BRPI0923874B1 - processo de controle para controlar um reator de polimerização com leito fluidizado na produção de um polímero - Google Patents
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Abstract
CONTROLE PARA REATOR DE POLIMERIZAÇÃO EM FASE GASOSA. A presente invenção refere-se a um processo para o controle de um reator de polimerização com leito fluidizado na produção de um dado produto polímero, o processo compreendendo as etapas a seguir: (a) a determinação de uma proporção da taxa de produção de um produto polímero no reator para a pressão no reator, (b) o ajuste de uma taxa de produção do polímero no reator cuja taxa de produção, na base da dita proporção da etapa (a), corresponda a uma pressão desejada no reator; (c) o ajuste de taxas de alimentação dos monômeros para o reator de acordo com a dita taxa de produção no ponto de ajuste.
Description
[001] A presente invenção refere-se a um processo para o controle de um reator de polimerização em fase gasosa com leito fluidizado na produção de um polímero
[002] Em particular, o processo da invenção combina o controle da taxa de produção do reator, baseado na(s) vazão(ões) de alimentação dos monômeros, com o controle da pressão dentro do reator com leito fluidizado. Na técnica anterior a WO 00/22489 refere-se a um sistema para o controle on line (ligado diretamente a um computador) de uma planta de polipropileno e de seus copolímeros produzidos em reatores de circuito fechado e, opcionalmente, reator(es) em fase gasosa com o auxílio de modelos matemáticos, em que o dito sistema é baseado em uma matriz de controle que compreende variáveis controladas, variáveis controladas restritas, variáveis manipuladas e variáveis de perturbação. É sugerido que tal sistema de controle pode permitir a maximização da taxa de produção e do rendimento do catalisador do processo de produção. É observado que um ponto relevante em relação ao controle do processo é o fato de que, de maneira geral, os aspectos econômicos requerem que o processo seja operado próximo aos limites de capacidade da planta que o processo a ser operado próximo aos limites de capacidade da planta. No entanto, também é observado que embora a vazão do catalisador possa ser manipulada para controlar a taxa de produção de um reator, quando o calor de polimerização exceder o limite da capacidade de troca térmica do reator, o objetivo de aumentar a produção precisa ser restrito ainda mais em favor da estabilidade térmica.
[003] A WO 00/22489 menciona que uma variável a ser controlada pode ser a pressão dos reatores de fase gasosa e indica que o modelo matemático para o controle da pressão dos reatores de fase gasosa pode usar as seguintes como variáveis de entrada: a vazão de catalisador alimentado ao(s) reator(es); a densidade do meio da reação do(s) reator(es) de circuito fechado; a vazão de comonômero(s) alimentado(s) ao reator de fase gasosa; o nível do leito do reator de fase gasosa; a vazão de gás que retorna de uma torre de separação.
[004] Na técnica anterior foram feitas várias outras propostas para o controle das reações de polimerização.
[005] Por exemplo, a SU 1281566 descreve que a polimerização em fase gasosa ou a copolimerização das a-olefinas na presença de um catalisador, H e CO2 é controlada por regulagem da pressão do reator e pela variação da taxa de alimentação do monômero e o índice de fluidez da massa fundida a diferentes cargas é controlado pela variação da concentração de CO2 e H. a produtividade do reator é aumentada pela regulagem do tamanho da partícula do polímero resultante por uma variação proporcional direta na concentração de CO2, levando em conta a atividade do catalisador.
[006] A US 2.964.511 propõe que, em uma reação de polimerização catalítica em fase líquida (isto é, a polimerização do etileno) em uma zona de reação pressurizada que contém uma fase liquida e uma fase vapor às quais o catalisador de polimerização e 0 monômero são alimentados continuamente em correntes separadas, 0 controle da reação compreende perceber a pressão na dita zona da reação e a regulagem do fluxo de alimentação de monômero para 0 reator em compensação para variações de pressão dentro da fase vapor da zona da reação. Além disso, pode ser produzido um sinal de controle como uma função da pressão e o sinal de controle aplicado para aumentar a taxa à qual o catalisador é alimentado para a dita zona da reação em resposta a um aumento de pressão e para aumentar a taxa à qual 0 dito catalisador é alimentado para a dita zona da reação em resposta a uma diminuição de pressão, desse modo mantendo a dita pressão dentro de limites predeterminados.
