工業裝置二氯乙烷裂解爐耦合建模方法及應用的製作方法

2023-09-17 16:27:00

專利名稱：工業裝置二氯乙烷裂解爐耦合建模方法及應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種工業裝置建模方法，尤其是一種工業裝置二氯乙烷裂解爐耦合建模方法及應用。
背景技術：
對工業裝置尤其是反應裝置建模研究是進行工藝、工程技術開發和優化的基礎。尤其是高溫裂解爐設備屬於裝置中的能耗大戶，定量了解二氯乙烷(EDC)爐管熱通量分布，裂解氣溫度分布，裂解氣組成分布，爐膛與爐管熱量稱合關係，認識其規律與機理，建立動力學和熱力學模型，從而為二氯乙烷裂解爐的設計、生產操作條件的優化、及生產工藝的改造等提供依據和手段，因此建立能準確描述二氯乙烷裂解爐運行特性的機理模型具有重要意義。
氯乙烯(VCM)可由乙烯或乙炔製得。氯乙烯為無色、易液化氣體，沸點-13. 9°C，臨界溫度142°C，臨界壓力5. 22MPa。氯乙烯與空氣形成爆炸混合物，爆炸極限4% 22%(體積)。1835年法國人V.勒尼奧用氫氧化鉀在乙醇溶液中處理二氯乙烷首先得到氯乙烯。20世紀30年代，德國格裡斯海姆電子公司基於氯化氫與乙炔加成，首先實現了氯乙烯的工業生產。初期，氯乙烯採用電石，乙炔與氯化氫催化加成的方法生產，簡稱乙炔法。以後，隨著石油化工的發展，氯乙烯的合成迅速轉向以乙烯為原料的工藝路線。1940年，美國聯合碳化物公司開發了二氯乙烷法。為了平衡氯氣的利用，日本吳羽化學工業公司又開發了將乙炔法和二氯乙烷法聯合生產氯乙烯的聯合法。1960年，美國陶氏化學公司開發了乙烯經氧氯化合成氯乙烯的方法，並和二氯乙烷法配合，開發成以乙烯為原料生產氯乙烯的完整方法，此法得到了迅速發展。乙炔法、混合烯炔法等其他方法由於能耗高而處於逐步被淘汰的地位。請參閱

圖1，是現有乙烯氧氯化平衡法製取氯乙烯裝置的工藝流程圖，氯乙烯裝置包含氧氯化單元1，二氯乙烷精製單元2，二氯乙烷裂解單元3，氯乙烯精製單元4，氯化氫(HCL)回收單元5等主要單元。其中二氯乙烷裂解單元3的二氯乙烷裂解爐是製備氯乙烯工藝的核心設備之一，是技術含量極高的管式工藝爐。目前世界上僅有少數公司掌握著成套的製造技術，作為整套氯乙烯裝置的用能大戶尤為重要。請參閱圖2，是前述二氯乙烷裂解爐示意圖。來自精製單元2的二氯乙烷經進料泵進入二氯乙烷預熱器預熱至170°C，預熱後的EDC進入二氯乙烷對流段預熱至225°C，再通過氣包的下降管在二氯乙烷蒸發器的殼程與管程內480°C的裂解氣進行換熱，液相的EDC在蒸發器內加熱，通過上升管進入二氯乙烷氣包內進行蒸發、分離，通過絲網除沫器進一步氣液分離，氣相的二氯乙烷再進入裂解爐對流段進行過熱到260°C。在對流段過熱後氣相EDC直接進入輻射段進一步過熱，當EDC的溫度在390°C左右開始裂解，直至裂解完畢。裂解出口溫度控制在480°C。從裂解爐出來的裂解氣經EDC蒸發器冷卻至278°C進入急冷單元。研究表明，二氯乙烷裂解反應起始溫度在390 V左右，反應完全是在裂解爐輻射段進行的，因此本發明的建模主要針對輻射段爐膛與爐管的建模。二氯乙烷高溫裂解反應過程極其複雜，存在多種副反應。而且爐管和爐膛存在嚴重的熱量耦合，到目前為止還沒有適用於工業二氯乙烷裂解爐的準確模型。

發明內容
