Трубчатых реакторов

Трубчатые реакторы обычно используют для проведения газофазных высокоэкзотермических процессов. В трубчатых реакторах возможны режимы, при которых велика параметрическая чувствительность реактора, т.е. незначительные колебания параметров процесса – расхода смеси через реактор, температуры хладагента, начальных значений концентраций реагентов, их начальной температуры и др. приводят к существенным изменениям температурного профиля по длине реактора. При этом температура в реакторе может оказаться значительно больше допустимой, и будет соответствовать аварийному режиму работы.

На рис. 9 приведены температурные профили для трубчатого реактора полимеризации этилена в области q_хл = 337-343 К.

Рис. 9. Температурный профиль для трубчатого реактора полимеризации этилена.

Здесь температурный профиль имеет очень высокую чувствительность (изменение температуры хладагента q_хл всего на 1-2 град. приводит к росту q_max температуры в реакторе на 15-20 град), причем чувствительность температуры в реакторе к изменению q_хл, существенно меняется по длине аппарата. На рис. 10 приведен график изменения коэффициента чувствительности , по длине реактора. Максимальная чувствительность достигается в области температур, соответствующих перегибу в температурном профиле. Такой характер изменения чувствительности достаточно типичен для трубчатых реакторов и должен учитываться при их автоматизации.

Рис. 10. График изменения коэффициента чувствительности К_ч и температуры по длине реактора.

Сложность управления трубчатым реактором заключается в том, что необходимо управлять распределением параметра (температуры) по длине реактора, а управление является сосредоточенным (например, изменением температуры реакционной смеси на входе в реактор или температуры (расхода) теплоносителя в рубашке). В ряде случаев рубашку делают секционной по длине аппарата и температуру в каждой секции регулируют самостоятельно.

В качестве переменной, по которой ведется стабилизация температуры в реакторе, часто берут ее максимальное значение.

При этом в систему регулирования включают специальный блок выбора максимума (обеспечивающий автоматическое подключение к стабилизирующему регулятору датчика максимальной температуры в реакторе, либо подключают к регулятору температурный датчик, установленный по длине реактора в зоне, где обычно достигается максимальная температура.

Более предпочтительна схема (см. рис. 12), в которой значение максимальной температуры по длине реактора используют в системе аварийной защиты, срабатывающей при превышении максимально допустимого значения q_max, а входной величиной регулятора температуры служит значение температуры в точке с максимальной чувствительностью.

При этом необходимо осуществлять автоматический выбор датчиков соответствующих максимальным температуре и чувствительности, что может оказаться достаточно сложным.

Применение средств вычислительной техники позволяет использовать при управлении трубчатыми реакторами интегральные оценки распределенного температурного профиля реактора [7].

Применение средств вычислительной техники позволяет использовать при управлении трубчатыми реакторами интегральные оценки распределенного температурного профиля реактора. Так, при аварийной защите трубчатого реактора полимеризации этилена в АСУ «Полимир» используют площадь S под температурным профилем по длине реактора (рис.11). Расчет этой площади осуществляется по показаниям датчиков температуры, установленных по длине реактора. Число таких датчиков составляет около 80.

Рис. 11 Оценка площади под температурным профилем по длине трубчатого реактора для аварийной защиты.

Исследование математической модели этого реактора позволило определить критическое значение площади S_кр., при повышении которого в реакторе возникают неустойчивые режимы. Алгоритм защиты реактора предусматривает сравнение текущего значения площади S с S_кр. При S ³ ³ S_кр. происходит срабатывание системы защиты реактора от аварий.

Важнейшими задачами являются стабилизация качества получаемых продуктов и управление производительностью химических реакторов. Решение этих задач в значительной мере сдерживается отсутствием соответствующих датчиков. Однако применение средств вычислительной техники для контроля и управления химическими реакторами позволяет использовать различные косвенные показатели, по которым с помощью моделей рассчитывают производительность реактора и показатели качества продукта, используемые при управлении процессом. Так, в АСУ «Полимир» математическую модель реактора используют для контроля текущей производительности реактора. В этой же системе качеством получаемого в трубчатом реакторе полимера управляют с помощью специальной адаптивной системы регулирования (рис. 12), в которой качество полимера определяется по математической модели реактора на основе измерения входных параметров в реакторе (расход смеси, температура по длине реактора и др.). Модель для расчета основного показателя качества получаемого полимера – индекса расплава – представляет собой регрессионное уравнение, коэффициенты которого периодически уточняют по данным лабораторных анализов, вводимых в управляющий вычислительный комплекс.

Оперативный расчет производительности осуществляется для каждой зоны реактора с помощью упрощенной модели процесса, представляющей собой уравнения материального баланса для мономера и инициатора:

(12)

(13)

где у₁ – концентрация мономера;

у₂ – концентрация инициатора;

Р – давление;

q - температура реакционной смеси;

l – текущая длина реактора,

0£ l £ L; L – длина зон реактора;

а₁ – а₄, k₁, k₂ – постоянные коэффициенты.

Первоначально проводится опрос основных точек измерения по каждой зоне реактора (давление, дискретный температурный профиль по длине каждой зоны, расход инициатора, положение клапана, регулирующего соотношение расходов этилена в каждую зону). Данные этих измерений используют для расчета и проверки достоверности информации. На основании измерений рассчитывают концентрации инициатора на входе в каждую зону реактора и задают начальные условия для интегрирования системы уравнений (12), (13). Затем температурный профиль, измеренный в ряде точек по длине реактора, аппроксимируют полиномом. Коэффициенты полинома определяют методом наименьших квадратов так, чтобы минимизировать сумму квадратичных отклонений значений полинома от температуры в точках измерения. Далее уравнения (12), (13) интегрируют методом Эйлера по длине каждой из зон и определяют суммарную производительность реактора по обеим зонам. Значения температуры в правых частях уравнений на каждом шаге интегрирования рассчитывают по полученному при аппроксимации полиному.

Рис. 12 Адаптивная система регулирования качества полимера в трубчатом реакторе полимеризации этилена.

Программа расчета производительности реактора работает в составе АСУ в реальном масштабе времени. Продолжительность цикла расчета – 5 мин. Результаты расчета выводятся на дисплей оператору-технологу и используются для настройки процесса на максимальную производительность (с учетом ограничений по качеству продукта).

Рис. 13. АСР температуры в трубчатом реакторе и АСЗ.

1- блок выбора max

2- регулятор температуры

3- блок выбора максимума температуры

4- блок аварийной сигнализации.

Дата добавления: 2015-07-11