5.3. Автоматизация управления процессами производства некоторых органических продуктов

5.3.1. Автоматизация управления процессом производства олифинов

Производство олефинов основано на термическом разложении углеводородного сырья на ряд продуктов и выделении этих про­дуктов с заданной степенью чистоты. В зависимости от условий разложения преобладающим является тот или иной продукт. При этилен-пропиленовом режиме олефины С₂—С₄ составляют до 50 - 60% (на перерабатываемое сырье); всего же получают десять продуктов—водород, метан, этан, этилен, пропан, про­пилен, фракции С₄ и С₅, ароматические углеводороды и тяже­лое жидкое топливо. Наиболее потребляемым продуктом нефте­химической промышленности является этилен.

Технологическая схема производства. Схема включает две основные уста- новки: пиролиза и газоразделения (рис5.9.). Установка пиролиза представ- ляет собой группу параллельно работающих бензиновых и этановых трубча­тых печей. Сырье поступает в каждую печь отдельными потоками, продукты пиролиза по общему коллектору направляются на установку газоразделения. Для снижения коксообразования в змеевики печей подают водяной пар в ко­личестве 40 - 60% от нагрузки по сырью для бензиновых печей и 15 - 20% — для этановых. Этан поступает на пиролиз в качестве рециркулирующего пото­ка с установки газоразделения.

Топливом для обогрева змеевика служат метано-водородная фракция или тяжелые жидкие фракции, получаемые при пиролизе. Выработка водяного пара при утилизации тепла продуктов пиролиза и дымовых газов позволяет снизить энергетические затраты производства олефинов.

Установка газоразделения отличается сложностью, что обусловлено мно-гокомпонентностью поступающей на ее вход углеводородной смеси и большим числом товарных продуктов. Условно ее можно разделить на семь основных узлов.

С установки пиролиза пирогаз поступает в узел 1 первичного фракциони­рования, компрессии, очистки и осушки, где часть пирогаза конденсируется. Один поток конденсата — тяжелое жидкое топливо (ТЖТ) — отводится на склад. Второй поток—более легкий конденсат—подается в узел 6 выделения фракции С₃; третий поток—в узел 5 получения фракции С₄ и гидростабили-зированного бензина (ГСБ). Оставшийся пирогаз поступает в первичную ме-

тановую колонну К-11 (узел 2), предназначенную для грубой отгонки мета-новодородной фракции. На узле 3 выделяется фракция С₂, которая далее поступает в узел 4 получения чистого этилена. В состав этого узла входят реак­тор гидрирования ацетиленовых соединений Р-1, колонна разделения этан-эти­леновой фракции К-14 и вторичная метановая колонна К-13. Остатки метановой фракции, содержащей значительную примесь этилена, рециркулируют через узел компрессии.

Кубовый продукт колонны К-12 выделения фракции С₂ поступает в узел 6, предназначенный для выделения фракции С₃. Фракция С₃ передается далее

в узел 7 получения товарного пропилена. Он охватывает реактор гидрирования ацетиленовых соединений Р-2, колонну К-16 отгонки остатков фракции С₂ и колонну получения чистого пропилена К-17. Остатки фракции С₂ из узла 7 рециркулируют через узел компрессии. Кубовый продукт колонны выделения фракции Сз поступает в узел 5 получения фракции С₄ и ГСБ. Таким образом, установка газоразделения имеет один входной, восемь выходных и два рециркулирующих потока.

Распределение затрат по стадиям производства олефинов характеризуется следующими показателями. Для печей пиролиза наибольшие затраты (80% и более) приходится на основное сырье. Это необходимо учитывать при фор­мировании критерия управления процессом пиролиза.

Анализ материального баланса по углеводородам для производства в це­лом и основных его участков позволил установить, что потери этилена и про­пилена (в % от общего количества этих продуктов) составляют соответствен­но: на агрегатах газоразделения - 2,8 и 2,2%; при гидрировании ацетиленовых углеводородов - 2,1 и 8,5%.

Таким образом, с точки зрения необходимости разработки системы управ­ления наибольший интерес представляет установка пиролиза: она характери­зуется большими энергозатратами и расходами на сырье; здесь определяются состав товарных продуктов и, следовательно, экономические показатели произ­водства. Ниже приведены схемы автоматизации отделения пиролиза.

Автоматизация процесса. Режимными параметрами трубча­той пиролизной печи, определяющими термические превращения углеводородов и, следовательно, состав получаемых продуктов, являются: температурное поле (профиль) реакционной смеси по длине змеевика; продолжительность пребывания смеси в зоне реакции (время контакта); соотношение расходов сырья и во­дяного пара, поступающих в реактор; поле давления реакцион­ной смеси по длине змеевика; состав исходного сырья; степень закоксовывания змеевика.

