RS20070332A - Postupak za kontrolisanje procesa za proizvodnju sirćetne kiseline - Google Patents

Abstract

Objavljenje postupak za kontrolisanje procesa za proizvodnju sirćetne kiseline karbonilovanjem metanola. Postupak obuhvata sledeće stupnjeve: kontrolisanje (monitorisanje) brzine proizvodnje sirćetne kiseline; smanjenje proizvodne brzine u odgovoru na neku promenu u uslovima postupka (procesa) ili uslovima procesne opreme; pošto je produkciona brzina smanjena, kontrolisanje postupka pri smanjenoj produkcionoj brzini i povećanje produkcione brzine pošto je sređena promena uslova sve dok se bar produkciona brzina ne vrati na normalni radni opseg; pri čemu za vreme bar jednog od stupnjeva smanjenja produkcione brzine, kontrolisanja postupka pri smanjenoj produkcionoj brzini i povećanja produkcione brzine sve dok se produkciona brzina ne vrati na normalni radni (operativni) opseg, postupak se kontroliše pomoću nelinearne multipromenljive kontrole bazirane na modelu ovog postupka. Takođe je objavljen postupak za proizvodnju sirćetne kiseline, u kojem se bar reakciona sekcija ovog postupka kontroliše uz primenu multipromenljivog nelinearnog pretskazujućeg kontrolora baziranog na nelinearnom modelu ovog postupka. Kontrola ovog postupka je bazirana na istom modelu za vreme normalnih operacija, za vreme uslova poremećaja postupka i takođe za vreme perioda povraćaja nakon što je poremećaj sređen.

Description

POSTUPAKZA KONTROLISANJE PROCESA ZA PROIZVODNJU

SIRĆETNE KISELINE

Oblast pronalaska

Ovaj pronalazak se odnosi na kontrolu postupaka za proizvodnju sirćetne kiseline karbonilovanjem metanola ili njegovog derivata koji se može karbonilovati, a naročito na postupak kontrole za vreme poremećaja procesa i za vreme povraćaj a iz njega.

Tehnička pozadina

Od sada korišćenih postupaka za sintetizovanje sirćetne kiseline, jedan od komercijalno najkorisnijih je katalizovano karbonilovanje metanola ugljen-monoksidom kao što se saznaje (uči) u SAD patentu br. 3.769.329 koji je objavljen od strane Paulik-a et al., 30. oktobra 1973. Katalizator za karbonilovanje sadrži rodijum, bilo rastvoren ili drugačije dispergovan u tečnom reakcionom medij umu ili nanet na inertan čvrsti nosač, zajedno sa promotorom katalizatora koji sadrži halogen kao što je metil-jodid. Rodijum se može uneti u reakcioni sistem u bilo kojem od mnogo oblika,

i tačna priroda rodijumovog dela molekula unutar kompleksa aktivnog katalizatora nije sigurna. Isto tako, priroda halogenidnog promotora nije kritična. Imaoci patenta otkrivaju vrlo veliki broj pogodnih promotora, od kojih su većina organski jodidi. Najtipičnije i najkorisnije, ova reakcija se izvodi kontinualnim provođenjem (u vidu mehurova) gasovitog ugljenmonoksida kroz tečni reakcioni medijum u kojem je katalizator rastvoren ili suspendovan.

Unapređenje u prethodnom stanju tehnike za postupak karbonilovanja alkohola da se proizvede karboksilna kiselina koja ima jedan atom ugljenika više od ovog alkohola u prisustvu rodijumovog katalizatora je otkriveno (objavljeno) u opšte prenetim SAD patentima br. 5.001.259, objavljenom 19. marta 1991; 5.026.908, objavljenom 25. juna 1991 i 5.144.068, objavljenom 1. septembra 1992 i evropskom patentu br. EP 0 161 874 B2, publikovanom 1. jula 1992. Kao što je tu otkriveno, sirćetna kiselina se proizvodi iz metanola ili iz njegovog derivata koji se može karbonilovati, u reakcionom medij umu koji sadrži metilacetat, metil-jodid, naročito metil-jodid, i rodijum koji je prisutan u katalitički efektivnoj koncentraciji. Ovi patenti otkrivaju da se stabilnost katalizatora i produktivnost reaktora za karbonilovanje mogu održavati pri iznenađujuće visokim nivoima, čak pri vrlo niskim koncentracijama vode, tj., pri 4 težinska procenta ili manje, u reakcionom medij umu (uprkos generalnoj industrijskoj praksi održavanja od približno 14-15 težinskih % vode) održavanjem u reakcionom medij umu, istovremeno sa katalitički efektivnom količinom rodijuma i bar konačnom (ograničenom) koncentracijom vode, specificiranom koncentracijom jodidnih jona preko i iznad sadržaja jodida koji je prisutan kao metil-jodid ili neki drugi organski jodid. Ovaj jodidni jon je prisutan kao prosta so, pri čemu je od prednosti litijum-jodid. Ovi patenti uče da su koncentracije metil-acetata i jodidnih soli značajni parametri u uticanju na brzinu (stepen) karbonilovanja metanola da se proizvede sirćetna kiselina, naročito pri niskim koncentracijama vode u reaktoru. Primenjujući relativno visoke koncentracije metil-acetata i jodidne soli, postiže se iznenađujući stepen stabilnosti katalizatora i produktivnosti reaktora čak i kada tečni reakcioni medij um sadrži vodu u tako niskim koncentracijama kao što je oko 0,1 težinski %, tako niskim da se to široko može definisati kao „konačna koncentracija" vode. Dalje, upotrebljeni reakcioni medijum poboljšava stabilnost rodijumovog katalizatora, tj. povećava otpornost prema taloženju katalizatora, naročito za vreme stupnjeva postupka za izdvajanje produkta. U ovim stupnjevima destilacija za svrhu izdvajanja produkta - sirćetne kiseline teži da ukloni iz katalizatora ugljenmonoksid koji je u okolini održavanoj u reakcionom sudu ligand sa stabilizujućim efektom na rodijum. SAD patenti br. 5.001.259, 5.026.908 i 5.144.068 su ovde inkorporirani referencom.

