田剛

摘 要：裂解爐作為乙烯裝置的核心反應裝置，對其動力學進行模擬優(yōu)化計算是保證乙烯裂解裝置運行安全、穩(wěn)定的重要手段。裂解反應動力學模型的構建主要圍繞乙烯裂解爐計算機模擬優(yōu)化來展開研發(fā)。文章為了驗證模擬乙烯裂解爐平臺的性能，選用了參數(shù)回歸、組態(tài)建模、原料預處理以及周期生產(chǎn)模擬等方法，主要目的是為了通過其在工業(yè)中的應用及研發(fā)過程來引起國家的高度關注，并逐漸向國際領域發(fā)展。

關鍵詞：乙烯裂解爐;計算機模擬優(yōu)化軟件;動力學模型

中圖分類號：TP311.52 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）05-0072-04

Development of Computer Simulation and Optimization Software for Ethylene Cracking Furnace and Construction of Cracking Reaction Kinetics Model

Tian Gang

（Shaanxi Provincial Party School of the Communist Party of China （Shaanxi School of Administration），

Xi an 710061，China）

Abstract：As the core reaction device of ethylene plant， the cracking furnace is an important means to ensure the safe and sTab operation of the ethylene cracking plant by simulating and optimizing its dynamics. The construction of the kinetic model of cracking reaction mainly focuses on the computer simulation and optimization of ethylene cracking furnace to carry out research and development. In order to verify the performance of the simulation ethylene cracking furnace platform， the methods of parameter regression， configuration modeling， raw material pretreatment and cycle production simulation are selected in this paper. The main purpose is to attract national attention through its industrial application and the research and development process， and gradually develop to the international field.

Key words：ethylene cracking furnace; computer simulation and optimization software; kinetic model

0 引言

乙烯工業(yè)的發(fā)展凸顯了一個國家石油化工的工業(yè)水平，而工業(yè)水平發(fā)展的高低是通過乙烯產(chǎn)量多少來衡量的。如何運用計算機模擬優(yōu)化軟件通過計算來有效提升乙烯的產(chǎn)業(yè)及相關企業(yè)的生產(chǎn)效益，乙烯裂解裝置發(fā)揮了重要作用。為了控制乙烯生產(chǎn)范圍，必須對其生產(chǎn)過程、可行性及適用性進行模擬及計算機優(yōu)化，并將其模擬優(yōu)化的結果應用于工業(yè)裂解爐的實際操作中，實現(xiàn)對裂解工藝的優(yōu)化與調(diào)整。通過該操作過程，著重引起了乙烯生產(chǎn)企業(yè)及國家相關研發(fā)機構對乙烯裂解爐運行的優(yōu)化和乙烯原料配制的優(yōu)化的關注。乙烯裂解爐計算機模擬優(yōu)化技術伴隨著經(jīng)濟全球化也得以進一步發(fā)展，其中裂解反應動力模型是真?zhèn)€計算機模擬優(yōu)化軟件開發(fā)的主要環(huán)節(jié)，而優(yōu)化模擬過程、裂解爐設計也逐漸發(fā)展為該模型的關鍵部分，其主要作用是保證模擬結果的準確性。

1 裂解反應動力學模型

裂解反應動力學模型構建的主要目的將裂解爐作為核心，并對其進行模擬計算。一維非等容反應即裂解反應，且該反應是在高壓與高溫下發(fā)生的。鑒于該情況的發(fā)生，故針對裂解反應動力學建模時，將管內(nèi)烴類混合物當做適用混合氣體，在無徑向溫度變過的同時，利用擬穩(wěn)態(tài)法來進行時間段的更新計算[1]。

模擬平臺應當選用適合自身的方式來實現(xiàn)反應動力學，且該方式具有一定通用性。嚴格機理模型在裂解原料方面使用其性能較為符合，操作步驟較簡單。嚴格機理模型是對分子反應機理與自由基反應過程的描述，反應過程中有部分參數(shù)需要依托實際參數(shù)變化進行回歸。對于原始數(shù)據(jù)進行模擬時，雖然精準度高，但模擬速度緩慢。裂變的模擬過程主要是利用原料關鍵組為代表，將動力學參數(shù)與其關聯(lián)，實現(xiàn)模擬反應進程的優(yōu)化，最后設置相關數(shù)據(jù)實驗對其數(shù)據(jù)進行修正，這是完整的模擬操作流程。