[007] A US 6.521.805 refere-se a um processo de polimerização de isobuteno em que uma propriedade P (viscosidade ou peso molecular médio) do poli-isobuteno produzido é mantida constante. A polimerização é conduzida continuamente em um reator que compreende uma fase de reação líquida em ebulição em equilíbrio com uma fase gasosa, por introdução contínua no reator de um catalisador e de uma mistura de alimentação com C4 hidrocarboneto que compreende o monômero e por retirada contínua do reator da fase de reação líquida. O processo compreende a determinação de um valor- alvo V da pressão parcial, PiC4, do isobuteno no reator em fase gasosa que corresponde ao valor desejado da P, em virtude de uma relação empírica estabelecida de antemão entre a propriedade P do poli-isobuteno produzido e PiC4. Durante a polimerização, o PiC4 é medido e um valor corrigido de PiC4, (PiC4)c, é calculado e é mantido constante e em tomo do valor-alvo V, por ação sobre a vazão Qc do catalisador e/ou sobre a vazão Qh da mistura de alimentação do C4 hidrocarboneto. A US 6.263.355 refere- se a um processo para controlar um reator em fase gasosa usando um controle de previsão não linear que inclui etapas para gerar um grande número de sinais que representem um estado habitual do reator químico e que reflete um respectivo constituinte de reagentes no reator químico, que calcula um estado futuro do reator químico sensível ao dito grande número de sinais e citado para a retenção da massa dos reagentes no reator químico e que controle pelo menos um parâmetro relacionado ao reator químico de modo a controlar o estado futuro do reator químico. É sugerido que precisa serfornecido um processo de controle do processo que prioriza os pontos de ajuste, por exemplo, o ponto de ajuste da pressão. A WO 96/41822 sugere um processo para 0 controle de um processo para sintetizar pelo menos uma substância química em umaplanta que inclua pelo menos um reator (R) que possa ser considerado como um reator perfeitamente misturado, em que as variáveis do controle permitem que o processo seja controlado de modo que algumas variáveis conhecidas como variáveis controladas e relacionadas às propriedades do produto e/ou a operação do processo que são compatíveis com os valores de ajuste correspondentes. O processo compreende as etapas de (a) entrada dos valores de ajuste para as variáveis controladas; (b) uso de uma unidade de previsão para calcular as previsões das variáveis controladas na base de medidas do controle das variáveis do processo; (C) uso de uma unidade de controle para calcular os valores de ajuste para as variáveis de controle do processo na base dos valores ajustados e das previsões das variáveis controladas e (d) transmissão dos valores de ajuste para as variáveis de controle do processo para os ativadores de controle do processo. Para cada variável de controle do processo, por exemplo, a temperatura, a vazão ou a pressão, a ser controlada o seu valor real pode ser medido continuamente ou intermitentemente e um controlador PID usado para comparar o seu valor real com um valor ajustado.
[008] Será entendido pelos exemplos acima da técnica anterior que foi feita uma variedade de propostas referentes ao controle da pressão do reator, inclusive o controle da pressão parcial, em reações de polimerização.
[009] A técnica anterior (vide SU 1281566, US 2.964.511, US 6.521.805, US 6.263.355, WO 96/41822) mencionadas antes indica que, além da vazão de alimentação, a vazão do catalisador também pode ser usada para o controle da pressão. A (WO 00/22489) da técnica anterior também pode indicar que a vazão do catalisador pode ser usada para o controle da taxa de produção do reator.
[0010] No entanto, a técnica anterior não fornece indicação de como o controle da taxa de produção do reator baseada na (s) vazão (ões) dealimentação pode ser combinado com o controle de pressão em um reator de polimerização em fase gasosa com leito fluidizado.
[0011] Os inventores tiveram a percepção de que pode ser fornecido um processo prático e simples para o controle de um reator de polimerização em fase gasosa com leito fluidizado no qual o controle da taxa de produção do reator baseado na(s) vazão(ões) de alimentação é combinado com o controle da pressão, sem que o controle da taxa de produção que o controle da pressão entre em competição com o controle da pressão, ou seja, com a melhoria de que o controle da taxa de produção não aja separadamente sobre a regulagem das taxas de alimentação do monômero para o GPR.