Kao kod bilo kojeg složenog hemijskog postupka (procesa), gore opisani postupak karbonilovanja metanola zahteva monitorisanje (praćenje) i kontrolu više uslova postupka (procesa) kao što su brzine punjenja metanola i ugljen-monoksida, temperatura i pritisak reaktora, temperatura i pritisak parnog kazana, uslovi destilacije i slično. Naročito se procesni uslovi (postupka) pažljivo kontrolišu da se osigura da produkt - sirćetna kiselina bude ekstremno čist, a naročito daje suštinski bez vode (anhidrovan), metanola i propionske kiseline. Konsekventno tome, kada se jedan ili više od ovih procesnih uslova iznenada menja kao posledica nekog neočekivanog događaja kao što je iznenadno smanjenje snabdevanja ugljen-monoksidom, otkazivanje pumpe za katalizator, ili slično, brzina proizvodnje se mora podesiti obično na dole - da se osigura da produkt - sirćetna kiselina nastavlja da zadržava specifikacije kvaliteta. Međutim, poželjno je da se što je moguće brže vrati na normalne radne uslove posle nekog remećenja procesa (postupka). Međutim, primećeno je da kontrolori postupka koji upotrebljavaju standardne linearne kontrolne algoritme ne obezbeđuju dovoljno brz povraćaj iz veliko-magnitudnih procesnih remećenja (narušavanja) zbog toga što su kontrolori udešeni (prilagođeni) da održavaju kontrolu preko uskog opsega „normalno" operišućih (radnih) uslova pre nego preko širokog opsega koji rezultuje iz značajnog remećenja. Naročito, linearni kontrolori su ograničeni u tome daje koeficijent kontrolora (tj., odnos između veličine neke devijacije iz ciljnih uslova vezanih sa nekom kontrolnom promenljivom (kontrolnim promenljivima) i veličine korektivnog kontrolnog dejstva postignutog uz primenu manipulišućih promenljivih) pre fiksiran (utvrđen) a ne promenljiv. Jedan primer nekog koeficijenta je količina promene protoka pare koja je potrebna izmenjivaču toplote da uzrokuje promenu od jednog stepena u temperaturi procesne struje. Za vreme promena brzina, kao što su poremećaji, sastav procesne struje će se promeniti rezultujući u promeni količine pare potrebne da uzrokuje jedan stepen promene temperature. Zbog ovog ograničenja linearnih kontrolora, većina multipromenljivih pretskazujućih kontrolora nije pogodna da održava kontrolu i brzo vraća iz velikomagnitudnih procesnih remećenja. Čak i gde ovi kontrolori rade na bazi empirijskog ili teorijskog modela ovog procesa (postupka), podupiruća pretpostavka (postavka) njihove kontrolne sheme je obično da ovi koeficijenti procesa (tj., veličina procesnog odgovora na kontrolno dejstvo) su više ili manje linearni. Ova postavka (pretpostavka) proizvodi (preokreće) daje nešto nepouzdano za hemijske procese (postupke), naročito gde je odstupanje od ciljnih uslova vrlo veliko ili gde se više

međusobno povezanih reakcija vrši simultano.

Na primer, patentna prijava u USA br. 2003/0018213 prema Thiebaut-u odnosi se na postupak za praćenje proizvodnje sirćetne kiseline i/ili metilacetata u kontinualnom preparativnom postupku karbonilovanjem metanola ili derivata metanola koji se može karbonilovati sa ugljenmonoksidom u tečnoj fazi, u prisustvu vode i sistema homogenog katalizatora, koji se vrši u industrijskom postrojenju koje obuhvata reakcionu zonu, zonu za rektifikaciju lakih frakcija i zonu za destilaciono prečišćavanje, pri čemu se temperatura reaktora i brzina punjenja metanola ili derivata metanola koji se može karbonilovati u pomenutom reaktoru dovode pod kontrolu, pogodno pomoću multipromenljivo pretskazujućeg kontrolora, zatim pomoću brzine punjenja ugljenmonoksida i pomoću bar jednog od parametara koji definišu sastav reakcionog medijuma i/ili pomoću ventilatora. Medjutim, ovaj postupak se odnosi na kontrolisanje u toku normalnih operativnih uslova, a ne za vreme neke promene u procesnom uslovu, niti neke promene u uslovu procesne opreme.

Ovo je tačno situacija u reaktoru sa sirćetnom kiselinom, gde pored karbonilovanja metanola, jedan molekul metanola može reagovati (reverzibilno) sa jednim molekulom sirćetne kiseline da formira metil-acetat i vodu; dva molekula metanola mogu reagovati da formiraju dimetil-etar i vodu i metil-acetat može takođe reagovati direktno sa ugljen-monoksidom i vodom da formira sirćenu kiselinu. Ustvari, to preokreće (proizvodi) da bar neki od procesnih koeficijenata za reaktor karbonilovanja metanola nisu samo nelinearni već stvarno menjaju znak u zavisnosti od uslova postupka (procesa). Za vreme značajnih procesnih poremećaja u postupku (procesu) karbonilovanja metanola, naročito je neverovatno da koeficijenti budu konstantni, što čini linearnu kontrolu manje efektivnom.

Uprkos opaženim nedostacima kontrolora baziranih na linearnom modelu za reakcione sisteme sirćetne kiseline, uopšte nije smatrano odgovarajućim da se za ovu primenu upotrebe nelinearni kontrolori. Do sada, uopšte se mislilo da se nelinearni kontrolori najbolje upotrebljavaju u okolinama gde se procesne grupne tačke namerno menjaju (npr., da se promeni stepen čistoće produkta) i cilj je da se minimizira prelazno (tranziciono) vreme između stupnjeva. Postojanje nelinearnih kontrolnih aplikacija (primena) fokusirano je na proizvodnju polimera gde postoje česte promene u stupnjevima (čistoće) produkta. Ove aplikacije nisu fokusirane na promene povezane sa brzinom. Međutim, ostaje potreba za kontrolnim sistemima koji su pogodni da upravljaju nelinearnim procesima (postupcima) u odgovoru na neočekivana narušavanja (disturbancije) tako da osiguraju brz povraćaj.

