一種石腦油高溫蒸汽裂解制乙烯分子反應(yīng)模型優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種石腦油高溫蒸汽裂解制取乙烯的分子反應(yīng)動力學(xué)模型-Kumar分子反應(yīng)動力學(xué)模型的調(diào)整與參數(shù)優(yōu)化方法，屬于乙烯裂解爐流程模擬與生產(chǎn)操作優(yōu)化工程領(lǐng)域。針對不同石腦油特性組成、爐型結(jié)構(gòu)和操作條件，利用混沌優(yōu)化方法自適應(yīng)調(diào)節(jié)反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)，兼顧碳?xì)淦胶夂彤a(chǎn)物收率誤差最小以及二次反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)微調(diào)，提高反應(yīng)模型對不同石腦油的適應(yīng)性和過程模型的準(zhǔn)確性，同時(shí)提供了一個(gè)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的軟件系統(tǒng)。該方法能夠根據(jù)不同石腦油特性自動調(diào)整Kumar模型一次選擇性系數(shù)和二次反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)，克服了原有模型對石腦油適應(yīng)性差的缺點(diǎn)，可根據(jù)不同爐型結(jié)構(gòu)和操作條件準(zhǔn)確模擬石腦油高溫蒸汽裂解過程和產(chǎn)物分布。
【專利說明】一種石腦油高溫蒸汽裂解制乙烯分子反應(yīng)模型優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種石腦油高溫蒸汽裂解制取乙烯的分子反應(yīng)動力學(xué)模型-Kumar分子反應(yīng)動力學(xué)模型的調(diào)整與參數(shù)優(yōu)化方法，針對不同石腦油特性組成自適應(yīng)調(diào)節(jié)分子反應(yīng)動力學(xué)模型一次選擇性系數(shù)和二次反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)，提高模型對不同石腦油高溫裂解的適應(yīng)性和裂解過程模型的準(zhǔn)確性。
【背景技術(shù)】
[0002]乙烯作為基本的有機(jī)化工原料和工業(yè)生產(chǎn)中活躍的中間媒介，享有“石油化工之母”的榮譽(yù)稱號。制取乙烯的方法有很多，其中以蒸汽熱裂解技術(shù)發(fā)展最充分，使用也較廣泛。全世界有超過95%的乙烯和60%左右的丙烯都產(chǎn)自于蒸汽裂解過程，蒸汽是用來降低烴分壓，達(dá)到增加烯烴選擇性、減少爐管結(jié)焦、保護(hù)爐管、穩(wěn)定裂解溫度與脫除結(jié)炭的多重目標(biāo)。利用結(jié)構(gòu)相對簡單的管式爐實(shí)現(xiàn)蒸汽熱裂解，其技術(shù)成熟、運(yùn)行穩(wěn)定性較好、烯烴收率也較高。裂解爐系統(tǒng)包括裂解爐、急冷換熱器、汽包等，反應(yīng)所需熱量由安裝在裂解爐輻射段側(cè)管壁和底部的外部燃?xì)庾焯峁Ｈ蚍秶鷥?nèi)大型裂解爐主要有:ABB Lummus公司的SRT型裂解爐；荷蘭KTI公司的GK型裂解爐；S&W公司的USC型裂解爐；Linde公司的Pyrocrack型裂解爐；中國石化自主研發(fā)的CBL型裂解爐；以及中國石化和ABB Lummus公司合作開發(fā)的SL型裂解爐等類型。在乙烯生產(chǎn)中，原料占總成本的比例可達(dá)60%-80%左右，采用什么原料裂解制取乙烯，不僅決定著裝置的物耗、能耗與產(chǎn)業(yè)成本的高低，也決定著下游產(chǎn)品的成本、種類、產(chǎn)量與綜合利用情況。
[0003]石腦油是目前為止最重要的裂解原料，在全世界乙烯生產(chǎn)原料中占有一半以上的比例。應(yīng)用較多的分子反應(yīng)動力學(xué)模型，當(dāng)屬1985年Kumar和Kunzru經(jīng)過石腦油裂解實(shí)驗(yàn)提出的詳細(xì)反應(yīng)模型，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差較小，且符合實(shí)際的乙烯生產(chǎn)情況。該模型能在較寬的裂解裝置或操作條件下較準(zhǔn)確地對乙烯裂解過程進(jìn)行仿真，還可模擬結(jié)焦過程，也可延伸實(shí)現(xiàn)煤油與柴油 的裂解模擬。不同原料，化學(xué)結(jié)構(gòu)(包括碳原子數(shù))的不同，會導(dǎo)致裂解性能和產(chǎn)物收率的差異。裂解原料的特性通常使用族組成或芳烴關(guān)聯(lián)指數(shù)，餾程或稱沸程，相對密度dgg等重要參數(shù)來關(guān)聯(lián)和衡量。族組成PONA值，包括鏈烷烴Paraffin、烯烴Olef in、環(huán)燒烴Naphthene和芳香烴Aromatics,被認(rèn)為是原料烴的四大類物質(zhì)組成。四類物質(zhì)的裂解性能高低排列為:P > N > O > A。其中，正構(gòu)鏈烷烴n-P有利于生成乙烯，異構(gòu)型1-Ρ則易生成丙烯、芳香烴和丁烯。Aromatics很不易裂解，易產(chǎn)生縮合反應(yīng)，含量高時(shí)會造成裝置結(jié)焦和積炭，一般被認(rèn)為是主要的結(jié)焦母體。所以如果原料中A> 10%，則不適合用作乙烯裂解原料。裂解性能良好的石腦油應(yīng)具有這樣的特性:高石蠟基(即P >65% -70% )、低芳香基(A > 10% )，盡可能少的烯烴含量(O > 1% )，較輕的餾分(密度< 0.7，干點(diǎn)< 180°C，最高 2000C )。
[0004]Kumar模型由一個(gè)一次反應(yīng)方程式和二十一個(gè)二次反應(yīng)方程式式組成，其對外公布的詳細(xì)反應(yīng)過程與動力學(xué)參數(shù)如表1所示。
[0005]表1石腦油裂解的Kumar動力學(xué)模型[0006]
【權(quán)利要求】
