乙烯裂解爐計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化軟件開(kāi)發(fā) 裂解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建

田剛

摘 要：裂解爐作為乙烯裝置的核心反應(yīng)裝置，對(duì)其動(dòng)力學(xué)進(jìn)行模擬優(yōu)化計(jì)算是保證乙烯裂解裝置運(yùn)行安全、穩(wěn)定的重要手段。裂解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建主要圍繞乙烯裂解爐計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化來(lái)展開(kāi)研發(fā)。文章為了驗(yàn)證模擬乙烯裂解爐平臺(tái)的性能，選用了參數(shù)回歸、組態(tài)建模、原料預(yù)處理以及周期生產(chǎn)模擬等方法，主要目的是為了通過(guò)其在工業(yè)中的應(yīng)用及研發(fā)過(guò)程來(lái)引起國(guó)家的高度關(guān)注，并逐漸向國(guó)際領(lǐng)域發(fā)展。

關(guān)鍵詞：乙烯裂解爐;計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化軟件;動(dòng)力學(xué)模型

中圖分類號(hào)：TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）05-0072-04

Development of Computer Simulation and Optimization Software for Ethylene Cracking Furnace and Construction of Cracking Reaction Kinetics Model

Tian Gang

（Shaanxi Provincial Party School of the Communist Party of China （Shaanxi School of Administration），

Xi an 710061，China）

Abstract：As the core reaction device of ethylene plant， the cracking furnace is an important means to ensure the safe and sTab operation of the ethylene cracking plant by simulating and optimizing its dynamics. The construction of the kinetic model of cracking reaction mainly focuses on the computer simulation and optimization of ethylene cracking furnace to carry out research and development. In order to verify the performance of the simulation ethylene cracking furnace platform， the methods of parameter regression， configuration modeling， raw material pretreatment and cycle production simulation are selected in this paper. The main purpose is to attract national attention through its industrial application and the research and development process， and gradually develop to the international field.

Key words：ethylene cracking furnace; computer simulation and optimization software; kinetic model

0 引言

乙烯工業(yè)的發(fā)展凸顯了一個(gè)國(guó)家石油化工的工業(yè)水平，而工業(yè)水平發(fā)展的高低是通過(guò)乙烯產(chǎn)量多少來(lái)衡量的。如何運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化軟件通過(guò)計(jì)算來(lái)有效提升乙烯的產(chǎn)業(yè)及相關(guān)企業(yè)的生產(chǎn)效益，乙烯裂解裝置發(fā)揮了重要作用。為了控制乙烯生產(chǎn)范圍，必須對(duì)其生產(chǎn)過(guò)程、可行性及適用性進(jìn)行模擬及計(jì)算機(jī)優(yōu)化，并將其模擬優(yōu)化的結(jié)果應(yīng)用于工業(yè)裂解爐的實(shí)際操作中，實(shí)現(xiàn)對(duì)裂解工藝的優(yōu)化與調(diào)整。通過(guò)該操作過(guò)程，著重引起了乙烯生產(chǎn)企業(yè)及國(guó)家相關(guān)研發(fā)機(jī)構(gòu)對(duì)乙烯裂解爐運(yùn)行的優(yōu)化和乙烯原料配制的優(yōu)化的關(guān)注。乙烯裂解爐計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化技術(shù)伴隨著經(jīng)濟(jì)全球化也得以進(jìn)一步發(fā)展，其中裂解反應(yīng)動(dòng)力模型是真?zhèn)€計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化軟件開(kāi)發(fā)的主要環(huán)節(jié)，而優(yōu)化模擬過(guò)程、裂解爐設(shè)計(jì)也逐漸發(fā)展為該模型的關(guān)鍵部分，其主要作用是保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 裂解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型

裂解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建的主要目的將裂解爐作為核心，并對(duì)其進(jìn)行模擬計(jì)算。一維非等容反應(yīng)即裂解反應(yīng)，且該反應(yīng)是在高壓與高溫下發(fā)生的。鑒于該情況的發(fā)生，故針對(duì)裂解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)建模時(shí)，將管內(nèi)烴類混合物當(dāng)做適用混合氣體，在無(wú)徑向溫度變過(guò)的同時(shí)，利用擬穩(wěn)態(tài)法來(lái)進(jìn)行時(shí)間段的更新計(jì)算[1]。

