化工学报 ›› 2019, Vol. 70 ›› Issue (2): 607-616.DOI: 10.11949/j.issn.0438-1157.20181343
收稿日期:2018-11-15
修回日期:2018-11-21
出版日期:2019-02-05
发布日期:2019-02-05
通讯作者:
王雅琳
作者简介:<named-content content-type="corresp-name">薛永飞</named-content>(1988—),男,博士研究生,<email>xueyongfei@csu.edu.cn</email>|王雅琳(1973—),女,博士,教授,<email>ylwang@csu.edu.cn</email>
基金资助:
Yongfei XUE1(
),Yalin WANG1(
),Bei SUN1,Qianzhong LI2,Jiazhou SUN1
Received:2018-11-15
Revised:2018-11-21
Online:2019-02-05
Published:2019-02-05
Contact:
Yalin WANG
摘要:
实际化工过程反应系统通常由若干个相互关联的平推流反应器串级构成,要建立其机理模型,并估计其动力学参数,就必须反复求解大规模非线性微分方程组,计算代价较高。针对智能优化算法在求解昂贵优化问题时计算成本过高,而工业过程模型往往只需要找到一组满意解即可的特点,提出了一种基于改进状态转移算法的串级平推流反应器动力学参数估计方法。该算法在保留标准状态转移算法全局寻优能力和快速收敛能力的同时,利用对立算子优化初始种群,并根据误差阈值判定满意解中止条件,可有效节约计算时间。以实际炼油企业的加氢裂化装置为研究对象,采用所提方法对其反应系统的动力学参数进行估计,仿真结果表明了所提方法的有效性。
中图分类号:
薛永飞, 王雅琳, 孙备, 李钱钟, 孙家舟. 基于改进状态转移算法的串级平推流反应器动力学参数估计[J]. 化工学报, 2019, 70(2): 607-616.
Yongfei XUE, Yalin WANG, Bei SUN, Qianzhong LI, Jiazhou SUN. Improved state transfer algorithm-based kinetics parameter estimation for cascaded plug flow reactors[J]. CIESC Journal, 2019, 70(2): 607-616.
| 物性名称 | 本文取值 |
|---|---|
| 第1反应器中混合物的比定压热容 | 3.14 kJ?kg-1?K-1 |
| 第2反应器中混合物的比定压热容 | 2.48 kJ?kg-1?K-1 |
| 第3反应器中混合物的比定压热容 | 2.47 kJ?kg-1?K-1 |
| 第4反应器中混合物的比定压热容 | 2.26 kJ?kg-1?K-1 |
| 反应器级间冷氢的比定压热容 | 14.32 kJ?kg-1?K-1 |
| 加氢裂化反应平均放热系数Hr | 418.4 kJ?kg-1 |
| 第1反应器中混合物的密度ρ1 | 905 kg·m-3 |
| 第2反应器中混合物的密度ρ2 | 833 kg·m-3 |
| 第3反应器中混合物的密度ρ3 | 809.8 kg·m-3 |
| 第4反应器中混合物的密度ρ4 | 737.1 kg·m-3 |
表1 加氢裂化动力学参数估计所需物性数据
Table 1 Physical property data used for estimating kinetics parameters of hydrocracking
| 物性名称 | 本文取值 |
|---|---|
| 第1反应器中混合物的比定压热容 | 3.14 kJ?kg-1?K-1 |
| 第2反应器中混合物的比定压热容 | 2.48 kJ?kg-1?K-1 |
| 第3反应器中混合物的比定压热容 | 2.47 kJ?kg-1?K-1 |
| 第4反应器中混合物的比定压热容 | 2.26 kJ?kg-1?K-1 |
| 反应器级间冷氢的比定压热容 | 14.32 kJ?kg-1?K-1 |
| 加氢裂化反应平均放热系数Hr | 418.4 kJ?kg-1 |
| 第1反应器中混合物的密度ρ1 | 905 kg·m-3 |
| 第2反应器中混合物的密度ρ2 | 833 kg·m-3 |
| 第3反应器中混合物的密度ρ3 | 809.8 kg·m-3 |
| 第4反应器中混合物的密度ρ4 | 737.1 kg·m-3 |
| 反应速率常数 | 活化能Ei/(J·mol-1) | 指前因子ki0/s-1 |
|---|---|---|
| k1 | 95700.39 95700.39 95700.39 95700.39 95700.39 95700.39 | 4585.95 |
| k2 | 2383.74 | |
| k3 | 2373.56 | |
| k4 | 417.33 | |
| k5 | 39.32 | |
| k6 | 97199.38 97199.38 97199.38 97199.38 | 473.33 |
| k7 | 96.48 | |
| k8 | 2.65×10-5 | |
| k9 | 0 | |
| k10 | 63753.57 63753.57 63753.57 | 0.20 |
| k11 | 0 | |
| k12 | 9.92×10-3 | |
| k13 | 97292.32 97292.32 | 44.70 |
| k14 | 0 | |
| k15 | 8018.36 | 11.70×10-3 |
表2 加氢裂化反应动力学参数估计结果
Table 2 Estimation results of kinetics parameters for hydrocracking reaction
| 反应速率常数 | 活化能Ei/(J·mol-1) | 指前因子ki0/s-1 |
|---|---|---|
| k1 | 95700.39 95700.39 95700.39 95700.39 95700.39 95700.39 | 4585.95 |
| k2 | 2383.74 | |
| k3 | 2373.56 | |
| k4 | 417.33 | |
| k5 | 39.32 | |
