裂解炉最优裂解反应温度分布研究.pdfVIP

增 刊 浙 江 大 学 学 报(自靠!；科荤版’ s。ppl帅州 ；2￡￡生§基 12婪￡塑!型圣鲢i垫翌g型垂堡望i!z!型：：!竺!曼!竺竺!墨型12塑 裂解炉最优裂解反应温度分布的研究。 钱锋俞金寿蒋慰孙 ／ (隼东理工大学自动化研究所，上海．200237) ‘～) ～ 摘要 本文基于石脑油裂解过程的化学反应动力学模型，应用Pontryagin极大值原理。研究了使 裂解炉出口目标产品收率最大时的裂解反应温度分布命题，获得了一个沿炉管管长方向的裂解 反应温度最优分布轨迹，并考察了最优温度分布下目标产品收率的分布状况．该研究结果为新 型裂解炉的优化设计与制造，以及工业裂解炉的优化操作提供了有力的理论依据． 关键词：石脑油裂解；温度分布；最优化 中图法分类号：TQ063 0引言 石脑油在高温裂解炉反应管内裂锵生成乙烯、丙烯、丁烯等目标产品的同时，其生成的 目标产品还会发生再裂解反应和化合反应，生成一些付产品．根据作者对石脑油裂解过程的 工艺机理数学模型研究结果n“3和工业生产装置的实时操作特性分析表明，提高裂解反应 温度能提高一次反应的速率，增加石脑油裂解生成目标产品的转化率，但这同时也加速了二 次反应的速率，有利于目标产品转化为付产品．上述矛盾的产生。显然说明了在裂解炉反应 搀 管内一定存在着一个沿反应管管长方向上的最优裂解反应温度分布，在此最优温度分布作 |9 用下，反应管出口的目标产品收率达到最大．为此，本文基于作者前期对石脑油裂解过程的 化学反应动力学模型研究结果．应用最优控制技术，研究了裂解反应温度沿反应管管长方向 上的最优分布轨迹，并探讨了在最优温度分布操作工况下，裂解管内黼产品收率的分布状 况．该研究结果不仅能为新型裂解炉的优化设计和制造提供了有力的依据，而且亦可藉此指 导和优化工业裂解炉的实时操作． ·国家自然科学基金资肋项 454 浙 江 大 学 学 报(自然科学版) 1998年 l 石脑油裂解反应化学动力学模型 虽然众所公认，石脑油热裂解主要是官能圃的反应，它是一个十分复杂的连串、平行反 应过程，但是绝大多数研究者仍采用分子反应模型来描述裂解过程；这是由于分子反应模型 较官能团反应模型简单，其建模周期短、模型计算简单(相对而言)、通用性强，且具有较高的 模拟精度，因此它更适应于以重质烃为原料(如石脑油和柴油等)的热裂解过程．本文采用的 andKunzruHo提出的石脑油热裂解的分子反应动力学模型结构， 裂解反应动力学是Kumar 该模型结构是在总结了前人有关裂解过程反应动力学模型基础上，通过对石脑油裂解过程 自由基反应机理分析和长期大量的实验室研究而获得的，其含有22个分子反应方程式，划 分为一次反应和二次反应．一次反应是石脑油裂解生成碳四以下的各种轻烃组分，二次反应 则是可次反应产物的再反应．作者曾根据工业裂解炉的实际操作工况和大量统计数据(尤其 是裂解躁料的特性变化)及经验，对Kumaz模型结构中一次反应选择性系数和动力学参数 进行了改进和优化调整，使石脑油裂解反应的动力学模型在一定的操作范围内能比较准确 地描述工业裂解炉的实际操作特性[3]．文献[3]给出了经过优化调整后国内某sRT一Ⅲ型 裂解炉裂解石脑油的一次反应和二次反应动力学模型． 2 最优裂解反应温度分布命题与优化算法 裂解反应温度分布最优化的目标函数是，确保裂饵炉反应管出1：1处的目标产品(即乙烯 和丙烯)收率达到最大，同时必须满足石脑油裂懈反应动力学模型(即裂解反应质量平衡) 约束和炉管所能承受的最大温度约束．为此，我们提出如下寻求最优温度分布轨迹的命题： ’