专利名称：一种工业装置乙炔催化加氢反应过程优化运行方法
技术领域：
本发明涉及一种过程优化运行方法，尤其是一种工业装置乙炔催化加氢反应过程 优化运行方法。
背景技术：
反应过程模型研究是进行工艺、工程技术开发和优化的基础，而动力学研究又是 反应工程模型研究的基础。动力学研究的任务是通过考察反应过程的化学特性，定量了解 反应温度、反应物浓度、催化剂等条件对反应过程的影响，认识其规律与机理。催化剂失活 是一个复杂的现象，通过对催化剂活性变化这一复杂现象进一步研究，定量地表达催化剂 失活程度与使用时间、温度的关系，可以探索出延长工业催化剂寿命的各种有效措施。建立 动力学模型和失活模型，从而为工业反应器的设计、生产操作条件的优化、以及生产工艺的 改造等提供依据和手段，因此建立能准确描述反应过程的动力学模型和失活模型具有重要眉、ο
高温裂解石脑油或C2-C6饱和烃类制备聚合级乙烯是石油化工的一个重要工业 过程，裂解产物包含大量乙烯和少量的乙炔(体积分数0. 5% -2% )，由于少量乙炔就会使 下游乙烯聚合的催化剂中毒，它的含量必须被降低到百万分之五以下。现代石油化工可以 采用负载的钯金属催化剂，通过乙炔的选择性催化加氢有效地从富乙烯流股中除去乙炔。 对于富乙烯流中的乙炔的加氢过程，工业上有两种基本方法可供选择，分别称为后加氢和 前加氢过程。设在脱甲烷塔前进行的加氢脱炔叫作前加氢，其含义为裂解气经碱洗脱除二 氧化碳、硫化氢等酸性气体后，未经精馏分离，即进行加氢脱除炔烃的过程。在这种情况下， 进入加氢反应器的原料气中，除含有乙烯、丙烯、乙烷、丙烷以外，还含有氢气和甲烷。相对 前加氢而言，后加氢工艺是将裂解气中所含氢气、甲烷等轻质馏分分离后，再对分离所得到 的碳二进行加氢的过程。这两种方法的不同之处在于乙炔加氢反应器在整个乙烯装置流程 中所处的位置，后加氢法的反应器位于脱乙烷单元之后，所以入口流股主要包含碳二烃类。 本专利主要应用于后加氢反应器。
图1是后加氢法的乙炔催化加氢反应过程的工艺流程，乙烷、乙烯、乙炔与氢气在 反应器顶部进入固定床反应器，流经装填有PdAi2O3催化剂的床层。乙炔和氢气在催化剂 表面发生反应，生成乙烯或乙烷，同时乙烯也吸附到催化剂表面与氢气发生反应生成乙烷。 加氢反应都是放热过程，催化剂床层温度从上到下升高。
通过查阅文献，获得加氢反应机理和失活机理，以及动力学模型和失活模型。但是 装载于工业反应器中的催化剂会受到温度、反应物浓度等影响，文献所给出的这类模型参 数不能直接应用于工业装置，因此有必要获得适用于实际工业反应装置的催化剂动力学模 型参数，以及催化剂失活时的动态模型参数，从而对反应过程深入理解，进而寻找最佳的工 业操作参数，应用于生产过程，优化生产，节能减排。发明内容
本发明提供了 一种工业装置乙炔催化加氢反应过程优化运行方法。此方法在加氢 反应器模型基础上，根据实际工业数据，应用遗传算法对动力学模型中参数进行拟合。并在 此基础上，再次应用遗传算法，对失活模型中的参数进行拟合，以达到对加氢反应器中的化 学反应过程进行准确描述。然后根据实际工业生产目标，对工艺操作条件进行优化，实现工 业生产节能降耗的目的。
—种工业装置乙炔催化加氢反应过程优化运行方法，其特征在所述方法包括以下 步骤
①历史数据处理。采集整个乙炔加氢反应器使用周期的历史数据，整理出与催化 剂使用时间一一对应的各项数据，包括反应器进出口的乙烷、乙烯、乙炔、氢气的摩尔流 速，反应器各床层的温度；
②动力学模型参数拟合。构建等压绝热一维拟均相平推流反应器模型，挑选催化 剂使用初期的数据作为模型输入以及模型输出的比较对象，利用遗传算法拟合动力学中的 未知参数，遗传算法中各个变量对应着各个动力学模型参数值，这里采用四-五阶龙格库 塔法积分求解带初值问题的常微分方程组，计算反应器出口处的乙烷、乙烯、乙炔、氢气摩 尔流速，以及反应器床层温度的变化，评价每个个体适应度，对群体反复进行基于遗传学的 操作，进而搜索出优化群体中的最优个体，即获得动力学模型参数；
