1、乙烯生產過程具體操作優化的培訓教案1. 石腦油裂解制乙烯生產過程2. 機理模型介紹3. 一次反應選擇性系數估計內容4. 并行混合多目標遺傳算法5. 工業應用1. 石腦油裂解制乙烯生產過程2. 機理模型介紹3. 一次反應選擇性系數估計4. 并行混合多目標遺傳算法5. 工業應用1.石腦油裂解制乙烯生產過程研究背景 乙烯是石油化工業最重要的單體，是生產有機原料的基礎。半個世紀以來，管式爐蒸汽熱裂解制乙烯裝置已經非常成熟，生產了全世界99%的乙烯和65%的丙烯，并伴有丁二烯、乙炔、苯、甲苯、二甲苯等其他重要石化原料，其生產規模、產量和技術都標志著一個國家石油化工業的發展水平。 熱裂解制乙烯裝置是石油化

2、工行業中生產能力最高，同時也是能耗最大的裝置之一。在裂解爐內發生的高溫、強吸熱和短停留時間的復雜烴裂解反應基本上決定了整個乙烯裝置的產品收率和主要能耗指標。所以裂解爐的操作水平和技術水平直接影響著整個乙烯廠的經濟效益。1.石腦油裂解制乙烯生產過程裂解原料 乙烯生產的原料，按來源主要有兩個方面，一是天然氣加工廠的輕烴，如乙烷、丙烷、丁烷、天然汽油等，二是煉油廠的加工產品，如煉廠氣、汽油、煤油、柴油、重油等，以及煉油廠二次加工油，如焦化氫油、加氫裂化油等。 按物料的狀態可分為氣態原料和液態原料兩大類；最普遍的分類是按密度分為輕質原料和重質原料。一般認為乙烷、丙烷、丁烷、液化石油氣屬于輕質原料；石腦

3、油、煤油、輕柴油、重柴油屬重質原料。石腦油是世界上最主要的裂解制乙烯原料。1.石腦油裂解制乙烯生產過程石腦油的組成 石腦油又稱直餾汽油，原油經常壓蒸餾餾分餾出初餾點至200的餾分油稱為全沸程石腦油，如果切取初餾點至130或以前餾分稱為輕石腦油。 直鏈烷烴得到的乙烯收率最高 支鏈烷烴更易生成丙烯、丁烯等1.石腦油裂解制乙烯生產過程蒸汽裂解爐 蒸汽裂解爐品牌主要有凱洛格公司的毫秒裂解爐，美國魯姆斯生產的SRT型裂解爐、斯通-韋伯斯特USC型裂解爐、荷蘭國KTI公司的GK型裂解爐等。對流段石腦油稀釋蒸汽輻射加熱產品裂解管燃料(1) 石腦油原料進入到對流段進行加熱；(2) 稀釋蒸汽進入到對流段，與石腦

4、油 匯同并完全汽化；(3) 混合氣體進入到輻射段的爐盤管中 并迅速發生裂解反應，生成以乙烯、 丙烯為主的裂解氣;(4) 裂解氣產品被送往下游工序進行分離。1.石腦油裂解制乙烯生產過程當前研究中存在的問題 Kumar模型中的二次反應的反應選擇性系數可以不變，而一次反應的選擇性系數隨著油品的不同而不同。所以一次反應選擇性系數的準確估計是一個非常重要的課題，它直接影響到整個模擬的精度。而通過工業試驗或實驗室實驗來確定頻繁變化的油品的反應系數是費時費力的。所以根據以往數據的經驗來估算一次反應選擇性系數，從而對產物產率進行準確估計是非常重要的。 裂解爐在全周期操作過程中由于結焦的影響，其操作狀態是不斷變

5、化的，所以裂解爐全周期操作本身就有較大的優化空間。已報道的研究工作中，多以乙烯產率為目標，固定一個周期內的操作參數進行優化計算，并未深入挖掘裂解爐在全周期操作過程中的生產潛力。因此在一個裂解周期的開始和結束時狀況有較大差異,不應采用同樣的操作參數，所以有十分必要研究一個周期內各時間對操作變量進行調整的優化問題。1. 石腦油裂解制乙烯生產過程2. 機理模型介紹3. 一次反應選擇性系數估計4. 并行混合多目標遺傳算法5. 工業應用2.機理模型介紹Kumar分子反應動力學模型 Kumar模型包括1個一次反應和21個二次反應，其試驗結果表明21個二次反應的選擇性系數固定，而一次反應選擇性系數應隨著石腦

6、油種類的不同而變化。2.機理模型介紹Kumar分子反應動力學模型2.機理模型介紹Kumar分子反應動力學模型 在分子反應動力學模型中，Kumar模型應用最為廣泛并且被證明具有較高的精度，在工業裂解爐的建模中取得了比較好的效果。(1-1)(1-2)質量平衡方程質量平衡方程2.機理模型介紹Kumar分子反應動力學模型2.機理模型介紹Kumar分子反應動力學模型(1-3)能量平衡方程 將爐膛內的溫度分布看作是擬一維模型，即爐膛內的煙氣溫度分布只與高度有關，同一高度上的煙氣溫度相同。再根據輻射室的煙氣分布模型，可以得到能量平衡方程 根據以上三式可以中順沿各微元段逐段求解，直至反應管出口，進而得到乙烯、