2 多周期結焦模型

工業(yè)在實際生產(chǎn)過程中，焦炭會逐漸加厚爐管管壁，嚴重影響傳熱及爐壁溫度[2]。焦炭是在原料油裂解反應中生成的，諸多工業(yè)為了有效改善因焦炭生成而影響爐管溫度的現(xiàn)象，通常是對爐管外壁溫度進行檢測或對爐內(nèi)焦炭定期清理[3]。結焦是一個連續(xù)的過程，與裂解反應相比速度較為緩慢。其中裂解反應可采用擬穩(wěn)態(tài)法來對該過程進行處理。而結焦的這段時間可稱為周期，若將整個周期劃分為多個時間段，每個時間則稱為一個周期，那么對于焦層厚度的更新用用于下個周期當中。此時，對于一個周期模擬可稱為單周期模擬，而結焦更新則以芳香烴為結焦母體的結焦模型[4]。屆時結焦速率可用公式（1）表示：

公式（1）中C作為芳香烴濃度，而結焦反應活化能則為Eb。針對每個周期的結焦厚度增量再利用公式（1）計算得出的結焦速率，并將其更新至下一個周期。公式（2）則表示下一個周期新流通內(nèi)徑：

3? 乙烯裂解爐計算機模擬優(yōu)化平臺設計與反應

動力學模型

圖1所示為乙烯裂解爐模擬平臺的結構，該平臺可分為三個模塊，包括裂解過程模塊、附加模塊、乙烯裂解過程模擬模塊。雖然各模塊功能不同，但目標一致，均是為了實現(xiàn)乙烯裂解計算機模擬優(yōu)化過程。裂解爐的結構與反應模型均通過裂解過程模塊構建;而附加模塊則是對原料信息進行處理并將反應參數(shù)進行回歸;最后一個乙烯裂解過程模擬模塊是根據(jù)乙烯的裂解反應過程，實現(xiàn)周期與多周期的模擬。

3.1 裂解過程建模模塊

裂解爐反應及結構建模的實施主要是通過裂解建模模塊，可極大程度的靈活性滿足裂解爐結構需求，并根據(jù)裂解原料的不同區(qū)別反應動力學模型。

3.1.1 反應模型建模

反應模型建模主要根據(jù)裂解過程進行模擬，該裂解原料中含有不定成分的烴，利用該原料組成重質(zhì)裂解原料，并來實現(xiàn)裂解反應模型。為了滿足裂解爐不同的爐型和爐管，該組態(tài)建模部分需滿足裂解爐管不同的構型和組合。

3.1.2 裂解爐機構組態(tài)建模

裂解爐管常見的管型大致可分為五類，正U型、倒U型，正Y型、倒Y型和長直管，模擬平臺可根據(jù)管型結構的不同對裂解爐進行建模及模擬。模擬平臺可針對性的將爐管分為多個小段，然后按照實際的爐管結構將其進行組合，以此來完成整個裂解爐爐管的結構組態(tài)。

3.2 乙烯裂解模擬模塊

乙烯裂解計算機模擬優(yōu)化過程與實際工業(yè)相接近，除對結焦單周期和多周期進行模擬計算外，還可以模擬不同原料在不同環(huán)境下的裂解過程，并實現(xiàn)對循環(huán)清焦裂解過程的模擬計算[5]。裂解爐投油時間也可通過該模塊進行模擬，其時間具體指對爐管清焦后到下次清焦前之間的運行時間，模塊會對投油時間進行模擬，以此來計算爐管的結焦情況。

3.3 附加功能模塊

反應動力學參數(shù)回歸及原料信息預處理均是依托附加功能模塊來實現(xiàn)。工業(yè)生產(chǎn)中有部分原料無法使用模擬平臺進行計算，需要經(jīng)過一定的預處理。以機理模型為基礎，將原料信息按照模型要求處理成分子數(shù)據(jù)，并將其平均物性進行改變。為了滿足計算機優(yōu)化模擬算法的回歸需求，必須以實際出發(fā)，實現(xiàn)部分參數(shù)的回歸。