Jedan takav sistem koji je sada komercijalno raspoloživ je sistem firme ASPEN Technologv koji koristi dve odvojene komponente da upravlja poremećajem procesa. Pored dinamičkog kontrolora za održavanje kontrole dok se ne pripremi disrupcija (rušenje), ASPEN-ovo rešenje koristi odvojenu koeficijent popisanu komponentu koja je tako dizajnirana da ostvari povratak na normalne radne uslove. Kao efekat, popisivač koeficijenta tretira povratak od abnormalnih do normalnih uslova kao promenu stupnja i nakon povratka nameće niz suštinski linearnh prelaza (tranzicija). Pa ipak, ostaje potreba za kontrolnim sistemom koji integriše ove komponente. Ovo otkriće postiže ovaj cilj.

REZIME OVOG PRONALASKA

U jednom aspektu, ovo otkriće opisuje postupak kontrolisanja postupka (procesa) za proizvodnju sirćetne kiseline karbonilovanjem metanola ili njegovog derivata koji se može karbonilovati koji obuhvata kontrolu (monitorisanje) brzine proizvodnje sirćetne kiseline; smanjenje brzine proizvodnje u odgovoru na neku promenu u uslovima procesa (postupka) ili uslovima procesne opreme; pošto je proizvodna brzina smanjena, kontrolisanje postupka (procesa) pri smanjenoj proizvodnoj brzini i povećanje proizvodne brzine nakon što je sređena pomenuta promena uslova dok se bar produkciona brzina vrati na normalni radni opseg; pri čemu za vreme bar jednog od stupnjeva smanjenja produkcione brzine, kontrolisanja postupka (procesa) pri smanjenoj produkcionoj brzini i povećanja produkcione brzine sve dok se produkciona brzina ne vrati na normalni radni opseg, postupak se kontroliše pomoću nelinearne multipromenljive kontrole bazirane najednom modelu ovog postupka (procesa). Otkriven postupak može održavati kontrolu za vreme više različitih promena uslova, koje uključuju ali se ne ograničavaju na jednu ili više sledećih promena: (a) suštinska smanjenja u raspoloživosti ugljen-monoksida; (b) otkazivanje pumpe katalizatora ili pumpe za snabdevanje; (c) gubitak kapaciteta zagrevanja ili hlađenja; (d) plavljenje donjostrujne kolone za prečišćavanje; (e) značajne devijacije (odstupanja) od očekivanih sastava u jednoj ili više struja vezanih sa kolonom za prečišćavanje (na primer, nedovoljno vode ili višak sirćetne kiseline u gornjoj frakciji kolone lakih frakcija, što može rezultovati u gubitku separacije faze); (f) manjak kapaciteta skladištenja za produkt - sirćetnu kiselinu i slične promene. Ovaj postupak takođe može da održava kontrolu gde je prelaz (tranzicija) planirana produkciona brzina ili promena stupnja.

U drugom aspektu, ovo otkriće opisuje postupak za proizvodnju sirćetne kiseline karbonilovanjem metanola, koji uključuje stupanj kontrolisanja bar jedne reakcione sekcije ovog procesa i/ili prečišćavajuće sekcije ovog procesa uz primenu multipromenljivog nelinearnog pretskazujućeg kontrolora koji se bazira na nelinearnom modelu ovog procesa (postupka). Ovaj kontrolor primenjuje isti procesni model da kontroliše proces (postupak) za vreme normalnih operacija, za vreme uslova poremećaja procesa i takođe za vreme perioda povraćaj a nakon što je poremećaj sređen (spremljen).

Kratakopis crteža

Iako je ovaj pronalazak prijemčiv za različite modifikacije i alternativne oblike, prikazana su specifična oličenja pomoću primera u crtežima i ovde će biti detaljno opisana. Međutim, treba razumeti da ovaj pronalazak nema nameru da bude ograničen na izložene posebne oblike. Pre svega, ovaj pronalazak ima nameru da pokrije sve modifikacije, ekvivalente i alternative koji padaju unutar opsega ovog pronalaska kao stoje definisano u priloženim zahtevima.

Slika 1 je shematski dijagram reprezentativnog postupka (procesa) karbonilovanja metanola koji je pogodan za primenu sa ovim pronalaskom.

Slika 2 je dijagram zavisnosti brzine proizvodnje sirćetne kiseline od vremena za period koji uključuje narušavanje (disturbanciju) procesa i period povraćaj a nakon toga koji se očekuju kada se upotrebljava kontrolor na bazi nelinearnog modela prema jednom aspektu ovog otkrića (pronalaska).

Slika 3 je dijagram zavisnosti brzine proizvodnje sirćetne kiseline od vremena za period povraćaj a nakon narušavanja (disturbancije) procesa, Kriva A predstavlja odgovor sa kombinacijom operatora koji je ostvario regulacionu kontrolu koja je praćena standardnom kontrolom na bazi linearnog modela. Kriva B predstavlja poboljšan odgovor koji je dobiven uz primenu kontrolora na bazi nelinearnog modela prema jednom aspektu ovog otkrića (pronalaska).

Opis ilustrativnih oličenja

Dole su opisani jedno ili više ilustrativnih oličenja ovog pronaaska. U interesu jasnoće, u ovoj specifikaciji nisu opisane sve karakteristike aktuelne implementacije. Naravno biće uvaženo (cenjeno) da u razvoju bilo kojeg takvog aktuelnog oličenja, moraju se načiniti brojne implementaciono-specifične odluke (izbori) da se postignu specifični ciljevi razvijača postupka, kao što su saglasnost sa ograničenjima koja se odnose na sistem i na rad (posao), koja će varirati od jedne do druge implementacije. Čak šta više, biće uvaženo da bi takav razvojni napor mogao biti složen (kompleksan) i uzimao mnogo vremena, ali bi ipak bio rutinski pothvat (zadatak) za one koji su uobičajeno verzirani u ovoj oblasti tehnike koji imaju dobrobit (beneficiju) ovog pronaalska.

