管式乙烯裂解炉清焦的模拟与控制

摘要

乙烯是化工生产最重要的原料，在世界上有着巨大的需求。98％的乙烯由管式蒸汽热裂解法制取。乙烯生产过程中，伴随着二次反应的发生，会在裂解炉辐射段、急冷锅炉内壁上积累一层焦炭，导致炉管传热效率下降，燃料能耗增大，外壁温度升高，炉管寿命缩短。当管壁温度或者炉管压降超限时，需要停止裂解操作进行清焦。目前的裂解炉清焦技术操作时间长，缩短了裂解装置用于生产的时间，且清焦操作消耗大量的水蒸汽、热空气、燃料，大大增加了裂解装置的运行成本。因此，研究裂解炉清焦过程，探索快速烧焦技术，能够为乙烯工业生产带来巨大的经济效益。
　　本文首先根据国内外专家学者的研究成果分析了乙烯裂解炉的清焦工艺，选取目前工厂采用最多的蒸汽空气烧焦工艺进行研究。通过分析北京某研究院的裂解中试装置烧焦过程的传热、传质、反应、流动等物理化学过程，建立了一维非均相活塞流模型。该模型为分布参数模型，其中炉管出口温度、浓度、压力、焦炭厚度等均为时间和空间的函数，模型形式为非线性双曲线偏微分方程组。分布参数模型的分析和计算比较困难，本文使用隐式有限差分的数值计算方法对模型进行近似求解，根据中试装置的参数与试验已知设定数据，对烧焦过程进行了模拟，并与实际烧焦结果进行对比，验证了模型的有效性。
　　然后结合建立的机理模型，根据烧焦过程的专家控制经验和烧焦试验，提出了裂解炉烧焦自动闭环控制算法，根据CO2浓度值及其变化率作为反馈，动态优化裂解炉烧焦的操纵变量，在改变操纵变量之前，首先根据机理模型进行模拟计算，确保烧焦控制安全平稳进行，通过在中试装置上的试验，验证了所提方法的有效性，该算法能够加快烧焦速度。为了实现烧焦过程更加连续稳定的控制，采用迭代学习算法对烧焦过程进行控制，将理想烧焦过程的CO2浓度作为参考轨迹，根据实际与期望CO2浓度的差值实时调整操纵变量，从而实现裂解炉烧焦的快速稳定控制，通过仿真对算法进行了验证。
　　最后，根据课题依托的实际工业项目需求，开发了裂解炉快速烧焦控制软件。采用OPC技术进行控制软件与中试装置控制器的实时通讯，软件能够实现裂解炉烧焦的在线自动快速烧焦，包括了状态监控、自动控制、超限报警、趋势显示、数据存储等功能。软件经过了实际烧焦试验的验证，并且根据工厂实际需求建议进行了功能优化，能够实现裂解炉烧焦过程快速安全进行。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 研究目的和意义

1．2 已有的相关研究

1．2．1 结焦机理及影响因素

1．2．2 结焦抑制技术

1．2．3 管式裂解炉清焦技术

1．2．4 炉管积焦燃烧机理

1．2．5 分布参数系统及数值计算

1．2．6 间歇过程的迭代学习控制

1．3 本文所做工作

第二章 管式裂解炉蒸汽空气法烧焦的模拟

2．1 引言

2．2 生产装置及烧焦工艺流程

2．3 蒸汽空气法烧焦机理模型的建立

2．3．1 实验装置介绍

2．3．2 烧焦反应动力学方程

2．3．3 辐射段炉管焦炭的热量衡算

2．3．4 连续性万程

2．3．5 动量衡算方程

2．3．6 辅助关系式

2．4 烧焦分布参数模型的数值求解

2．4．1 数值求解方法概述

2．4．2 模型有限差分隐式求解

2．5 裂解炉烧焦过程模拟结果与分析

2．6 小结

第三章 管式裂解炉蒸汽空气法烧焦的控制

3．1 引言

3．2 裂解炉自动闭环控制

3．2．1 自动闭环控制方法

3．2．2 自动闭环控制应用结果

3．3 迭代学习控制

3．3．1 迭代学习控制概述

3．3．2 带约束的变学习律迭代学习烧焦控制

3．4 小结

第四章 基于OPC技术的裂解炉烧焦控制软件开发

4．1 引言

4．2 OPC技术的概述

4．3 软件的设计

4．3．1 软件设计说明

4．3．2 软件功能设计

4．3．3 软件使用介绍

4．4 软件的应用实例

4．5 小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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