Установка для производства этаноламинов
Решение относится к средствам получения этаноламинов, используемых для очистки природных и промышленных газов, в производстве моющих и чистящих средств, в лакокрасочной, цементной, парфюмерной и других отраслях промышленности. Предложено в установке для производства этаноламинов в систему управления процессом ввести детерминированную математическую модель реактора-смесителя, которая решает задачу определения состава реакционной смеси и ее регулировки с подачей окиси этилена, и регрессионную математическую модель реактора вытеснения, которая связывает состав реакционной смеси, ее температуру в реакторе вытеснения. Технический результат - повышение устойчивости и точности регулирования процесса, оптимизация теплосъема и состава реакционной смеси. 1 с.п. ф-лы, 1 илл.
Полезная модель относится к органической химии, а именно - к средствам получения этаноламинов. Этаноламины широко используются для очистки природных и промышленных газов, в производстве моющих и чистящих средств, в лакокрасочной, цементной, парфюмерной и в других отраслях промышленности.
Процесс получения этаноламинов из окиси этилена и аммиака включает две основные стадии: синтез и выделение целевых продуктов. В результате проведения стадии синтеза образуется сложная смесь, состав которой зависит от способа синтеза. Это, в свою очередь, диктует условия проведения разделения реакционной смеси.
Известна установка для реализации способа получения этаноламинов (пат. РФ 
2162461, C07C 213/04, C07C 213/04, C07C 215/08, опубл. 27.01.2001). Установка содержит узел синтеза, включающий реактор и аппарат для отгонки аммиака, испаритель, холодильник, десорбер, абсорбер, испаритель возвратного моноэтаноламина. Однако с патенте не приведены средства автоматизации процесса.
Известна установка для производства этаноламинов (статья «Технологический процесс производства этаноламинов и его особенности как объекта управления», журнал «Современные наукоемкие технологии», 2, 2013, стр. 29-32), где сказано, что реакции синтеза этаноламинов протекают по сложным кинетическим законам, с участием продуктов реакции сопровождаются значительным выделением тепла и характеризуются наличием взрывоопасных и токсичных продуктов. Особую опасность представляет используемая в производстве окись этилена из-за ее способности к полимеризации со взрывом при перегреве свыше 40°С и в контакте в определенных условиях с рядом продуктов, в том числе с аммиаком и аминами.
Эти задачи решаются автоматизацией процесса.
В качестве прототипа принята принципиальная схема процесса синтеза этаноламинов (сьатья «Технологический процесс производства этаноламинов и его особенности как объекта управления», журнал «Современные наукоемкие технологии», 2, 2013, стр. 29-32 - копия прилагается).
Установка для производства этаноламинов содержит реактор-смеситель и реактор вытеснения, соединенные между собой линией, на которой установлены технологические емкости (сепаратор, испаритель и др.), линии подачи в реактор-смеситель окиси этилена (ОЭ), аммиака, возвратного моноэталонамина (МЭА) из реактора вытеснения, линию отвода из него реакционной смеси на стадию ректификации, систему управления процессом, включающую контуры регулирования подачи окиси этилена, аммиака, возвратного моноэтаноламина к реактору-смесителю и расхода пара перед реактором вытеснения, с датчиками количества подаваемых и отводимых продуктов, автоматическими регуляторами, воздействующими на регулирующие клапаны, и задатчиками
Автоматизация процесса может быть усовершенствована с обеспечением более надежного и точного его регулирования.
В предлагаемом решении ставится задача совершенствования управления процессом производства этаноламинов.
Технический результат - повышение устойчивости и точности регулирования процесса, оптимизация организации теплосъема и состава реакционной смеси.
