乙烯生产过程操作优化培训课件(共46页).ppt

1、Liaoning Key Laboratory of Manufacturing System and LogisticsLiaoning 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东北大学物流优化与控制研究所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)研究室研究室Liaoning Key Laboratory of Manufacturing System and Logistics1. 石脑油裂解

2、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Liaoning Key Laboratory of Manufacturing System and Logistics1. 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Liaoning Key Laboratory of Manufacturin

3、g System and Logistics1.石脑油裂解制乙烯生产过程 研究背景研究背景 乙烯是石油化工业最重要的单体，是生产有机原料的基础。半个乙烯是石油化工业最重要的单体，是生产有机原料的基础。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，生产了全世界世界99%的乙烯和的乙烯和65%的丙烯，并伴有丁二烯、乙炔、苯、甲苯、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。个国家石油化工业的发展水

4、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。的经济效益。Liaoning Key Laboratory of Manufacturing System and Log

5、istics1.石脑油裂解制乙烯生产过程 裂解原料裂解原料 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，二是炼油厂的加工产品，如炼厂气、汽油、煤油、柴油、重烷、丁烷、天然汽油等，二是炼油厂的加工产品，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。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

6、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、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。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。Liaoning Key Laboratory of Manufacturing System and Logistics1.石脑油裂解制乙烯生产过程 石脑油的组成石脑油的组成 石脑油又称直馏汽油，原油经常压蒸馏馏分馏出初馏点至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的馏分油的馏分油称为全

7、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。 直链烷烃得到的直链烷烃得到的乙烯收率最高乙烯收率最高 支链烷烃更易生支链烷烃更易生成丙烯、丁烯等成丙烯、丁烯等Liaoning Key Laboratory of Manufacturing System and Logistics1.石脑油裂解制乙烯生产过程 蒸汽裂解炉蒸汽裂解炉 蒸汽裂解炉品牌主要有凯洛格公司的毫秒裂解炉，美国鲁姆斯生蒸汽裂解炉品牌主要有凯洛格公司的毫秒裂解炉，美国鲁姆斯生产的产的SRT型裂解炉、型裂解炉、斯通斯通-韦伯斯特韦伯斯特USC型裂解炉型裂解炉、荷

8、兰国、荷兰国KTI公司公司的的GK型裂解炉等。型裂解炉等。对流段对流段石脑油石脑油稀释蒸汽稀释蒸汽辐射加热辐射加热产品产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。Liaoning Key Labora

9、tory of Manufacturing System and Logistics1.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模型中的二次反应的反应选择性系数可以不变，而一次反应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确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。业试验或实验室实验来

10、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。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

11、炉在全周期操作过程中的生产潜力。因此化计算，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。优化问题。Liaoning Key Laboratory of Manufacturing System and Logistics1. 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

12、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Liaoning Key Laboratory of Manufacturing System and Logistics2.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模型包括模型包括1个一次反应和个一次反应和21个二次反应，其试验结果表明个二次反应，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。油种类的不同而变化。Liaoning Key Laboratory of

13、Manufacturing System and Logistics2.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Liaoning Key Laboratory of Manufacturing System and Logistics2.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 在分子反应动力学模型中，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。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。Liaoning Key Laboratory of Ma

14、nufacturing System and Logistics (1-1)(1-2)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Liaoning Key Laboratory of Manufacturing System and Logistics2.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布只与高度有关，同一高度上

15、的烟气温度相同。再根据辐射室的烟。再根据辐射室的烟气分布模型，可以得到能量平衡方程气分布模型，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，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。Liaoning Key Laboratory of Manufacturing System and Logistics2.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Liaoning Key Laboratory o

16、f Manufacturing System and Logistics2.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Liaoning Key Laboratory of Manufacturing System and Logistics2.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Liaoning Key Laboratory of Manufacturing System and Logistics2.机理模型介绍 Kumar结焦模型结焦

17、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。也不相同。 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；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

18、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带来不利影响。Liaoning Key Laboratory of Manufacturing System and Logistics2.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 。