模擬平臺(tái)應(yīng)當(dāng)選用適合自身的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，且該方式具有一定通用性。嚴(yán)格機(jī)理模型在裂解原料方面使用其性能較為符合，操作步驟較簡(jiǎn)單。嚴(yán)格機(jī)理模型是對(duì)分子反應(yīng)機(jī)理與自由基反應(yīng)過(guò)程的描述，反應(yīng)過(guò)程中有部分參數(shù)需要依托實(shí)際參數(shù)變化進(jìn)行回歸。對(duì)于原始數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬時(shí)，雖然精準(zhǔn)度高，但模擬速度緩慢。裂變的模擬過(guò)程主要是利用原料關(guān)鍵組為代表，將動(dòng)力學(xué)參數(shù)與其關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)模擬反應(yīng)進(jìn)程的優(yōu)化，最后設(shè)置相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，這是完整的模擬操作流程。

2 多周期結(jié)焦模型

工業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，焦炭會(huì)逐漸加厚爐管管壁，嚴(yán)重影響傳熱及爐壁溫度[2]。焦炭是在原料油裂解反應(yīng)中生成的，諸多工業(yè)為了有效改善因焦炭生成而影響爐管溫度的現(xiàn)象，通常是對(duì)爐管外壁溫度進(jìn)行檢測(cè)或?qū)t內(nèi)焦炭定期清理[3]。結(jié)焦是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，與裂解反應(yīng)相比速度較為緩慢。其中裂解反應(yīng)可采用擬穩(wěn)態(tài)法來(lái)對(duì)該過(guò)程進(jìn)行處理。而結(jié)焦的這段時(shí)間可稱為周期，若將整個(gè)周期劃分為多個(gè)時(shí)間段，每個(gè)時(shí)間則稱為一個(gè)周期，那么對(duì)于焦層厚度的更新用用于下個(gè)周期當(dāng)中。此時(shí)，對(duì)于一個(gè)周期模擬可稱為單周期模擬，而結(jié)焦更新則以芳香烴為結(jié)焦母體的結(jié)焦模型[4]。屆時(shí)結(jié)焦速率可用公式（1）表示：

公式（1）中C作為芳香烴濃度，而結(jié)焦反應(yīng)活化能則為Eb。針對(duì)每個(gè)周期的結(jié)焦厚度增量再利用公式（1）計(jì)算得出的結(jié)焦速率，并將其更新至下一個(gè)周期。公式（2）則表示下一個(gè)周期新流通內(nèi)徑：

3? 乙烯裂解爐計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化平臺(tái)設(shè)計(jì)與反應(yīng)

動(dòng)力學(xué)模型

圖1所示為乙烯裂解爐模擬平臺(tái)的結(jié)構(gòu)，該平臺(tái)可分為三個(gè)模塊，包括裂解過(guò)程模塊、附加模塊、乙烯裂解過(guò)程模擬模塊。雖然各模塊功能不同，但目標(biāo)一致，均是為了實(shí)現(xiàn)乙烯裂解計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化過(guò)程。裂解爐的結(jié)構(gòu)與反應(yīng)模型均通過(guò)裂解過(guò)程模塊構(gòu)建;而附加模塊則是對(duì)原料信息進(jìn)行處理并將反應(yīng)參數(shù)進(jìn)行回歸;最后一個(gè)乙烯裂解過(guò)程模擬模塊是根據(jù)乙烯的裂解反應(yīng)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)周期與多周期的模擬。

3.1 裂解過(guò)程建模模塊

裂解爐反應(yīng)及結(jié)構(gòu)建模的實(shí)施主要是通過(guò)裂解建模模塊，可極大程度的靈活性滿足裂解爐結(jié)構(gòu)需求，并根據(jù)裂解原料的不同區(qū)別反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。

3.1.1 反應(yīng)模型建模

反應(yīng)模型建模主要根據(jù)裂解過(guò)程進(jìn)行模擬，該裂解原料中含有不定成分的烴，利用該原料組成重質(zhì)裂解原料，并來(lái)實(shí)現(xiàn)裂解反應(yīng)模型。為了滿足裂解爐不同的爐型和爐管，該組態(tài)建模部分需滿足裂解爐管不同的構(gòu)型和組合。

3.1.2 裂解爐機(jī)構(gòu)組態(tài)建模

裂解爐管常見(jiàn)的管型大致可分為五類，正U型、倒U型，正Y型、倒Y型和長(zhǎng)直管，模擬平臺(tái)可根據(jù)管型結(jié)構(gòu)的不同對(duì)裂解爐進(jìn)行建模及模擬。模擬平臺(tái)可針對(duì)性的將爐管分為多個(gè)小段，然后按照實(shí)際的爐管結(jié)構(gòu)將其進(jìn)行組合，以此來(lái)完成整個(gè)裂解爐爐管的結(jié)構(gòu)組態(tài)。

