一种乙烯裂解炉出口裂解混合产物真实温度的软测量方法

摘要

一种乙烯裂解炉出口裂解混合产物真实温度的软测量方法，先获取裂解炉炉管参数，再获取裂解原料信息，然后计算裂解炉管出口裂解产物组成，根据裂解过程模型，包括质量平衡方程、动量平衡方程、能量平衡方程，计算辐射段出口裂解产物组成分布，再计算裂解炉管内结焦厚度，根据裂解产物中小分子不饱和烃、芳烃的含量以及运行时间计算绝热段炉管内结焦厚度，最后计算测控点的温度与裂解混合产物真实温度的差值，计算出裂解炉出口裂解混合产物真实温度，本发明可以动态的计算特定时刻的裂解产物混合气的真实温度；通过本发明可以建立准确的乙烯裂解炉模型，为裂解过程的模拟、优化、控制提供依据。

主权项

1.一种乙烯裂解炉出口裂解混合产物真实温度的软测量方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，获取裂解炉炉管参数，裂解炉炉管的种类有KBR SC-1型、SW型、SRT型或USC型，具体的参数包括辐射段炉管的管程、内径、外径、材质、导热系数、绝热段保温材料材质和导热系数；第二步，获取裂解原料信息，裂解原料的种类分为循环乙丙烷、油田液化气、油田轻烃、拔头油、石脑油、轻柴油和加氢尾油，在实际生产中也会将两种以上裂解原料混合之后作为裂解原料来使用，对于任何一种裂解原料，采用原料组成表示，方法包括PONIA、ASTM和详细族组成；第三步，计算裂解炉管出口裂解产物组成，根据裂解过程模型，包括质量平衡方程、动量平衡方程、能量平衡方程，计算辐射段出口裂解产物组成分布；裂解过程模型包括质量平衡方程、动量平衡方程、能量平衡方程^[2-10]，如式(1)~(3)所示，质量平衡方程对给定的一套描述裂解反应动力学的反应动力学方程组，任何一种反应物质沿管长的变化可表示为：$\frac{{\mathrm{dN}}_m}{\mathrm{dL}}=\frac{S}{V}\underset{i}{\Sigma }{\upsilon }_{\mathrm{im}}{r}_i=f_N(T,P,N_m)---\left(1\right)$其中N_m为组分物质m的摩尔流率(mol/s),L为反应管长(m)，S为反应管内实际流通面积(m²)，V为油气体积流率(m³/s)，υ_im是反应计量系数，反应速率r_i(kmol/s²)与反应油气温度、压力（T、P）相关，反应模型使用Kumar模型，动量平衡方程计算式为：$\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dL}}=-\frac{9.89067f·E\left(L\right)·G^2}{19.62\rho ·D_i}=f_P(T,P,N_m)---\left(2\right)$其中f为范氏摩擦系数$f=0.01227+\frac{0.7543}{{\mathrm{Re}}^{0.38}}$E(L)为L处微元段的当量折算系数，G为反应油气总质量流量(kg/m²s)，D_i为反应管实际流通内径(m)，ρ为反应油气密度(kg/m³)，Re为雷诺准数，能量平衡方程根据烟气沿炉管的温度分布T_g(L)采用二次曲线分别，能量平衡方程以得到dT/dL的表达式，辐射室传热：$\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dL}}=\frac{\mathrm{k\pi }{D}_o(T_w\left(L\right)-T)-\underset{m}{\Sigma }{\mathrm{\Delta H}}_{\mathrm{fm}}^0·\frac{{\mathrm{dN}}_m}{\mathrm{dL}}}{\underset{m}{\Sigma }{C}_{\mathrm{pm}}·N_m+C_{{\mathrm{pH}}_{2}O}{N}_{H_{2}O}}---\left(3\right)$其中σ为绝对黑体辐射常数(5.7×10^-8W/m²□K⁴)，α为有效吸收因素，A_cp为当量冷平面面积(m²)，A_s为对流传热有效面积(m²)，F为总交换因素，T_w(L)为反应炉管管壁温度(K)，k为总传热系数(kW/m□K)，D_o为反应管外径(m)，C_pm为组分m的等压热容(kJ/mol)，为水的热容(kJ/mol)，为水的摩尔流率(mol/s)，为组分m的标准生成热(kJ/mol)，第四步，计算裂解炉管内结焦厚度，根据裂解产物中小分子不饱和烃、芳烃的含量以及运行时间计算绝热段炉管内结焦厚度；结焦过程是复杂的动态反应过程，目前结论小分子不饱和烃、芳烃是主要的结焦母体，根据其标定数据，建立结焦动力学模型，结焦速率方程如式(4)，$r_c=A_1{e}^{\frac{-E_1}{\mathrm{RT}}}{c}_1+A_2{e}^{\frac{{-E}_2}{\mathrm{RT}}}(c_2+1.493c_3+0.781c_4)+A_3{e}^{\frac{{-E}_3}{\mathrm{RT}}}{c}_5$$\left(4\right)$${+A}_4{e}^{\frac{-E_4}{\mathrm{RT}}}{c}_6+A_5{e}^{\frac{{-E}_5}{\mathrm{RT}}}\left(c_7+0.385c_8\right)+A_6{e}^{\frac{{-E}_6}{\mathrm{RT}}}{c}_9$其中c_i为气相中结焦母体浓度，1为乙炔；2为乙烯；3为丙烯；4为1-丁烯；5为丁二烯；6为苯；7为甲苯；8为二甲苯；9为苯乙烯，在确定了结焦速率后，在单位时间Δt内反应管路每一微元段的平均焦层厚度增量即为：${\mathrm{\Delta \delta }}_c=\frac{r_c·\mathrm{\Delta t}}{{\rho }_c\times {10}^3}---\left(5\right)$相应的每一微元段的新流通内径为：D_{i_new}＝D_{i_old}-2·Δδ_c    (6)对于裂解炉全周期模拟的拟稳态假设，从清洁管开始，在给定的原料参数和入口操作参数下，每模拟一段时间的裂解情况后，结焦母体浓度由裂解反应算出，然后根据结焦模型更新反应炉管各微元段内的焦层厚度，再进行下一个拟稳态计算，如此循环直至整个周期模拟结束，第五步，计算测控点的温度与裂解混合产物真实温度的差值，计算出裂解炉出口裂解混合产物真实温度，输入设备参数、原料性质、操作条件以及相关的物性参数，由于绝热段的测温点接近辐射段出口，认为绝热段测温点管内的焦层厚度与辐射段出口处相同，计算出裂解通道绝热段出口内部的焦层厚度，计算DCS控制系统中测量点的COT与裂解炉裂解通道绝热段出口混合裂解产物真实温度的温度差，温度差由热传导和对流换热两部分组成，温差表达式如下：$\mathrm{\Delta COT}=\frac{{\lambda }_{\mathrm{isolation}}(\mathrm{COT}-T_{\mathrm{isolation}\_o})}{\ln \left(\frac{r_o+d_{\mathrm{islation}}}{r_o}\right)}[(\frac{\ln \left(\frac{r_i}{r_i-d_{\mathrm{coke}}}\right)}{{\lambda }_{\mathrm{coke}}}+\frac{\ln \left(\frac{r_o}{r_i}\right)}{{\lambda }_{\mathrm{tube}}})+\frac{1}{{\alpha }_{\mathrm{mixture}(r_i-d_{\mathrm{coke}})}}]$其中各符号的意义如下：a_mixture：裂解炉管内混合气体与管壁间的对流换热系数(W/m²K)；λ_isolation：保温材料导热系数(W/mK)；λ_coke：裂解炉管内焦体的导热系数(W/mK)；λ_tube：裂解炉管金属壁的导热系数(W/mK)；COT：DCS系统控制的管外采样点的温度(℃)；T_{isolation_o}：保温材料外侧的温度(℃)；d_coke：裂解炉管内结焦厚度(m)；d_isolation：保温材料的厚度(m)；r_i：裂解炉管的内径(m)；r_o：裂解炉管的外径(m)。