大型工业二氯乙烷裂解炉综合建模及优化

【摘要】：二氯乙烷裂解炉是氯乙烯乃至聚氯乙烯工业生产中的重要设备和用能大户。因此,研究如何降低二氯乙烷裂解炉中的能耗,提高裂解产物质量,有着非常重要的作用。由于现场缺乏足够的检测设备,二氯乙烷裂解炉现场操作水平不高,唯一标识二氯乙烷裂解性能的控制指标为炉管出口温度。因此,工业二氯乙烷裂解炉的操作优化还有很大的提升的空间。为了加深对二氯乙烷裂解炉本质的认识,定量分析现场无法实际测量的关键变量信息,实现二氯乙烷裂解炉的操作优化,建立准确的二氯乙烷裂解炉模型显得非常关键。为此,本文从不同层面出发,建立多个不同复杂度的二氯裂解炉模型,并设计一种高效的多目标算法,实现二氯乙烷裂解炉的多目标操作优化。工作主要的创新点总结如下： (1)设计了一种带约束处理机制的自适应差分进化多目标优化算法(SMODE-εCD)。算法在差分进化的变异和交叉过程中引入了自适应调整策略,从而有利于进化前期保持种群的多样性,进化后期收敛到全局最优。此外,算法引入ε约束处理机制,用于处理多目标问题的约束,并且设计了外部存档集,保存非支配关系的最优解,用于引导多目标算法的进化。通过对9个标准约束多目标问题以及4个工程设计优化问题的仿真测试,并与典型的多目标优化算法NSGA-Ⅱ和CMODE算法作对比,有效验证了SMODE-εCD算法在处理各种多目标约束问题的有效性,为二氯乙烷裂解炉性能指标的多目标优化奠定了算法基础。 (2)建立二氯乙烷裂解炉清洁管时期的简易机理模型。炉膛采用一维Lobo-Evans法描述炉膛烟气传热过程,管内二氯乙烷的裂解以一维平推流假设、裂解反应动力学采用一阶串联的分子反应模型。在该模型的基础上,通过定义燃料气负荷分配因子a,分析不同的燃料气负荷分配策略对二氯乙烷裂解炉中关键的变量以及重要性能指标的影响。此外,通过调整燃料气用量,得到炉管出口温度与裂解性能指标如转化率、选择性、单耗之间的对应关系,用于指导现场操作。 (3)建立了二氯乙烷裂解炉全周期模型。在清洁管时期模型的基础上,通过引入自由基反应机理和裂解结焦模型,建立二氯乙烷裂解炉全周期模型。乙炔作为唯一的结焦母体,结焦过程作拟稳态假设,炉管外壁最高温度为裂解炉全周期模拟结束的制约条件。通过二氯乙烷裂解炉全周期模拟,定量分析结焦过程对于二氯乙烷裂解炉关键信息的影响,包括炉管内径,炉管外壁温度,炉管传热速率,炉膛烟气温度,二氯乙烷裂解转化率、选择性、单耗随着运行时间的推进的变化情况。此外,由于二氯乙烷原料的纯度以及炉膛内燃料气负荷分配策略对二氯乙烷裂解结焦过程有着重要的影响,本文在全周期的模型的基础上,定量分析二氯乙烷原料中典型的反应促进剂CCl4的浓度以及燃料气负荷分配因子a对于二氯乙烷结焦过程以及全周期裂解性能指标的影响,并给出合理的CCl4浓度以及燃料气负荷分配策略建议。 (4)建立了二氯乙烷裂解炉CFD模型。由于简易的机理模型忽略了烟气流动情况对于二氯乙烷裂解过程的影响,为了准确描述炉膛内烟气的速度场、温度场、浓度场,以及烟气对管内反应的影响,文章依据计算流体力学的原理,建立复杂的二氯乙烷裂解炉CFD模型。炉膛烟气流动模型用雷诺平均的守恒方程描述,其中的湍流项用k-ε方程封闭；炉膛燃气的燃烧采用一阶串联的简易动力学模型,燃烧过程作全预混假设,其中湍流作用以结合有限速率模型的涡耗散模型描述；烟气的辐射模型采用离散坐标模型(DO模型)。通过二氯乙烷裂解炉的CFD模拟,给出了炉膛详细的炉膛烟气流速、温度、浓度在炉膛中的三维分布信息,有助于加深人们对二氯乙烷裂解炉炉膛燃料气燃烧、烟气流动传热传值过程的本质特征的了解,从而辅助裂解炉的工艺设计。此外,二氯乙烷CFD模拟虽然非常耗时,但其结果更为准确,可用于辅助验证简易模型的准确性。 (5)完成了二氯乙烷裂解炉多目标优化。考虑计算代价,二氯乙烷裂解炉的操作优化选择简易的机理模型作为多目标优化模型,优化的目标为二氯乙烷裂解的转化率最大化,选择性最大化,单耗最小化。优化的决策变量则为二氯乙烷进料流量,燃料气进料量,燃料气负荷分配因子、以及炉管出口压力等四个重要现场操作变量。通过将整体的多目标优化问题进一步分解,确定了转化率-选择性,转化率-单耗,选择线-单耗三个双目标优化问题。利用所建立的SMODE-εCD多目标优化算法,实现二氯乙烷裂解炉性能指标的多目标优化,找到了转化率-选择性,转化率-单耗,选择线-单耗的近似Pareto边界,并给出了典型边界点所对应的操作工况,用于辅助现场决策者做出正确的判断。 【关键词】：二氯乙烷裂解炉 热量耦合模拟 一维Lobo-Evans法 全周期模拟 计算流体力学 燃料气负荷分配策略 多目标优化 自适应差分进化多目标优化算法
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ054
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目录9-12
• 第1章 绪论12-29