Этот технический результат достигается тем, что в установке для производства этаноламинов, содержащей реактор-смеситель (PC) и реактор вытеснения (PB), соединенные между собой линией, на которой установлены технологические емкости, линии подачи в реактор-смеситель окиси этилена, аммиака, возвратного моноэтаноламина из реактора вытеснения,
линию отвода из него реакционной смеси на стадию ректификации, систему управления процессом, включающую контуры регулирования подачи окиси этилена, аммиака, возвратного моноэтаноламина к реактору-смесителю и расхода пара перед реактором вытеснения с датчиками количества подаваемых и отводимых продуктов, автоматическими регуляторами, воздействующими на регулирующие клапаны, и задатчиками, в контур регулирования подачи в реактор-смеситель окиси этилена введена детерминированная математическая модель реактора-смесителя, выход микропроцессорного контроллера в ее составе соединен с входом задатчика расхода окиси этилена, выход задатчика соединен с входом автоматического регулятора, воздействующего на регулирующий клапан на линии подачи окиси этилена, второй вход автоматического регулятора соединен с выходом датчика расхода окиси этилена на линии его подачи, вход микропроцессорного контроллера в составе математической модели реактора-смесителя соединен с датчиком состава реакционной смеси после реактора-смесителя, в контур регулирования подачи возвратного моноэтаноламина к реактору смесителю и расхода пара перед реактором вытеснения введена регрессионная математическая модель реактора вытеснения, выход микропроцессорного контроллера в ее составе соединен с входом задатчика расхода пара, выход задатчика соединен с входом автоматического регулятора пара, воздействующего на регулирующий клапан на линии подачи пара, второй вход автоматического регулятора соединен с выходом датчика расхода пара на линии его подачи, вход микропроцессорного контроллера в составе регрессионной математической модели соединен с датчиком состава реакционной смеси на линии отвода ее из реактора вытеснения на стадию ректификации. В предлагаемой установке реализуется двухэтапный контроль состава реакционной смеси в процессе синтеза за счет введения двух контуров обратной связи с влиянием на процесс с использованием детерминированной математической модели, построенной на основе знания физико-химических закономерностей и законов поведения объекта (кинетики, гидродинамики, термодинамики), и регрессионной математической модели, использующей статистические данные. Кроме того, наличие этих контуров позволяет снизить энергетические и временные затраты на все стадии производства этаноламинов. (Использование математических моделей, известно, например, в установке для обезвреживания промышленных отходов - патент РФ 85986, F23G 7/06, опубл. 20.08.2009, и в адаптивной системе управления конвейерным непрерывно-поточным дозатором - патент РФ 59276, G05B 13/00, опубл. 10.12.2006).
Предлагаемая установка для производства этаноламинов приведена на чертеже.
Позициями I, II, III обозначены соответственно контуры: регулирования подачи окиси этилена, аммиака, возвратного моноэтаноламина к реактору-окислителю и расхода пара перед реактором вытеснения.
Установка для производства этаноламинов содержит реактор-смеситель (PC) 1 и реактор вытеснения (PB) 2, соединенные между собой линией 3, на которой установлены технологические емкости: сепаратор, испаритель и др. (на чертеже не показаны), линии подачи в реактор-смеситель 1 окиси этилена 4, аммиака 5, возвратного моноэтаноламина 6 из реактора вытеснения 2 линию отвода из него реакционной смеси на стадию ректификации. Система управления процессом включает контуры I, II, III регулирования подачи окиси этилена, аммиака, возвратного моноэтаноламина к реактору-смесителю 1 и расхода пара перед реактором вытеснения с датчиками количества подаваемых и отводимых продуктов, автоматическими регуляторами, воздействующими на регулирующие клапаны, и задатчиками. В контур I регулирования подачи в реактор-смеситель 1 окиси этилена введена детерминированная математическая модель 7 реактора-смесителя 1. Выход микропроцессорного контроллера в ее составе соединен с входом задатчика 8 расхода окиси этилена, выход задатчика 8 соединен с входом автоматического регулятора 9, воздействующего на регулирующий клапан 10 на линии 4 подачи окиси этилена. Второй вход автоматического регулятора 9 соединен с выходом датчика 11 расхода окиси этилена на линии 4 его подачи. Вход микропроцессорного контроллера в составе математической модели 7 реактора-смесителя соединен с датчиком 12 состава реакционной смеси после реактора-смесителя 1. В контур III регулирования подачи возвратного моноэтаноламина и расхода пара перед реактором вытеснения 2 введена регрессионная математическая модель 13 реактора вытеснения 2. Выход микропроцессорного контроллера в ее составе соединен с входом задатчика 14 расхода пара, выход задатчика 14 соединен с входом автоматического регулятора 15 пара, воздействующего на регулирующий клапан 16 на линии 17 подачи пара. Второй вход автоматического регулятора 15 соединен с выходом датчика 18 расхода пара на линии 17 его подачи. Вход микропроцессорного контроллера в составе регрессионной математической модели 13 соединен с датчиком 19 состава реакционной смеси на линии 20 ее отвода из реактора вытеснения 2 на стадию ректификации. Контур II регулирования подачи аммиака к реактору-смесителю 1 построен по той же схеме, но без математических моделей, т.к не требует такой тонкой регулировки. Он включает регулятор 21, датчики 22. 23, задатчик 24.