③失活模型参数拟合。构建等压绝热一维拟均相平推流反应器模型，挑选整个运 行周期的数据作为模型输入以及模型输出的比较对象，以参数拟合后的动力学模型为基 础，利用遗传算法拟合失活模型中的未知参数，遗传算法中各个变量对应着各个失活模型 参数值，这里采用四-五阶龙格库塔法积分求解带初值问题的常微分方程组，计算反应器 出口处的乙烷、乙烯、乙炔、氢气摩尔流速，以及反应器床层温度的变化，评价每个个体适应 度，对群体反复进行基于遗传学的操作，进而搜索出优化群体中的最优个体，即获得失活模 型参数；
④操作条件寻优。构建串联的两个等压绝热一维拟均相平推流反应器模型，模型 中的反应动力学和失活模型中的参数分别采用步骤②和步骤③中拟合后的数据。前一组作 为一段反应器，后一组作为二段反应器。利用遗传算法优化操作参数，遗传算法中各个变量 对应着各个操作参数值，使用实时数据，把催化剂使用时间和各物质摩尔流速作为模型的 输入，评价每个个体适应度，对群体反复进行基于遗传学的操作，进而搜索出优化群体中的 最优个体，找出优化目标对应的各种操作条件。
所述步骤①中的整个乙炔加氢反应器使用周期，是指反应器从投用到切换下来， 催化剂性能不断随温度和时间变化的整个过程。
所述步骤②中的等压绝热一维拟均相平推流反应器模型，是指不考虑反应器中压 降，把反应器看作是绝热反应器，并假定反应器内在垂直于流体流动方向的截面上流体性 质和速度是均勻的，径向不存在速度梯度和温度梯度，也不存在浓度梯度，轴向传热和传质 仅由平推流的总体流动所引起。
所述步骤②中动力学模型包括乙烯与氢气、乙炔与氢气反应的动力学模型。
所述步骤②中的个体适应度，是指各物质摩尔流速计算值与测量 值残差平方和与温度计算值与测量值残差平方和之积，其公式可表示为
权利要求
1. 一种工业装置乙炔催化加氢反应过程优化运行方法，其特征在于，所述方法包括以 下步骤①采集整个乙炔加氢反应器使用周期的历史数据，整理出与催化剂使用时间一一对应 的各项数据，包括反应器进出口的乙烷、乙烯、乙炔、氢气的摩尔流速，反应器各床层的温 度；②构建等压绝热一维拟均相平推流反应器模型，任意挑选步骤①中获取的催化剂使用 初期时间对应的各项数据作为模型输入以及模型输出的比较对象，利用遗传算法拟合动力 学中的未知参数，各个变量对应着各个模型参数的值，对群体反复进行基于遗传学的操作， 评价每个个体适应度，直至搜索出优化群体中的最优个体，即获得动力学模型参数；所述反应器模型为
2.根据权利要求1所述的一种工业装置乙炔催化加氢反应过程优化运行方法，其特征是所述步骤①中的整个乙炔加氢反应器使用周期，是指反应器从投用到切换下来，催化剂 性能不断随温度和时间变化的整个过程所耗费的时间。
3.根据权利要求1所述的一种工业装置乙炔催化加氢反应过程优化运行 方法，其特征是所述步骤②中的个体适应度，是指各组分摩尔流速计算值与测 量值残差平方和与床层温度计算值与测量值残差平方和之积，其公式可表示为
4.根据权利要求1所述的一种工业装置乙炔催化加氢反应过程优化运行方法， 其特征是所述步骤③中的个体适应度，是指所有样本的各物质摩尔流速计算值与 测量值残差平方和与床层温度计算值与测量值残差平方和之积，其公式可表示为
5.根据权利要求1所述的一种工业装置乙炔催化加氢反应过程优化运行方法，其特征 是所述步骤④中的个体适应度的目标函数为.J = Fcu.,C2H4 -Fin1C2H4，其中F。ut,c2H4和Fin,c2H4分 别是二段反应器出口乙烯摩尔流速的输出值和一段反应器入口乙烯摩尔流速的输入值。
6.根据权利要求1所述的一种工业装置乙炔催化加氢反应过程优化运行方法，其特征 是该二段出口的乙炔浓度小于lppm。
全文摘要
本发明涉及一种工业装置乙炔催化加氢反应过程优化运行方法，此方法基于加氢反应器模型，使用遗传算法对动力学模型和失活模型参数进行拟合，以达到对化学反应过程进行准确描述的目的。并在此基础上，根据实际工业生产目标，再次应用遗传算法对工艺操作条件进行优化，从而能够描述工业反应器中各因素对反应过程的影响。模型对工业数据的拟合与预测均有较高的精度，有着良好的使用性，此外该建模方法适用于不同种类的固定床反应器中的加氢催化反应，具有广泛的适用性。
文档编号G06F17/50GK102034000SQ20101058554
公开日2011年4月27日 申请日期2010年12月10日 优先权日2010年12月10日
发明者叶贞成, 杜文莉, 田亮, 蒋达, 钱锋 申请人:华东理工大学