Slika 1 prikazuje uobičajeno korišćen postupak (proces) karbonilovanja

metanola za proizvodnju sirćetne kiseline. Kao što je objašnjeno u SAD patentima br. 3.769.329 i 5.001.259, koji su ovde inkorporirani referencom, reakcija karbonilovanja se tipično vrši uvođenjem ugljenmonoksida i punjenja koje sadrži metanol i/ili njegov derivat koji se može karbonilovati, u mešajući reaktor sa katalizatorom, na primer,

rodijumovim ili iridijumovim katalizatorom, organskim jodidom kao što je metil-jodid, i (u slučaju rodijumovog katalizatora) neorganskim jodidom kao što je litijum-jodid kao što je gore opisano. Reaktorski efluent (tečnost koja ističe) se ispari da se izdvoje katalizator i neorganski jodid. Ovo se često vrši u odvojenom sudu koji nije prikazan na slici 1, iz kojeg se ostatak recikliše u reaktor i produkt gornje frakcije sa glave kolone se podvrgava dopunskom prečišćavanju. Produkt iz parne struje se podvrgava nizu destilacija da se prečisti produkt - sirćetna kiselina uklanjanjem i recikliranjem neproreagovanog metanola, metil-acetata i metil-jodida u „koloni sa lakim frakcijama" ili „spliter" koloni (za cepanje); uklanjanjem vode u koloni za sušenje i (ako je to potrebno) uklanjanjem propionske kiseline, drugih jedinjenja koja sadrže karbonil kao što su krotonaldehid i viših alkil-jodida kao što je heksil-jodid u koloni sa „teškim frakcijama" Poznato je više daljih prečišćavanja (rafiniranja); na primer, gornja frakcija iz kolone sa lakim frakcijama se tipično sastoji od odvojenih (posebnih) teških i lakih tečnih faza koje se odvajaju u sudu „dekanteru" i da one mogu biti odvojeno procesuirane (npr., da se uklone alkani i acetaldehid) pre vraćanja u reaktor. Uopšte je poznato daje nesposobnost da se održava ovo razdvajanje tečno-tečne faze indikacija nekih procesnih problema koji, ako nisu korigovani, značajno mogu pogoršati izvođenje ovog postupka (procesa).

Isto tako će se razumeti da više drugih procesnih disrupcija (narušavanja) može zahtevati privremeno smanjenje u brzini produkcije sirćetne kiseline dok se problem ne koriguje. Na primer, značajno smanjenje u snabdevanju bilo ugljenmonoksida ili metanola u reaktor jasno će zahtevati smanjenje brzine proizvodnje. Manje očigledno, otkazivanje pumpe katalizatora ili gubitak pare za zagrevanje destilacionih kolona takođe može zahtevati privremeno smanjenje brzine. Plavljenje kolone za prečišćavanje što indicira promenu sastava u reakcionom sistemu, takođe može zahtevati smanjenje brzine. Kao praktična stvar, smanjenja brzine mogu takođe biti potrebna ako postoji manjak raspoloživog kapaciteta skladištenja za produkt - sirćetnu kiselinu.

Kada disrupcija (narušavanje) procesa (postupka) zahteva smanjenje brzine proizvodnje sirćetne kiseline, naravno je vrlo važno da se minimizira trajanje smanjenja brzine. Gde je disrupcija (narušavanje) relativno minornog značaja, to

automatski može korigovati tipični linearni multipromenljivi pretskazujući kontrolor; ali u slučaju veće disrupcije (narušavanja) pretskazujući model dat u ovom kontroloru tipično nije dovoljno robustan da korektno izračuna zahtevano (potrebno) korigujuće dejstvo. Naročito, zbog toga što takav kontrolor uzima da su procesni koeficijenti linearni, izlaz kontrolora će se menjati vrlo sporo (i pri konstantnoj brzini) da izbegne prekomernu kompenzaciju. Kao rezultat toga, to može uzeti nekoliko sati, ili čak

dana, za postupak proizvodnje sirćetne kiseline da se povrati iz ozbiljnog narušavanja procesa čak i pošto je samo narušavanje sređeno (spremljeno). Kada pogon radi pri ili blizu kapaciteta jer je visok zahtev, produžena kašnjenja u vraćanju na puni kapacitet mogu iznositi milione dolara izgubljenog profita.

Jedan alternativni pristup koji se susreo sa nekim uspehom je „popisivanje koeficijenta (dobiti)". Ovaj pristup primenjuje ograničen broj odvojenih setova (grupa) kontrolora koji usaglašavaju parametre da kontrolišu diskretne, dobro karakterisane radne regione unutar ukupnog radnog opsega ovog procesa (postupka). Kao efekat, ovaj pristup priprema nelinearne procesne koeficijente daljim deljenjem procesa u radne regione unutar kojih je ovaj procesni koeficijent manje ili više linearan. Ova dva glavna izazova u implementiranju ovog pristupa su razvoj višestrukih, odvojenih setova (grupa) kontrolnih parametara i tačna identifikacija tranzicionih (prelaznih) tačaka između radnih regiona.

Takođe je ekstremno važno da se osigura da se kontrola procesa (postupka) održava za vreme ozbiljnog narušavanja (disturbancije) procesa. Za sve efektivne svrhe, ne mora biti moguće, ili odgovarajuće da se dalje podeli na manje moguće delove period povraćaja u višestruke linearne regione. Na taj način, sistemi sa koeficijentima nisu naročito pogodni za upravljanje narušavanjima procesa (postupka) jer su oni primarno dizajnirani da olakšaju planirane prelaze (tranzicije) između dva radna stanja, a ne da brzo pospeše povraćaj iz neke neočekivane i značajne promene u radnim uslovima. Naročito, pristup sa popisanim koeficijentima bi efektivno zahtevao odvojen set parametara za podešavanje procesa za povraćaj iz svakog verovatnog narušavanja (disturbancije). Nasuprot tome, kontrolni sistem na bazi nelinearnog modela prema ovom pronalasku bi zahtevao samo jedan set kontrolnih parametara zbog toga što sam model odgovara za narušavanja procesa.