[0012] De acordo com a presente invenção é fornecido um processo de controle de um reator de polimerização com leito fluidizado na produção de um polímero, o processo compreendendo as etapas a seguir:(a) a determinação de uma razão da taxa de produção do polímero no reator para a pressão no reator,(b) o ajuste de uma taxa de produção do polímero no reator cuja taxa de produção, na base da dita razão da etapa (a), corresponda a uma pressão desejada no reator;(c) o ajuste de taxas de alimentação dos monômeros para o reator de acordo com a dita taxa de produção no ponto de ajuste.
[0013] Desse modo, a presente invenção combina eficazmente o controle da taxa de produção do reator, baseado na(s) vazão(ões) de alimentação, com o controle da pressão.
[0014] Foi descoberto que a presente invenção pode servir para melhorar ou maximizar a produção no reator em fase gasosa (GPR). Isto pode servir para manter constante ou quase constante a pressão dentro do reator em fase gasosa em um valor desejado. Consequentemente a invenção pode ajudar a controlar o GPR e facilitar o alcance da produção máxima do GPR (fazendo funcionar o GPR em média a umapressão mais alta).
[0015] É feita referência à figura 1 anexa, que é um diagrama de bloco esquemático que ilustra o controle do reator de polimerização em fase gasosa de acordo com um exemplo de modalidade da presente invenção e
[0016] De acordo com o processo do exemplo de modalidade a taxa de produção desejada (Y*) do reator em fase gasosa (GPR) é fornecida por meio de um Controle da Pressão de GPR200, ilustrado esquematicamente na figura 1.
[0017] Os valores de entrada para o Controle da Pressão de GPR200 são ilustrados esquematicamente em 300 na figura 1. A pressão (P) no GPR é detectada como um valor de entrada para o Controle da Pressão de GPR200.
[0018] A composição e as frações molares de monômeros e de componentes inertes no Reator em fase gasosa também são detectadas como um valor de entrada para o Controle da Pressão de GPR200.
[0019] A taxa de produção (Y) não é detectada diretamente nesta modalidade da invenção, porém é calculada por meio de equações relativas a um balanço de massa ou a um balanço de energia, como me-lhor explicado a seguir.
[0020] Partindo dos valores de entrada acima da taxa de produção (Y), a pressão (P) no reator em fase gasosa e as composições molares dos monômeros no reator em fase gasosa, o Controle da Pressão de GPR200 da presente invenção gera automaticamente um ponto de ajuste (Y*=Y/P) para a taxa de produção do reator.
[0021] A taxa de produção desejada de polímero de GPR representa um valor de entrada para um Controle da Taxa de Produção de GPR, indicado esquematicamente como 100 na figura 1.
[0022] Na base do dito valor Y* gerado pelo Controle da Pressão de GPR200, o Controle da Pressão de GPR100 pode ajustarautomaticamente as taxas de alimentação dos monômeros novos (por exemplo, C2-, C3-, C4- como ilustrado na figura 1) fornecido para o reator em fase gasosa. O Controle da Taxa de Produção de GPR100 ajusta as taxas de alimentação dos monômeros novos por meio dos respectivos controladores da taxa de alimentação de monômero também levando em conta os pontos de ajuste 120 para percentagens dos monômeros a serem ligados no polímero produzido. Por exemplo, se os monômeros que reagem forem etileno e/ou propileno e/ou buteno- 1, a figurai apresenta o controle destes monômeros com os seguintes significados:- FRC C2- = controle da taxa de alimentação de etileno;- FRC C3- = controle da taxa de alimentação de propileno;- FRC C4- = controle da taxa de alimentação de buteno-1;- %C2-ligado= o ponto de ajuste para que a percentagem de etileno esteja ligada ao polímero;- %C3- ligado= o ponto de ajuste para que a percentagem de propileno esteja ligada ao polímero;- %C4- ligado= o ponto de ajuste para que a percentagem de buteno-1 esteja ligada ao polímero. O processo de controle da invenção compreende as etapas a seguir:
[0023] Etapa (a): esta etapa compreende a determinação da razão (Y/Pm) da taxa de produção (Y) do polímero no reator para a soma (pm) de pressões parciais dos monômeros no reator.
[0024] As somas pm de pressões parciais dos monômeros e da soma pi das pressões parciais de componentes inertes no GPR podem ser determinadas pela composição em fase gasosa detectada no GPR (frações molares de monômeros e componentes inertes).
