CN1235051C - 一种乙炔加氢反应器软测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种乙炔加氢反应器软测量方法，其中包括：采用基于反应器机理模型的软测量；其中还包括：实时采集反应器的可测参数，该可测参数至少为：反应器中乙炔、氢气的进料浓度，反应器入口温度，反应器内各温度测点的值。所述的采用基于反应器机理模型的软测量还可包括，反应器出口乙炔浓度的软测量，反应器内活性选择性的软测量。由于采用了基于机理模型的乙炔加氢反应器软测量方法，对乙炔反应器的催化剂活性选择性、出口乙炔含量进行软测量，准确及时地计算活性选择性及出口乙炔含量这三个最能体现反应器工作现状的标志量，使反应器在线闭环控制成为可能。

Description

一种乙炔加氢反应器软测量方法

技术领域

本发明涉及石油化工乙烯工业领域，具体的说是一种乙炔加氢反应器软测量方法。

背景技术

乙炔加氢反应器(以下简称反应器)中，催化剂床层活性和选择性是最能表征催化剂床层反应特征及工作现状的两个标志，而反应器出口乙炔含量则是产品质量是否合格的一个最为重要的指标(乙炔含量不超限＜5ppm)，三者直接反应了乙炔反应器的控制状况，对三者的观测是否准确及时，决定着反应器控制效果的好坏。

由于催化剂床层活性与选择性属于数学化的化学量，常规物理仪表无法对其直接观测，因此，目前对催化剂床层活性选择性缺乏直接的观测手段，只是根据反应器进出口温差，对它们进行经验性地判断。

而对于出口乙炔含量，往往采用了质量分析仪进行在线分析，但是分析仪存在较大迟滞，无法满足在线控制的要求。

所以，当前的反应器测量技术无法对控制目标，即：活性与选择性、出口乙炔含量，进行精确、实时的观测，从而直接影响了反应器的控制品质。

发明内容

本发明的目的在于提供一种乙炔加氢反应器软测量方法，所谓软测量是指，根据物理、化学、力学等科学原理，对某一物理系统进行数学模拟而建立的用于计算系统内某一个或多个物理数据的数学模型，其可结合工控平台测量物理数据。在本发明中，采用了基于机理模型的乙炔加氢反应器软测量方法，对乙炔反应器的催化剂活性选择性、出口乙炔含量进行软测量，准确及时地计算活性选择性及出口乙炔含量这三个最能体现反应器工作现状的标志量，使反应器在线控制成为可能。

本发明的目的是通过如下技术方案来实现的：

实时采集反应器的可测参数，该可测参数至少为：反应器中乙炔、氢气的进料浓度，反应器入口温度，反应器内各温度测点的值；

依据所述的可测参数采用基于反应器机理模型的软测量。

所述的采用基于反应器机理模型的软测量至少包括，反应器出口乙炔浓度的软测量。

所述的采用基于反应器机理模型的软测量还包括，反应器内活性选择性的软测量。

所述的采用基于反应器机理模型的软测量还可包括，反应器出口乙炔浓度的软测量，反应器内活性选择性的软测量。

所述的反应器出口乙炔浓度的软测量包括，采用物料平衡和化学反应动力学建立反应器机理模型，使得反应器出口乙炔浓度的软测量满足如下条件：

$C2H2=C_{21}\left(\begin{array}{c}{T}_1\\ T_2\\ T_3\\ T_4\end{array}\right){+D}_{21}{T}_0+E_{21}\left(\begin{array}{c}{P}_{A_0}\\ P_{B_0}\\ P_{C_0}\\ G\end{array}\right)$

