способ автоматического управления процессом получения формалина

Формула изобретения

СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПОЛУЧЕНИЯ ФОРМАЛИНА, включающий регулирование уровня в спиртоиспарителе изменением подачи в него метанола, регулирование соотношения расходов метанола и воды, подаваемых в спиртоиспаритель с коррекцией по плотности смеси на выходе спиртоиспарителя, регулирование температуры в контактном аппарате изменением подачи теплоносителя в спиртоиспаритель и регулирование подачи воды в промывную колонну, отличающийся тем, что, с целью снижения удельного расхода метанола, дополнительно измеряют концентрации воды, формальдегида и метанола в товарном формалине, рассчитывают соотношение концентрацией формальдегида и метанола в товарном формалине и регулируют это рассчитанное соотношение концентрацией с коррекцией по температуре в контактном аппарате изменением подачи теплоносителя в спиртоиспаритель, а концентрацию воды в товарном формалине регулируют изменением подачи воды в промывную колонну.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области автоматизации производственных процессов и может быть использовано в химической промышленности при автоматизации установок по производству формалина.

Известен способ автоматического управления процессом получения формалина путем регулирования температуры контактного слоя аппарата синтеза изменением дополнительного потока воздуха в байпасирующем спиртоиспаритель трубопроводе [1]

Известен способ автоматического управления процессом получения формалина, наиболее близкий по технической сущности к изобретению, включающий регулирование уровня в спиртоиспарителе изменением подачи в него метанола, регулирование соотношения расходов метанола и воды, подаваемых в спиртоиспаритель с коррекцией по плотности смеси на входе спиртоиспарителя, регулирование температуры в контактном аппарате изменением подачи теплоносителя в спиртоиспаритель и регулирование подачи воды в промывную колонну [2]

Известные способы имеют ограниченные возможности в отношении снижения удельного расхода метанола, так как невысокая точность поддержания заданной концентрации метанола в формалине не позволяет вести технологический процесс близко к нижнему пределу его расходной нормы.

Цель изобретения снижение удельного расхода метанола.

Использование предлагаемого способа автоматического управления процессом получения формалина позволяет повысить качество товарного формалина, в частности уменьшить дисперсию концентрации метанола в продукте. Технологический процесс можно вести вблизи нижней границы расходной нормы метанола и тем самым уменьшить его удельный расход.

Поставленная цель достигается тем, что в способе автоматического управления процессом получения формалина, включающем регулирование уровня в спиртоиспарителе изменением подачи в него метанола, регулирование соотношения расходов метанола и воды, подаваемых в спиртоиспаритель с коррекцией по плотности смеси на входе спиртоиспарителя, регулирование температуры в контактном аппарате изменением подачи теплоносителя в спиртоиспаритель и регулирование подачи воды в промывную колонну, дополнительно измеряют концентрации воды, формальдегида и метанола в товарном формалине, рассчитывают соотношение концентраций формальдегида и метанола в товарном формалине и регулируют рассчитанное соотношение концентраций с коррекцией по температуре в контактном аппарате изменением подачи теплоносителя в спиртоиспаритель. Концентрацию воды в товарном формалине регулируют изменением подачи воды в промывную колонну.

На чертеже показана блок-схема, в соответствии с которой осуществляется предлагаемый способ автоматического управления.