• 1.1 研究背景12-18
• 1.1.1 聚氯乙烯行业发展现状12-14
• 1.1.2 氯乙烯生产工艺方法综述14-16
• 1.1.3 乙烯氧氯化平衡法制氯乙烯生产流程简介16-17
• 1.1.4 工业二氯乙烷裂解炉介绍17-18
• 1.2 二氯乙烷裂解反应动力学建模综述18-20
• 1.2.1 经验模型19
• 1.2.2 分子反应模型19
• 1.2.3 自由基反应模型19-20
• 1.3 二氯乙烷裂解炉炉膛传热建模综述20-24
• 1.3.1 经验法21
• 1.3.2 零维模型21-22
• 1.3.3 一维模型-一维Lobo-Evans法22-23
• 1.3.4 多维模型23-24
• 1.4 二氯乙烷裂解炉优化研究工作综述24-25
• 1.5 本文的主要研究内容和安排25-29
• 第2章 一种带约束处理机制的自适应差分进化多目标优化算法及测试29-54
• 2.1 引言29
• 2.2 多目标算法简介29-31
• 2.2.1 多目标优化的基本概念29-30
• 2.2.2 多目标优化问题研究的历史及现状30-31
• 2.3 差分进化多目标优化算法31-34
• 2.3.1 差分进化算法介绍31-34
• 2.3.2 差分进化多目标算法回顾及现状34
• 2.4 一种带约束处理机制多目标自适应差分进化多目标优化算法(SMODE-εCD)34-39
• 2.4.1 变异过程的自适应调整策略35-36
• 2.4.2 交叉过程的自适应调整策略36
• 2.4.3 基于ε约束处理机制的选择策略36-38
• 2.4.4 最优个体的保存及利用机制38-39
• 2.5 算法性能测试以及结果讨论39-52
• 2.5.1 测试函数和性能评价指标39-42
• 2.5.2 实验仿真结果对比分析42-46
• 2.5.3 SMODE-εCD算法在工程优化设计中的应用46-52
• 2.6 本章小结52-54
• 第3章 二氯乙烷裂解炉清洁管时期建模及模拟分析54-69
• 3.1 引言54-55
• 3.2 裂解炉能量传递过程55-56
• 3.3 二氯乙烷裂解炉清洁管时期数学模型56-62
• 3.3.1 二氯乙烷裂解反应动力学56
• 3.3.2 炉管模型56-57
• 3.3.3 炉膛模型57-59
• 3.3.4 清洁管时期炉膛炉管热量耦合迭代方法59-61
• 3.3.5 二氯乙烷裂解炉性能指标61-62
• 3.4 燃料气负荷分配策略对二氯乙烷裂解性能的影响62-65
• 3.5 炉管出口温度对二氯乙烷裂解性能的影响65-67
• 3.6 本章小结67-69
• 第4章 二氯乙烷裂解炉全周期建模及结焦因素影响分析69-91
• 4.1 引言69-70
• 4.2 二氯乙烷裂解反应及结焦机理70-73
• 4.3 二氯乙烷裂解炉全周期模拟数学模型73-75
• 4.3.1 结焦模型73-74
• 4.3.2 二氯乙烷裂解炉全周期模拟炉膛炉管耦合迭代方法74-75
• 4.4 二氯乙烷乙烷全周期模拟结果及讨论75-82
• 4.5 二氯乙烷裂解结焦影响因素的讨论与分析82-90
• 4.5.1 CCl_4浓度对结焦过程的影响82-86
• 4.5.2 燃料气负荷分配策略对结焦过程的影响86-90
• 4.6 本章小结90-91
• 第5章 二氯乙烷裂解炉CFD数值模拟及分析91-108
• 5.1 引言91-93
• 5.2 数学模型93-100
• 5.2.1 炉膛数学模型93-96
• 5.2.2 炉管数学模型96
• 5.2.3 物质属性96-98
• 5.2.4 二氯乙烷裂解炉炉膛炉管耦合模拟98-100
• 5.3 二氯乙烷裂解炉CFD模拟结果与讨论100-107
• 5.3.1 炉膛部分100-105
• 5.3.2 炉管部分105-107
• 5.3.3 模拟结果对比107
• 5.4 本章小结107-108
• 第6章 二氯乙烷裂解炉多目标优化及分析108-117
• 6.1 引言108-109
• 6.2 二氯乙烷裂解炉多目标优化设计109-111
• 6.2.1 优化目标的选择109-110
• 6.2.2 决策变量的选择110
• 6.2.3 约束条件的确定110-111
• 6.2.4 二氯乙烷裂解炉多目标优化框架111
• 6.3 二氯乙烷裂解炉多目标优化结果以及讨论分析111-115
• 6.3.1 多目标优化案例一111-113
• 6.3.2 多目标优化案例二113-114
• 6.3.3 多目标优化案例三114-115
• 6.4 本章小结115-117
• 第7章 论文总结和研究展望117-120
• 7.1 主要工作和贡献117-118
• 7.2 以后的研究展望118-120
• 参考文献120-130
• 致谢130-131
• 攻读博士学位期间完成的论文和科研情况131

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