化工学报 ›› 2022, Vol. 73 ›› Issue (10): 4551-4564.DOI: 10.11949/0438-1157.20220753
收稿日期:
2022-05-27
修回日期:
2022-06-27
出版日期:
2022-10-05
发布日期:
2022-11-02
通讯作者:
罗雄麟
作者简介:
王峥(1996—),男,硕士研究生,wangzheng_pcx@163.com
基金资助:
Zheng WANG(), Feng XU, Xionglin LUO()
Received:
2022-05-27
Revised:
2022-06-27
Online:
2022-10-05
Published:
2022-11-02
Contact:
Xionglin LUO
摘要:
在乙炔加氢反应器的实际生产运行过程中,乙炔加氢反应大部分在第一床层,加氢反应放出的大量热量使得床层内温度高于最佳反应温度范围,致使乙烯选择性降低,乙烯产量下降,而在进行全周期操作优化时并未考虑到此问题。因此,首先考虑温度对绿油累积的影响,修正了催化剂失活动力学方程;其次,为保证反应器各床层内温度都在最佳反应温度范围,从化学反应工程理论和实际生产过程中的安全性两个角度出发,给出两种反应器各床层乙炔转化率分配方案;最后,在常规全周期操作优化模型中添加乙炔转化率约束,建立全周期乙炔转化率分配操作优化模型,并对两种乙炔转化率分配方案进行全周期操作优化。优化结果表明,两种乙炔转化率分配方案操作优化的乙烯产量要远远高于常规操作优化,且乙炔转化率方案为33∶33∶33时,乙烯产量最高,而考虑实际生产过程中的安全性,乙炔转化率分配方案为43∶47∶10时具有更好的效果。
中图分类号:
王峥, 许锋, 罗雄麟. 乙炔加氢串联反应器全周期乙炔转化率最优分配研究[J]. 化工学报, 2022, 73(10): 4551-4564.
Zheng WANG, Feng XU, Xionglin LUO. Full-cycle optimization of acetylene conversion distribution for acetylene hydrogenation beds-in-series reactor[J]. CIESC Journal, 2022, 73(10): 4551-4564.
床层 | 操作方案 | 乙炔转化率/% | 操作点 | 入口温度/℃ | 入口氢气流量/(kg·h-1) |
---|---|---|---|---|---|
床层1 | 当前生产方案 | 68.0 | A | 47.65 | 29.40 |
方案Ⅰ(平均) | 33.3 | A′ | 保持 | ↓↓ | |
方案Ⅱ(安全) | 45.0 | A″ | 保持 | ↓ | |
床层2 | 当前生产方案 | 28.0 | B | 48.65 | 13.92 |
方案Ⅰ(平均) | 33.3 | B′ | 保持 | ↓ | |
方案Ⅱ(安全) | 45.0 | B″ | 保持 | ↑ | |
床层3 | 当前生产方案 | 4.0 | C | 49.65 | 0.78 |
方案Ⅰ(平均) | 33.4 | C′ | 保持 | ↑↑ | |
方案Ⅱ(安全) | 10.0 | C″ | 保持 | ↑ |
表1 反应器的入口操作条件调整
Table 1 Adjustment of reactor inlet operating conditions
床层 | 操作方案 | 乙炔转化率/% | 操作点 | 入口温度/℃ | 入口氢气流量/(kg·h-1) |
---|---|---|---|---|---|
床层1 | 当前生产方案 | 68.0 | A | 47.65 | 29.40 |
方案Ⅰ(平均) | 33.3 | A′ | 保持 | ↓↓ | |
方案Ⅱ(安全) | 45.0 | A″ | 保持 | ↓ | |
床层2 | 当前生产方案 | 28.0 | B | 48.65 | 13.92 |
方案Ⅰ(平均) | 33.3 | B′ | 保持 | ↓ | |
方案Ⅱ(安全) | 45.0 | B″ | 保持 | ↑ | |
床层3 | 当前生产方案 | 4.0 | C | 49.65 | 0.78 |
方案Ⅰ(平均) | 33.4 | C′ | 保持 | ↑↑ | |
方案Ⅱ(安全) | 10.0 | C″ | 保持 | ↑ |
项目 | 操作变量 | 符号及单位 | 数值 |
---|---|---|---|
床层1 | 入口氢气分压 | 29.55 | |
入口温度 | 320.8 | ||
入口乙炔分压 | 29.55 | ||
入口乙烯分压 | 1684.35 | ||
床层2 | 入口氢气分压 | 14.00 | |
入口温度 | 321.8 | ||
床层3 | 入口氢气分压 | 0.79 | |
入口温度 | 322.8 | ||
运行周期 | 时间 | Γ/d | 180 |
表2 模拟运行的操作条件
Table 2 Operational conditions for the simulation run
