论文题目: 石脑油裂解炉建模技术研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 控制科学与工程
作者: 胡益锋
导师: 徐用懋,何细藕
关键词: 石脑油,裂解炉,建模,在线仿真,优化
文献来源: 清华大学
发表年度: 2005
论文摘要: 裂解装置是石化行业中生产能力最高、能耗也最大的装置之一,是乙烯、丙烯等石化基础原料的主要来源。石脑油是其重要的裂解原料,随着科学技术的发展和人类需求的提高,对石脑油裂解炉的研究日益受到重视。本文对石脑油裂解炉的建模及其在线应用、优化技术等方面展开研究,取得了一系列成果:(1)建立了石脑油裂解炉在线仿真模型,突破了以前各种模型仅用于离线仿真的局限。提出了一种基于工业测量的石脑油常规物性数据快速估算石脑油详细组成的算法,进而可以求取石脑油的平均分子式和生成热、比热容等重要平均物性参数;设计了一种随机搜索算法,实现了分子反应动力学网络一次反应选择性系数的自寻优;通过在线采集实时数据库工况数据实现分子动力学模型的在线应用,可实时预测主要裂解产物收率和裂解深度。为过程操作优化奠定了基础。(2)建立了实用的石脑油裂解过程自由基机理模型。根据自由基理论,推导构建了符合我国石脑油原料特征的石脑油裂解反应过程自由基反应网络,引入拟稳态法和简化策略,建立了简化的石脑油裂解过程机理模型,实现了自由基网络的快速有效求解。模型仿真结果与标定结果吻合良好。结合本文提出的石脑油组成估算方法,可以方便地实现模型的在线应用,具有较强的外推性。(3)提出了石脑油裂解炉的在线操作优化构想,建立了石脑油裂解炉过程优化模型,提出了由类有限元法和随机搜索算法组成的两阶段优化计算方法,研究了裂解炉的实时操作优化,通过对典型操作工况进行操作优化计算,可以提高经济效益 8.13%。研究结果表明,石脑油裂解炉具有较大的优化潜力。论文还设计了石脑油裂解炉的在线优化实施方案。(4)本文提出的石脑油组成估算方法具有较强的外推性。通过增删混合物中包含的物质种类,可以用于估算轻质油和重质油的详细组成。对重柴油和加氢尾油等重型原料,通过添加部分虚拟组分,也可以求出其大体质量分布,为后续研究重质原料的裂解模型打下了基础。(5)建立了石脑油裂解炉的传热动态模型。基于无反应的纯加热管传热动态模型和裂解反应的机理模型,建立了石脑油裂解炉传热过程动态模型,该模型对原料和操作条件变化均具有较强的外推性。求取了裂解炉系统对各种操作参数扰动的过渡过程传递函数,为进一步进行控制策略研究提供了依据。
论文目录:
第1章 引言
1.1 前言
1.2 石脑油裂解炉
1.2.1 乙烯生产方法
1.2.2 裂解炉与典型生产工艺
1.2.3 石脑油
1.3 石脑油裂解炉建模技术的研究现状
1.3.1 石脑油裂解过程反应模型
1.3.2 结焦过程建模
1.3.3 反应管传热模型
1.4 石脑油裂解炉优化技术的研究现状
1.5 发展趋势
1.6 应用前景分析
1.7 论文研究的目的、内容和创新点
1.7.1 论文研究的目的
1.7.2 论文研究的内容
1.7.3 论文的创新点
1.8 论文各部分主要内容
第2章 石脑油裂解反应过程模型
2.1 前言
2.1.1 石脑油原料的性质
2.1.2 石脑油裂解性能的评价指标
2.1.3 影响石脑油裂解性能的因素
2.2 分子动力学模型
2.2.1 Hirato 模型
2.2.2 Kumar 模型
2.3 自由基模型
2.3.1 Rice 自由基理论
2.3.2 Eunjung Joo 模型
2.3.3 Spyro 软件
2.4 本章小结
第3章 裂解炉工艺数学模型
3.1 裂解炉辐射段炉管结构
3.2 建模所需的简化与假设
3.3 石脑油裂解过程化学动力学模型
3.4 传热模型
3.4.1 炉膛辐射传热模型
3.4.2 管内外传热模型