7、丙烯等組分的產率。2.機理模型介紹Kumar分子反應動力學模型爐內主要裂解產物產率隨管長的變化情況2.機理模型介紹Kumar分子反應動力學模型爐管內反應物溫度隨管長的變化情況2.機理模型介紹Kumar分子反應動力學模型爐管內壓強隨管長的變化情況2.機理模型介紹Kumar結焦模型 烴類蒸氣熱裂解不可避免的會在裂解爐管內壁生成一層焦體，焦體的厚度隨裂解時間的延續會逐步增加，且沿爐管長度的空間分布也不相同。 爐管結焦會造成兩個個不良后果：一是增加了管壁的熱阻，影響傳熱效果，若維持裂解深度，則將提高管壁溫度，增加能耗；二是結焦使得管內徑減小，管內壓降增加，從而降低了乙烯的收率。 當管壁溫度達到允許極限

8、或壓降達到允許極限時，裂解爐就得停爐清焦；清焦次數的增加將對乙烯生產、燃料消耗、爐管壽命等都帶來不利影響。2.機理模型介紹Kumar結焦模型其中，其中Ca為芳香烴濃度，EC為結焦反應活化能(MJ/kmol) 。結焦速率方程其中，其中c為焦層密度 。相應的每一微元段的新流通內徑為：2.機理模型介紹考慮結焦模型的全周期模擬SW爐結焦厚度全周期分布圖2.機理模型介紹考慮結焦模型的全周期模擬SW爐爐管外壁溫度全周期分布圖2.機理模型介紹考慮結焦模型的全周期模擬SW爐乙烯產率隨裂解天數的變化情況2.機理模型介紹考慮結焦模型的全周期模擬SW爐丙烯產率隨裂解天數的變化情況2.機理模型介紹考慮結焦模型的全周期

9、模擬SW爐全周期乙烯產率計算值與實測值的比較1. 石腦油裂解制乙烯生產過程2. 機理模型介紹3. 一次反應選擇性系數估計4. 并行混合多目標遺傳算法5. 工業應用3.一次反應選擇性系數估計基于標準數據庫的一次反應選擇性系數的估計方法 先假定一組系數，計算出各產物產率值，再根據計算得到的產率和實驗測出的產率的差來調整這組系數。 通過反復迭代計算，最終得到一組滿足誤差限制的一次反應系數，這個過程稱為一次反應選擇性系數的回歸計算。 這樣就得到了一組與相應石腦油對應的精確一次反應選擇性系數，把這套數據加入一個標準數據庫中。 有了標準數據庫之后，再用一種適合的模糊匹配方法估計待估計油品的一次反應選擇性系

10、數，通過模擬得到裂解產物的產率。3.一次反應選擇性系數估計一次反應選擇性系數的回歸方法Kumar提出的一次反應方程如下： 使用Kumar的熱裂解制乙烯的分子反應動力學模型進行模擬的過程可以用如下方程表示： 其中，函數f指模擬過程的模型，w指實際裂解產物產率結果，z代表一次反應選擇性系數，k代表操作條件。 回歸方法需要找到與石腦油原料性質、操作條件和裂解產物分布相對應的一次反應選擇性系數。一次反應選擇性系數的回歸求解相當于根據已知的k與w來求z。3.一次反應選擇性系數估計確定一次反應選擇性系數的優化模型 第i項表示某種石腦油的第i個產物產率的計算值與實際值之間的差值。3.一次反應選擇性系數估計確

11、定一次反應選擇性系數的簡單對應式算法反應系數z的修正算法為：3.一次反應選擇性系數估計確定一次反應選擇性系數的簡單對應式算法3.一次反應選擇性系數估計模糊匹配法估計一次反應選擇性系數 建立足夠多的標準樣本點以后，就可采用模糊匹配法對未知產率分布的石腦油進行一次反應選擇性系數的估計。 模糊匹配的目的是在已知數據庫的樣本中，尋找與待估樣本的物性數據或參數等相應值最為接近的一定數目的標準樣本點(3個或更多)，也即選擇出隸屬度較大的3個標準樣本。然后用選擇出的3個樣本的一次反應選擇性系數加權估算待估樣本的一次反應選擇性系數z，并據此由裂解過程模型計算出主要產物產率。 選取較大的三個樣本，則其總隸屬度函

12、數分別為P1(s)、P2(s) 、P3(s) ，相應的一次反應選擇性系數向量(10維)為z(1)、z(2)、z(3)，則待估樣本的一次反應選擇性系數計算結果為：3.一次反應選擇性系數估計模糊匹配法估計一次反應選擇性系數3.一次反應選擇性系數估計模糊匹配法估計一次反應選擇性系數乙烯、丙烯產率實驗值與模糊匹配計算值對照圖1. 石腦油裂解制乙烯生產過程2. 機理模型介紹3. 一次反應選擇性系數估計4. 并行混合多目標遺傳算法5. 工業應用4.并行多目標遺傳算法裂解爐模擬模型的封裝裂解爐擬穩態模型裂解爐結焦模型4.并行多目標遺傳算法石腦油裂解生產過程的全周期操作優化模型優化目標：乙烯和丙烯的產率機理模

13、型各擬穩態的管外壁溫度約束各擬穩態的壓降約束操作變量上下限約束4.并行多目標遺傳算法 每隔一定代數就進行通訊，將SQP得到的解作為外部精英集傳給NSGA-II4.并行多目標遺傳算法NSGA-II的基本思想1. 石腦油裂解制乙烯生產過程2. 機理模型介紹3. 一次反應選擇性系數估計4. 并行混合多目標遺傳算法5. 工業應用5.工業應用 乙烯裂解爐模擬優化系統 模塊設計與功能實現爐型結構組態模塊 EPSOS內嵌的爐型建模模塊PipePainter可以對不同爐型進行可視化靈活組態。組態模塊根據裂解爐爐型的特點把整個爐管分成不同類型的組件，例如長直管、彎頭、三通等等，可以直接使用這些組件非常靈活地建模。5.工業應用 乙烯裂解爐模擬優化系統 一次反應選擇性系數的反推計算模塊5.工業應用 乙烯裂