催化重整流程模拟及优化研究
【摘要】：
流程模拟优化技术在流程工业得到了广泛应用，带来了显著的经济效益，特别是用于复杂催化反应过程的专用模拟优化软件日益受到了石油化工和炼油企业的重视和青睐。本论文围绕催化重整过程，对重整反应机理、过程模型建立、模型参数估计、过程优化等问题进行了研究。论文面向工业应用，其目标是开发出自主的、应用方便的、功能齐全的专用催化重整流程模拟优化软件。本论文的主要研究工作包括以下几个方面内容。
1．研究了催化重整反应机理，针对国内工业重整装置的特点和应用条件，提出了只包含17个重整反应的17集总反应动力学模型，保证模型较高精度，并降低机理模型复杂度和化验室分析要求，方便了模型工业应用。深入探讨了重整催化剂的结焦失活机理，首次提出了连续重整装置催化剂失活的平均活性函数概念，给出了催化剂结焦失活模型。讨论了加热炉的传热机理，给出了一个简化的加热炉模型。针对含氢混合物的特殊性，提出了采用不含氢汽液分离系统替代含氢汽液分离系统的汽液平衡计算模型。
2．讨论了过程模拟中集总组分6种重要物性计算方法和机理模型参数估计方法。针对反应模型待估参数过多的特点，把模型参数进行分类和归并，使待估参数从68个减少为17个，降低了参数估计的难度。提出了采用动态结焦模型以及新鲜催化剂结焦速率的线性回归模型来估计结焦模型参数的方法。研究了机理模型参数估计算法，提出了基于BFGS变尺度和微分精确线性搜索的优化算法求解参数估计优化问题，取得了理想的收敛效果。
3．针对重整反应模型方程的特殊结构和刚性问题，提出了一种形式更简单方便的近似解析数值算法和吉尔法相结合的混合数值算法，并引入了最优步长方法。
4．对重整过程优化问题进行了分析描述，采用有效的SQP算法对该非线性规划问题进行了求解。讨论了机理模型参数误差对优化结果的影响，说明了基于该静态模型的离线优化结果是可靠的。
5．研究了重整过程动态特性。在静态模型基础上建立了全流程主要装置(重整反应器、加热炉、分离罐)的动态模型，采用分段线性化方法对重整反应分布参数模型离散化成一组常微分线性方程组进行了求解。最后利用该动态模型分析了主要操作变量的闭环动态响应曲线。
浙江大学博士学位论文
6.在MATLAB平台上开发了基于图形用户界面的专用重整模拟优化软件，利用
一套半再生重整工业装置和两套连续重整工业装置数据对建立的过程模型
进行了验证，表明了模型的有效性和应用方便性。利用模型对重整过程主要
操作变量进行了分析，说明了模型在过程分析和操作指导上的重要意义。
最后，在总结全文研究工作的基础上，指出了重整流程模拟优化技术在开发
和应用中需要进一步解决的问题。
【关键词】：催化重整 动力学模型 流程模拟 过程优化 动态建模 参数估计 BFGS SQP 数值算法 MATLAB 【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：TP391.9
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2004.042548
【目录】：
- 摘要5-7
- ABSTRACT7-9
- 致谢9-10
- 符号说明10-14
- 第一章 绪论14-28
- 1.1 引言14-15
- 1.2 流程模拟技术进展15-18
- 1.3 催化重整过程概述18-21
- 1.4 重整过程建模的发展现状21-23
- 1.5 重整过程模拟软件的发展现状23-24
- 1.6 本论文研究方法24-25
- 1.7 本论文的研究内容25-28
- 第二章 重整过程静态建模28-46
- 2.1 引言28-29
- 2.2 重整反应模型29-37
- 2.3 催化剂结焦失活模型37-41
- 2.4 加热炉模型41-42
- 2.5 油气分离模型42-44
- 2.6 小结44-46
- 第三章 物性计算及参数估计46-66
- 3.1 引言46-48
- 3.2 物性计算48-53
- 3.3 反应模型参数估计53-54
- 3.4 结焦失活模型参数估计54-56
- 3.5 动力学参数估计算法56-65
- 3.6 小结65-66
- 第四章 过程模型求解算法66-78
- 4.1 引言66
- 4.2 反应模型ODE数值算法66-74
- 4.3 分离模型求解算法74-77
- 4.4 小结77-78
- 第五章 重整过程优化78-88
- 5.1 引言78-79
- 5.2 优化问题描述79-80
- 5.3 非线性规划(NLP)算法80-85
- 5.4 仿真结果85-87
- 5.5 小结87-88
- 第六章 重整过程动态建模88-103
- 6.1 引言88-89
- 6.2 反应器动态模型89-90
- 6.3 加热炉动态模型90-91
- 6.4 高压分离罐动态模型91-93
- 6.5 过程动态模型93
- 6.6 动态模型求解93-97
- 6.7 动态过程仿真97-102
- 6.8 小结102-103
- 第七章 软件开发及工业应用103-118
- 7.1 引言103
- 7.2 软件开发103-108
- 7.3 模型验证108-113
- 7.4 重整过程分析113-117
- 7.5 小结117-118
- 第八章 结论与展望118-120
- 参考文献120-129
- 作者攻博期间发表／投寄的论文129-131
- 作者攻博期间参加的科研项目／申请专利131-132
- 作者简介132
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