По трубопроводу 1 подают метанол в смеситель 2, в который по трубопроводу 3 подают также воду. Полученную спиртоводную смесь по трубопроводу 4 подают в спиртоиспаритель 5. По трубопроводу 6 в спиртоиспаритель 5 подают теплоноситель, а по трубопроводу 7 воздух. Смесь из спиртоиспарителя 5 выводится по трубопроводу 8 в контактный аппарат 9. Прореагировавшие газы по трубопроводу 10 подают в абсорбер 11, в который по трубопроводу 12 подают также слабый формалин. Товарный формалин по трубопроводу 13 отводят на склад. В абсорбер 14 по трубопроводу 15 подают абгазы из абсорбера 11, по трубопроводу 16 бедный формалин. Абгазы из абсорбера 14 по трубопроводу 17 подают в промывную колонну 18, в которую по трубопроводу 19 подают также воду. Остаточные абгазы по трубопроводу 20 отводят на факел. Система управления содержит датчик 21 уровня, регулятор 22 уровня, исполнительный механизм 23, датчик 24 температуры, регулятор 25 температуры, исполнительный механизм 26, датчик 27 расхода метанола, датчик 28 расхода воды, датчик 29 плотности спиртоводной смеси, регулятор 30 соотношения, исполнительный механизм 31, автоматический анализатор 32 состава формалина, регулятор 33 содержания воды, исполнительный механизм 34, первый блок 35 усреднения, блок 36 идентификации, блок 37 расчета температуры контактного аппарата, второй блок 38 усреднения, блок 39 задержки.

Способ автоматического управления процессом получения формалина осуществляется следующим образом.

Уровень спиртоводной смеси в спиртоиспарителе 5 регулируют регулятором 22 по сигналу с датчика 21, воздействуя на исполнительный механизм 23 на трубопроводе 1. Температуру в контактном аппарате 9 измеряют датчиком 24 и регулируют регулятором 25, воздействуя на исполнительный механизм 26 на трубопроводе 6. Датчиком 27 измеряют расход метанола, датчиком 28 измеряют расход воды, соотношение указанных расходов регулируют с коррекцией по сигналу с датчика 29 плотности регулятором 30 соотношения, воздействуя на исполнительный механизм 31 на трубопроводе 3. Анализатором 32 состава формалина определяют концентрации формальдегида, метанола и воды в товарном формалине. Расход воды на орошение промывной колонны 18 регулируют регулятором 33 содержания воды, воздействуя на исполнительный механизм 34 на трубопроводе 19. Непрерывный сигнал с анализатора 32, содержащий информацию о концентрациях формальдегида и метанола, поступает в первый блок 35 усреднения, где происходит усреднение значений концентраций формальдегида и метанола за фиксированный промежуток времени и формирование дискретного сигнала. Преобразованный таким образом сигнал из блока 35 поступает в блок 36 идентификации, где рассчитывается текущее соотношение концентраций формальдегида и метанола в формалине. По этому соотношению рассчитываются корректирующие коэффициенты а₀[n] и a₁[n]

a_o[n]a_o[n-1]+ (1)

a₁[n]a₁[n-1]+ T[n-1] (2) где n номер такта управления;

T[n-1] значение температуры контактного аппарата, реализованное на [n-1] такте управления;

Y[n] значение соотношения концентраций формальдегида и метанола в формалине на [n] такте управления;

Y_зад заданное значение соотношения концентраций формальдегида и метанола в формалине;

a₀[n] a₀[n-1] значения корректирующего коэффициента а₀ на [n] и [n-1] тактах управления соответственно.

a₁[n] a₁[n-1] значения корректирующего коэффициента а₁ на [n] и [n-1] тактах управления соответственно.

Сигнал из блока 36, содержащий информацию о корректирующих коэффициентах, поступает в блок 37 расчета температуры контактного аппарата. Расчет температуры контактного аппарата осуществляется по формуле:

T[n] (3)

Сигнал из блока 37, содержащий информацию о рассчитанном значении температуры контактного аппарата, поступает в качестве задания на вход регулятора 25 температуры. Из датчика 24 температуры непрерывный сигнал поступает во второй блок 38 усреднения, где происходит усреднение значений текущей температуры за фиксированный промежуток времени и формирование дискретного сигнала. В блоке 39 задержки дискретный сигнал из блока 38 задерживается на время, необходимое для завершения переходного процесса при установке нового задания регулятору 25 температуры, и затем поступает на вход блока 36 идентификации. Для того, чтобы сигнал из блока 39 задержки поступал в блок 36 идентификации одновременно с сигналом следующего такта управления из первого блока 35 усреднения согласно алгоритму (1, 2), производят программируемое отключение блоков 35 и 38 на время запаздывания сигнала в блоке 39 и выбирают время усреднения сигнала в блоке 35 равным времени усреднения сигнала в блоке 38. Регулятором 25 температуры по сигналу из блока 37 устанавливают рассчитанное значение температур в контактном аппарате 9 путем изменения расхода теплоносителя в спиртоиспаритель 5. После этого вновь измеряют концентрации формальдегида и метанола в формалине, рассчитывают их соотношение, корректируют коэффициенты а₀[n] и a₁[n] рассчитывают новое значение температуры и устанавливают его в контактном аппарате 9 изменением подачи теплоносителя в спиртоиспаритель 5, и таким образом регулирование осуществляют до тех пор, пока текущее соотношение не станет равным заданному Y_зад.

