苯乙烯生产中径向流反应器的优化Word格式文档下载.docx

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孙庆华

高工

联合指导教师

王桂英

教授

完成日期

2013.3.5

吉林化工学院

JilinInstituteofChemicalTechnology

摘要人们研发出了由数学模型优化并通过氧化再热过程的苯乙烯径向流反应器。

这个模型集成了水动力配置和底层的反应器，文章中利用化学反应动力学表达式把模型的预测能力与工厂实际数据进行比较，得到了令人满意的结果。

为了优化工厂性能,把组合收益率和苯乙烯的选择性作为目标函数。

为了搜索最优解，过程中使用了利用Levenberg-Marquardt算法的全球标准多目标方法。

对主要过程变量即注入第二和第三反应器的蒸汽流量和一部分注入二次注射口的第二反应器的氧气流量的测定进行了优化。

结果表明在最优操作条件下苯乙烯产量增加了2.6%、选择性增加了1.5%,从而显著提高盈利能力以及整个苯乙烯生产的工艺水平。

关键词:

苯乙烯,径向流动反应器,多目标优化,Levenberg

1介绍　　在现代石化产业中，苯乙烯是最重要的单体之一，主要用于生产许多不同的高分子材料,最重要的是聚苯乙烯、苯乙烯-丙烯腈和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）橡胶。

另外一个重要应用是生产丁苯的苯乙烯乳胶（James和Castor,1994）。

工业生产苯乙烯先进的路线是:

a）乙苯催化脱氢，这是是一个剧烈吸热的可逆反应。

b）乙苯被氧化为过氧化乙苯,然后与丙烷反应产生苯乙烯和其他副产品。

径向或轴向流模式的固定床催化反应器用于催化乙苯脱氢。

与轴向流反应器相比，径向流反应器允许更低的压力和适当的流量分布。

这种类型的反应堆尤其适用于低压力的过程但可能会限制平衡转换率。

径向流动反应器另外一个优势是催化剂颗粒较小，可以很容易地用于机床上,从而增加吞吐量《Sundaram等人,1991）。

径向流动反应器模型如图1所示。

图1.径向流动反应器流型

过热蒸汽与乙苯同时进料有几个原因。

它不仅将所需的热送至反应器，而且也降低了产品的局部压力,从而产生更高的平衡转化率。

此外,它限制含碳化合物通过气化沉积,因此,延缓了催化剂失活。

在一个特有的铁氧化物催化剂上沉积的焦炭数量取决于几个因素，除了催化剂的规格和有关的促进因素,重要的操作制约条件是蒸汽与乙苯的比率（称为SOR或蒸汽油比）、压力以及温度。

虽然温度越高，蒸汽越多，有利于平衡向转换为苯乙烯的方向移动，但在这样的条件下副反应也会增加。

常规操作下一个典型的进料温度大约是900K，相应的SOR保持在15左右作为项目特有的和最佳操作条件（Carra和Forni,1965;

Sheel和Crowe,1969）。

已经有几个关于苯乙烯反应器最优化的研究。

Sheel和Crowe（1969）、Clough和Ramirez（1976）进行多变量优化来使利润函数最大化。

这些研究的结果表明,如果将蒸汽分成两个部分,然后注入沿反应器（除了反应器入口）的二次喷射点，将有可能改善反应器的性能。

Shepperd等（1986）使用一种具有更高活性和选择性的优化技术来评估两种催化剂的性能。

他们的研究表明,具有更高选择性的催化剂比那些具有更高活性的催化剂更具有可行性。

　Sundaram等（1991）开发了一个模拟器，拥有采用复合形法装置（1965）的优化工具，执行对所有约束实际装置的可变生产成本和固定生产成本的优化。

最近,Yee等（2003）对绝热和使用单程排序遗传算法的多目标蒸汽注入轴流反应器进行了优化。

在他们的研究中,决策变量为乙苯的温度、压力、流量、转速、乙苯流速和位置以及部分的二次喷射（表示为总额的一小部分反应堆长度）。

本研究的目的是优化由三个绝热径向流固定床反应器组成的工业苯乙烯反应器。

利用Levenberg-Marquardt（LM）方法（Levenberg,1944;

