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1、Liaoning Key Laboratory of Manufacturing System and Logistics,乙烯生产过程操作优化,东北大学物流优化与控制研究所 辽宁省制造系统与物流管理重点实验室,石化过程系统工程(PSE)研究室,1. 石脑油裂解制乙烯生产过程,2. 机理模型介绍,3. 一次反应选择性系数估计,内容,4. 并行混合多目标遗传算法,5. 工业应用,1. 石脑油裂解制乙烯生产过程,2. 机理模型介绍,3. 一次反应选择性系数估计,4. 并行混合多目标遗传算法,5. 工业应用,1.石脑油裂解制乙烯生产过程,研究背景,乙烯是石油化工业最重要的单体，是生产有机原料的基础。
2、半个世纪以来，管式炉蒸汽热裂解制乙烯装置已经非常成熟，生产了全世界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，其生产规模、产量和技术都标志着一个国家石油化工业的发展水平。,热裂解制乙烯装置是石油化工行业中生产能力最高，同时也是能耗最大的装置之一。在裂解炉内发生的高温、强吸热和短停留时间的复杂烃裂解反应基本上决定了整个乙烯装置的产品收率和主要能耗指标。所以裂解炉的操作水平和技术水平直接影响着整个乙烯厂的经济效益。,1.石脑油裂解制乙烯生产过程,裂解原料,乙烯生产的原料，按来源主要有两个方面，一是天然气加工厂的轻烃，如乙烷、丙烷、丁烷、天然汽油等，二是炼油厂
3、的加工产品，如炼厂气、汽油、煤油、柴油、重油等，以及炼油厂二次加工油，如焦化氢油、加氢裂化油等。,按物料的状态可分为气态原料和液态原料两大类；最普遍的分类是按密度分为轻质原料和重质原料。一般认为乙烷、丙烷、丁烷、液化石油气属于轻质原料；石脑油、煤油、轻柴油、重柴油属重质原料。石脑油是世界上最主要的裂解制乙烯原料。,1.石脑油裂解制乙烯生产过程,石脑油的组成,石脑油又称直馏汽油，原油经常压蒸馏馏分馏出初馏点至200的馏分油称为全沸程石脑油，如果切取初馏点至130或以前馏分称为轻石脑油。,直链烷烃得到的乙烯收率最高,支链烷烃更易生成丙烯、丁烯等,1.石脑油裂解制乙烯生产过程,蒸汽裂解炉,蒸汽裂解炉
4、品牌主要有凯洛格公司的毫秒裂解炉，美国鲁姆斯生产的SRT型裂解炉、斯通-韦伯斯特USC型裂解炉、荷兰国KTI公司的GK型裂解炉等。,对流段,石脑油,稀释蒸汽,辐射加热,产品,裂解管,燃料,(1) 石脑油原料进入到对流段进行加热； (2) 稀释蒸汽进入到对流段，与石脑油 汇同并完全汽化； (3) 混合气体进入到辐射段的炉盘管中 并迅速发生裂解反应，生成以乙烯、 丙烯为主的裂解气; (4) 裂解气产品被送往下游工序进行分离。,1.石脑油裂解制乙烯生产过程,当前研究中存在的问题,Kumar模型中的二次反应的反应选择性系数可以不变，而一次反应的选择性系数随着油品的不同而不同。所以一次反应选择性系数的准
5、确估计是一个非常重要的课题，它直接影响到整个模拟的精度。而通过工业试验或实验室实验来确定频繁变化的油品的反应系数是费时费力的。所以根据以往数据的经验来估算一次反应选择性系数，从而对产物产率进行准确估计是非常重要的。,裂解炉在全周期操作过程中由于结焦的影响，其操作状态是不断变化的，所以裂解炉全周期操作本身就有较大的优化空间。已报道的研究工作中，多以乙烯产率为目标，固定一个周期内的操作参数进行优化计算，并未深入挖掘裂解炉在全周期操作过程中的生产潜力。因此在一个裂解周期的开始和结束时状况有较大差异,不应采用同样的操作参数，所以有十分必要研究一个周期内各时间对操作变量进行调整的优化问题。,1. 石脑油
