[精选]乙烯生产过程操作优化.pptx

Liaoning Key Laboratory of Manufacturing System and Logistics乙烯生产过程操作优化乙烯生产过程操作优化辽宁省制造系统与物流管理重点实验室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石化过程系统工程PSE研研究室究室1.石脑油裂解制乙烯石脑油裂解制乙烯生产过程生产过程2.机理模型介绍机理模型介绍3.一次反响选择性系数估计一次反响选择性系数估计内容4.并行混合多目标遗传算法并行混合多目标遗传算法5.工业应用工业应用1.石脑油裂解制乙烯石脑油裂解制乙烯生产过程生产过程2.机理模型介绍机理模型介绍3.一次反响选择性系数估计一次反响选择性系数估计4.并行混合多目标遗传算法并行混合多目标遗传算法5.工业应用工业应用1.石脑油裂解制乙烯生产过程研究背景研究背景 乙乙烯烯是是石石油油化化工工业业最最重重要要的的单单体体，是是生生产产有有机机原原料料的的基基础础。半半个个世世纪纪以以来来，管管式式炉炉蒸蒸汽汽热热裂裂解解制制乙乙烯烯装装置置已已经经非非常常成成熟熟，生生产产了了全全世世界界99%的的乙乙烯烯和和65%的的丙丙烯烯，并并伴伴有有丁丁二二烯烯、乙乙炔炔、苯苯、甲甲苯苯、二二甲甲苯苯等等其其他他重重要要石石化化原原料料，其其生生产产规规模模、产产量量和和技技术术都都标标志志着着一一个国家石油化工业的发展水平。个国家石油化工业的发展水平。热热裂裂解解制制乙乙烯烯装装置置是是石石油油化化工工行行业业中中生生产产能能力力最最高高，同同时时也也是是能能耗耗最最大大的的装装置置之之一一。在在裂裂解解炉炉内内发发生生的的高高温温、强强吸吸热热和和短短停停留留时时间间的的复复杂杂烃烃裂裂解解反反应应基基本本上上决决定定了了整整个个乙乙烯烯装装置置的的产产品品收收率率和和主主要要能能耗耗指指标标。所所以以裂裂解解炉炉的的操操作作水水平平和和技技术术水水平平直直接接影影响响着着整整个个乙乙烯烯厂厂的经济效益。的经济效益。1.石脑油裂解制乙烯生产过程裂解原料裂解原料 乙乙烯烯生生产产的的原原料料，按按来来源源主主要要有有两两个个方方面面，一一是是天天然然气气加加工工厂厂的的轻轻烃烃，如如乙乙烷烷、丙丙烷烷、丁丁烷烷、天天然然汽汽油油等等，二二是是炼炼油油厂厂的的加加工工产产品品，如如炼炼厂厂气气、汽汽油油、煤煤油油、柴柴油油、重重油等，以及炼油厂二次加工油，如焦化氢油、加氢裂化油等。油等，以及炼油厂二次加工油，如焦化氢油、加氢裂化油等。按按物物料料的的状状态态可可分分为为气气态态原原料料和和液液态态原原料料两两大大类类；最最普普遍遍的的分分类类是是按按密密度度分分为为轻轻质质原原料料和和重重质质原原料料。一一般般认认为为乙乙烷烷、丙丙烷烷、丁丁烷烷、液液化化石石油油气气属属于于轻轻质质原原料料；石石脑脑油油、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。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的组成 石石脑脑油油又又称称直直馏馏汽汽油油，原原油油经经常常压压蒸蒸馏馏馏馏分分馏馏出出初初馏馏点点至至200的的馏馏分分油油称为全沸程石脑油，如果切取初馏点至称为全沸程石脑油，如果切取初馏点至130或以前馏分称为轻石脑油。或以前馏分称为轻石脑油。直直链链烷烷烃烃得得到到的的乙乙烯收率最高烯收率最高 支支链链烷烷烃烃更更易易生生成成丙烯、丁烯等丙烯、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 蒸蒸汽汽裂裂解解炉炉品品牌牌主主要要有有凯凯洛洛格格公公司司的的毫毫秒秒裂裂解解炉炉，美美国国鲁鲁姆姆斯斯生生产产的的SRT型型裂裂解解炉炉、斯斯通通-韦韦伯伯斯斯特特USC型型裂裂解解炉炉、荷荷兰兰国国KTI公公司司的的GK型裂解炉等。型裂解炉等。对对流段流段石石脑脑油油稀稀释释蒸汽蒸汽辐辐射加射加热热产产品品裂解管裂解管燃料燃料(1)石脑油原料进入到对流段进行加热；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，与石脑油稀释蒸汽进入到对流段，与石脑油 汇同并完全汽化；汇同并完全汽化；(3)混合气体进入到辐射段的炉盘管中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、并迅速发生裂解反应，生成以乙烯、丙烯为主的裂解气丙烯为主的裂解气;(4)裂解气产品被送往下游工序进行分离。