[0025] A razão (Y/Pm) é detectada como um valor pontual a intervalos de tempo pré- ajustados, que de maneira geral estão na faixa de 30 segundos até 5 minutos, de modo que seja fornecido um novo valorde Y* neste intervalo de tempo pré ajustado.
[0026] Etapa (b): esta etapa compreende determinar um ponto de ajuste da taxa de produção (Y*) por multiplicação da dita razão (Y/Pm) pelo valor (P* -Pi), em que P* é a pressão no reator do ponto de ajuste, PI = soma das pressões parciais dos componentes inertes no reator.
[0027] O valor {(Y/Pm)x(P*-Pi)} pode ser calculado pelo Controle da Pressão de GPR200 nos mesmos intervalos de tempo pré- ajustados, em que é detectada a razão (Y/Pm). Desta maneira, é fornecido automaticamente um novo valor para a taxa de produção (Y*) do ponto de ajuste.
[0028] Etapa (c): esta etapa é operada por meio de um Controle da Taxa de Produção, que partindo da taxa de produção do ponto de ajuste (Y*), seja capaz de ajustar automaticamente as taxas de alimentação dos monômeros fornecidos ao reator em fase gasosa.
[0029] Como apresentado na figura 1, a taxa de produção do ponto de ajuste 130 (Y*) é a entrada para o Controle da Taxa de Produção de GPR100, que ajusta as taxas de alimentação dos monômeros alimentados para o reator de acordo com o valor Y*, de modo a estabelecer a pressão desejada do ponto de ajuste dentro do reatorde leito fluidizado.
[0030] Por meio de um exemplo simplificado, pode-se supor que o GPRé operado na ausência de componentes inertes para a polimerização (por exemplo, nitrogênio, propano), de modo que a somadas pressões parciais Pm dos monômeros que estão reagindo coincida com a pressão absoluta total P no reator.
[0031] Se a taxa de produção corrente do reator em fase gasosa for de Y = 4 ton/hora de polímero e a pressão corrente do reator for de p = 1700 KPa (17 bar), então o Controle da Pressão de GPR200 da figura 1 detecta a razão Y/p = 0,235 ton/(hbar) e então multiplica a dita razão pela pressão do ponto de ajuste P*. Supondo que P* = 1800 KPa (18 bar), isto significa que o Controle da Pressão 200 irá ajustar a taxa deprodução do ponto de ajuste Y* a (0,235 x 18) = 4,23 ton/h.
[0032] Na base do dito valor Y* gerado pelo controle da pressão 200, o Controle da Taxa de Produção 100 ajusta automaticamente as taxas de alimentação dos monômeros de olefina (por exemplo, C2-, C3- , C4- como ilustrado na figura 1) fornecido ao reator em fase gasosa. Como dito no Controle da Taxa de Produção de GPR100 ajusta as taxas de alimentação dos monômeros de olefina novos, que também leva em conta os pontos de ajuste 120 das percentagens dos monômeros a serem ligados no polímero produzido.
[0033] No caso exemplificado, de acordo com o valor Y* = 4,23 ton/h, o Controle da Taxa de Produção 300 irá aumentar as taxas de alimentação de monômero para o reator até aumentar a pressão dentro do reator próximo ao valor do ponto de ajuste de 1800 KPa (18 bar).
[0034] Quando for restabelecida a pressão apropriada, o processo de controle da invenção é repetido como descrito acima.
[0035] No exemplo acima, para clareza, o controle é descrito como sendo exercitado na base da pressão total no reator. Isto é apropriado quando a soma das pressões parciais dos componentes inertes (por exemplo, propano) no reator pode em substância ser negligenciada em comparação com a soma das pressões parciais dos monômeros no reator. Isto podia surgir, pelo menos teoricamente, porém na prática podem estar presentes quantidades não negligenciáveis de componentes inertes (nitrogênio, propano etc.) em um reator com leito fluidizado para favorecer uma remoção parcial do calor de polimerização (a reação de polimerização sendo exotérmica).
[0036] A invenção também se refere a um programa de computador que, quando funciona em um computador, é responsável pelo controle do processo de um reator de polimerização em fase gasosa com leito fluidizado na produção de um polímero de acordo com o processo descrito acima.