1.一種石腦油高溫蒸汽裂解制乙烯分子反應(yīng)模型優(yōu)化方法，其特征在于，針對管式高溫蒸汽裂解石腦油Kumar分子反應(yīng)動力學(xué)模型，提出一種混沌優(yōu)化方法自適應(yīng)優(yōu)化調(diào)節(jié)Kumar反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)，兼顧碳?xì)淦胶夂彤a(chǎn)物收率誤差最小以及二次反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)微調(diào)的調(diào)整原則和解決方案，針對不同石腦油特性組成自動調(diào)整Kumar分子反應(yīng)動力學(xué)模型一次選擇性系數(shù)和二次反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)，克服了原有模型對石腦油適應(yīng)性差的缺點(diǎn)，在優(yōu)化調(diào)整模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同爐型結(jié)構(gòu)和操作條件，準(zhǔn)確模擬石腦油高溫蒸汽裂解過程和產(chǎn)物分布，同時(shí)提供了一個(gè)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的軟件系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述管式高溫蒸汽裂解石腦油，其特征在于，所述用于裂解石腦油的乙烯裂解爐為一種管式結(jié)構(gòu)，裂解原料為石腦油，采用高溫蒸汽裂解方式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種混沌優(yōu)化方法，其特征在于，所述混沌優(yōu)化方法采用帳篷映射作為混沌序列來優(yōu)化迭代步長，調(diào)整Kumar反應(yīng)動力學(xué)模型一次選擇性系數(shù)和二次反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)，帳篷映射的結(jié)構(gòu)如式(1)所示，混沌序列迭代步長的優(yōu)化式為
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一次選擇性系數(shù)調(diào)整原則，其特征在于，所述一次反應(yīng)選擇性系數(shù)的調(diào)整原則包括①碳?xì)湓厥睾?，是一次選擇性系數(shù)調(diào)整過程中首先考慮的因素；②產(chǎn)物收率誤差最小化，即反應(yīng)產(chǎn)物的模型理論值與實(shí)際值之間的誤差最??；③系數(shù)合理化，經(jīng)過調(diào)整的系數(shù)不過于偏離Kumar模型的初始值，即= [0.58，0.68，0.88，0.1,0.6,0.02，0.035，0.2,0.07，0.09];將調(diào)整原則算式化，得到系數(shù)調(diào)整算法的目標(biāo)函數(shù)如式(2)與⑶所示，

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述優(yōu)化調(diào)整解決方案，其特征在于，所述一種混沌優(yōu)化方法進(jìn)行Kumar分子動力學(xué)模型的一次性選擇性系統(tǒng)調(diào)整和二次反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)微調(diào)的優(yōu)化調(diào)整策略。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述不同爐型結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述爐型結(jié)構(gòu)包括CBL型、GK-V型、SW型以及SRT-1V-HS/SRT-V型裂解爐結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一個(gè)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的軟件系統(tǒng)，其特征在于，基于一種混沌優(yōu)化方法自適應(yīng)調(diào)節(jié)Kumar分子反應(yīng)動力學(xué)模型參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整原則與解決方案為核心程序的石腦油高溫蒸汽裂解建模軟件系統(tǒng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種混沌優(yōu)化方法進(jìn)行Kumar分子動力學(xué)模型的一次性選擇性系統(tǒng)調(diào)整，其特征在于，一次反應(yīng)的選擇性系數(shù)調(diào)整過程如下:①初始化，首先將原始Kumar分子反應(yīng)模型的一次系數(shù)％作為算法初始值，隨機(jī)產(chǎn)生迭代步長ζ i的初始值；②誤差計(jì)算，將系數(shù)代入裂解模型，計(jì)算得到相對誤差值REh與REyi ;③參數(shù)優(yōu)化，將模型計(jì)算結(jié)果1?#代入式
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述二次反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)微調(diào)策略,其特征在于,所述二次反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)活化能與頻率因子微調(diào)過程如下:①優(yōu)化判斷，如果氫平衡的相對誤差REh的絕對值超過了 I %，則加入動力學(xué)參數(shù)的二次混沌優(yōu)化，若模型精度達(dá)到相對理想要求，則不再對動力學(xué)參數(shù)做調(diào)整；②新增變量，在一次選擇性系數(shù)混沌優(yōu)化程序中，被優(yōu)化的變量除了 10個(gè)選擇性系數(shù)外，在其后增加兩個(gè)針對動力學(xué)參數(shù)活化能與頻率因子的調(diào)整公式
【文檔編號】G06F17/50GK103678734SQ201210325857
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月6日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月6日
【發(fā)明者】耿志強(qiáng), 夏立榮, 崔蕓菲 申請人:北京化工大學(xué)