3.2 乙烯裂解模擬模塊

乙烯裂解計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化過(guò)程與實(shí)際工業(yè)相接近，除對(duì)結(jié)焦單周期和多周期進(jìn)行模擬計(jì)算外，還可以模擬不同原料在不同環(huán)境下的裂解過(guò)程，并實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)清焦裂解過(guò)程的模擬計(jì)算[5]。裂解爐投油時(shí)間也可通過(guò)該模塊進(jìn)行模擬，其時(shí)間具體指對(duì)爐管清焦后到下次清焦前之間的運(yùn)行時(shí)間，模塊會(huì)對(duì)投油時(shí)間進(jìn)行模擬，以此來(lái)計(jì)算爐管的結(jié)焦情況。

3.3 附加功能模塊

反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)回歸及原料信息預(yù)處理均是依托附加功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。工業(yè)生產(chǎn)中有部分原料無(wú)法使用模擬平臺(tái)進(jìn)行計(jì)算，需要經(jīng)過(guò)一定的預(yù)處理。以機(jī)理模型為基礎(chǔ)，將原料信息按照模型要求處理成分子數(shù)據(jù)，并將其平均物性進(jìn)行改變。為了滿足計(jì)算機(jī)優(yōu)化模擬算法的回歸需求，必須以實(shí)際出發(fā)，實(shí)現(xiàn)部分參數(shù)的回歸。

3.4 工業(yè)應(yīng)用

表1和表2兩組數(shù)據(jù)是將該計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化軟件用于蘭州石化乙烯工業(yè)爐的各項(xiàng)模擬結(jié)果的應(yīng)用對(duì)比情況[6]。表1所示均是該公司當(dāng)天生產(chǎn)及使用的原料，兩次模擬方式采用的都是分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方法，其主要目的是為了利用當(dāng)天裂解爐生產(chǎn)的實(shí)際參數(shù)來(lái)對(duì)反應(yīng)參數(shù)進(jìn)行回歸。

通過(guò)表2和表3數(shù)據(jù)充分體現(xiàn)了石腦油、拔頭油裂解過(guò)程模擬結(jié)果與實(shí)際分布在工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的工業(yè)數(shù)據(jù)相吻合，期間有大部分物質(zhì)的模擬誤差不大于1%。

根據(jù)圖2乙烯、丙烯、丁二烯產(chǎn)物分布情況，充分體現(xiàn)了乙烯率的增長(zhǎng)是隨著裂解反應(yīng)而進(jìn)行，雖然期間丙烯的產(chǎn)率有稍許下降趨勢(shì)，但足以說(shuō)明石腦油在工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中深度適中的情況[7]。丙烯增長(zhǎng)率減緩趨勢(shì)是在中段開(kāi)始的，凸顯了二次反應(yīng)基本作用也在此時(shí)體現(xiàn)。

圖3所示為拔頭油裂解時(shí)3種產(chǎn)物產(chǎn)率的分布情況，由此可見(jiàn)，拔頭油的裂解深度不及石腦油。為了進(jìn)一步提升拔頭油裂解深度，可對(duì)其操作條件進(jìn)行適當(dāng)改變，在提升裂解溫度的同時(shí)，促使3種產(chǎn)物的收率得以有效提高。通過(guò)圖3可見(jiàn)3種產(chǎn)物收率均處于不斷增長(zhǎng)，未出現(xiàn)產(chǎn)率下降情況，丙烯在后端逐漸減慢的狀態(tài)，說(shuō)明二次反應(yīng)到爐管后端的反應(yīng)凸顯[8]。

4 結(jié)語(yǔ)

為了驗(yàn)證多種裂解原料在工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中裂解深度，可通過(guò)乙烯裂解爐計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化平臺(tái)對(duì)其原料進(jìn)行模擬，并對(duì)通過(guò)對(duì)模擬數(shù)據(jù)及實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，判斷該原料的裂解深度是否適用于工業(yè)生產(chǎn)[9]。該模擬平臺(tái)能夠準(zhǔn)確對(duì)裂解產(chǎn)物進(jìn)行預(yù)測(cè)，并采用多種反應(yīng)動(dòng)力學(xué)對(duì)其結(jié)構(gòu)組態(tài)進(jìn)行計(jì)算，最終計(jì)算結(jié)果可用于裂解爐數(shù)值模擬，充分體現(xiàn)了該計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化軟件的優(yōu)勢(shì)。計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化軟件不僅對(duì)工業(yè)生產(chǎn)水平及效益的提升有一定的推動(dòng)作用，還可以對(duì)模擬裂解過(guò)程及預(yù)測(cè)提供較好的指導(dǎo)[10]。

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