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模块多变量优化控制在羰基合成反应器上的应用

王明友  
【摘要】:前言 大庆石化公司化工二厂丁辛醇装置是从英国Davy公司引进的。1986年建成投产,1992年改为过程计算机控制(DCS),DCS采用TDC3000系统,配有一个VAX 4200上位机、AM应用模块和编程语言,具备实施先进控制与优化条件。其羰基合成反应器是该装置的关键设备,其控制稳定和优化操作对装置生产具有重要意义。 丁辛醇羰基合成反应器优化与先进控制软件于2002年底分别投入运行至如今,取得了满意的经济效益和社会效益。 二 丁辛醇装置生产工艺简介 丙烯羰基合成反应又称为丙烯醛化反应。是一个放热反应。主反应有三个: (1)丙烯醛化生成正丁醛:CH_3CH=CH_2+CO+H_2——CH_3CH_2CH_2CHO (2)丙烯醛化生成异丁醛:CH_3CH=CH_2+CO+H_2——(CH_3)_2CHCHO (3)丙烯加氢生成丙烷:CH_3CH=CH_2+H_2——CH_3CH_2CH_3 原料丙烯、合成气经过原料净化系统除去硫、氯、铁等有害杂质,合成气通过汽提塔后与经过蒸发的丙烯进入循环气回路,一起进入两个并联的羰基合成反应器,在铑基催化剂和三苯基膦助催化剂的作用下,生成混合丁醛。 混合丁醛产品从反应器的出口气体中经冷凝下来之后,经汽提塔和稳定塔脱出溶解气体,得到混合丁醛。冷凝后的不凝气经压缩机返回到反应器入口与新鲜反应物混合进入反应器进行反应,形成气相循环回路,而稳定塔顶脱除的气体经另一台压缩机部分返回到反应器入口的气相循环回路中,一部分为防止丙烷、惰性气体在循环回路中积累而排放到火炬烧掉。正/异丁醛混合物经过加氢分离得到正丁醇、异丁醇;正/异丁醛混合物分离出来的正丁醛经过缩合得到辛烯醛,辛烯醛再加氢分离后得到辛醇。 工艺的正常操作条件及操作条件的变化对反应速率及催化剂的使用寿命都有很大的影响。 丙烯分压越高,正/异丁醛比值越大,反应速率越大。 氢气分压增加会提高正/异比,同时反应速率也有所增加。 一氧化碳分压升高,反应速率略有增加,但正/异比值越小。 反应温度升高,反应速率加快,对正/异比没影响,温度升高1℃,反应速率大约提高6%。 铑的浓度增加,反应速度明显加快,正/异比也稍有增加。三苯基膦浓度增加,正/异比明显地增加。三羰基合成反应器在线配比优化原理 3.1 羰基合成反应器模块多变量控制 3.1.1 控制要求与算法选择 先进控制和优化软件的目的有两个:一是实现丙烯与合成气的比值控制,要保证两个反应器的CO分压在给定范围内,即实现两个CO分压的约束控制;二是调节合成气与丙烯的配比,提高丁醛收率,即配比优化问题。作为下层控制模块的先进控制部分,要稳定反应器操作,并为在线配比优化提供一个 大庆石油学院博士(硕士)研究生学位论文详细摘要 可靠安全的控制基础。 仔细分析控制模块,明确了以下三个工艺要求和两个控制量约束: 工艺要求一:两个反应器的出口CO分压维持在给定范围内。 工艺要求二:通过稳定配比,提高原料的利用率,降低单耗。 工艺要求三:在保证CO分压的前提下,尽量使原料配比稳定在优化计算得出的最佳配比值上。 控制量约束一:合成气与丙烯的原料配比应在一个约束范围内。 控制量约束二:配比的变化速率,或者说进料变化速率,不应太大,保证生产的稳定。 3.1 .2测量点选择 (1)丙烯流量选择FI206作为测量点。 (2)合成气流量实际上是对Fll02进行温压补偿后的合成气流量。 (3)反应器CO分压即AR301和AR302值,控制目的即要保持其在约束范围内。 3.1 .3模型建立 我们采集了三个月的实际运行数据,对照工艺,分析了各干扰因素对反应器分压的影响,从中选择 了几组有代表性的数据,分别用相关系数分析的方法建立了CO分压与配比的动态模型。最后得到如下 典型模型: 3005 、.少、.尹 SS 了‘、了.、 UU 少注(刁25u进 36005 3005 夕,(5) 25。口生一一 1 3600。 3.2拨基合成反应器原料在线配比优化 碳基合成反应器利用合成气和丙烯合成正/异丁醛,在后续工序中进一步生成丁辛醇。本优化方案 局限于丁辛醇装置醛工段,通过寻找合适的原料配比(丙烯/合成气),提高产品(主要指正丁醛)对丙 烯的收率,降低单耗。影响反应收率的因素有很多,其中有些可以作为常量,如反应器温度、压力,这 些量可以在线测量且在较长时间内保持不变;另外一些量不能及时测量且随时间缓慢变化,主要有反应 器Rh浓度、助催化剂浓度等,要求优化方案能随这些缓慢变化的量,及时调节配比,获取更大收益。 优化方案包括三个部分:产量模型、正异比与进料配比关系模型和新配比计算。为了提高模型跟踪 变化的能力,产量模型辨识采用动态模型结构,利用动态数据建立模型,再得到静态关系。这样做可以 把采样时间从几小时减少到十到二十分钟,提高辨识速度。产品混合丁醛的分析数据八小时分析一次, 通过把这些数据输入计算机,可以建立正异比与原料配比的统计关系。在


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