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当前研究中存在的问题 Kumar模模型型中中的的二二次次反反应应的的反反应应选选择择性性系系数数可可以以不不变变，而而一一次次反反应应的的选选择择性性系系数数随随着着油油品品的的不不同同而而不不同同。所所以以一一次次反反应应选选择择性性系系数数的的准准确确估估计计是是一一个个非非常常重重要要的的课课题题，它它直直接接影影响响到到整整个个模模拟拟的的精精度度。而而通通过过工工业业试试验验或或实实验验室室实实验验来来确确定定频频繁繁变变化化的的油油品品的的反反应应系系数数是是费费时时费费力力的的。所所以以根根据据以以往往数数据据的的经经验验来来估估算算一一次次反反应应选选择择性性系系数数，从从而而对对产产物物产产率率进行准确估计是非常重要的。进行准确估计是非常重要的。裂裂解解炉炉在在全全周周期期操操作作过过程程中中由由于于结结焦焦的的影影响响，其其操操作作状状态态是是不不断断变变化化的的，所所以以裂裂解解炉炉全全周周期期操操作作本本身身就就有有较较大大的的优优化化空空间间。已已报报道道的的研研究究工工作作中中，多多以以乙乙烯烯产产率率为为目目标标，固固定定一一个个周周期期内内的的操操作作参参数数进进行行优优化化计计算算，并并未未深深入入挖挖掘掘裂裂解解炉炉在在全全周周期期操操作作过过程程中中的的生生产产潜潜力力。因因此此在在一一个个裂裂解解周周期期的的开开始始和和结结束束时时状状况况有有较较大大差差异异,不不应应采采用用同同样样的的操操作作参参数数，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。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.石脑油裂解制乙烯石脑油裂解制乙烯生产过程生产过程2.机理模型介绍机理模型介绍3.一次反响选择性系数估计一次反响选择性系数估计4.并行混合多目标遗传算法并行混合多目标遗传算法5.工业应用工业应用2.机理模型介绍Kumar分子反响动力学模型分子反响动力学模型 Kumar模模型型包包括括1个个一一次次反反应应和和21个个二二次次反反应应，其其试试验验结结果果表表明明21个个二二次次反反应应的的选选择择性性系系数数固固定定，而而一一次次反反应应选选择择性性系系数数应应随随着着石石脑脑油油种类的不同而变化。种类的不同而变化。2.机理模型介绍Kumar分子反响动力学模型分子反响动力学模型2.机理模型介绍Kumar分子反响动力学模型分子反响动力学模型 在在分分子子反反应应动动力力学学模模型型中中，Kumar模模型型应应用用最最为为广广泛泛并并且且被被证证明明具具有较高的精度，在工业裂解炉的建模中取得了比较好的效果。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。1-11-2质量平衡方程质量平衡方程质量平衡方程质量平衡方程2.机理模型介绍Kumar分子反响动力学模型分子反响动力学模型2.机理模型介绍Kumar分子反响动力学模型分子反响动力学模型1-3能量平衡方程能量平衡方程 将将炉炉膛膛内内的的温温度度分分布布看看作作是是拟拟一一维维模模型型，即即炉炉膛膛内内的的烟烟气气温温度度分分布布只只与与高高度度有有关关，同同一一高高度度上上的的烟烟气气温温度度相相同同。再再根根据据辐辐射射室室的的烟烟气气分布模型，可以得到能量平衡方程分布模型，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，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。进而得到乙烯、丙烯等组分的产率。2.机理模型介绍Kumar分子反响动力学模型分子反响动力学模型炉内主要裂解产物产率随管长的变化情况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分子反响动力学模型分子反响动力学模型炉管内反应物温度随管长的变化情况炉管内反应物温度随管长的变化情况2.机理模型介绍Kumar分子反响动力学模型分子反响动力学模型炉管内压强随管长的变化情况炉管内压强随管长的变化情况2.