其中：C2H2：乙炔浓度；

      P_A：乙炔组分分压                     单位：Kpa；

      P_B：乙烯组分分压                     单位：Kpa；

      P_C：氢气分压                         单位：Kpa；

      G：反应器进料总质量流率               单位：Kg/h；

      T₁，T₂，T₃，T₄：反应器热偶温度   单位：K；

      T₀：反应器入口热偶温度               单位：K。

所述的反应器内活性选择性的软测量包括：采用物料平衡和化学反应动力学建立反应器机理模型，使得反应器内活性选择性的软测量满足如下条件：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{\θ}\\ \mathrm{SE}\end{array}\right)=C_{22}\left(\begin{array}{c}{T}_1\\ T_2\\ T_3\\ T_4\end{array}\right)+D_{22}{T}_0+E_{22}\left(\begin{array}{c}{P}_{A_0}\\ P_{B_0}\\ P_{C_0}\\ G\end{array}\right)$

其中：θ：催化剂活性；

      SE：催化剂选择性；

      P_A：乙炔组分分压                     单位：Kpa；

      P_B：乙烯组分分压                     单位：Kpa；

      P_C：氢气分压                         单位：Kpa；

      G：反应器进料总质量流率               单位：Kg/h；

      T₁，T₂，T₃，T₄：反应器热偶温度   单位：K；

      T₀：反应器入口热偶温度               单位：K。

所述的实时采集反应器的可测参数还包括，反应器内缓和剂的进料浓度，即向反应器加入缓和剂。

加入缓和剂时：

所述的采用基于反应器机理模型的软测量至少包括，反应器出口乙炔浓度的软测量。

所述的采用基于反应器机理模型的软测量还包括，反应器内活性选择性的软测量。

所述的采用基于反应器机理模型的软测量还可包括，反应器出口乙炔浓度的软测量，反应器内活性选择性的软测量。

所述的反应器出口乙炔浓度的软测量包括，采用物料平衡和化学反应动力学建立反应器机理模型，使得反应器出口乙炔浓度的软测量满足如下条件：

$C2H2=C_{12}\left(\begin{array}{c}{T}_1\\ T_2\\ T_3\\ T_4\end{array}\right){+D}_{12}\left(\begin{array}{c}{T}_0\\ P_D\end{array}\right)+E_{12}\left(\begin{array}{c}{P}_{A_0}\\ P_{B_0}\\ P_{C_0}\\ G\end{array}\right)$

其中：C2H2：乙炔浓度；

      P_A：乙炔组分分压                     单位：Kpa；

      P_B：乙烯组分分压                     单位：Kpa；

      P_C：氢气分压                         单位：Kpa；

      P_D：缓和剂入口分压                   单位：Kpa；

      G：反应器进料总质量流率               单位：Kg/h；

      T₁，T₂，T₃，T₄：反应器热偶温度   单位：K；

      T₀：反应器入口热偶温度               单位：K。

所述的反应器内活性选择性的软测量包括：采用物料平衡和化学反应动力学建立反应器机理模型，使得反应器内活性选择性的软测量满足如下条件：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{\θ}\\ \mathrm{SE}\end{array}\right)=C_{11}\left(\begin{array}{c}{T}_1\\ T_2\\ T_3\\ T_4\end{array}\right)+D_{11}\left(\begin{array}{c}{T}_0\\ P_D\end{array}\right)+E_{11}\left(\begin{array}{c}{P}_{A_0}\\ P_{B_0}\\ P_{C_0}\\ G\end{array}\right)$

其中：θ：催化剂活性；

       SE：催化剂选择性；

       P_A：乙炔组分分压                    单位：Kpa；

       P_B：乙烯组分分压                    单位：Kpa；

       P_C：氢气分压                        单位：Kpa；

       P_D：缓和剂入口分压                  单位：Kpa；

       G：反应器进料总质量流率              单位：Kg/h；

       T₁，T₂，T₃，T₄：反应器热偶温度  单位：K；

       T₀：反应器入口热偶温度              单位：K。

无论是否向反应器内加入缓和剂，所述的采用基于反应器机理模型的软测量，可用色谱分析对所述的软测量进行校正。

在本发明的乙炔加氢反应器软测量方法中，采用了反应器出口乙炔浓度的软测量，催化剂活性选择性的软测量；其很好地解决了反应器出口乙炔浓度，催化剂活性选择性在线不可测量的问题，形成了对反应器出口乙炔浓度、催化剂活性选择性的实时测量，提高了反应器的控制质量，起到了提高产品质量、提高产品收率和节能降耗的良好效果。

