CN103570487A - 一种从碳五馏分中用二聚方法分离环戊二烯的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种从碳五馏分中用二聚方法分离环戊二烯的控制方法，该方法通过控制反应器温度使得异戊二烯损失最小并且出口处的环戊二烯含量最低，包括以下步骤：通过建立目标函数以及目标函数中各变量的函数表达式，来求出反应温度T的最优值；将最优值给入各个控制回路，从而实现了对反应温度的控制。该方法使异戊二烯损失最小并且出口处的环戊二烯含量最低，从而最大程度的回收双环戊二烯且使环戊二烯含量达到萃取精馏系统容许的范围，提高了产品产量，降低了成本。

Description

一种从碳五馏分中用二聚方法分离环戊二烯的控制方法

技术领域

本发明属于化工工艺、化学工程和控制工程交叉领域，涉及一种从裂解碳五馏分中分离环戊二烯的控制方法。

背景技术

油气裂解制乙烯工业副产约占乙烯产量10～20%的碳五馏份。富含环戊二烯、异戊二烯、间戊二烯、叔戊烯等重要化工原料。至今加热二聚仍是最广泛采用的裂解碳五馏分中分出环戊二烯的工业分离方法。该方法利用环戊二烯加热时比其它碳五烃易二聚的持点，将环戊二烯（CPD）加热二聚为双环戊二烯（DCPD），再利用双环戊二烯的沸点(166.6℃)明显高于其它碳五烃的沸点(30～45℃)，通过蒸馏即可从碳五馏分中将环戊二烯分出或与其它双烯烃同时分出。二聚反应在多个特制反应器中进行，控制反应温度以达到要求的转化率,以往的设计与操作都是给出经验值，由于实际操作过程中存在多种复杂的化学反应，根据经验值往往很难得到最优的反应结果。因此如何控制反应温度使异戊二烯损失最小并且出口处的环戊二烯含量最低，是目前亟需解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种从碳五馏分中用二聚方法分离环戊二烯的控制方法，通过建立目标函数来计算温度的最优值，使异戊二烯损失最小并且出口处的环戊二烯含量最低，从而最大程度的回收双环戊二烯且使环戊二烯含量达到萃取精馏系统容许的范围。

本发明中的二聚反应在多个连续的反应器中进行,反应器可以是CSTR(连续搅拌槽反应器)或PFR(平推流反应器),本发明通过控制反应器温度使得异戊二烯损失最小并且出口处的环戊二烯含量最低，包括以下步骤:

建立目标函数：  $\underset{T}{\min }J=\mathrm{\α}{C}_{\mathrm{Aj}}+(1-\mathrm{\α})\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(C_{\mathrm{Bj}-1}-C_{\mathrm{Bj}})$

其中，Ｊ为异戊二烯损失量

α为权重系数（已知量）

C_Aj为第ｊ个反应器环戊二烯出口浓度（变量）

C_Bj为第ｊ个反应器异戊二烯出口浓度（变量）

C_Bj-1为第ｊ-１个反应器异戊二烯出口浓度（变量）

建立目标函数中各变量的函数表达式，其中各变量的函数表达式中只包含一个变量，即反应器温度Ｔ；

将各变量的函数表达式带入目标函数中，应用搜索算法求出异戊二烯损失量Ｊ最小时反应器温度Ｔ的最优值；

计控中心将反应器温度Ｔ的最优值给入各个控制回路，实现对反应温度的控制。

根据本发明，当反应器为CSTR(连续搅拌槽反应器)时，多个反应器串联使用，对于第j个CSTR出口物料浓度为：

C_Aj＝(-(1+k_2jτ_jC′_Bj)+((1+k_2jτ_jC′_Bj)²-4k_1jτ_j(C_Aj-1+k_rjτ_jC′_Cj))^1/2)/2k_1jτ_j

C_Bj＝C_Bj-1/(1+k_2jτ_jC′_Aj)

