乙烯裂解炉烧焦过程的模拟、应用与优化控制

摘要

对烃类进行蒸汽热裂解制取乙烯的过程中，必然会在裂解炉管内壁产生一层焦体，这个现象称为“结焦”，它会造成两个恶劣影响:降低传热效率，降低乙烯收率。当管壁温度或压降达到允许极限时，裂解炉就需要停产清焦，烧焦时间的长短直接影响着乙烯产率、燃料消耗、炉管寿命、操作工人身安全等，而且其过程十分复杂，充满突变性。因此，对烧焦过程的研究不仅具有学术意义，更具有生产实际运用价值[1]。
　　 本文首先从理论研究入手，在国内外专家学者的研究结果基础上，依托北京某研究院的乙烯裂解炉装置，利用选定后的假设沿炉管恒定的烧焦化学反应动力学参数和反应热，建立烧焦过程的机理模型。由于裂解炉炉管内壁的空气烧焦过程是一个炉管温度、压力、浓度和烧焦厚度随时间沿空间变化的动态过程，所以，它的机理模型是一组非线性双曲线偏微分方程，即得到了分布参数模型，对其的分析和计算远比集中参数模型复杂和困难，目前理论体系发展的也不够完善，本文使用隐式差分格式的数值计算方法模拟炉管出口处二氧化碳浓度，得到空气烧焦过程的内在特性。其次，分析其原理和烧焦过程状态变化性质，在参考经验操作的基础上，本文提出了一种在线闭环自动控制方法，此法不同于传统的顺序开环烧焦控制，它以二氧化碳浓度和裂解炉管壁温度的变化作为反馈来实时地调整入口空气流量和壁管温度，实验证明了所提方法的可行性。为了得到连续的控制过程，本文采用迭代学习控制，根据烧焦过程的实际测量二氧化碳浓度和期望的误差，利用之前的控制经验，调整迭代学习率改变操纵变量，得到空气流量的连续变化曲线。
　　 最后，设计完成了乙烯裂解炉清焦自动控制软件，利用OPC技术采集工业现场过程数据，并进行实时数据显示、在线闭环自动控制和学习控制，具备超限报警、存储历史数据、记录操作过程等功能，有助于应用推广。在北京某化工研究院的实际装置上应用表明对减少烧焦时间、保证安全性方面效果明显。

目录

声明

学位论文数据集

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 研究的目的和意义

1．2 研究现状

1．2．1 乙烯裂解炉结焦

1．2．2 乙烯裂解炉清焦

1．2．3 烧焦过程机理

1．2．4 分布参数模型概述

1．2．5 优化控制

1．3 本文主要内容

第二章 乙烯裂解炉烧焦过程的模拟

2．1 引言

2．2 裂解炉清焦工艺介绍

2．3 烧焦反应机理模型的建立

2．3．1 化学反应动力学方程

2．3．2 炉管微元体模型

2．3．3 质量守恒方程

2．3．4 热量守恒方程

2．4 烧焦过程分布参数机理模型的数值解法

2．4．1 分布参数模型的数值解法

2．4．2 烧焦过程机理模型的隐式差分解法

2．5 实际模拟验证与结果分析

2．6 小结

第三章 烧焦过程自动在线闭环控制与学习控制

3．1 引言

3．2 基于烧焦反应机理模型分析的应用理论基础

3．3 在线自动闭环控制设计与实际应用结果

3．3．1 在线自动闭环控制设计

3．3．2 实际应用

3．4 基于规则的变学习律烧焦过程迭代学习控制

3．4．1 迭代学习控制

3．4．2 基于规则的变学习律烧焦过程控制

3．5 小结

第四章 乙烯裂解炉烧焦过程系统仿真与控制软件的开发

4．1 引言

4．2 软件需求设计

4．3 软件总体设计

4．4 软件详细设计

4．4．1 数据采集模块

4．4．2 过程状态实时显示和报警功能模块

4．4．3 空气烧焦过程仿真模块

4．4．4 自动闭环烧焦控制模块

4．4．5 烧焦过程的迭代学习控制模块

4．5 实际装置的应用过程

4．4 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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