Управляющими воздействиями, с помощью которых осу­ществляют изменение и стабилизацию технологического режи­ма в пиролизной печи, служат расходы сырья и пара в змеевик и расходы топливного газа в обогревающие горелки. Путем перераспределения топлива, подводимого к отдельным горел­кам (или их группам), можно изменять характер температур­ного поля смеси по длине реакционной зоны. При регулирова­нии теплового режима в печах некоторых конструкций в качест­ве управляющего воздействия используют подачу хладоагента (пара, сырья, воды, инертного газа) в промежуточные зоны змеевика.

Одной из важнейших задач автоматического регулирования работы пиролизных печей является стабилизация теплового режима, в частности температуры пирогаза на выходе из печи. Как правило, эту температуру стабилизируют воздействием на расход топливного газа к горелкам.

Для компенсации возмущений применяют каскадные схемы регулирования. В качестве промежуточной точки используют температуру перевала (рис. 5.10) перепад давления в змеевике (рис. 5.11) или давление топливного газа (рис. 5.12). Применя­ют также коррекцию по расходу, давлению, температуре и со­ставу сырья.

В печах, где несколько змеевиков обогревается одним экраном горелок, температуру на выходе одного из них регулируют воздействием на подачу топлива, а на выходе из остальных— воздействием на подачу в них сырья (рис. 5.13) или водяного пара (рис. 5.14).

При автоматическом управлении промышленными печами важную задачу представляет стабилизация оптимального теп­лового режима по длине реакционной зоны змеевиков (темпера­турного профиля). Структура системы автоматической стаби­лизации температурного профиля зависит от конструкции кон­кретной печи.

Рис. 5.10. Система автоматического регулирования температуры пирогаза с коррекци­ей по температуре дымовых газов:

1 — печь пиролиза; 2 — змеевик; 3 — регулирующий клапан; 4—регулятор температуры дымовых га­зов; 5 — регулятор температуры пирогаза

Рис. 5.11. Система автоматического регулирования температуры пирогаза с коррекцией по перепаду давления в пирозмеевике: 1—регулятор расхода; 2—регулирующий клапан; 3—-датчик перепада давлений; 4— регулятор температуры

Рис. 5.12. Система автоматического регулирования температуры пирогаза с коррекцией по давлению топливного газа: 1—регулирующий клапан; 2—датчик давления; 3—регулятор температуры

На рис. 5.15 приведена система зонного регулирования тем­пературного профиля реакционной смеси в змеевиках трубча­той печи с вертикальным расположением труб. Она осуществля­ет стабилизацию температуры Т₅ стенки труб змеевиков в ко­нечной и средней частях (воздействие на подачу топлива в про­тиволежащие зоны горелок) и регулирование температуры про­дуктов пиролиза на выходе из печи Т₆ изменением подачи топ­лива в зону горелок, обогревающую начальный участок змее­вика.

Рис. 5.13. Система автоматического регулирования температурного режима пиролизной печи путем изменения расходов топлива и сырья: I, 2 — регулирующие клапаны; 3, 4 — регуляторы температуры; 5—ретулятор расхода

Рис. 5.14. Система автоматического регулирования температурного режима пиролизной печи путем изменения расходов топлива и пара: 1, 2—регулирующие клапаны; 3, 4—регуляторы температуры; 5—регулятор расхода

Задание регуляторам температуры стенок труб змеевиков со­ответствует максимально допустимому пределу нагрева мате­риала змеевика. Такая система регулирования позволяет при любом режиме поддерживать оптимальную (в данном случае максимально возможную) крутизну температурного профиля потока.

Для измерения температуры стенки змеевика в каждой зоне устанавливают несколько термопар. С помощью искателя максимальной температуры определяется значение температуры в наиболее нагретой точке, которое затем поступает на вход соответствующего регулятора и поддерживается им на макси­мально допустимом значении.

Для пиролизных печей с горизонтальным расположением труб змеевиков и расширенным обогревающим экраном горелок применяют системы регулирования величины реакционной зоны (рис. 5.16. и 5.17.). При изменении нагрузки печи по сырью ус­тройство 5 (см. рис. 5.16.) управления размером реакционной зоны производит последовательное включение или отключение подачи топливного газа в три нижних ряда горелок. Отключение ряда горелок, обогревающих начальный участок змеевика, при­водит к концентрации подводимого тепла на конечном участке и сокращению реакционной зоны процесса (увеличению кру­тизны температурного профиля реакционной смеси).

Рис. 5.15. Система зонного регу­лирования температурного профи­ля в змеевиках трубчатой печи с вертикальным расположением труб:

1—3—регулирующие клапаны; 4—6— регуляторы температуры; 7, 8 — много­точечные автоматические потенциомет­ры; 9, 10 — искатели максимальной тем­пературы

Алгоритм работы устройства 5 составляют на основе экспе­риментальных данных с таким расчетом, чтобы при различных нагрузках по сырью обеспечить максимально возможную кру­тизну температурного профиля. Он позволяет изменять преде­лы срабатывания клапанов, предел их закрытия и время, в те­чение которого клапан переводится из нижнего положения в верхнее (и наоборот).