Техническая реализация блоков 35, 36, 37, 38, 39 системы управления может быть осуществлена на регулирующих микропроцессорных контроллерах, например, на ремиконте Р-110. В качестве блока 39 может быть использован блок запаздывания ЗАП (26), в качестве блоков 35 и 38 блоки вычисления дискретного среднего ДСР (29). Блок 37 может быть реализован в виде последовательной комбинации блоков суммирования СУМ (30) и деления ДЕЛ (33). В качестве блока 36, реализующего алгоритм (1, 2), может быть использована соответствующая комбинация блоков суммирования СУМ (30), умножения УМН (32) и деления ДЕЛ (33).

Для экспериментальной проверки, предлагаемого способа автоматического управления, по трубопроводу 1 подавали метанол с расходом Q_м=1786 кг/ч в смеситель 2, в который по трубопроводу 3 подавали также деминерализованную воду на смешение с расходом Q_см=765 кг/ч. В смесителе 2 производилось смешение метанола и воды в соотношении 70:30. Полученную спиртоводную смесь по трубопроводу 4 подавали в спиртоиспаритель 5, где осуществлялось ее испарение путем нагрева до температуры Т_сп=125^оС теплоносителем, который подавали в спиртоиспаритель 5 по трубопроводу 6. В верхней части спиртоиспарителя 5 смешивали испарившуюся спиртоводную смесь с воздухом, который подавался воздуходувкой по трубопроводу 7 с расходом Q_в=1960 м³/ч. Полученную спирто-водно-воздушную смесь подавали по трубопроводу 8 в контактный аппарат 9, в котором на пемзосеребряном катализаторе протекают следующие основные реакции:

CH₃OH ___ CH₂O+H₂ 20 ккал/моль

H₂+0,5O₂ ___ H₂O+58 ккал/моль

CH₃OH+0,5O₂ ___ CH₂O+H₂O+38 ккал/моль

Прореагировавшие газы по трубопроводу 10 подавали в абсорбер 11, в который по трубопроводу 12 подавали также слабый формалин. Товарный формалин по трубопроводу 13 отводили на склад. В абсорбер 14 по трубопроводу 15 подавали абгазы из абсорбера 11, по трубопроводу 16 бедный формалин. Абгазы из абсорбера 14 по трубопроводу 17 подавали в промывную колонну 18, в которую по трубопроводу 19 подавали также деминерализованную воду на орошение с расходом Q_ор= 570 кг/ч. Из промывной колонны 18 остаточные абгазы подавали по трубопроводу 20 на факел. Уровень спиртоводной смеси в спиртоиспарителе 5 поддерживался постоянным L=50% путем измерения датчиком 21 ("Сапфир-22" 1) и регулирования регулятором 22 (алгоблок РАС1 (01) ремиконта Р-110) уровня в спиртоиспарителе изменением подачи метанола клапаном 23 на трубопроводe 1 в смеситель 2. При положительном отклонении уровня в спиртоиспарителе от заданного L_зад= 50% расход метанола уменьшался, при отрицательном отклонении увеличивался. Температура в контактном аппарате 9 Т[n]700^оС измерялась датчиком 24 (термопара ТХА) и регулировалась регулятором 25 (алгоблок РАС2 (01) Р-110) путем изменения подачи теплоносителя клапаном 26 на трубопроводе 6 в спиртоиспаритель 5. При положительном отклонении температуры в контактном аппарате от заданной Т_зад=700^оС расход теплоносителя в спиртоиспаритель увеличивался, при отрицательном отклонении уменьшался. Датчиком 27 ("Сапфир-22" 2) на трубопроводе 1 измерялся расход метанола Q_м=1786 кг/ч, датчиком 28 ("Сапфир-22" 3) на трубопроводе 3 измерялся расход воды на смешение Q_см=765 кг/ч. Соотношение указанных расходов поддерживалось постоянно в пропорции Q_м: Q_см=70:30 регулятором 30 соотношения (алгоблоки ДЕЛ1 (33) и РАС3 (01)Р-110) с коррекцией по сигналу с датчика 29 плотности ("Сапфир-22" 4)) на трубопроводе 4 (880 кг/м³) путем изменения подачи воды на смешение клапаном 31 на трубопроводе 3. При положительном отклонении соотношения метанол-вода от заданного соотношения G_зад=70/30 подача воды на смешение увеличивалась, при отрицательном отклонении уменьшалась. При положительном отклонении плотности спирто-водной смеси от заданной _зад=880 кг/м³ подача воды на смешение уменьшалась, при отрицательном отклонении увеличивалась. Расход воздуха, поступающего по трубопроводу 7 в спиртоиспаритель 5, в течениe эксперимента оставался неизменным Q_в=1960 м³/ч, так как число оборотов воздуходувки не регулировалось. Концентрации воды СН₂О, метанола С_м, формальдегида С_фв товарном формалине измерялись после абсорбера 11 автоматическим анализатором 32 состава формалина (автоматический хроматограф "Нефтехим-СКЭП"). Количество воды в формалине поддерживалось на заданном уровне (СН₂О^зад=56%) путем регулирования расхода воды на орошение регулятором 33 содержания воды (алгоблок РАС4 (01) Р-110) изменением подачи воды на орошение промывной колонны 18 клапаном 34 на трубопроводе 19. При положительном отклонении содержания воды в формалине от заданного СН₂О^зад=56% подача воды на орошение уменьшалась, при отрицательном отклонении увеличивалась.