| k6 | 97199.38 97199.38 97199.38 97199.38 | 473.33 |
| k7 | 96.48 | |
| k8 | 2.65×10-5 | |
| k9 | 0 | |
| k10 | 63753.57 63753.57 63753.57 | 0.20 |
| k11 | 0 | |
| k12 | 9.92×10-3 | |
| k13 | 97292.32 97292.32 | 44.70 |
| k14 | 0 | |
| k15 | 8018.36 | 11.70×10-3 |
| 项目 | 标准STA | 改进STA (平均值) | 性能提升 (平均值)/% |
|---|---|---|---|
| 寻优迭代次数 | 200 | 41.7 | 79.15 |
| 计算总耗时/s | 30477.12 | 6215.60 | 79.61 |
| fitness调用耗时/s | 30378.39 | 6108.06 | 79.89 |
| ode15 s调用耗时/s | 30416.73 | 6199.97 | 79.62 |
表3 20次独立寻优实验的统计结果
| 项目 | 标准STA | 改进STA (平均值) | 性能提升 (平均值)/% |
|---|---|---|---|
| 寻优迭代次数 | 200 | 41.7 | 79.15 |
| 计算总耗时/s | 30477.12 | 6215.60 | 79.61 |
| fitness调用耗时/s | 30378.39 | 6108.06 | 79.89 |
| ode15 s调用耗时/s | 30416.73 | 6199.97 | 79.62 |
| 参数名称 | 取值 | 参数名称 | 取值 |
|---|---|---|---|
| 伸缩算子γ | 1 | 迭代次数iter | 2.0×102 |
| 旋转算子α | (1/2)iterαmax | 误差满意阈值ξ | 3.0×10-2 |
| 旋转算子初值αmax | 1 | 活化能Ei上限 | 1.3×105 |
| 旋转算子终值αmin | 1.0×10-3 | 活化能Ei下限 | 6.0×103 |
| 轴向算子δ | 1 | 指前因子ki0上限 | 7.0×103 |
| 平移算子β | 1 | 指前因子ki0下限 | 0 |
| 状态个数SE | 30 | 所求问题状态维数 | 20 |
表4 改进STA的参数设置
Table 4 Parameters setting of improved STA
| 参数名称 | 取值 | 参数名称 | 取值 |
|---|---|---|---|
| 伸缩算子γ | 1 | 迭代次数iter | 2.0×102 |
| 旋转算子α | (1/2)iterαmax | 误差满意阈值ξ | 3.0×10-2 |
| 旋转算子初值αmax | 1 | 活化能Ei上限 | 1.3×105 |
| 旋转算子终值αmin | 1.0×10-3 | 活化能Ei下限 | 6.0×103 |
| 轴向算子δ | 1 | 指前因子ki0上限 | 7.0×103 |
| 平移算子β | 1 | 指前因子ki0下限 | 0 |
| 状态个数SE | 30 | 所求问题状态维数 | 20 |
| 预测项目 | 标准STA | 改进STA | ||
|---|---|---|---|---|
| MAE | MRE | MAE | MRE | |
| 尾油质量分数 | 0.001948 | 1.0627% | 0.002412 | 1.3155% |
| 柴油质量分数 | 0.001188 | 0.3069% | 0.001510 | 0.3899% |
| 航煤质量分数 | 0.000220 | 0.1089% | 0.000306 | 0.1513% |
| 重石质量分数 | 0.000455 | 0.2386% | 0.000629 | 0.3302% |
| 轻石质量分数 | 0.000260 | 1.6356% | 0.000339 | 2.1251% |
| 轻端质量分数 | 0.000280 | 1.3670% | 0.000378 | 1.8609% |
| 1反出口温度 | 0.076543 | 0.0113% | 0.111887 | 0.0166% |
| 2反出口温度 | 0.106760 | 0.0158% | 0.139421 | 0.0207% |
| 3反出口温度 | 0.109646 | 0.0162% | 0.143436 | 0.0212% |
| 4反出口温度 | 0.098496 | 0.0146% | 0.122468 | 0.0182% |
表5 加氢裂化相邻时段16组测试样本的误差统计
Table 5 Statistical error of 16 hydrocracking testing samples which are adjacent
| 预测项目 | 标准STA | 改进STA | ||
|---|---|---|---|---|
| MAE | MRE | MAE | MRE | |
| 尾油质量分数 | 0.001948 | 1.0627% | 0.002412 | 1.3155% |
| 柴油质量分数 | 0.001188 | 0.3069% | 0.001510 | 0.3899% |
| 航煤质量分数 | 0.000220 | 0.1089% | 0.000306 | 0.1513% |
| 重石质量分数 | 0.000455 | 0.2386% | 0.000629 | 0.3302% |
| 轻石质量分数 | 0.000260 | 1.6356% | 0.000339 | 2.1251% |
| 轻端质量分数 | 0.000280 | 1.3670% | 0.000378 | 1.8609% |
| 1反出口温度 | 0.076543 | 0.0113% | 0.111887 | 0.0166% |
| 2反出口温度 | 0.106760 | 0.0158% | 0.139421 | 0.0207% |
| 3反出口温度 | 0.109646 | 0.0162% | 0.143436 | 0.0212% |
| 4反出口温度 | 0.098496 | 0.0146% | 0.122468 | 0.0182% |
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