為了解決上述無發準確描述二氯乙烷高溫裂解反應過程的問題，本發明提出了一種建模方法。該方法分為爐膛建模以及爐管建模其中，爐膛採用一維分區法與羅波伊萬斯法相結合的方法。燃料氣燃燒基於燃燒模型(I)，假設各區燃料氣在該區完全燃燒。爐膛內遵循能量守恆方程(2) (4)，從而計算爐膛煙氣溫度分布。而，爐管建模按照爐管直管段數進行分區，爐管滿足串級反應動力學方程(5)、爐管內物料守恆方程(6) (7)、爐管動量守恆方程(8)，能量守恆方程(9) (11)，從而計算 管內裂解氣溫度，壓力，組成分布等重要指標。爐膛爐管熱量耦合利用擬牛頓迭代法，反覆迭代爐膛爐管模型，直至滿足收斂精度和建模準確性。具體而言，包括以下方案一種工業裝置二氯乙烷裂解爐耦合建模方法，所述方法包含以下步驟步驟I :確定現場二氯乙烷裂解爐工業運行數據，包括二氯乙烷進料流量、壓力以及溫度，裂解氣出口組成、壓力和溫度，燃料氣進料流量、溫度，空氣與燃料氣質量比例，二氯乙烷裂解轉化率，二氯乙烷裂解選擇性，二氯乙烷裂解生成每噸氯乙烯所消耗的燃料氣質量;步驟2 :二氯乙烷裂解爐建模，包括反應爐管建模和爐膛建模步驟2. I:基於爐管內反應動力學方程，爐管內能量和動量守恆關係進行反應爐管建模；利用分區法按爐管直管段數對爐管進行分區得出管內裂解氣溫度分布，管內外壁溫度分布，管內裂解氣壓力分布，管內裂解氣組成分布，裂解氣爐管出口溫度、壓力以及組成；步驟2. 2 :爐膛利用分區法與羅波-伊萬斯法相結合的方法，基於爐膛內燃料氣燃燒模型，煙氣流動傳熱模型，以及爐膛對爐管管排的對流傳熱以及輻射傳熱模型，通過計算爐膛熱量平衡方程，得到沿爐膛高度方向煙氣溫度分布，爐膛煙氣出口溫度，爐膛對爐管的傳熱速率；步驟3 :基於爐膛與爐管存在的熱量耦合關係，利用數值求解方法求解步驟3. I :初始化爐管以及爐膛進料條件以及爐膛煙氣溫度分布；步驟3. 2 :利用擬牛頓法，反覆迭代爐管和爐膛模型，直到爐膛煙氣溫度分布滿足收斂精度，迭代過程如下步驟3. 2. I :基於爐膛煙氣溫度分布，計算爐管模型，得到每根爐管吸熱量以及每個爐膛分區對爐管的傳熱速率；步驟3. 2. 2 :基於步驟3. 2. I所得爐膛對爐管傳熱速率，計算爐膛模型，從而得到新的爐管煙氣溫度分布；步驟3. 3 :進一步調整爐管進口壓力及溫度，從而再一次迭代爐膛爐管耦合模型，直到滿足模型精度要求。進一步，步驟2. I中爐管內反應動力學採用二氯乙燒一〉氯乙烯一> 副產物的串級反應機制。進一步，步驟2. I中所述爐管內動量守恆關係，為過程氣壓力變化與過程氣平均分子量，溫度，質量通量，反應管內徑以及直管與彎管阻力相關，具體壓降計算式如下
權利要求
1.一種工業裝置二氯乙烷裂解爐耦合建模方法，其特徵在於，所述方法包含以下步驟 步驟I:確定現場二氯乙烷裂解爐工業運行數據，包括二氯乙烷進料流量、壓力以及溫度，裂解氣出口組成、壓力和溫度，燃料氣進料流量、溫度，空氣與燃料氣質量比例，二氯乙烷裂解轉化率，二氯乙烷裂解選擇性，二氯乙烷裂解生成每噸氯乙烯所消耗的燃料氣質量; 步驟2 :二氯乙烷裂解爐建模，包括反應爐管建模和爐膛建模 步驟2. I:基於爐管內反應動力學方程，爐管內能量和動量守恆關係進行反應爐管建模；利用分區法按爐管直管段數對爐管進行分區得出管內裂解氣溫度分布，管內外壁溫度分布，管內裂解氣壓力分布，管內裂解氣組成分布，裂解氣爐管出口溫度、壓力以及組成；步驟2. 2 :爐膛利用分區法與羅波-伊萬斯法相結合的方法，基於爐膛內燃料氣燃燒模型，煙氣流動傳熱模型，以及爐膛對爐管管排的對流傳熱以及輻射傳熱模型，通過計算爐膛熱量平衡方程，得到沿爐膛高度方向煙氣溫度分布，爐膛煙氣出口溫度，爐膛對爐管的傳熱速率； 步驟3 :基於爐膛與爐管存在的熱量耦合關係，利用數值求解方法求解 步驟3. I :初始化爐管以及爐膛進料條件以及爐膛煙氣溫度分布； 步驟3. 2 :利用擬牛頓法，反覆迭代爐管和爐膛模型，直到爐膛煙氣溫度分布滿足收斂精度，迭代過程如下 步驟3. 2. I :基於爐膛煙氣溫度分布，計算爐管模型，得到每根爐管吸熱量以及每個爐膛分區對爐管的傳熱速率； 步驟3. 2. 2 :基於步驟3. 2. I所得爐膛對爐管傳熱速率，計算爐膛模型，從而得到新的爐管煙氣溫度分布； 步驟3. 3 :進一步調整爐管進口壓力及溫度，從而再一次迭代爐膛爐管耦合模型，直到滿足模型精度要求。