机理模型介绍Kumar结焦模型结焦模型 烃烃类类蒸蒸气气热热裂裂解解不不可可避避免免的的会会在在裂裂解解炉炉管管内内壁壁生生成成一一层层焦焦体体，焦焦体体的的厚厚度度随随裂裂解解时时间间的的延延续续会会逐逐步步增增加加，且且沿沿炉炉管管长长度度的的空空间间分分布布也也不不相同。相同。炉管结焦会造成两个个不良后果：炉管结焦会造成两个个不良后果：一一是是增增加加了了管管壁壁的的热热阻阻，影影响响传传热热效效果果，若若维维持持裂裂解解深深度度，则则将将提提高管壁温度，增加能耗；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。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。当当管管壁壁温温度度达达到到允允许许极极限限或或压压降降达达到到允允许许极极限限时时，裂裂解解炉炉就就得得停停炉炉清清焦焦；清清焦焦次次数数的的增增加加将将对对乙乙烯烯生生产产、燃燃料料消消耗耗、炉炉管管寿寿命命等等都都带带来来不利影响不利影响。2.机理模型介绍Kumar结焦模型结焦模型其中，其中其中，其中Ca为芳香烃浓度，为芳香烃浓度，EC为结焦反响活化能为结焦反响活化能MJ/kmol。结焦速率方程结焦速率方程其中，其中其中，其中c为焦层密度为焦层密度。相应的每一微元段的新流通内径为：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考虑结焦模型的全周期模拟SW炉结焦厚度全周期分布图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.石脑油裂解制乙烯石脑油裂解制乙烯生产过程生产过程2.机理模型介绍机理模型介绍3.一次反响选择性系数估计一次反响选择性系数估计4.并行混合多目标遗传算法并行混合多目标遗传算法5.工业应用工业应用3.一次反响选择性系数估计基于标准数据库的一次反响选择性系数的估计方法基于标准数据库的一次反响选择性系数的估计方法 先先假假定定一一组组系系数数，计计算算出出各各产产物物产产率率值值，再再根根据据计计算算得得到到的的产产率率和和实实验验测测出出的的产产率率的的差差来来调整这组系数。调整这组系数。通通过过反反复复迭迭代代计计算算，最最终终得得到到一一组组满满足足误误差差限限制制的的一一次次反反应应系系数数，这这个个过过程程称称为为一一次次反反应应选择性系数的回归计算。选择性系数的回归计算。这这样样就就得得到到了了一一组组与与相相应应石石脑脑油油对对应应的的精精确确一一次次反反应应选选择择性性系系数数，把把这这套套数数据据加加入入一一个个标标准数据库中。准数据库中。有有了了标标准准数数据据库库之之后后，再再用用一一种种适适合合的的模模糊糊匹匹配配方方法法估估计计待待估估计计油油品品的的一一次次反反应应选选择择性性系系数数，通通过过模模拟拟得得到到裂裂解解产产物物的产率。的产率。3.一次反响选择性系数估计一次反响选择性系数的回归方法一次反响选择性系数的回归方法Kumar提出的一次反应方程如下：提出的一次反应方程如下：使使用用Kumar的的热热裂裂解解制制乙乙烯烯的的分分子子反反应应动动力力学学模模型型进进行行模模拟拟的的过过程程可可以以用如下方程表示：用如下方程表示：其其中中，函函数数f指指模模拟拟过过程程的的模模型型，w指指实实际际裂裂解解产产物物产产率率结结果果，z代代表表一一次次反应选择性系数，反应选择性系数，k代表操作条件。代表操作条件。回回归归方方法法需需要要找找到到与与石石脑脑油油原原料料性性质质、操操作作条条件件和和裂裂解解产产物物分分布布相相对应的一次反应选择性系数。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一次反应选择性系数的回归求解相当于根据已知的k与与w来求来求z。3.一次反响选择性系数估计确定一次反响选择性系数的优化模型确定一次反响选择性系数的优化模型 第第i项项表表示示某某种种石石脑脑油油的的第第i个个产产物物产产率率的的计计算算值值与与实际值之间的差值实际值之间的差值。3.一次反响选择性系数估计确定一次反响选择性系数的简单对应式算法确定一次反响选择性系数的简单对应式算法反应系数反应系数z的修正算法为的修正算法为：3.一次反响选择性系数估计确定一次反响选择性系数的简单对应式算法确定一次反响选择性系数的简单对应式算法3.