19、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： Liaoning Key Laboratory of Manufacturing System and Logistics2.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Liaoning Key Laboratory of Manufacturing System and Logistics2.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Liaoning Key Laboratory of

20、Manufacturing System and Logistics2.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Liaoning Key Laboratory of Manufacturing System and Logistics2.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Liaoning Key Laboratory of Manufacturing System and Logistics2.机理模型介绍 考虑结焦模

21、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Liaoning Key Laboratory of Manufacturing System and Logistics1. 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Liaoning Key Laboratory of Manufacturing System and Logistics3.一次反响选择性系数估计 基于标准

22、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 先假定一组系数，计先假定一组系数，计算出各产物产率值，再算出各产物产率值，再根据计算得到的产率和根据计算得到的产率和实验测出的产率的差来实验测出的产率的差来调整这组系数。调整这组系数。 通过反复迭代计算，通过反复迭代计算，最终得到一组满足误差最终得到一组满足误差限制的一次反应系数，限制的一次反应系数，这个过程称为这个过程称为一次反应一次反应选择性系数的回归计算选择性系数的回归计算。 这样就得到了一组与这样就得到了一组与相应石脑油对应的精确相应石脑油对应的精确一次反应选择性系数，一次反应选择性系数，把这套数据加入一

23、个标把这套数据加入一个标准数据库中。准数据库中。 有了标准数据库之后，有了标准数据库之后，再用一种适合的模糊匹再用一种适合的模糊匹配方法估计待估计油品配方法估计待估计油品的一次反应选择性系数，的一次反应选择性系数，通过模拟得到裂解产物通过模拟得到裂解产物的产率。的产率。Liaoning Key Laboratory of Manufacturing System and Logistics3.一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： 使用使用Kumar的热裂解制乙烯的分子反应动力学模型进行模拟的过

24、程可以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程表示：用如下方程表示： 其中，函数其中，函数f指模拟过程的模型，指模拟过程的模型，w指实际裂解产物产率结果，指实际裂解产物产率结果，z代表一次代表一次反应选择性系数，反应选择性系数，k代表操作条件。代表操作条件。 回归方法需要找到与石脑油原料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。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。Liaoning Key Laborato

25、ry of Manufacturing System and Logistics3.一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项表示某种石脑油的项表示某种石脑油的第第i个产物产率的计算值与个产物产率的计算值与实际值之间的差值实际值之间的差值。Liaoning Key Laboratory of Manufacturing System and Logistics3.一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：Liaoning Key Labo

26、ratory of Manufacturing System and Logistics3.一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Liaoning Key Laboratory of Manufacturing System and Logistics3.一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。脑油进行一次反应选择性系数的估

27、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个或更多个或更多)，也即选择，也即选择出隶属度较大的出隶属度较大的3个标准样本。然后用选择出的个标准样本。然后用选择出的3个样本的一次反应选择性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，并据此由裂解过程模型计算出主要产物产率。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选

28、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，相应的一次反应选择性系数向量应的一次反应选择性系数向量(10维维)为为z(1)、z(2)、z(3)，则待估样本的一次，则待估样本的一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：Liaoning Key Laboratory of Manufacturing System and Logistics3.一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Liaoning Key Laboratory of Manufacturing System and Logist

29、ics3.一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Liaoning Key Laboratory of Manufacturing System and Logistics1. 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Liaoning Key Laboratory of Manufacturing Syst

30、em and Logistics4.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Liaoning Key Laboratory of Manufacturing System and Logistics4.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Liaoning Key Labo

31、ratory of Manufacturing System and Logistics4.并行多目标遗传算法 每隔一定代数就进每隔一定代数就进行通讯，将行通讯，将SQP得到得到的解作为外部精英集的解作为外部精英集传给传给NSGA-IILiaoning Key Laboratory of Manufacturing System and Logistics4.并行多目标遗传算法 NSGA-II的根本思想的根本思想Liaoning Key Laboratory of Manufacturing System and Logistics1. 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