附图说明

图1是乙炔加氢反应器软测量方法的功能框图；

图2是乙炔加氢反应器工艺流程简图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，实时采集反应器的可测参数，该可测参数至少为：反应器中乙炔、氢气的进料浓度，反应器入口温度，反应器内各温度测点的值；建立反应器机理模型：由于乙炔加氢反应器是一个典型的分布参数系统，为了简化计算，我们建立一个一维分布参数动态数学模型。以单个反应器为研究对象。

反应化学方程式：

                            反应(1)

                            反应(2)

                         反应(3)

                   反应(4)

模型化的基本假设：

1.反应为活塞流，无返混；

2.轴向与径向的扩散忽略；

3.反应器中径向不存在任何速度或其它物性变化的梯度，而在轴向上却存在梯度变化；

4.相对于化学反应速度，催化剂的失活可以认为是缓慢的，假定，在某一稳定状态下，反应器每截内催化剂活性是一定的；

5.因为气固相反应反应速度快，可假定气体反应瞬间平稳，而在能量上反应是时变的；

6.忽略反应(3)和(4)。

分别根据物料平衡、热平衡、反应动力学方程建立平衡方程如下：

由物料平衡：

$\frac{{\∂P}_i}{\∂t}=-u\frac{{\∂P}_i}{\∂z}+r_i,i=\mathrm{1,2}$ 式(1)

由热量平衡：

${\mathrm{\ρ}}_S{c}_{\mathrm{PS}}\frac{\∂T(z,t)}{\∂t}=-c_{\mathrm{pg}}{\mathrm{\ρ}}_{G}u\frac{\∂T(z,t)}{\∂z}+\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}(-\mathrm{\Δ}{H}_i)\left({-r}_i\right)$ 式(2)

反应速率：

${-r}_1=k_1{e}^{\frac{-E1}{\mathrm{RT}}}{P}_{H_2}$

${-r}_2=k_2{e}^{\frac{-E2}{\mathrm{RT}}}\frac{P_{C_2{H}_4}{P}_{H_2}}{P_{C_2{H}_2}}$ 式(4)

考虑到催化剂的失活，实际反应速率为

     r_i′＝θr_i     i＝1，2         式(5)

其中：θ为催化剂活性(参见活性计算公式)

活性计算公式：

$\mathrm{\θ}=\frac{N{\left[H_2\right]}_{\mathrm{in}}-N{\left[H_2\right]}_{\mathrm{out}}}{N{\left[H_2\right]}_{\mathrm{in}}}$ 式(6)

其中，N[...]表示...的摩尔流量，单位：kmol/h

选择性计算公式：

$\mathrm{SE}=\frac{N{\left[C_2{H}_2\right]}_{\mathrm{in}}-N{\left[C_2{H}_2\right]}_{\mathrm{out}}}{{N\left[H_2\right]}_{\mathrm{in}}-{N\left[H_2\right]}_{\mathrm{out}}}$ 式(7)

其中：SE为催化剂选择性

以单一反应器为例进行模型的推导。

把反应器按热偶分布分为N段，每段高度为Δz_i，分多少段，每段高度为多少视热偶的数目及位置而定。假定：在每一分段内，在某一时刻，催化剂活性θ一定；各分段内温度一定。

分别根据物料平衡、反应动力学推导活性选择性软测量方程表达式为：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{\θ}\\ \mathrm{SE}\end{array}\right)=C_{22}\left(\begin{array}{c}{T}_1\\ T_2\\ T_3\\ T_4\end{array}\right)+D_{22}{T}_0+E_{22}\left(\begin{array}{c}{P}_{A_0}\\ P_{B_0}\\ P_{C_0}\\ G\end{array}\right)$

