usc80u型乙烯裂解炉模型化与仿真优化

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1、第一章绪论1．1引言回顾国外成功应用的历程，对乙烯生产装置中的裂解炉进行优化或者控制，都需要在已经建立的较为准确的工业中裂解炉的数学模型的基础之上。所以，近些年以来，研究者一方面在对裂解炉先进优化控制进行技术研究，另一方面，也在继续对工业中的裂解炉的数学模型进行进一步的研究。生产乙烯的原料主要是重质或轻质烃，而烃类在高温中裂解的化学反应机理过程非常复杂，同一时刻，会有数百个乃至上千个化学物理反应发生，基于此点，许多生产过程工艺的内在机理直到现在也没有完全弄清；另外，在乙烯裂解炉中，管内进行着高温裂解反应的同时，管外也在发生复杂的热量传递过程，而且两者紧密耦合；

2、所以，一直以来，相关行业的研究者们针对裂解过程的这种极端复杂性，一直在很努力地寻求相对较准确的反应裂解过程的化学反应动力学模型，从而建立起比较能正确描述工业裂解炉操作特性的机理数学模型，进而开发研究针对裂解炉的先进优化或者控制方法。结合石脑油裂解过程的特点与具体裂解炉型的特性，对石脑油裂解炉建模与优化技术进行研究，从而促进控制优化理论在工业中裂解生产过程的应用，进而产生比较好的经济效益和社会效益正是本文的研究目的所在。本章首先介绍了乙烯裂解相关工艺流程，然后对乙烯裂解炉生产过程的建模、控制及优化技术研究状况进行了回顾，讨论了现阶段工业过程中主要智能优化算法。最

3、后给出了本文研究的主要内容及研究成果。1．2乙烯生产工艺流程和建模概述乙烯作为化工生产中最基本的原料之一，在石油化工行业中占有举足轻重的地位。现阶段，除了极少量的乙烯是来自乙醇制取和从炼厂中回收，其余绝大部分乙烯都是经由石油烃热裂解而获得。热裂解主要的裂解方法有：蓄热炉裂解、流动床裂解、流动床部分氧化裂解、高温水蒸汽裂解以及管式裂解炉裂解。其中近期应用较多的管式裂解炉通过由间壁加热的方式来为裂解过程提供能量，一般来说，首先在对流段将反应管内烃和水蒸汽的混合物加热预热到开始裂解的温度，接着将烃和水蒸汽的混合物输送到高温的辐射管段继续对它们加热升温使他们发生裂解反

4、应。对于管式炉辐射盘，裂解进行时，裂解需要的热量经由辐射管段的高温管壁传递给裂解物料，裂解温度受到管的内外壁温度限制，此外，由于管内裂解时的结焦过程使得热阻和管壁温度都会增加，造成流动阻力降增加。基于以上分析可知，克服管壁温度和结焦过程对裂解反应所造成的制约是改进管式炉的裂解技术的关键所在。北京化．．I=大学倾l：学位论义由于受到管壁温度和管内结焦的制约，管式裂解炉的生产过程限制了裂解操作条件的选择，但是，管式裂解炉有着能耗低、易于操作，热量回收率高等诸多优点，且近年来，经过连续不断地研究与改进，这种裂解炉的产品收率得到较大改善，对各种不同性质原料的适应面也扩

5、大，不论是轻烃还是重柴油，它都能适用。基于上述优点，从开始实现工业化生产，即20世纪40年代初，直到现在，管式裂解炉这一炉型都在整个乙烯生产中处于不可动摇的主导地位。运用管式炉裂解进行乙烯生产的最典型的工艺流程如图1．1所示【l】，整个生产装置的主要组成部分为：燃料油系统、原料油供给和预热系统、稀释蒸汽系统、急冷油系统、裂解炉系统、高压蒸汽系统和急冷水系统等。锅炉原Fig．1—1Pyrolysisfurnaceconfiguration图中数字标号的意义分别为：1．原料油泵；2．原料预热器；3．裂解炉；4一急冷锅炉；5一气包；6．急冷器；7．汽油分馏塔：8．燃

6、料油气提塔；9．急冷油泵；10一燃料油泵；11一水洗塔；12油水分离器：13急冷水泵；14裂解汽油回流泵；15．工艺水泵；16．急冷水冷却器；17一工艺水气提塔；18．工艺水泵；19，20．稀释蒸汽发生器；21．汽油气提塔；22．裂解气汽油泵。乙烯生产的整个工艺过程非常复杂，涉及到多方面，包括烃类裂解反应过程、物料平衡、能量平衡(燃料平衡、蒸汽平衡、水电气平衡)、裂解气的预分流裂解气净化、裂解气的精馏分离安全装置(连锁系统、火炬排放系统和紧急停车等)。裂解炉是整个装置中的最重要的组成部分，“裂解工段费用占总生产费用的56％"。【2】它不仅需要大量的动力和原料消

7、耗，它同时可以直接决定产品的组成，这样也就可以控制决定生产操作的技术指标。所以，本课题的研究，即开展裂解炉的建模优化具有十分重要的工业应用价值。2第一章绪论对乙烯的整个生产过程的建模总体来讲，指应用化学反应、热力学方法、化工单元操作原理等这些多个基础化学物理学科，运用数学手段来对乙烯生产这一复杂的工艺过程进行描述。现阶段，人们可以通过计算机来对非常复杂的物流平衡、能量平衡、相平衡这些工艺来进行计算，从而对组分进行平衡、物理分离、化学反应等进行分析，使研究者可以从利用计算机对工况进行科学的分析研究来取代过去的在生产现场用主观经验操作装置。裂解炉模型主要三个部分，

8、即对裂解过程的分子反应动力学模型、对炉