide by controlling the flow rates of demineralized water and an aqueous solution of ethylene oxide, characterized in that the current concentration of ethylene oxide at the inlet to the reactor is calculated from the measured temperature difference at the outlet and inlet of the reactor, and then according to the specified optimal distribution of products at the outlet of the reactor, the optimal concentration of ethylene oxide and recycle glycol is calculated, using the material balance of the mixer, the optimal flow rates of water, an aqueous solution of ethylene oxide and glycol, after which, according to the static model of the reactor, the minimum temperature for heating the mixture at the inlet to the reactor is calculated and then the current costs and heating temperature are adjusted by changing the tasks for local controllers, and the optimal values of the concentrations of ethylene oxide and recycle glycol are maintained with using a dynamic stabilization system with feedback, providing a constant temperature at the outlet of the reactor at a constant temperature at the inlet.

2. The method according to claim 1, characterized in that the current concentration of ethylene oxide at the inlet to the reactor is calculated by the formula
X _ovh = β • ΔT ₀ ,
where X _about _in _{x the} current concentration of ethylene oxide at the inlet to the reactor;
ΔT ₀ is the temperature difference at the outlet and inlet of the reactor;
β is the thermophysical coefficient.