Marquardt,1963）进行优化。

最后两个反应器运作的能源由一个额外的反应——氢的氧化反应提供。

这种高度放热反应文献报告的常规流程进行了修正,而且，在文献中只有轴向流反应器的问题被深入调查的情况下，这项工作考虑了径向流反应器。

2.建模　

2.1　过程描述　　

在这项研究中使用的工业苯乙烯反应器的一个原理图如图2所示。

混合物的蒸汽和由乙苯的脱氢反应产生的苯乙烯和氢进料到第一反应器。

除了蒸汽和乙苯外，第二个和第三个反应器还添加了氧气，每一个反应器由两张床层。

第一个床层由氧化催化剂组成（氢气燃烧产生脱氢反应所需的热量）和第二个床层由脱氢催化剂组成（乙苯脱氢变成苯乙烯）。

此外,在最后两个反应器中由于氢的消耗降低了分蒸汽压，在这个压力水平下会使生成苯乙烯的反应成为主要反应，从而产生更多的苯乙烯。

2.2动力学　　

在苯乙烯反应器中有七个主要的反应发生如下：

图2.苯乙烯反应的原理示意图

表1.反应的速率常数

（1）-（7）

在工业上尽管乙苯催化脱氢生产苯乙烯的反应很重要，但是还没有文献报道对这个多重反应系统内在动力学模型的开发。

Wenner和Dybdall（1948）报道了表观动力学表达式反应

（1）-（6）。

Sheel和Crowe（1969）确定了表观速率系数和一个使用假均质塞流模型的工业绝热轴流反应器的反应热。

Shepperd等人（1986）通过使用催化剂厂家的数据校准几个模型获得了表观动力学模型。

在这些模型中，由Sheel和Crowe（1969）推荐的动力学模型已经广泛应用于其他研究（Abdalla等，1994;

Snyder和Subramaniam,1994;

Elnashaie等,1993）。

Hoiberg（1971）等人提出了动力学反应（7）。

最近，Sadeghzadeh等人（2004）基于从工业径向流反应器收集的实验数据开发了表观速率方程反应

（1）-（7），这个工业径向流动反应器使用伪同质模型。

轴向固定床反应器与径向固定床反应器的主要区别是流态。

在径向流反应器中速度较低，因此比轴向流反应器的压降低。

然而，由于在两种类型的反应堆中内部和外部的固有的阻力是相同的,适于轴流固定床的表观动力学模型也将对径向流反应器有效。

值得一提的是,除了Hoiberg等人的动力学反应（7），Sadeghzadeh等人提出的常数率的表达式目前初步应用于对生产苯乙烯的径向流动反应器建模的研究。

然而,由于不同类型的催化剂的使用而取代了仿真结果不满意，Sheel和Crowe（1969）对反应

（1）-（6）的速度表达式和动力学数据将产生更好的结果。

一般来说,Fe2O3催化剂与K2CO3、Cr2O3或CeO2用于乙苯脱氢的并且不同成分的催化剂会导致不同的动力学参数。

目前研究一直使用的动力学参数归纳如表1。

这些常数取决于应用的反应器模型，这些反应器模型在下一节中讨论，其预测能力与苯乙烯装置50个工作日数据比较（Sadeghzadeh等,2004）。

　2.3反应器模型　

在Sadeghzadeh等人（2004）和Crowe等人（1969）,的模型中，内部、外部的热量和质量转移阻力或轴向和径向扩散的热量与质量隐藏在表观速率常数中。

基于Kareeri等人（2006），图1所示的反应堆可以划分为CF-π径向流固定床反应器。

在CF-流配置中,气体进入中心管然后沿着中心管道向外流入环形通道。

如果环形通道和中心管道的轴向流方向相反,它就被划分为π-流类型。

Kareeri等人（2006）得出结论,当中心管横截面积与环形通道横截面积比小,CF-π配置的流量分布不均达到最低。

这项工作所有反应堆的这个比例是小于1。

因此,径向方向的塞式流适合反应器模型。

因此，使用伪同质塞式流的动力学模型使合理的。

把质量平衡和热量平衡应用到适当的微分控制体积的反应器会产生以下组模型方程:

脱氢床:

脱氢床和氧化床的压降都由Ergun（1952）方程评估:

Abdollahi等人：

生产苯乙烯径向流反应器的优化

上面方程中的下标i表示在反应

（1）-（7）中化合物的种类[

（1）乙苯，

（2）苯乙烯,（3）氢,（4）苯，（5）乙烯，（6）甲苯，（7）甲烷，（8）蒸汽,（9）一氧化碳,（10）二氧化碳,（11）氧气）]

为了计算方程（8）-（14）的转换率,使用了Lucas（1984）和Peng-Robinson（1984）状态方程（1976）。

而且,基于Peng-Robinson状态方程，也计算了（∂h/∂T）P的价值。

反应器温度的反应热用理想热容和生成热（Reid等人,1987）来计算。

在他们的研究中,Sadeghzadeh等人（2004）用现有苯乙烯装置的工厂数据验证了这个模型。

3．优化过程　　

优化技术主要分为两大类：

确定性方法（基于目标函数变化率的评估）和随机方法（基于目标函数评估）。

可以精确地评估函数和函数变化率（HockandSchittkowsk,1983）并且问题是简单smoothandwell-scaled的条件下，确定性方法适合解决平滑非线性优化问题。

由于这项工作的优化问题有这样的特点,所以使用Levenberg-Marquardt确定性方法可以得到解决。

设xk为f（x），对f（x）的二次方程式近似值进行微分，使产生的表达式为零，求得x的值，即是f（x）的最小值。

H（xk）和J（xk）分别是

的Hessian和Jacobian矩阵，基于方程（15），给出了s：

4．结果与讨论

4.1模拟反应器

通过Runge-Kutta法（Constantinides和Mostoufi,1999），沿着反应器的径向坐标方程（8）-（12）被整合，苯乙烯的反应的典型几何参数和操作条件都列在表2。

在表3中模拟结果与工厂数据进行了比较。

模型的预测和工厂数据之间的差异足够小,验证了该模型。

在实际的操作模式下,三个反应器中，可以改变下面的参数,以达到苯乙烯最大产量和选择性：

—氧气总流量的一部分注入第二反应器（λ）

—蒸汽R1的流量注入第二反应器（x1）　　

—蒸汽R的流量2注入第三反应器（x2）

图3a说明了在不同量氧气注入第二反应堆λ，。

苯乙烯产量随着注入第二反应器蒸汽流量x1的变化,这个图表明,在给定值λ时，苯乙烯产量随着注入第二个反应堆蒸汽流量的增加二减少。

增加蒸汽R1流量导致温度下降,从而降低了反应速率

（1）和苯乙烯产量。

很明显,注入到第二个反应器氧占氧总流量的比例越高,就会生成越多苯乙烯。

因为在第二个反应堆乙苯越多,在入口送入这个反应器的氧气就会越多，结果增加氢的消耗量，与最后一个反应器发生相同的变化得到的结果相比，具有显著效果。

这些变化改变了反应

（1）的转化率。

图3

5．结论　　

为了优化苯乙烯生产的径向流反应器的性能，开发了一个详细的数学模型，把苯乙烯产量和选择性作为目标函数。

与实际工厂数据相比较，径向流反应器模型预测的结果，与实际数据相吻合。

使用Levenberg-Marquardt算法的全球标准多目标方法被作为优化策略。

获得了一组最优的操作条件,苯乙烯产量和选择性分别达到了76.91%和96.95%。

这些值高于实际的工厂值（74.3%和95.46%）,这可能会引起工厂利润的额外增加。