6、裂解制乙烯生产过程,2. 机理模型介绍,3. 一次反应选择性系数估计,4. 并行混合多目标遗传算法,5. 工业应用,2.机理模型介绍,Kumar分子反应动力学模型,Kumar模型包括1个一次反应和21个二次反应，其试验结果表明21个二次反应的选择性系数固定，而一次反应选择性系数应随着石脑油种类的不同而变化。,2.机理模型介绍,Kumar分子反应动力学模型,2.机理模型介绍,Kumar分子反应动力学模型,在分子反应动力学模型中，Kumar模型应用最为广泛并且被证明具有较高的精度，在工业裂解炉的建模中取得了比较好的效果。,(1-1),(1-2),质量平衡方程,质量平衡方程,2.机理模型介绍,Kum
7、ar分子反应动力学模型,2.机理模型介绍,Kumar分子反应动力学模型,(1-3),能量平衡方程,将炉膛内的温度分布看作是拟一维模型，即炉膛内的烟气温度分布只与高度有关，同一高度上的烟气温度相同。再根据辐射室的烟气分布模型，可以得到能量平衡方程,根据以上三式可以中顺沿各微元段逐段求解，直至反应管出口，进而得到乙烯、丙烯等组分的产率。,2.机理模型介绍,Kumar分子反应动力学模型,炉内主要裂解产物产率随管长的变化情况,2.机理模型介绍,Kumar分子反应动力学模型,炉管内反应物温度随管长的变化情况,2.机理模型介绍,Kumar分子反应动力学模型,炉管内压强随管长的变化情况,2.机理模型介绍,K
8、umar结焦模型,烃类蒸气热裂解不可避免的会在裂解炉管内壁生成一层焦体，焦体的厚度随裂解时间的延续会逐步增加，且沿炉管长度的空间分布也不相同。,炉管结焦会造成两个个不良后果： 一是增加了管壁的热阻，影响传热效果，若维持裂解深度，则将提高管壁温度，增加能耗； 二是结焦使得管内径减小，管内压降增加，从而降低了乙烯的收率。,当管壁温度达到允许极限或压降达到允许极限时，裂解炉就得停炉清焦；清焦次数的增加将对乙烯生产、燃料消耗、炉管寿命等都带来不利影响。,2.机理模型介绍,Kumar结焦模型,其中，其中Ca为芳香烃浓度，EC为结焦反应活化能(MJ/kmol) 。,结焦速率方程,其中，其中c为焦层密度 。
9、,相应的每一微元段的新流通内径为：,2.机理模型介绍,考虑结焦模型的全周期模拟,SW炉结焦厚度全周期分布图,2.机理模型介绍,考虑结焦模型的全周期模拟,SW炉炉管外壁温度全周期分布图,2.机理模型介绍,考虑结焦模型的全周期模拟,SW炉乙烯产率随裂解天数的变化情况,2.机理模型介绍,考虑结焦模型的全周期模拟,SW炉丙烯产率随裂解天数的变化情况,2.机理模型介绍,考虑结焦模型的全周期模拟,SW炉全周期乙烯产率计算值与实测值的比较,1. 石脑油裂解制乙烯生产过程,2. 机理模型介绍,3. 一次反应选择性系数估计,4. 并行混合多目标遗传算法,5. 工业应用,3.一次反应选择性系数估计,基于标准数据库
10、的一次反应选择性系数的估计方法,先假定一组系数，计算出各产物产率值，再根据计算得到的产率和实验测出的产率的差来调整这组系数。,通过反复迭代计算，最终得到一组满足误差限制的一次反应系数，这个过程称为一次反应选择性系数的回归计算。,这样就得到了一组与相应石脑油对应的精确一次反应选择性系数，把这套数据加入一个标准数据库中。,有了标准数据库之后，再用一种适合的模糊匹配方法估计待估计油品的一次反应选择性系数，通过模拟得到裂解产物的产率。,3.一次反应选择性系数估计,一次反应选择性系数的回归方法,Kumar提出的一次反应方程如下：,使用Kumar的热裂解制乙烯的分子反应动力学模型进行模拟的过程可以用如下方