一次反响选择性系数估计模糊匹配法估计一次反响选择性系数模糊匹配法估计一次反响选择性系数 建建立立足足够够多多的的标标准准样样本本点点以以后后，就就可可采采用用模模糊糊匹匹配配法法对对未未知知产产率率分分布布的的石石脑油进行一次反应选择性系数的估计。脑油进行一次反应选择性系数的估计。模模糊糊匹匹配配的的目目的的是是在在已已知知数数据据库库的的样样本本中中，寻寻找找与与待待估估样样本本的的物物性性数数据据或或参参数数等等相相应应值值最最为为接接近近的的一一定定数数目目的的标标准准样样本本点点(3个个或或更更多多)，也也即即选选择择出出隶隶属属度度较较大大的的3个个标标准准样样本本。然然后后用用选选择择出出的的3个个样样本本的的一一次次反反应应选选择择性性系系数数加加权权估估算算待待估估样样本本的的一一次次反反应应选选择择性性系系数数z，并并据据此此由由裂裂解解过过程程模模型型计计算算出出主要产物产率。主要产物产率。选选取取较较大大的的三三个个样样本本，则则其其总总隶隶属属度度函函数数分分别别为为P1(s)、P2(s)、P3(s)，相相应应的的一一次次反反应应选选择择性性系系数数向向量量(10维维)为为z(1)、z(2)、z(3)，则则待待估估样样本本的的一一次次反应选择性系数计算结果为：反应选择性系数计算结果为：3.一次反响选择性系数估计模糊匹配法估计一次反响选择性系数模糊匹配法估计一次反响选择性系数3.一次反响选择性系数估计模糊匹配法估计一次反响选择性系数模糊匹配法估计一次反响选择性系数乙烯、乙烯、丙烯产率实验值与模糊匹配计算值对照图丙烯产率实验值与模糊匹配计算值对照图1.石脑油裂解制乙烯石脑油裂解制乙烯生产过程生产过程2.机理模型介绍机理模型介绍3.一次反响选择性系数估计一次反响选择性系数估计4.并行混合多目标遗传算法并行混合多目标遗传算法5.工业应用工业应用4.并行多目标遗传算法裂解炉模拟模型的封装裂解炉模拟模型的封装裂解炉拟稳态模型裂解炉拟稳态模型裂解炉结焦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：乙烯和丙烯的产率优化目标：乙烯和丙烯的产率机理模型机理模型各拟稳态的管外壁温度约束各拟稳态的管外壁温度约束各拟稳态的压降约束各拟稳态的压降约束操作变量上下限约束操作变量上下限约束4.并行多目标遗传算法 每每隔隔一一定定代代数数就就进进行行通通讯讯，将将SQP得得到到的的解解作作为为外外部部精精英英集集传给传给NSGA-II4.并行多目标遗传算法NSGA-II的基本思想的基本思想1.石脑油裂解制乙烯石脑油裂解制乙烯生产过程生产过程2.机理模型介绍机理模型介绍3.一次反响选择性系数估计一次反响选择性系数估计4.并行混合多目标遗传算法并行混合多目标遗传算法5.工业应用工业应用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模块设计与功能实现炉型结构组态模块炉型结构组态模块 EPSOS内内嵌嵌的的炉炉型型建建模模模模块块PipePainter可可以以对对不不同同炉炉型型进进行行可可视视化化灵灵活活组组态态。组组态态模模块块根根据据裂裂解解炉炉炉炉型型的的特特点点把把整整个个炉炉管管分分成成不不同同类类型型的的组组件件，例例如如长长直直管管、弯弯头头、三三通通等等等等，可可以以直直接接使使用用这这些些组组件非常灵活地建模。件非常灵活地建模。5.工业应用 乙烯裂解炉模拟优化系统 一次反响选择性系数的反推计算模块一次反响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 应用效益应用效益5.工业应用 乙烯裂解炉模拟优化系统 对对利利用用EPSOS优优化化计计算算得得到到的的优优化化操操作作策策略略的的应应用用表表明明，乙乙烯烯总总平平均均产产率率比比优优化化前前提提高高了了0.61 wt，对对于于年年产产24万万吨吨乙乙烯烯石石油油化化工工厂厂，年效益可达年效益可达4607万元（按照万元（按照2007年年10月月24日乙烯到岸价格）。日乙烯到岸价格）。MOMODA POWERPOINTLorem ipsum dolor sit amet,consectetur adipiscing elit.Fusce id urna blandit,eleifend nulla ac,fringilla purus.Nulla iaculis tempor felis ut cursus.感感 谢谢 您您 的的 下下 载载 观观 看看专家告诉