项目 | 操作变量 | 符号及单位 | 数值 |
---|---|---|---|
床层1 | 入口氢气分压 | 29.55 | |
入口温度 | 320.8 | ||
入口乙炔分压 | 29.55 | ||
入口乙烯分压 | 1684.35 | ||
床层2 | 入口氢气分压 | 14.00 | |
入口温度 | 321.8 | ||
床层3 | 入口氢气分压 | 0.79 | |
入口温度 | 322.8 | ||
运行周期 | 时间 | Γ/d | 180 |
项目 | ||
---|---|---|
模拟1 | 29.55 | 320.8 |
模拟2 | 保持 | 321.8 |
模拟3 | 保持 | 322.8 |
表3 反应器第一床层入口温度变化
Table 3 Inlet temperature change of the first reactor bed
项目 | ||
---|---|---|
模拟1 | 29.55 | 320.8 |
模拟2 | 保持 | 321.8 |
模拟3 | 保持 | 322.8 |
图4 原失活模型入口温度变化系统运行180 d的第一床层催化剂活性
Fig.4 First bed catalyst activity of the inlet temperature change system running for 180 days of original deactivated model
项目 | ||
---|---|---|
模拟4 | 320.8 | 27.55 |
模拟5 | 保持 | 28.55 |
模拟6 | 保持 | 29.55 |
表4 反应器第一床层入口加氢量变化
Table 4 Inlet hydrogen change of the first reactor bed
项目 | ||
---|---|---|
模拟4 | 320.8 | 27.55 |
模拟5 | 保持 | 28.55 |
模拟6 | 保持 | 29.55 |
符号 | 说明 | |
---|---|---|
优化目标(J) | 全周期乙烯产品累积产量 | |
乙烯产品产量(MC) | 单日乙烯产品产量 | |
周期(Γf) | 优化运行180 d | |
反应过程模型f(·) | 操作优化应用的模型,表达式见式(6)~式(12) | |
操作优化约束g(·) | 操作优化约束见 | |
催化剂活性(θ) | 操作优化考虑催化剂活性变化,表达式见式(18) | |
出口乙炔摩尔分数(α) | α为乙炔摩尔分数,αlb=1×10-6,αub=1×10-5 | |
状态变量(x) | 各床层入口乙炔分压 | 各床层出口乙烯分压 |
各床层入口乙烯分压 | 各床层出口氢气分压 | |
各床层出口乙炔分压 | 各床层出口温度 |
表5 全周期操作优化模型符号说明
Table 5 Symbolic description of full-cycle operation optimization model
符号 | 说明 | |
---|---|---|
优化目标(J) | 全周期乙烯产品累积产量 | |
乙烯产品产量(MC) | 单日乙烯产品产量 | |
周期(Γf) | 优化运行180 d | |
反应过程模型f(·) | 操作优化应用的模型,表达式见式(6)~式(12) | |
操作优化约束g(·) | 操作优化约束见 | |
催化剂活性(θ) | 操作优化考虑催化剂活性变化,表达式见式(18) | |
出口乙炔摩尔分数(α) | α为乙炔摩尔分数,αlb=1×10-6,αub=1×10-5 | |
状态变量(x) | 各床层入口乙炔分压 | 各床层出口乙烯分压 |
各床层入口乙烯分压 | 各床层出口氢气分压 | |
各床层出口乙炔分压 | 各床层出口温度 |
床层 | 优化变量(u) | 符号及单位 | 优化约束 | 初值 |
---|---|---|---|---|
床层1 | 入口温度 | 320.8 | ||
入口氢气分压 | 29.55 | |||
床层2 | 入口温度 | 321.8 | ||
入口氢气分压 | 14.00 | |||
床层3 | 入口温度 | 322.8 | ||
入口氢气分压 | 0.79 |
表6 操作优化约束
Table 6 Constraints of operation optimization
床层 | 优化变量(u) | 符号及单位 | 优化约束 | 初值 |
---|---|---|---|---|
床层1 | 入口温度 | 320.8 | ||
入口氢气分压 | 29.55 | |||
床层2 | 入口温度 | 321.8 | ||
入口氢气分压 | 14.00 | |||
床层3 | 入口温度 | 322.8 | ||
入口氢气分压 | 0.79 |
床层 | 优化变量(u) | Ⅰ | Ⅱ-A | Ⅱ-B | Ⅱ-C |
---|---|---|---|---|---|
床层1 | 入口温度/K | 320.8 | 320.8 | 320.8 | 320.8 |