11、程表示： 其中，函数f指模拟过程的模型，w指实际裂解产物产率结果，z代表一次反应选择性系数，k代表操作条件。,回归方法需要找到与石脑油原料性质、操作条件和裂解产物分布相对应的一次反应选择性系数。,一次反应选择性系数的回归求解相当于根据已知的k与w来求z。,3.一次反应选择性系数估计,确定一次反应选择性系数的优化模型,第i项表示某种石脑油的第i个产物产率的计算值与实际值之间的差值。,3.一次反应选择性系数估计,确定一次反应选择性系数的简单对应式算法,反应系数z的修正算法为：,3.一次反应选择性系数估计,确定一次反应选择性系数的简单对应式算法,3.一次反应选择性系数估计,模糊匹配法估计一次反应选择
12、性系数,建立足够多的标准样本点以后，就可采用模糊匹配法对未知产率分布的石脑油进行一次反应选择性系数的估计。,模糊匹配的目的是在已知数据库的样本中，寻找与待估样本的物性数据或参数等相应值最为接近的一定数目的标准样本点(3个或更多)，也即选择出隶属度较大的3个标准样本。然后用选择出的3个样本的一次反应选择性系数加权估算待估样本的一次反应选择性系数z，并据此由裂解过程模型计算出主要产物产率。,选取较大的三个样本，则其总隶属度函数分别为P1(s)、P2(s) 、P3(s) ，相应的一次反应选择性系数向量(10维)为z(1)、z(2)、z(3)，则待估样本的一次反应选择性系数计算结果为：,3.一次反应选
13、择性系数估计,模糊匹配法估计一次反应选择性系数,3.一次反应选择性系数估计,模糊匹配法估计一次反应选择性系数,乙烯、丙烯产率实验值与模糊匹配计算值对照图,1. 石脑油裂解制乙烯生产过程,2. 机理模型介绍,3. 一次反应选择性系数估计,4. 并行混合多目标遗传算法,5. 工业应用,4.并行多目标遗传算法,裂解炉模拟模型的封装,裂解炉拟稳态模型,裂解炉结焦模型,4.并行多目标遗传算法,石脑油裂解生产过程的全周期操作优化模型,优化目标：乙烯和丙烯的产率,机理模型,各拟稳态的管外壁温度约束,各拟稳态的压降约束,操作变量上下限约束,4.并行多目标遗传算法,每隔一定代数就进行通讯，将SQP得到的解作为外
14、部精英集传给NSGA-II,4.并行多目标遗传算法,NSGA-II的基本思想,1. 石脑油裂解制乙烯生产过程,2. 机理模型介绍,3. 一次反应选择性系数估计,4. 并行混合多目标遗传算法,5. 工业应用,5.工业应用 乙烯裂解炉模拟优化系统,模块设计与功能实现,炉型结构组态模块,EPSOS内嵌的炉型建模模块PipePainter可以对不同炉型进行可视化灵活组态。组态模块根据裂解炉炉型的特点把整个炉管分成不同类型的组件，例如长直管、弯头、三通等等，可以直接使用这些组件非常灵活地建模。,5.工业应用 乙烯裂解炉模拟优化系统,一次反应选择性系数的反推计算模块,5.工业应用 乙烯裂解炉模拟优化系统,裂解炉的模拟模块,5.工业应用 乙烯裂解炉模拟优化系统,优化计算模块,5.工业应用 乙烯裂解炉模拟优化系统,结果显示模块,5.工业应用 乙烯裂解炉模拟优化系统,应用效益,5.工业应用 乙烯裂解炉模拟优化系统,对利用EPSOS优化计算得到的优化操作策略的应用表明，乙烯总平均产率比优化前提高了0.61 wt，对于年产24万吨乙烯石油化工厂，年效益可达4607万元（按照2007年10月24日乙烯到岸价格）。,