Kao što je gore primećeno, do nedavno primena kontrole procesa na bazi nelinearnog modela je bila smatrana neodgovarajućom za složene hemijske procese (postupke) kao što je karbonilovanje metanola zbog velikog broja konkurentnih reakcija i kompleksnog ponašanja procesnih koeficijenata, kao i zbog visoke cene razvoja akuratnog procesnog modela pogodnog za implementaciju nelinearne kontrole. Međutim, ovi prijavioci su otkrili da nelinearna kontrola bazirana na akuratnom procesnom modelu može obezbediti značajno brži povraćaj iz procesnih narušavanja (disturbancija) nego popisivanje koeficijenata ili sličan pristup jer kontrolor bolje može da korektno pretskaže efekat promena izlaza kontrolora u odnosu na proces (postupak). Ovaj brži povraćaj prenosi u povećanu profitabilnost jer se proces brže vraća na rad pri njegovom optimalnom kapacitetu.

Ovo poboljšano vreme povraćaja je shematski prikazano na Slici 2, koja je generični dijagram brzine proizvodnje kiseline u odnosu na vreme. Ciljna produkciona brzian Rl se održava do vremena ti, kada narušavanje (disturbancija) procesa (kao što je iznenadno smanjenje snabdevanja ugljenmonoksidom) zahteva smanjenje produkcione brzine do R2 pri vremenu t2 do t3, kada se kori guje uslov koji zahteva rez brzine. Uz primenu kontrole bazirane na nelinearnom modelu prema ovom pronalasku, nelinearni multipromenljivi kontrolor vratio je proces (postupak) na produkcionu brzinu Rl pri vremenu t4. Nasuprot tome, zbog toga što linearni multipromenljvi kontrolor radi samo preko uzanog radnog opsega, povraćaj procesa se obično ostvaruje (upravlja) kombinacijom linearne automatske kontrole i direktne operatorske kontrole. Pod ovim uslovima, ovaj proces (postupak) se sporije vraća na produkcionu brzinu Rl. Pod kontrolom baziranom na nelinearnom modelu prema ovom pronalasku, kontrolor bolje može da pretskaže efekte promena izlaza kontrolora, omogućujući brži odgovor. Kao rezultat toga, proces se brže vraća na postojano stanje (ravnotežno stanje). Ovo je prikazano na Slici 3, u kojoj uz primenu kontrole bazirane na linearnom modelu u kombinaciji sa direktnom operatorskom kontrolom, proces se vraća na ravnotežno (postojano) stanje duž krive A, dostižući originalnu brzinu Rl pri vremenu t5. Nasuprot tome, uz primenu kontrole bazirane na nelinearnom modelu prema postupku (procesu) ovog pronalaska, ovaj proces se vraća na ravnotežno (postojano) stanje duž strme (tj. brže) krive B, dostižući originalnu brzimu Rl pri vremenu t4. Biće naglašeno da se ovaj postupak (proces) vraća mnogo brže iz narušavanja (disturbancije) procesa kada se kontrolni sistem bazira na akuratnom (tačnom) nelinearnom modelu ovog procesa.

Kontrola bazirana na nelinearnom modelu prema ovom pronalasku može takođe da se primeni, u različitim oličenjima, da kontroliše proces u toku vremena kada se koriguje uslov koji zahteva rez brzine, tj. između vremena t2 i t3. Zbog toga što smanjena produkciona brzina R2 može biti jedinstvena za svaki pojedinačni tip poremećaja procesa i, zaista, za različita događanja istog poremećaja procesa, kontrola bazirana na nelinearnom modelu ima pogodnosti (beneficije) u odnosu na kontrolu baziranu na linearnom modelu za vreme ovog korektivnog perioda. Ako se kontrola bazirana na linearnom modelu primenjuje u toku ovog vremena, trebali bi se razviti odvojeni setovi (grupe) kontrolnih parametara za svaki mogući (zamišljivi) poremećaj postupka (procesa). Slično tome, ima se u vidu da kontrola bazirana na nelinearnom modelu prema ovom pronalasku takođe se može, u različitim oličenjima, koristiti da kontroliše ovaj postupak (proces) u toku vremena kada je presečena produkciona brzina (kada postoji rez produkcione brzine), tj., između vremena ti i t2.

Prema tome, ovi prijavioci su pronašli da za postupak karbonilovanja metanola, primećeni nedostaci nelinearne kontrole dalje ne nadmašuju prednosti. Naročito, visoka cena razvoja pretskazujućeg modela koji u potpunosti opravdava nelinearnosti u ovim procesnim koeficijentima je protivpotraživanje pomoću potencijalnih ušteda u troškovima koje rezultuju iz bržeg vraćanja na ravnotežno (postojano) stanje što omogućava takav model.

Pogodni kontrolni softver za implementaciju multipromenljive nelinearne kontrole uključuje Galaxy Nonlinear Control sistem iz firme PAS, Inc. Sistem za modelovanje PAS NOVA® ili sličan paket se može upotrebiti da se razvije prvo-načelni model ovog sistema. Ovaj sistem je naročito odgovarajući za postupak za proizvodnju sirćetne kiseline jer je pogodan za modelovanje složene reakcione sheme u reaktoru kao i procesa odvajanja donje struje. Za razliku od pretskazujućih sistema sa linearnim modelom, Galaxy sistem uzima u obzir procesne nelinearnosti tako da se jedan set (grupa) parametara za podešavanje kontrolora može primeniti da se upravlja celokupnim procesom (postupkom). Ovo se fundamentalno razlikuje od pristupa sa „popisivanjem koeficijenta" u kojem se odvojeni setovi (grupe) kontrolnih parametara implementiraju u zavisnosti od uslova ovog postupka (procesa).

Od strane onih koji su verzirani u ovoj oblasti koji imaju beneficiju ovog pronalaska biće prepoznato da za bilo koji specifični postupak za proizvodnju sirćetne kiseline verovatno su različite zavisne promenljive, npr., kontrolisane promenljive i nezavisne promenljive, npr., manipulišuće promenljive i eksterna narušavanja (disturbancije). Iako različite procesne implementacije verovatno imaju zajedničke neke takve zavisne i nezavisne promenljive, takođe verovatno postoje razlike između različitih implementacija. Slično tome, set koeficijenata koji će biti od primarnog interesa za procesnu kontrolu biće različit za svaku implementaciju procesa (postupka) za karbonilovanje metanola. Iako će neki koeficijenti verovatno biti od interesa za svaku od procesnih implementacija, može se očekivati da će neki koeficijenti biti važni za samo neke procesne implementacije. Isto tako, značaj bilo kojeg koeficijenta variraće za svrhe modelovanja među ovim procesima.