Общее количество тепла, необходимого для проведения ре­акции пиролиза, регулируют по температуре продуктов пироли­за на выходе из печи воздействием на общую подачу топлив­ного газа в горелки.

Если горелки трубчатой печи имеют ограниченную тепловую мощность, то при управлении тепловым режимом в печи целесообразно поддерживать максимальный расход топлива в го­релки, обогревающие конечный участок змеевика. Такой способ управления реализуется системой, принципиальная схема кото­рой представлена на рис. 5.17. В качестве параметра, характе­ризующего теплоподвод на конечном участке реактора, выбра­но давление топлива перед обогревающими горелками. Алгоритм управления клапанами на линиях подвода топлива в на­чальную зону горелок в зависимости от давления топлива раз­рабатывают на основе экспериментальных данных. Это позволяет автоматически компенсировать влияние на тепловой режим неконтролируемых возмущений—закоксованности змеевика, из­менения состава сырья и т. д.

Рис. 5.16. Система зонного регулирования температурного профиля в пиролизной печи с горизонтальным расположением труб змеевиков: 1—4 — регулирующие клапаны; 5 – устройство управления; 6 – регулятор температуры; 7 — датчик расхода

Рис. 5.17. Система зонного регулирования температурного профиля в пиролизной печи с горизонтальным расположением труб змеевиков: 1—4 — регулирующие клапаны; 5 – устройство управления; 6 – регулятор температуры; 7 — датчик давления

Для пиролизных печей, в которых невозможно изменять тем­пературный профиль смеси путем перераспределения топлива по зонам обогрева, применяют системы регулирования температур­ного профиля изменением подачи хладоагента, в качестве кото­рого используют водяной пар или воду.

Система регулирования предусматривает регулирование со­отношения между расходами сырья и водяного пара в змеевик. Если технологический регламент установки позволяет изменять расход пара в некоторых пределах, то для управления тепло­вым режимом процесса можно использовать системы, непосред­ственно изменяющие время пребывания (снижающие его до ми­нимально допустимого). Эту систему регулирования целесооб­разно применять для печей с сильными перекрестными связями между подачей топлива в горелки и температурой стенки змее­вика, Система осуществляет увеличение подачи пара в змеевик (т. е. уменьшение эффективного времени пребывания) до преде­ла, обусловленного ограничениями на интенсивность подвода тепла к змеевику: максимальной температурой стенки змеевика (рис. 5.18.) или максимальным расходом топлива в горелки (рис. 5.19.).

Рис.5.18. Принципиальная схема системы регулирования теплового режима пиролизной печи по длине змеевика воздействием на подачу пара: 1,2 – регулирующие клапана; 3,4 – регуляторы температуры

Рис.5.19. Принципиальная схема системы регулирования теплового режима пиролизной печи по длине змеевика воздействием на подачу пара: 1,2 – регулирующие клапана; 3– регуляторы температуры; 4 –регулятор давления

Рис. 5.20. Принципиальная схема системы управления тепловым режимом' процесса пиролиза в многопоточной трубчатой печи:

1,2 — регулирующие клапаны; 3,4— датчики расхода; 5,б—датчики температуры: 7,8 — усреднители; 9, 10—регуляторы температуры; 11 — многоточечный автоматический потенциометр; 12—искатель максимальной температуры

На рис. 5.20 представлена система зонного регулирования подвода тепла к змеевику в многопоточной печи, которая предусматривает управление по усредненной температуре пирогаза на выходе змеевика и по максимальной из совокупности измеренных температур стенки змеевиков. Поверхностные тер­мопары, установленные на стенках змеевиков в конечных зонах радиантной камеры печи, подсоединены к многоточечному по­тенциометру 11, выход которого связан с искателем 12 макси­мальной температуры. Выход искателя является переменной ве­личиной, поступающей на вход регулятора 10, задание которому устанавливают с учетом верхнего предела температуры нагре­ва стенки змеевика. Выходной сигнал регулятора 10 воздейст­вует на клапан 2, установленный на линии подачи топлива. Та­ким образом, контур регулирования обеспечивает подвод макси­мально допустимого количества тепла в конечную зону пироли­за. Количество тепла, подводимого в начальную зону, регулируют с помощью регулятора 9 и клапана 1. В качестве переменной на регулятор 9 поступает сигнал, пропорциональный среднему значению температур пирогаза па выходе змеевиков. Этот сиг­нал вырабатывается с помощью усреднителя 8. Уставку регу­лятору 9 корректируют по среднему значению расхода бензина, определяемому усреднителем 7.