入口氢气流量/(kg·h-1) | 13.67 | 18.41 | 19.60 | 20.10 | |
床层2 | 入口温度/K | 321.8 | 321.8 | 321.8 | 321.8 |
入口氢气流量/(kg·h-1) | 13.63 | 20.25 | 19.30 | 18.90 | |
床层3 | 入口温度/K | 322.8 | 322.8 | 322.8 | 322.8 |
入口氢气流量/(kg·h-1) | 13.63 | 2.54 | 2.54 | 2.54 |
表7 乙炔转化率分配方案入口初值
Table 7 Inlet initial value of acetylene conversion rate distribution scheme
床层 | 优化变量(u) | Ⅰ | Ⅱ-A | Ⅱ-B | Ⅱ-C |
---|---|---|---|---|---|
床层1 | 入口温度/K | 320.8 | 320.8 | 320.8 | 320.8 |
入口氢气流量/(kg·h-1) | 13.67 | 18.41 | 19.60 | 20.10 | |
床层2 | 入口温度/K | 321.8 | 321.8 | 321.8 | 321.8 |
入口氢气流量/(kg·h-1) | 13.63 | 20.25 | 19.30 | 18.90 | |
床层3 | 入口温度/K | 322.8 | 322.8 | 322.8 | 322.8 |
入口氢气流量/(kg·h-1) | 13.63 | 2.54 | 2.54 | 2.54 |
项目 | 乙炔转化率平均分配 | 乙炔转化率安全分配 | ||
---|---|---|---|---|
Ⅰ(33∶33∶33) | Ⅱ-A(43∶47∶10) | Ⅱ-B(45∶45∶10) | Ⅱ-C(47∶43∶10) | |
乙炔转化率分配附加约束 | 0.32≤y[ | 0.40≤y[ | 0.42≤y[ | 0.44≤y[ |
0.32≤y[ | 0.44≤y[ | 0.42≤y[ | 0.40≤y[ | |
0.32≤y[ | 0.05≤y[ | 0.05≤y[ | 0.05≤y[ |
表8 乙炔转化率分配方案
Table 8 Distribution scheme of acetylene conversion rate
项目 | 乙炔转化率平均分配 | 乙炔转化率安全分配 | ||
---|---|---|---|---|
Ⅰ(33∶33∶33) | Ⅱ-A(43∶47∶10) | Ⅱ-B(45∶45∶10) | Ⅱ-C(47∶43∶10) | |
乙炔转化率分配附加约束 | 0.32≤y[ | 0.40≤y[ | 0.42≤y[ | 0.44≤y[ |
0.32≤y[ | 0.44≤y[ | 0.42≤y[ | 0.40≤y[ | |
0.32≤y[ | 0.05≤y[ | 0.05≤y[ | 0.05≤y[ |
图7 常规优化和乙炔转化率平均分配方案优化的反应器出口乙烯质量流量
Fig.7 Ethylene mass flow at reactor outlet optimized by conventional optimization and acetylene conversion average distribution scheme
优化方案 | 乙炔转化率分配 | 180 d乙烯产品累积产量/t | 180 d乙烯产品累积增量/t |
---|---|---|---|
当前生产方案(未优化) | 无 | 100831.04 | 251.16 |
当前生产方案(常规优化) | 无 | 101339.92 | 713.90 |
方案Ⅰ | 33∶33∶33 | 101573.55 | 844.68 |
方案Ⅱ-A | 43∶47∶10 | 101521.03 | 816.23 |
方案Ⅱ-B | 45∶45∶10 | 101511.91 | 812.62 |
方案Ⅱ-C | 47∶43∶10 | 101505.81 | 808.25 |
表9 系统运行180 d乙烯累积产品产量
Table 9 Cumulative product yield of ethylene on system at 180 days operation
优化方案 | 乙炔转化率分配 | 180 d乙烯产品累积产量/t | 180 d乙烯产品累积增量/t |
---|---|---|---|
当前生产方案(未优化) | 无 | 100831.04 | 251.16 |
当前生产方案(常规优化) | 无 | 101339.92 | 713.90 |
方案Ⅰ | 33∶33∶33 | 101573.55 | 844.68 |
方案Ⅱ-A | 43∶47∶10 | 101521.03 | 816.23 |
方案Ⅱ-B | 45∶45∶10 | 101511.91 | 812.62 |
方案Ⅱ-C | 47∶43∶10 | 101505.81 | 808.25 |
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