3.4.3 管内裂解气升温吸热过程
3.5 压力降数学模型
3.6 清洁管稳态仿真结果与分析
3.7 结焦模型
3.7.1 结焦对裂解过程的影响
3.7.2 结焦机理反应动力学模型
3.7.3 裂解管全周期工艺数学模型的建立
3.7.4 裂解管全周期模型计算步骤
3.8 裂解炉反应管全周期仿真
3.9 本章小结
第4章 石脑油裂解炉动态特性研究
4.1 前言
4.2 加热管传热过程动态模型
4.2.1 加热管稳态模型
4.2.2 加热管动态模型
4.2.3 加热管动态特性仿真
4.3 石脑油裂解炉传热动态模型
4.3.1 稳态模型简述
4.3.2 动态模型推导
4.4 仿真结果与分析
4.4.1 炉膛温度阶跃扰动
4.4.2 进料流量和稀释蒸汽流量阶跃扰动
4.4.3 进料横跨温度阶跃扰动
4.5 本章小结
第5章 石脑油详细组成估算
5.1 前言
5.2 估算方法评述
5.3 基于常规物性参数的估算方法
5.3.1 常规物性参数
5.3.2 石脑油的组成
5.3.3 算法
5.4 结果与分析
5.5 本章小结
第6章 石脑油裂解炉分子动力学模型研究
6.1 前言
6.2 在线模型的系统结构
6.3 石脑油平均物性的在线更新
6.4 模型参数的在线调整
6.4.1 一次反应选择性系数
6.4.2 系数调整的随机搜索算法
6.4.3 系数调整的结果分析
6.5 模型在线应用
6.5.1 工业检验方法
6.5.2 在线仿真结果与分析
6.6 本章小结
第7章 石脑油裂解炉自由基模型研究
7.1 前言
7.2 自由基理论
7.2.1 基元反应
7.2.2 乙烷裂解过程自由基动力学模型
7.3 烃类裂解自由基模型的数值计算方法分析
7.3.1 计算对象
7.3.2 计算方法分析
7.3.3 拟稳态法的改进
7.4 石脑油裂解反应自由基机理
7.4.1 简化与假设
7.4.2 自由基建模的步骤
7.4.3 动力学参数
7.4.4 几种典型烃类的裂解自由基机理
7.4.5 石脑油裂解反应网络的推导
7.4.6 反应动力学网络的简化策略
7.5 模型的应用与分析
7.5.1 稳态工艺数学模型计算框架
7.5.2 在线模型
7.5.3 仿真结果与分析
7.6 本章小结
第8章 石脑油裂解炉优化技术研究
8.1 前言
8.2 影响裂解产物收率的因素
8.2.1 裂解温度和停留时间
8.2.2 烃分压
8.2.3 稀释蒸汽
8.3 裂解炉优化问题的数学描述
8.3.1 决策变量的选取
8.3.2 目标函数的确定
8.3.3 约束条件的建立
8.3.4 优化算法的选择
8.4 裂解炉的操作优化
8.4.1 目标函数
8.4.2 可行域
8.4.3 优化计算步骤
8.4.4 优化结果
8.5 石脑油裂解炉的在线优化实施
8.6 本章小结
第9章 总结与展望
9.1 论文主要成果
9.1.1 石脑油裂解炉稳态工艺数学模型
9.1.2 石脑油裂解炉动态模型
9.1.3 石脑油详细组成估算算法
9.1.4 石脑油裂解分子动力学模型的在线应用
9.1.5 石脑油裂解过程自由基机理模型及在线应用
9.1.6 石脑油裂解炉实时操作优化
9.2 研究展望
9.2.1 石脑油裂解过程自由基模型的完善
9.2.2 柴油和加氢尾油裂解过程建模
9.2.3 裂解炉全系统优化
参考文献
致谢与声明
附录A 自由基热化学性质数据表
附录B 某些物质临界数据表
附录C 某些物质的热化学物理数据
附录D 相关物性数据计算
附录E 自由基反应网络简化方法
附录F 石脑油裂解反应动力学网络
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果
发布时间: 2006-06-29
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