Tipičan postupak (proces) karbonilovanja metanola može imati koliko god 20 do 25 zavisnih promenljivih asociranih sa ciljnim uslovima i koliko god 15 do 20 nezavisnih promenljivih koje obezbeđuju korektivnu kontrolu. Zavisne promenljive za koje se može očekivati da su zajedničke za više procesa (postupaka) karbonilovanja metanola uključuju izlazni ventil snabdevanja ugljenmonoksidom - procentno otvoren; protok snabdevanja ugljenmonoksidom; izlazni ventil za hlađenje reaktora - procentno otvoren; nivo reaktora; izlazni ventil za protok struje ispiranja reaktora - procentno otvoren; izlazni ventil protoka za recikliranje katalizatora - procentno otvoren; diferencijalni pritisak kolone sa lakim freakcijama; dekanter na koloni sa gornjim lakim frakcijama za dekantovanje teške faze specifične težine; diferencijalni pritisci kolone za sušenje; kontrolna temperatura kolone za sušenje; vodena koncentracija donje sekcije (dna) kolone za sušenje; vodena koncentracija ostatka kolone za sušenje; izlazni ventil protoka pare kolone za sušenje; i nivo prijemnika (risivera) gornje frakcije kolone za sušenje. Od strane onih koji su verzirani u ovoj oblasti koji imaju beneficiju ovog pronalaska biće prepoznato da sve ove zavisne promenljive ne moraju biti relevantne za neke procese (postupke) i da dodatna zavisna promenljiva može biti relevantna za neke procese (postupke).

Nezavisne promenljive za koje se može očekivati da su zajedničke za više postupaka (procesa) karbonilovanja metanola uključuju protok punjenja metanola; temperaturu reaktora; protok reaktora do parnog kazana; kontrolnu temperaturu kolone za sušenje; prijemnik refluksa gornje frakcije kolone za sušenje do protoka kolone za sušenje; prijemnik reciklovane tečnosti gornje frakcije kolone za sušenje do protoka reaktora; i pritisak prijemnika gornje frakcije kolone za sušenje. Od strane onih koji su verzirani u ovoj oblasti koji imaju beneficiju ovog otkrića (pronalaska) biće prepoznato da sve ove nezavisne promenljive ne moraju biti relevantne za neke procese (postupke) i da dodatna nezavisna promenljiva može biti relevantna za neke procese (postupke).

Sa ovim brojem zavisnih promenljivih i nezavisnih promenljivih koje mogu biti releventne za bilo koju posebnu procesnu implementaciju, broj potencijalnih koeficijenata koji bi mogao biti razmatran za nelinearnu multipromenljivu kontrolu je potencijalno značajan. Kao što bi se moglo odrediti iz modelovanja ovog procesa (postupka), koeficijenti (dole prikazani kao nezavisna promenljiva: zavisna promenljiva) za koje bi se moglo očekivati da su zajednički za više procesnih implementacija za karbonilovanje metanola uključuju a) kontrolnu temperaturu kolone za sušenje: koncentraciju vode u ostatku kolone za sušenje; b) kontrolnu temperaturu kolone za sušenje: izlazni ventil protoka pare kolone za sušenje; c) pritisak prijemnika (risivera) gornje frakcije kolone za sušenje: diferencijalne pritiske kolone za sušenje; d) prijemnik reciklirirane tečnosti gornje frakcije kolone za sušenje do protoka reaktora: nivo prijemnika gornje frakcije kolone za sušenje; e) refluks prijemnika gornje frakcije kolone za sušenje do protoka kolone za sušenje: diferencijalne pritiske kolone za sušenje; f) refluks prijemnika gornje frakcije kolone za sušenje do protoka kolone za sušenje: kontrolnu temperaturu kolone za sušenje; g) refluks prijemnika gornje frakcije kolone za sušenje do protoka kolone za sušenje: izlazni ventil protoka pare kolone za sušenje; h) refluks prijemnika gornje frakcije kolone za sušenje do protoka kolone za sušenje: diferencijalne pritiske kolone za sušenje; i) pritisak kolone za sušenje: koncentraciju vode donje sekcije (dna) kolone za sušenje; j) pritisak kolone za sušenje: kontrolnu temperaturu kolone za sušenje; k) pritisak kolone za sušenje: koncentraciju vode ostatka kolone za sušenje; 1) pritisak kolone za sušenje: izlazni ventil protoka pare kolone za sušenje; m) protok punjenja metanola: protok snabdevanja ugljen-monoksidom; n) protok punjenja metanola: izlazni ventil snabdevanja ugljen-monoksidom - procentno otvoren; o) protok punjenja metanola: diferencijalne pritiske kolone za sušenje; p) protok punjenja metanola: nivo prijemnika gornje frakcije kolone za sušenje; q) protok punjenja metanola: koncentraciju vode ostatka kolone za sušenje; r) protok punjenja metanola: diferencijalni pritisak kolone lakih frakcija; s) protok punjenja metanola: dekanter teške faze specifične težine kolone gornjih lakih frakcija; t) protok punjenja metanola: izlazni ventil hlađenja reaktora - procentno otvoren; u) protok punjenja metanola: nivo reaktora; v) temperaturu reaktora: dekanter teške faze specifične težine kolone gornjih lakih frakcija; w) reaktor do protoka parnog kazana: izlazni ventil protoka recikliranja katalizatora - procentno otvoren; x) reaktor do protoka parnog kazana: diferencijalni pritisak kolone lakih frakcija; y) reaktor do protoka parnog kazana: nivo reaktora i z) reaktor do protoka parnog kazana: reaktor do izlaznog ventila protoka brze struje ispiranja - procentno otvoren. Od strane onih koji su verzirani u ovoj oblasti koji imaju beneficiju ovog pronalaska biće prepoznato da svi od ovih koeficijenata ne moraju biti relevantni za modele nekih postupaka i da dopunski koeficijenti mogu biti relevantni za modele nekih postupaka. Specifični izbori u koeficijentima koji će biti uključeni u neki model variraće od postupka do postupka i variraće na bazi brojnih faktora, koji uključuju, ali nisu ograničeni samo na njih, kontrolne ciljeve (predmete), kontrolnu strategiju i druga praktična razmatranja, kao što je pouzdanost signala. Napor da se identifikuju ovi koeficiuenti koji bi se trebali primeniti za nelinearnu multipromenljivu kontrolu za bilo koji specifični postupak, iako moguće složeni i uzimajući vreme (potrošači vremena), bili bi rutinski pothvat za one koji su verzirani u ovoj oblasti koji imaju beneficiju ovog otkrića.