C_Cj＝C_Cj-1+((C_Aj-1-C_Aj)-(C_Bj-1-C_Bj))/2

$k_j=A_j\exp (-\frac{E_j}{\mathrm{RT}})$

将k_j带入C_Aj、C_Bj、C_Cj表达式中即可得到以反应器温度T为变量的函数表达式，

其中：C_Cj为第j个反应器双环戊二烯出口浓度

C_Cj-1为第j-1个反应器双环戊二烯出口浓度

τ_j为第j个反应器的反应时间（已知）

E_j为第j个反应器的活化能（已知）

k_j第j个反应器的反应速率，k_1j为第j个反应器中环戊二烯自聚的反应速率，k_2j为第j个反应器中环戊二烯同异戊二烯共聚的反应速率，

A_j为第j个反应器的频率因子（已知）

根据本发明，当反应器为PFR(平推流反应器)时，对于单个反应器(PFR)，

$\frac{d{C}_A}{\mathrm{d\τ}}=-k_1{C}_A^2+k_r{C}_C-k_2{C}_A{C}_B$

$\frac{d{C}_B}{\mathrm{d\τ}}=-k_2{C}_A{C}_B$

$\frac{d{C}_C}{\mathrm{d\τ}}=(k_1{C}_A^2-k_r{C}_C)/2$

$k_j=A_j\exp (-\frac{E_j}{\mathrm{RT}})$

其中，C_A为环戊二烯浓度，C_B为异戊二烯浓度，C_C为双环戊二烯浓度

k₁为环戊二烯自聚的反应速率，k_r为双环戊二烯分解为环戊二烯的反应速率，k₂为环戊二烯同异戊二烯共聚的反应速率

多个反应器串联使用，对于第j个PFR：

C_A0j＝C_Aj-1，C_B0j＝C_Bj-1，C_C0j＝C_Cj-1

其中，C_A0j为环戊二烯在第j个反应器入口的浓度，C_Aj-1为环戊二烯在第j-1个反应器出口的浓度；

C_B0j为异戊二烯在第j个反应器入口的浓度，C_Bj-1为异戊二烯在第j-1个反应器出口的浓度；

C_C0j为双环戊二烯在第j个反应器入口的浓度，C_Cj-1为双环戊二烯在第j-1个反应器出口的浓度

根据本发明，所应用的搜索算法为单纯形法。

根据本发明，各反应器出口的浓度、温度信息，反馈到计控中心，实现对优化温度的校正。

本发明具有以下有益效果：通过建立目标函数对反应温度进行优化控制，能够实现准确控制，并能对优化温度进行校正，从而得到最优的反应结果，提高了产品产量，并实现成本的降低。

附图

图1为CSTR二聚反应系统的控制流程图

图2为PFR二聚反应系统的控制流程图

C_i0j为第i个组份在第j个反应器入口的浓度；C_ij为第i个组份在第j个反应器出口的浓度，i＝A,B,C；j＝1,2,…,N，其中A为环戊二烯， 为B异戊二烯， 为C双环戊二烯

具体实施例

计控中心根据进入系统的物流流量、各组份的浓度，按照数学模型计算出优化的温度值，给入各个控制回路，实现对反应温度的控制；各反应器出口的流量、浓度、温度等信息，反馈到计控中心，实现对优化温度的校正。

实施例1

碳五进料总量 165.148 kmol/h ，共11424kg/h，其中

环戊二烯      50.183kmol/h

异戊二烯      49.893 kmol/h

双环戊二烯     0.000 kmol/h

采用CSTR反应器3级，每个反应器有效容积 20m³、体积流量17.85m³/h，每釜停留时间1.120小时。优化控制结果见表1。

表1. CSTR反应器环戊二烯二聚反应优化结果

实施例2

碳五进料总量 270.957 kmol/h ，共18750kg/h，其中

环戊二烯      75.922 kmol/h

异戊二烯      73.267 kmol/h

双环戊二烯     2.168 kmol/h

采用PFR反应器4级，每个反应器有效容积 32 m³、体积流量29.28m³/h，每釜停留时间1.093小时。优化控制结果见表2。

表2. PFR反应器环戊二烯二聚反应优化结果

Claims (5)

1.一种从碳五馏分中用二聚方法分离环戊二烯的控制方法，其中二聚反应在多个连续的反应器中进行,反应器可以是CSTR(连续搅拌槽反应器)或PFR(平推流反应器),其特征在于：通过控制反应器温度使得异戊二烯损失最小并且出口处的环戊二烯含量最低，包括以下步骤:

１）建立目标函数：  $\underset{T}{\min }J=\mathrm{\α}{C}_{\mathrm{Aj}}+(1-\mathrm{\α})\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(C_{\mathrm{Bj}-1}-C_{\mathrm{Bj}})$

其中，Ｊ为异戊二烯损失量

α为权重系数（已知量）

C_Aj为第ｊ个反应器环戊二烯出口浓度（变量）

C_Bj为第ｊ个反应器异戊二烯出口浓度（变量）

C_Bj-1为第ｊ-１个反应器异戊二烯出口浓度（变量）

２）建立目标函数中各变量的函数表达式，其中各变量的函数表达式中只包含一个变量，即反应器温度Ｔ；

３）将各变量的函数表达式带入目标函数中，应用搜索算法求出异戊二烯损失量Ｊ最小时反应器温度Ｔ的最优值；

４）计控中心将反应器温度Ｔ的最优值给入各个控制回路，实现对反应温度的控制。

2.按照权利要求1所述的从碳五馏分中用二聚方法分离环戊二烯的控制方法，其特征在于，当反应器为CSTR(连续搅拌槽反应器)时，多个反应器串联使用，对于第j个CSTR出口物料浓度为：

C_Aj＝(-(1+k_2jτ_jC′_Bj)+((1+k_2jτ_jC′_Bj)²-4k_1jτ_j(C_Aj-1+k_rjτ_jC′_Cj))^1/2)/2k_1jτ_j

C_Bj＝C_Bj-1/(1+k_2jτ_jC′_Aj)

C_Cj＝C_Cj-1+((C_Aj-1-C_Aj)-(C_Bj-1-C_Bj))/2

$k_j=A_j\exp (-\frac{E_j}{\mathrm{RT}})$

将k_j带入C_Aj、C_Bj、C_Cj表达式中即可得到以反应器温度T为变量的函数表达式，

其中：C_Cj为第j个反应器双环戊二烯出口浓度

C_Cj-1为第j-1个反应器双环戊二烯出口浓度

τ_j为第j个反应器的反应时间（已知）

E_j为第j个反应器的活化能（已知）

k_j第j个反应器的反应速率，k_1j为第j个反应器中环戊二烯自聚的反应速率，k_2j为第j个反应器中环戊二烯同异戊二烯共聚的反应速率，

A_j为第j个反应器的频率因子（已知）

3.按照权利要求1所述的从碳五馏分中用二聚方法分离环戊二烯的控制方法，其特征在于，当反应器为PFR(平推流反应器)时，对于单个反应器(PFR)，

$\frac{d{C}_A}{\mathrm{d\τ}}=-k_1{C}_A^2+k_r{C}_C-k_2{C}_A{C}_B$

$\frac{d{C}_B}{\mathrm{d\τ}}=-k_2{C}_A{C}_B$

$\frac{d{C}_C}{\mathrm{d\τ}}=(k_1{C}_A^2-k_r{C}_C)/2$

$k_j=A_j\exp (-\frac{E_j}{\mathrm{RT}})$

其中，C_A为环戊二烯浓度，C_B为异戊二烯浓度，C_C为双环戊二烯浓度

k₁为环戊二烯自聚的反应速率，k_r为双环戊二烯分解为环戊二烯的反应速率，k₂为环戊二烯同异戊二烯共聚的反应速率

多个反应器串联使用，对于第j个PFR：

C_A0j＝C_Aj-1，C_B0j＝C_Bj-1，C_C0j＝C_Cj-1

其中，C_A0j为环戊二烯在第j个反应器入口的浓度，C_Aj-1为环戊二烯在第j-1个反应器出口的浓度；

C_B0j为异戊二烯在第j个反应器入口的浓度，C_Bj-1为异戊二烯在第j-1个反应器出口的浓度；

C_C0j为双环戊二烯在第j个反应器入口的浓度，C_Cj-1为双环戊二烯在第j-1个反应器出口的浓度

4.按照权利要求1所述的从碳五馏分中用二聚方法分离环戊二烯的控制方法，其特征在于所述的搜索算法为单纯形法。

5.按照权利要求1所述的从碳五馏分中用二聚方法分离环戊二烯的控制方法，其特征在于各反应器出口的浓度、温度信息，反馈到计控中心，实现对优化温度的校正。

Images