[0037] Outro aspecto da invenção fornece um controlador do processo para o controle de um reator de polimerização em fase gasosa com leito fluidizado na produção de um polímero. Em um exemplo de modalidade o controlador compreende:(A) meios para determinar uma razão (Y/P; Y/Pm) da taxa de produção (Y) do polímero no reator à pressão (P; Pm) no reator,(B) meios para ajustar uma taxa de produção (Y*) do polímero no reator cuja taxa de produção Y*, na base da razão da etapa (A), corresponde a uma pressão desejada (P*) no reator;(C) meios para ajustar as taxas de alimentação dos monômeros para o reator de acordo com a taxa de produção ajustada (Y*) do polímero no reator.
[0038] Como pode ser entendido pela figura 1, os meios (B) podem ser um controle de pressão de GPR, que calcula uma taxa de produção do ponto de ajuste (Y*) no reator multiplicando-se a dita razão (Y/Pm) pelo valor (P* - Pi), em que P* é a pressão do ponto de ajuste no reator, Pi = soma das pressões parciais dos componentes inertes no reator.
[0039] Os meios (C) podem ser um controle da taxa de produção, que na base da dita taxa de produção do ponto de ajuste (Y*), ajusta automaticamente as taxas de alimentação dos monômeros de olefina fornecidos ao reator em fase gasosa.
[0040] Pode ser aplicada uma restrição se a pressão no GPR exceder a pressão (P*) no ponto de ajuste por mais do que certa quantidade, por exemplo, de 50 KPa (0,5 bar). Neste caso a taxa de produção é rapidamente reduzida para reduzir a pressão no GPR. Além disso, o controle como descrito acima não precisa ser ativo durante a partida da planta, pois fortes mudanças no nível do polímero podem afetar durante algum tempo os cálculos envolvidos no controle.
[0041] Para maximizar a produção de um dado polímero no GPR tanto o nível do polímero como a pressão no GPR precisam sermantidos a um máximo possível. O nível de polímero no GPR pode ser regulado, por exemplo, por um controlador PID (Proporcional-lntegral- Diferencial) que age sobre as válvulas de descarga de polímero do GPR. A pressão é regulada pelo controle da presente invenção que age no ponto de ajuste da taxa de produção do controle de produção do GPR, que por sua vez age sobre as taxas de alimentação do monômero novo.
[0042] Um controle de pressão do GPR de acordo com a modalidade da figura 1 foi implementado pelo requerente em uma planta de polimerização que compreende um Reator com leito fluidizado: o controle da pressão do GPR forneceu resultados muito satisfatórios com o valor eficaz KPa (bar) de pressão P no reator que segue intimamente o valor do ponto P*de ajuste da pressão do GPR. Foi descoberto que o processo de controle da invenção é capaz de manter a pressão dentro do reator próxima ao ponto de ajuste desejado.
Claims (5)
1. Processo de controle para controlar um reator de polimerização com leito fluidizado na produção de um polímero, o processo sendo caracterizado pelo fato de que compreende as etapas a seguir:(a) determinar uma razão, (Y/Pm), da taxa de produção do polímero no reator, (Y), para a pressão no reator (Pm),(b) ajustar uma taxa de produção do polímero no reator cuja taxa de produção, com base na dita razão da etapa (a), corresponda a uma pressão desejada no reator; e(c) ajustar as taxas de alimentação dos monômeros no reator de acordo com a dita taxa de produção no ponto de ajuste.
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pressão no reator, (Pm), é a soma das pressões parciais dos monômeros no reator e a razão (Y/Pm) é detectada como um valor pontual a um intervalo de tempo pré-ajustado.
3. Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o dito intervalo de tempo pré-ajustado varia de 30 segundos a 5 minutos.
4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a etapa b) determina uma taxa de produção no ponto de ajuste (Y*) no reator multiplicando a dita razão (Y/Pm) pelo valor de (P* - Pi), em que P* é a pressão no ponto de ajuste no reator e Pi é a soma das pressões parciais dos componentes inertes no reator.
5. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a etapa c) é operada por meio de um Controle da Taxa de Produção, que, partindo da dita taxa de produção no ponto de ajuste (Y*), ajusta automaticamente as taxas de alimentação dos monômeros fornecidos ao reator em fase gasosa.
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