Моделирование и адаптивное управление процессом очистки изопрена от ацетиленовых соединений

Modeling and Adaptive Control the process of purification of isoprene from acetylene compounds

Emiliya Savelyeva

student, Nizhnekamsk Institute of chemical technology, fsbei VO "KNITU", Russia, Nizhnekamsk

Dmitry Elizarov

associate Professor, doctor of technical Sciences, Nizhnekamsk Institute of chemical technology, KNITU, Russia, Nizhnekamsk

Аннотация. Построен адаптивный контур управления процессом очистки изопрена и произведен расчет системы управления, обеспечивающий заданную концентрацию ацетиленовых соединений на выходе из реактора путем изменения расхода водорода на входе.

Abstract. Built an adaptive control loop of the process of purification of isoprene and calculation of the control system to provide the desired concentration of acetylene compounds at the exit of the reactor by changing the flow rate of hydrogen at the entrance.

Ключевые слова: система управления; адаптивное управление; изопрен; ацетиленовые соединения; палладиевый катализатор.

Keywords: control system; adaptive control; isoprene; acetylene compounds; palladium catalyst.

Способ очистки изопрена от ацетиленовых соединений (гидрирование) основан на резком различии скоростей взаимодействия изопрена и ацетиленовых соединений с водородом, в присутствии селективного катализатора гидрирования. Процесс гидрирования ацетиленовых соединений осуществляется в жидкой фазе в реакторах, нагруженных палладиевым катализатором, с избытком водорода по отношению к ацетиленовым соединениям.

Применение адаптивного подхода к построению системы управления (СУ) позволит осуществить оптимизацию режима работы объекта, обеспечить работоспособность СУ в условиях изменения параметров сырья.

Подготовим исходные данные для создания модели адаптивного управления процессом очистки изопрена от ацетиленовых соединений. Из расчета материального баланса производства находим составы изопрена-сырца (Таб.1) и реакционной массы (Таб.2) [1].

Таблица 1.

Состав изопрена-сырца

Таблица 2.

Состав реакционной массы

Очистка изопрена происходит в последовательно работающих реакторах Р-2, Р-157. Из регламента производства: - диаметр реактора ; - объем катализатора в двух реактора ; - сечение слоя катализатора находим по формуле:; высота слоя катализатора в двух реакторах:; высота слоя катализатора в реакторе ; - температура в реакторе – ; - давление –; 

Из расчета материального баланса:

- расход изопрена-сырца ;

- расход водорода  .

Плотность изопрена-сырца , плотность водорода . Реакция гидрирования протекает при 15÷40 °С и давлении 1,3 атм.

В реакторе изопрен-сырец с содержанием изопропилацетилена 0,0019 кг/с (Таб. 1) проходит снизу вверх через слой катализатора. Ацетиленосодержащие компоненты из изопрена на поверхности катализатора переходят в α-изоамилены. Содержание ацетиленовых в изопрене на выходе из реактора не должно превышать 0,0002%. С повышением температуры, времени пребывания и расхода водорода степень извлечение ацетиленовых из изопрена повышается. Однако, при этом наблюдается превращение изопрена в изоамилены, что не допустимо[2].

Построим и произведем расчет системы управления, обеспечивающей заданную концентрацию ацетиленовых на выходе из реактора путем изменения расхода водорода.

Рисунок 1. Адаптивное управление

Скорость гидрирования ацетиленовых на палладиевом катализаторе приближенно описывается уравнением [3]:

                                                                                                     (1)

Для описания зависимости констант скорости и равновесия от температуры использовалось уравнение Аррениуса:

                                                                                               (2)

где Е_a – энергия активации; R – универсальная газовая постоянная, R=8,31 кДж/(моль*К); Т – температура, К, T = t °С + 273.

В таблице 3 представлены значение параметров, найденных минимизацией отклонения кинетических зависимостей концентрации ацетилена [3].

Таблица 3.

Значения параметров модели для палладиевого катализатора

В режиме идеального вытеснения математическое описание процесса в стационарном состоянии имеет вид:

                                                                                              (3)

где  – концентрация ацетиленовых;  – концентрация водорода;  – расход входных потоков; – объем катализатора; – безразмерная координата слоя по высоте.

При  на входе концентрация ацетиленовых в изопрене (Таб. 1):

При  на входе концентрация водорода (Таб. 2):

Уравнение (3) примет вид:

                                                                                               (4)

С условием:

, при ;

, не звисит от , является управляющим параметром, который выражается через расход водорода  и суммарный расход потоков .

Таблица 4.

Результаты расчета системы управления, обеспечивающей заданную концентрацию ацетиленовых соединений на выходе из реактора путем изменения расхода водорода

Построим график зависимости расхода водорода от температуры реакционной массы в Р-2.

Рисунок 2. Зависимость расхода водорода от температуры реакционной массы

Произведен расчет системы управления и простроен график. Таким образом, можно сделать вывод, что при повышение температуры  реакционной массы, для обеспечения заданной концентрации ацетиленовых соединений на выходе из реактора, на регулятор будет подаваться сигнал об уменьшении подачи водорода.