U jednom naročito pogodnom oličenju, kontrolni sistem baziran na ovom modelu takođe uključuje sposobnost realno-vremenske ekonomske optimizacije. Ova osobina omogućava sistemu da identifikuje i implementira kontrolne promene koje optimizuju brzinu proizvodnje sirćetne kiseline u odnosu na cenu punjenja i koristi (npr., paru i električnu struju) tako da ovaj postupak može raditi pri najekonomičnijim beneficiranim uslovima.

Da se olakša bolje razumevanje ovog pronalaska dati su sledeći primeri nekih aspekata nekih oličenja. Ni na koji način bi se trebali čitati ili definisati sledeći primeri tako da ograniče opseg ovog pronalaska.

PRIMERI

Primer 1

Postupak karbonilovanja metanola, kao što je opšte prikazan na Slici 1, izvođenje na način sa malo vode pod uslovima ravnotežnog (postojanog) stanja pri ciljnoj brzini proizvodnje Rl, na bazi protoka metanola.

Pri vremenu (trenutku) ti, postupak je podvrgnut poremećaju pri čemu je ogledom ispitivano smanjenje protoka ugljenmonoksida. Pri vremenu t2, postupak je vršen pri smanjenoj brzini proizvodnje R2, koja je bila 32% od brzine pri Rl. U tom trenutku, postupak je stavljen (podvrgnut) pod kontrolu na bazi nelinearnog modela sa više promenljivih, koji je dobiven iz prvo-načelnog modeliranja. Uslovi kada je vršen (radio) ovaj postupak pri vremenu t2, koji su dati bilo kao razlika između respektivnih uslova pre poremećaja postupka ili kao procenat respektivnog uslova pre poremećaja postupka (100%) bili su sledeći:

razlika temperature: -12°C

pritisak reaktora: 94,6%

protok ugljenmonoksida: 32%

Pri vremenu (trenutku) t3, povraćen je protok ugljenmonoksida. U tom vremenu (trenutku), postupak je vršen pri brzini proizvodnje koja je bila 31% od brzine proizvodnje pri Rl. Uslovi postupka pri vremenu (trenutku) t3, koji su dati bilo kao razlika između respektivnih uslova pre poremećaja postupka ili kao procenat respektivnog uslova pre poremećaja postupka (100%) bili su sledeći:

razlika temperature: -20°C

pritisak reaktora: 100%

protok ugljenmonoksida: 31%

Ovaj postupak je održavan pod kontrolom na bazi nelinearnog modela sa više promenljivih tako da se postupak vrati na uslove prethodnog ravnotežnog stanja koji su povezani sa ciljnom produkcionom brzinom Rl, koja je bila postignuta u vremenu t4. Pri vremenu t4, uslovi postupka, koji su dati bilo kao razlika između respektivnih uslova pre poremećaja postupka ili kao procenat respektivnog uslova pre poremećaja postupka (100%) bili su sledeći:

razlika temperature: < 1°C

pritisak reaktora: 100%

protok ugljenmonoksida: 100%

Ovaj povraćaj od smanjene produkcione brzine R2 prema ovom primeru je prikazan na Slici 2 i takođe pomoću krive B na Slici 3.

Glavni sastav reakcionog medijuma, uključuje, ali nije ograničen samo na to, koncentracije metil-jodida i metil-acetata pri vremenima t2, t3 i t4 su suštinski bile nepromenjene od onih koncentracija pre poremećaja postupka, dokazujući da sposobnost kontrole bazirane na multipromenljivom nelinearnom modelu efikasno vraća postupak za proizvodnju sirćetne kiseline na ciljne produkcione brzine nakon nekog poremećaja.

Komparativni primer 2

Postupak karboniulovanja metanola je radio na način kao što je opisano u primeru 1, osim što je u vremenu t3, ovaj postupak stavljen pod kombinaciju operatora koji ostvaruje regulacionu kontrolu i kontrolu na bazi multipromenljivog linearnog modela da vrati postupak na uslove prethodnog ravnotežnog (postojanog) stanja vezanog sa ciljnom produkcionom brzinom Rl, koja je postignuta u vremenu t5. Povraćaj iz ove smanjene produkcione brzine R2 prema ovom komparativnom primeru je prikazan pomoću krivce A na Slici 3.

Zbog toga je ovaj pronalazak dobro podešen da ostvari ove ciljeve i dostigne pomenute krajeve i prednosti kao i one koji su tu inherentni. Iako je ovaj pronalazak prikazan i opisan pomoću reference na primerena (ilustrativna) oličenja ovog pronalaska, takva referenca ne implicira ograničenje ovog poronalaska i takvo ograničenje ne treba izvesti. Ovaj pronalazak je pogodan za značajnu modifikaciju, alternaciju i ekvivalente u obliku i funkciji, kao što će se to desiti onima koji su verzirani u ovoj oblasti pogodne tehnike i koji imaju beneficiju ovog otkrića. Na primer, ovaj pronalazak nije ograničen na primenu postupaka koji koriste rodijum kao katalizator. Ovaj pronalazak se može primeniti na sisteme koji upotrebljavaju druge sisteme katalizatora, uključujući postupke koji koriste iridijum. Prikazana i opisana oličenja ovog pronalaska su samo primerena (ilustrativna) i ne iscrpljuju opseg ovog pronalaska. Konsekventno tome, ovaj pronalazak ima nameru da bude ograničen samo duhom i opsegom priloženih zahteva, dajući puno razumevanje ekvivalentima u svim obzirima.