Установка работает следующим образом. В основу технологического процесса положена реакция оксиэтилирования аммиака, протекающая по следующей схеме:
Синтез этаноламинов проводится в безводной среде с использованием продуктов реакции в качестве катализаторов в реакторе-смесителе 1 при температуре 60-80°C. давлении не выше 3,5 - МПа.
Контур I регулирования расхода окиси этилена, поступающей в реактор-смеситель 1, включает задатчик 8 расхода ОЭ, который соединен с автоматическим регулятором 9. На вход датчика 11 расхода ОЭ поступает информационный сигнал от микропроцессорного контроллера в составе детерминированной математической модели 7, в котором задействована соответствующая программа. На вход микропроцессорного контроллера поступает информация о составе реакционной смеси после реактора-смесителя от датчика 12 в реакционной смеси, передаваемой по линии 3 в PB 2. Этим реализуется первый этап максимизации МЭ в стадии синтеза.
Контур III, реализующий второй этап максимизации МЭА, включает задатчик 14 расхода пара, поступающего в PB 2. На вход задатчика 14 поступает информационный сигнал от микропроцессорного контроллера в составе регрессионной математической модели 13, в котором задействована программа, позволяющая дополнительно обеспечить максимальное значение МЭА и ДЭА в реакционной смеси, поступающей далее на стадии ректификации. Контроль состава фракций реакционной смеси в виде МЭАтах или ДЭАтах обеспечивается датчиком 19 состава смеси.
Затем реакционная смесь, включающая фракции МЭА, ДЭА и ТЭА, поступает на стадию ректификации, где происходит окончательное разделение смеси на отдельные компоненты. Необходимо обеспечить точно заданную концентрацию МЭА при минимизации других фракций. Однако, если на стадии синтеза не проведено предварительное выделение в реакционной смеси соответствующих компонентов, то это приведет к необоснованно большим энергетическим и временным затратам на стадии ректификации. Реализуется двухэтапное влияние на процесс синтеза с целью решения задачи |МЭА|
max |ДЭА|max.
Таким образом, первый контур I решает задачу определения состава реакционной смеси и ее корректировки с подачей окиси этилена (ОЭ). В процессе корректировки используется детерминированная математическая модель 7 реактора-смесителя.
Контур III связывает состав реакционной смеси и ее температуру в реакторе вытеснения 2 на основе математической регрессионной модели 13.
В результате реакционная смесь МЭА, ДЭА, ТЭА, поступающая на стадию ректификации, имеет в своем составе |МЭА|max, а в некоторых случаях, изменяя коэффициенты математических моделей, можно обеспечить |ДЭА|max.
Проведенный анализ показывает, что предлагаемое решение соответствует критерию «новизна», аналогичные решения не обнаружены. Проверка работоспособности на модели подтверждает соответствие критерию «промышленная применимость»
Установка для производства этаноламинов, содержащая реактор-смеситель и реактор вытеснения, соединенные между собой линией, на которой установлены технологические емкости, линии подачи в реактор-смеситель окиси этилена, аммиака, возвратного моноэтаноламина из реактора вытеснения, линию отвода из него реакционной смеси на стадию ректификации, систему управления процессом, включающую контуры регулирования подачи окиси этилена, аммиака, возвратного моноэтаноламина к реактору-смесителю и расхода пара перед реактором вытеснения с датчиками количества подаваемых и отводимых продуктов, автоматическими регуляторами, воздействующими на регулирующие клапаны, и задатчиками, отличающаяся тем, что в контур регулирования подачи в реактор-смеситель окиси этилена введена детерминированная математическая модель реактора-смесителя, выход микропроцессорного контроллера в ее составе соединен с входом задатчика расхода окиси этилена, выход задатчика соединен с входом автоматического регулятора, воздействующего на регулирующий клапан на линии подачи окиси этилена, второй вход автоматического регулятора соединен с выходом датчика расхода окиси этилена на линии его подачи, вход микропроцессорного контроллера в составе математической модели реактора-смесителя соединен с датчиком состава реакционной смеси после реактора-смесителя, в контур регулирования подачи возвратного моноэтаноламина к реактору-смесителю и расхода пара перед реактором вытеснения введена регрессионная математическая модель реактора вытеснения, выход микропроцессорного контроллера в ее составе соединен с входом задатчика расхода пара, выход задатчика соединен с входом автоматического регулятора пара, воздействующего на регулирующий клапан на линии подачи пара, второй вход автоматического регулятора соединен с выходом датчика расхода пара на линии его подачи, вход микропроцессорного контроллера в составе регрессионной математической модели соединен с датчиком состава реакционной смеси на линии отвода ее из реактора вытеснения на стадию ректификации.