3.4 工業(yè)應用

表1和表2兩組數(shù)據(jù)是將該計算機模擬優(yōu)化軟件用于蘭州石化乙烯工業(yè)爐的各項模擬結果的應用對比情況[6]。表1所示均是該公司當天生產(chǎn)及使用的原料，兩次模擬方式采用的都是分子反應動力學方法，其主要目的是為了利用當天裂解爐生產(chǎn)的實際參數(shù)來對反應參數(shù)進行回歸。

通過表2和表3數(shù)據(jù)充分體現(xiàn)了石腦油、拔頭油裂解過程模擬結果與實際分布在工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的工業(yè)數(shù)據(jù)相吻合，期間有大部分物質(zhì)的模擬誤差不大于1%。

根據(jù)圖2乙烯、丙烯、丁二烯產(chǎn)物分布情況，充分體現(xiàn)了乙烯率的增長是隨著裂解反應而進行，雖然期間丙烯的產(chǎn)率有稍許下降趨勢，但足以說明石腦油在工業(yè)實際生產(chǎn)中深度適中的情況[7]。丙烯增長率減緩趨勢是在中段開始的，凸顯了二次反應基本作用也在此時體現(xiàn)。

圖3所示為拔頭油裂解時3種產(chǎn)物產(chǎn)率的分布情況，由此可見，拔頭油的裂解深度不及石腦油。為了進一步提升拔頭油裂解深度，可對其操作條件進行適當改變，在提升裂解溫度的同時，促使3種產(chǎn)物的收率得以有效提高。通過圖3可見3種產(chǎn)物收率均處于不斷增長，未出現(xiàn)產(chǎn)率下降情況，丙烯在后端逐漸減慢的狀態(tài)，說明二次反應到爐管后端的反應凸顯[8]。

4 結語

為了驗證多種裂解原料在工業(yè)實際生產(chǎn)中裂解深度，可通過乙烯裂解爐計算機模擬優(yōu)化平臺對其原料進行模擬，并對通過對模擬數(shù)據(jù)及實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的對比，判斷該原料的裂解深度是否適用于工業(yè)生產(chǎn)[9]。該模擬平臺能夠準確對裂解產(chǎn)物進行預測，并采用多種反應動力學對其結構組態(tài)進行計算，最終計算結果可用于裂解爐數(shù)值模擬，充分體現(xiàn)了該計算機模擬優(yōu)化軟件的優(yōu)勢。計算機模擬優(yōu)化軟件不僅對工業(yè)生產(chǎn)水平及效益的提升有一定的推動作用，還可以對模擬裂解過程及預測提供較好的指導[10]。

參考文獻

[1]王小強，田亮，程中克，等.乙烯裂解爐模擬優(yōu)化軟件現(xiàn)狀及其應用[J].石油與天然氣化工，2019，48（06）：44-48.

[2]辛穎，孫恩浩.乙烯裂解爐屏障涂層和催化涂層技術進展[J].現(xiàn)代化工，2020，40（01）：37-41.

[3]康昊源，張婧，張凱，等.乙烯裂解爐進料管線翅片管失效分析[J].金屬熱處理，2019，44（S1）：353-356.

[4]倪城振，杜文莉，胡貴華.乙烯裂解爐耦合模擬中湍流模型的影響分析[J].化工學報，2019，70（02）：450-459+422.

[5]胡貴華，隆建，杜文莉.考慮汽化影響的乙烯裂解爐對流段數(shù)值模擬[J].華東理工大學學報（自然科學版），2019，45（05）：719-727.

[6]陳濤，陳學東，劉春嬌，等.裂解爐管初生碳化物分類及對高溫持久性能影響[J].機械工程學報，2018，54（08）：109-116.

[7]劉豐合，魏月娥，王勇.新型扭曲片管在乙烯裂解爐中的數(shù)值模擬研究[J].石油化工，2018，47（02）：140-144.

[8]華豐，方舟，邱彤.乙烯裂解爐反應與傳熱耦合的智能混合建模與模擬[J].化工學報，2018，69（03）：923-930.

[9]孫孝儒，沈利民.乙烯裂解爐管結焦機理及其防護措施研究進展[J].腐蝕科學與防護技術，2017，29（05）：575-580.

[10]耿志強，畢帥，王尊，等.基于改進NSGA-Ⅱ算法的乙烯裂解爐操作優(yōu)化[J].化工學報，2020，71（03）：1088-1094.