乙炔加氢串联反应器全周期乙炔转化率最优分配研究

论文名称：乙炔加氢串联反应器全周期乙炔转化率最优分配研究

录用期刊：化工学报（EI中文期刊）

发表时间：2022.10

DOI链接：http://doi.org/ 10.11949/0438-1157.20220753

作者列表：

王峥   中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 研20级；

许锋 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 自动化系教师

罗雄麟 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 自动化系教师

文章简介:

在乙炔加氢反应器的实际生产运行过程中，乙炔加氢反应大部分在第一床层，加氢反应放出的大量热量使得床层内温度高于最佳反应温度范围，致使乙烯选择性降低，乙烯产品的产量下降，而在进行全周期操作优化时并未考虑到此问题。因此，首先本文考虑温度对绿油累积的影响，修正了催化剂失活动力学方程；其次，为保证反应器各床层内温度都在最佳反应温度范围，从化学反应工程理论和实际生产过程中的安全性两个角度出发，给出两种反应器各床层乙炔转化率分配方案；最后，在常规全周期操作优化模型中添加乙炔转化率约束，建立全周期乙炔转化率分配操作优化模型，并对两种乙炔转化率分配方案进行全周期操作优化。优化结果表明，两种乙炔转化率分配方案操作优化的乙烯产量要远远高于常规操作优化，且乙炔转化率方案为33:33:33时，乙烯产量最高，而考虑实际生产过程中的安全性，乙炔转化率分配方案为43:47:10时具有更好的效果。

问题描述:

目前乙炔加氢反应器在实际生产过程中三个床层乙炔转化率比例约为68:28:4，乙炔加氢反应大部分在第一床层，加氢反应放出的大量热量使得在反应器运行时第一床层内温度快速升高，可能导致床层内温度高于最佳反应温度范围，致使反应过程中乙烯选择性变差，乙烯产量下降。为了解决此问题，从化学反应工程理论和实际生产过程中的安全性两个角度出发，给出乙炔转化率平均分配方案Ⅰ和乙炔转化率安全分配方案Ⅱ两种分配方案。图1为实际生产过程中各床层温度与乙炔转化率的关系，图2为两种乙炔转化率分配方案在反应器运行过程中各床层内温度变化曲线示意图，通过合理分配反应器各床层乙炔转化率使得各床层内温度都在最佳反应温度范围，保证反应器运行期间三个床层整体的乙烯选择性。随后依据方案Ⅰ和方案Ⅱ的乙炔转化率分配比例进行全周期操作优化,优化结果表明，两种乙炔转化率分配方案在反应器全周期运行过程中各床层内温度均在乙炔加氢最佳反应温度范围，且乙烯产品产量远远高于常规操作优化。

                                   

图1实际生产过程中各床层温度与乙炔转                           图2两种乙炔转化率分配方案反应器运行

化率的关系图                                                 过程中各床层温度变化的曲线示意图

具体实现:

1. 乙炔加氢反应器工艺简介

        如今普遍使用的加氢装置是装填有固体催化剂的固定床反应器，一般在绝热条件下运行。该反应系统通常有三个固定床，目的是确保出口乙烯质量满足生产要求。图3是乙炔后加氢工艺流程图，首先混合气体经换热器调整至适合反应的温度后进入床层一进行脱炔反应，为确保后面床层中乙烯的选择性，出口气体先经换热器进行降温，再通过绿油塔去除气体中存在的绿油，之后混合气体分别到床层二、床层三除去剩余的乙炔杂质。

图3 乙炔后加氢工艺流程图

2．催化剂失活动力学模型的修正

        目前所应用的催化剂失活模型是依据普遍使用的失活动力学方程所建立的，该模型考虑了温度和绿油累积浓度对催化剂失活的作用，但未考虑到温度对绿油累积浓度的影响。绿油的生成不仅与乙炔浓度和氢气浓度有关，当温度升高时，生成绿油的速率也加快，绿油的累积浓度应考虑温度的影响，因此，本文对催化剂失活模型进行了修正，如下所示：

3.乙炔转化率分配方案

根据化学反应工程理论，反应器三个床层乙炔转化率平均分配是最理想的分配方案，因此将三个床层乙炔转化率比例33:33:33作为方案Ⅰ，该方案保证反应器运行期间各床层的加氢反应平缓进行，床层内不会存在较大的温升。考虑实际生产过程中的安全性，在反应器运行期间床层一和床层二为反应床层，床层三为保护床层，因此本文设定约90%的乙炔平均分配到第一床层和第二床层，约10%的乙炔分配到第三床层进行加氢转化，此乙炔转化率分配不仅考虑了实际生产过程中的安全性，且能有效降低第一床层内乙炔加氢反应放出的热量，然后依据正交实验设计的思想，针对乙炔转化率安全分配给出三种乙炔转化率分配方案，将第三床层乙炔转化率固定，方案Ⅱ−A为降低第一床层乙炔转化率，方案Ⅱ−B为乙炔转化率平均分配，方案Ⅱ−C为降低第二床层乙炔转化率。

4.乙炔加氢反应器全周期操作优化

为了保证全周期优化过程中乙炔气体按照既定的乙炔转化率分配方案在各床层进行加氢转化，在常规全周期操作优化模型中添加乙炔转化率约束，提出了反应器全周期乙炔转化率分配操作优化模型。该优化模型考虑催化剂失活对系统的影响，优化目标为全周期乙烯产品累积产量，优化变量为三个床层的入口氢气流量和入口温度，优化约束为三个床层乙炔转化率及出口乙炔含量，具体表述如下：

图4为各方案全周期操作优化的反应器出口乙烯质量流量，从优化结果来看，全周期乙炔转化率平均分配（方案Ⅰ）和乙炔转化率安全分配（方案Ⅱ−A、方案Ⅱ−B、方案Ⅱ−C）操作优化反应器出口乙烯质量流量均高于常规全周期操作优化。表1为180天内各方案的乙烯产品累积产量和反应器出口乙烯产品相对反应器入口乙烯产品的累积增量，乙烯产品累积产量和累积增量大小顺序依次为方案Ⅰ>方案Ⅱ−A>方案Ⅱ−B>方案Ⅱ−C>当前生产方案（常规优化）>当前生产方案（未优化）。因此，如果仅考虑一个周期内的乙烯产品产量收益，优先选择乙炔转化率分配比例为33:33:33的方案Ⅰ，但在实际生产过程中，出于对生产安全性的考虑，选择方案Ⅱ−A更为合适，该乙炔转化率分配方案不仅有效的提升一个运行周期内的乙烯产品产量，而且能确保在实际生产过程中反应器运行更加安全。

图4各方案优化的出口乙烯质量流量

表1 系统运行180天乙烯累积产品产量