2.根據權利要求I所示的工業裝置二氯乙烷裂解爐耦合建模方法，其特徵在於，步驟2. I中爐管內反應動力學採用二氯乙燒一〉氯乙烯一〉副產物的串級反應機制。
3.根據權利要求I所示的工業裝置二氯乙烷裂解爐耦合建模方法，其特徵在於，步驟2. I中所述爐管內動量守恆關係，為過程氣壓力變化與過程氣平均分子量，溫度，質量通量，反應管內徑以及直管與彎管阻力相關，具體壓降計算式如下
4.根據權利要求I所示的工業裝置二氯乙烷裂解爐耦合建模方法，其特徵在於，步驟2. I中爐管內能量守恆關係為爐管內過程氣升溫吸熱與反應吸熱所需的熱量Qp，等於反應管壁傳送的熱量Qt，且等於輻射室內煙氣輻射與煙氣對流傳給反應管外壁的熱量I。
5.根據權利要求I所示的工業裝置二氯乙烷裂解爐耦合建模方法，其特徵在於，步驟2.2中爐膛模型採用一維分區法與羅波-伊萬斯法相結合的方法模擬爐膛，得出的所述爐膛熱量平衡方程為0 . + σ·4)[ ^κ0.—υ丨廠二]-仏.-Μζ.-仏=ο，其中Qsd為i區燃料放熱量；Τ_為i區煙氣平均溫度，K ； O為史蒂芬-玻爾茲曼常數-A為i區豎向輻射有效面積；Qri為爐膛i區對爐管傳熱速率AHi為進出i區的煙氣帶走淨熱量Wli為i區通過爐壁散熱等途徑的熱損失；i為沿輻射室高度方向爐管的分區號，取值範圍為[1，N]。
6.根據權利要求I所示的工業裝置二氯乙烷裂解爐耦合建模方法，其特徵在於，步驟2.2中爐膛流傳熱以及輻射傳熱模型為{ = o-aDAcpiF}(T4gn. -T^1)-hRcARl(Tgmt -T'J，其中Qri為爐膛i區對爐管傳熱速率；aD為管排角係數；σ為史蒂芬-玻爾茲曼常數，ff/m2. K4 ；Acpi為i區冷平面積A為i區總輻射交換因素；Τ_為i區煙氣平均溫度，K ；Twi為i區管外壁平均溫度；hK。為對流傳熱係數;AKi為i區反應管外表面積，i為沿輻射室高度方向爐管的分區號，取值範圍為[1，N]。
7.根據權利要求I所述的工業裝置二氯乙烷裂解爐耦合建模方法，其特徵在於，所述步驟3. 2採用擬牛頓迭代法對爐膛與爐管進行熱量耦合計算爐管與爐模型中相互傳遞的變量是爐膛對爐管的傳熱速率和爐膛各區煙氣溫度，其中各區煙氣溫度計算迭代公式Tsili (k+l) = ^ (k)+Tgmi (new) )/2, Tsili為第i區爐膛煙氣溫度，i為沿輻射室高度方向爐管的分區，取值範圍為[1，N]。
8.根據權利要求I所述的工業裝置二氯乙烷裂解爐耦合建模方法的應用，其特徵在於，還包括步驟4 :基於步驟3所獲取的模型，以實際裝置的實時參數數值為輸入，計算獲取其餘參數。
9.根據權利要求8所述的工業裝置二氯乙烷裂解爐耦合建模方法的應用，其特徵在於，輸入參數為爐管爐膛幾何尺寸，爐管進口壓力，爐管進口溫度，爐管進口質量通量，燃料氣用量，過剩空氣係數，燃料氣負荷分配比例，以及收斂精度指標；輸出參數為爐管出口溫度、或爐管出口壓力、或二氯乙烷裂解反應的轉化率。
全文摘要
本發明涉及一種工業裝置二氯乙烷裂解爐耦合建模方法及應用，此方法在建模中將二氯乙烷裂解爐分成爐膛模型與爐管模型，爐膛採用一維分區法與羅波伊萬斯法相結合的方法，利用熱量平衡方程求解爐膛煙氣溫度分布情況，爐管模型按照輻射段直管段數將爐管分區逐段計算管內反應和吸熱量。爐膛與爐管模型利用計算的煙氣溫度和傳熱速率信息採用擬牛頓法相互迭代直到滿足收斂精度和模型精度。該模型基於動力學模型及能量守恆關係，並通過實時數據的修正，以進一步軟測量裂解爐相關參數。該準確的模型是優化的基礎，為裂解爐爐管出口溫度、二氯乙烷裂解轉化率、選擇性、單耗等現場重要經濟指標優化提供了可靠的模型依據，實現了相關參數的實時軟測量。
文檔編號C07C17/25GK102779203SQ201210191180
公開日2012年11月14日 申請日期2012年6月11日 優先權日2012年6月11日
發明者杜文莉, 程輝, 胡貴華, 鍾偉民, 錢鋒 申請人:華東理工大學