С целью проследить процесс стабилизации соотношения концентраций формальдегида и метанола в товарном формалине на заданном уровне Y_зад, за который приняли соотношение указанных концентраций до начала эксперимента Y_зад= Y_н= 4,8, начальная температура контактного аппарата Т_но=700^оС была резко уменьшена на 10^оС до Т_н=690^оС, т.е. создавалась искусственное возмущающее воздействие по температуре Т=-10^оС. Непрерывный сигнал с анализатора 32 состава формалина, содержащий информацию о концентрациях формальдегида С_ф и метанола С_м, поступал в первый блок 35 усреднения (алгоблок вычисления дискретного среднего ДСР1 (29) Р-110), где происходило усреднение значений концентраций формальдегида С_ф и метанола С_м за фиксированный промежуток времени ₁= 30 мин. Преобразованный таким образом из аналогового в дискретный сигнал из блока 35 поступал в блок 36 идентификации, представляющий собой комбинацию алгоблоков ремиконта Р-110, реализующих алгоритмы расчета корректирующих коэффициентов а₀[n] а₁[n] (1, 2). В алгоблоке деления ДЕЛ2 (33) рассчитывалось текущее соотношение концентраций формальдегида и метанола в формалине Y[n] C_ф/С_м (n номер такта управления). На алгоблоках СУМ1 (30), СУМ2 (30), СУМ3 (30), УМН1 (32), ДЕЛ3 (33) рассчитывалось значение а₀[n] На алгоблоках СУМ4 (30), СУМ5 (30), СУМ6 (30), УМН2 (32), УМН3 (32), ДЕЛ4 (33) рассчитывалось значение а₁[n] При этом соотношение формальдегид-метанол на предыдущем такте управления устанавливалось равным Y_зад с целью быстрейшей стабилизации текущего соотношения на заданном уровне. Сигнал из блока 36, содержащий информацию о корректирующих коэффициентах, поступал в блок 37 расчета температуры. Расчет температуры контактного аппарата осуществлялся по формуле (3) алгоблоками СУМ7 (30) и ДЕЛ5 (33). Сигнал из блока 37, содержащий информацию о рассчитанном значении температуры контактного аппарата подавался в качестве задания на вход регулятора 25 температуры. Из датчика 24 температуры непрерывный сигнал поступал во второй блок 38 усреднения (алгоблок ДСР2 (29) Р-110), где происходило усреднение значений текущей температуры в контактном аппарате Т[n] за фиксированный промежуток времени ₂=30 мин и формирование дискретного сигнала. В блоке 39 задержки (алгоблок ЗАП (26) Р-110) дискретный сигнал из блока 38 задерживался на время ₃=1,5 ч, необходимое для завершения переходного процесса при установке нового задания регулятору 25 температуры. В блоках 35 и 38 ₁= ₂ с целью синхронизации работы системы, т.е. для того, чтобы сигнал из блока 39 задержки поступал в блок 36 идентификации одновременно с сигналом следующего такта из блока 35 усреднения. Для этой же цели служит и программируемое отключение блоков 35 и 38 на время ₃. Регулятор 25 температуры по указанному выше сигналу из блока 37 устанавливал новое рассчитанное значение температуры в контактном аппарате 9 путем изменения расхода теплоносителя в спиртоиспаритель 5. При положительном отклонении вновь рассчитанной температуры контактного аппарата от температуры, рассчитанной на предыдущем такте управления, расход теплоносителя в спиртоиспаритель уменьшался, это вызывало уменьшение концентрации метанола в реакционной смеси, ослабление реакции дегидрирования СН₃ОН ->> СН₂О+Н₂ 20 ккал/моль и вследствие этого увеличение температуры контактного аппарата до вновь рассчитанной. При отрицательном отклонении вновь рассчитанной температуры от температуры, рассчитанной на предыдущем такте управления, расход теплоносителя в спиртоиспаритель увеличивался, это вызывало увеличение концентрации метанола в реакционной смеси, усиление реакции дегидрирования и вследствие этого уменьшение температуры контактного аппарата до вновь рассчитанной. После этого вновь измерялись концентрации формальдегида С_ф и метанола С_м в формалине, рассчитывалось их соотношение Y[n] корректировались коэффициенты а₀[n] и а₁[n] рассчитывалось новое значение температуры и устанавливалось в контактном аппарате 9 изменением подачи теплоносителя в спиртоиспаритель 5, и таким образом регулирование осуществлялось до тех пор, пока текущее соотношение Y[n] не стало равным заданному Y_зад.

При описании работы системы управления не указаны соответствующие уровни сигналов между блоками, значения текущего соотношения Y[n] корректирующих коэффициентов а₀[n] а₁[n] и рассчитанной температуры контактного аппарата, так как ремиконт Р-110 не является индикатором, т.е. у него нет аппаратных средств отображения внутренней информации. Поэтому работа системы контролировалась при помощи входных и выходных параметров. К входным параметрам были отнесены постоянные: уровень в спиртоиспарителе L=50% расход метанола Q_м= 1786 кг/ч, расход воды на смешение Q_см=765 кг/ч, их соотношение 70:30, плотность = 880 кг/м³, температура спиртоиспарителя Т_сп=125^оС, расход воздуха Q_в= 1960 м³/ч, расход воды на орошение Q_ор=570 кг/ч, и переменные: концентрации формальдегида С_ф и метанола С_м, температура контактного аппарата на предыдущем такте управления Т[n-1] К выходным параметрам была отнесена температура контактного аппарата на n-м такте управления Т[n] Значения входных и выходных параметров для описанного выше эксперимента 1 представлены в таблице. В таблице также представлены результаты экспериментов 2 и 3, которые проводились аналогично первому, но при других значениях входных и выходных параметров, и для сравнения данные при нормальной эксплуатации агрегата по производству формалина согласно технологического регламента.

В таблице значения соотношения формальдегид метанол Y[n] из-за указанных выше причин рассчитаны вручную.