Claims (15)

1. Postupak kontrolisanja procesa za proizvodnju sirćetne kiseline karbonilovanjem metanola ili njegovog derivata koji se može karbonilovati,naznačen time,što obuhvata kontrolu brzine proizvodnje sirćetne kiseline; smanjenje proizvodne brzine u odgovoru na promenu u procesnom uslovu ili uslovu procesne opreme; nakon stoje smanjena produkciona brzina, kontrolisanje procesa pri smanjenoj produkcionoj brzini i povećanje produkcione brzine pošto je pomenuta promena uslova sređena dok se bar produkciona brzina vrati na normalni radni opseg; pri čemu za vreme bar jednog od stupnjeva smanjenja produkcione brzine, kontrolisanja postupka (procesa) pri smanjenoj produkcionoj brzini i povećanja produkcione brzine dok se produkciona brzina ne vrati na normalni radni opseg, ovaj postupak (proces) se kontroliše pomoću nelinearne multipromenljive kontrole bazirane na modelu ovog procesa.

2. Postupak prema zahtevu 1,naznačen time,što procesni model obuhvata dinamički model od bar jedne reakcione sekcije ovog procesa.

3. Postupak prema zahtevu 1,naznačen time,što procesni model obuhvata dinamički model od bar jedne sekcije za prečišćavanje ovog procesa.

4. Postupak prema zahtevu 1,naznačen time,što procesni model obuhvata prvo-načelni model od bar jedne reakcione sekcije ovog procesa.

5. Postupak prema zahtevu 1,naznačen time,što procesni model obuhvata prvo-načelni model od bar jedne sekcije za prečišćavanje ovog procesa.

6. Postupak prema zahtevu 1,naznačen time,što je promena uslova odabrana iz grupe koja se sastoji od sledećih promena (a) suštinsko smanjenje raspoloživosti ugljenmonoksida; (b) otkazivanje pumpe katalizatora; (c) gubitak kapaciteta zagrevanja ili hlađenja; (d) plavljeje donjostrujne kolone za prečišćavanje; (e) značajna odstupanja od očekivanih sastava u jednoj ili više struja vezanih sa kolonom za prečišćavanje; (f) manjak kapaciteta skladištenja za produkt - sirćetnu kiselinu i njihove kombinacije.

7. Postupak prema zahtevu 1,naznačen time,što dalje obuhvata stupanj kontinualno optimizujućih procesnih uslova baziran na procesnom modelu kada je produkciona brzina unutar normalnog radnog opsega.

8. Postupak prema zahtevu 7,naznačen time,što pomenuti optimizujući stupanj uravnotežava ekonomsku vrednost asociranu sa povećanom ili smanjenom produkcionom brzinom nasuprot promenjene cene sirovih materijala (sirovina) i energije asocirane sa povećanom ili smanjenom brzinom.

9. Postupak za proizvodnju sirćetne kiseline karbonilovanjem metanola,naznačen time,što obuhvata stupanj kontrolisanja bar jedne reakcione sekcije ovog postupka uz primenu multipromenljivog nelinearnog pretskazujućeg kontrolora baziranog na prvo-načelnom modelu ovog postupka, pri čemu ovaj kontrolor koristi isti procesni model da kontroliše postupak za vreme normalnih operacija, za vreme uslova poremećaja postupka i za vreme perioda vraćanja pošto je poremećaj sređen.

10. Postupak prema zahtevu 9,naznačen time,što uslovi poremećaja procesa obuhvataju jedan ili više sledećih uslova (a) suštinsko smanjenje raspoloživosti ugljenmonoksida; (b) otkazivanje pumpe katalizatora; (c) gubitak kapaciteta zagrevanja ili hlađenja; (d) plavljenje donjostrujne kolone za prečišćevanje; (e) značajna odstupanja od očekivanih sastava u jednoj ili više struja asociranih sa kolonom za prečišćavanje; (f) manjak kapaciteta skladištenja za produkt - sirćetnu kiselinu i njihove kombinacije.

11. Postupak prema zahtevu 9,naznačen time,što dalje obuhvata stupanj primene kontrolora da kontinualno optimizuje uslove postupka na bazi procesnog modela kada postupak radi unutar normalnog radnog opsega.

12. Postupak prema zahtevu 11,naznačen time,što pomenuti optimizujući stupanj uravnotežava ekonomsku vrednost asociranu sa povećanom ili smanjenom produkcionom brzinom proizvodnje sirćetne kiseline nasuprot promenjene cene sirovih materijala (sirovina) i energije asociranih sa povećanom ili smanjenom brzinom.

13. Postupak prema zahtevu 1,naznačen time,što za vreme bar stupnja kontrolisanja postupka pri smanjenoj produkcionoj brzini, postupak se kontroliše pomoću nelinearne multipromenljive kontrole bazirane na modelu ovog postupka.

14. Postupak prema zahtevu 1,naznačen time,što za vreme bar stupnja povećanja produkcione brzine sve dok se produkciona brzina ne vrati na normalni radni opseg, postupak se kontroliše pomoću nelinearne multipromenljive kontrole bazirane na modelu ovog postupka.

15. Postupak kontrolisanja postupka za proizvodnju sirćetne kiseline karbonilovanjem metanola,naznačen time,što obuhvata kontrolu brzine proizvodnje sirćetne kiseline; smanjenje proizvodne brzine u odgovoru na promenu u procesnom uslovu ili uslovu procesne opreme; nakon što je smanjena produkciona brzina, kontrolisanje postupka pomoću nelinearne multipromenljive kontrole bazirane na modelu ovog postupka; povećanje produkcione brzine nakon što se sredila pomenuta promena uslova i održavanje nelinearne multipromenljive kontrole bazirane na procesnom modelu bar dok se produkciona brzina ne vrati na normalni radni opseg.