出口乙炔含量软测量计算式：

$C2H2=C_{21}\left(\begin{array}{c}{T}_1\\ T_2\\ T_3\\ T_4\end{array}\right){+D}_{21}{T}_0+E_{21}\left(\begin{array}{c}{P}_{A_0}\\ P_{B_0}\\ P_{C_0}\\ G\end{array}\right)$

通过以上计算式，就可以实时测量出口乙炔含量和活性选择性。实施时，可以考虑用出口色谱浓度值求得的出口乙炔含量和活性选择性来对软测量的结果进行校正。

实施例2

如图1所示，实时采集反应器的可测参数，该可测参数至少为：反应器中乙炔、氢气的进料浓度，反应器入口温度，反应器内各温度测点的值；建立反应器机理模型：由于乙炔加氢反应器是一个典型的分布参数系统，为了简化计算，我们建立一个一维分布参数动态数学模型。以单个反应器为研究对象。

反应化学方程式：

                            反应(1)

                            反应(2)

                         反应(3)

                     反应(4)

模型化的基本假设：

1.反应为活塞流，无返混；

2.轴向与径向的扩散忽略；

3.反应器中径向不存在任何速度或其它物性变化的梯度，而在轴向上却存在梯度变化；

4.相对于化学反应速度，催化剂的失活可以认为是缓慢的，假定，在某一稳定状态下，反应器每截内催化剂活性是一定的；

5.因为气固相反应反应速度快，可假定气体反应瞬间平稳，而在能量上反应是时变的；

6.大量研究表明，在催化剂中加入微量的“缓和剂”对选择性的调节有较大帮助。因此乙烯生产厂家目前均采用一氧化碳作缓和剂。研究表明CO不与任何组份发生化学反应，其在催化剂上的(净吸附/脱附)呈稳态分布，即只与入口浓度及反应物料流率有关。CO不与任何组分发生化学反应，假定CO的分布与床层长度无关；

7.忽略反应(3)和(4)。

分别根据物料平衡、热平衡、反应动力学方程建立平衡方程如下：

由物料平衡： $\frac{{\∂P}_i}{\∂t}=-u\frac{{\∂P}_i}{\∂z}+r_i,i=\mathrm{1,2}$ 式(1)

由热量平衡：

${\mathrm{\ρ}}_S{c}_{\mathrm{PS}}\frac{\∂T(z,t)}{\∂t}=-c_{\mathrm{pg}}{\mathrm{\ρ}}_{G}u\frac{\∂T(z,t)}{\∂z}+\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}(-\mathrm{\Δ}{H}_i)\left({-r}_i\right)$ 式(2)

反应速率：(采用缓和剂时)

${-r}_1=k_1{e}^{\frac{-E1}{\mathrm{RT}}}{P}_{H_2}$

${-r}_2=k_2{e}^{\frac{-E1}{\mathrm{RT}}}\frac{P_{C_2{H}_4}{P}_{H_2}}{R_C{P_{\mathrm{CO}}}^2+P_{C_2{H}_2}}$ 式(3)

考虑到催化剂的失活，实际反应速率为

         r_i′＝θr_i   i＝1，2      式(5)

θ：催化剂活性(参见活性计算公式)

活性计算公式：

$\mathrm{\θ}=\frac{N{\left[H_2\right]}_{\mathrm{in}}-N{\left[H_2\right]}_{\mathrm{out}}}{N{\left[H_2\right]}_{\mathrm{in}}}$ 式(6)

其中，N[...]表示...的摩尔流量，单位：kmol/h

选择性计算公式：

$\mathrm{SE}=\frac{N{\left[C_2{H}_2\right]}_{\mathrm{in}}-N{\left[C_2{H}_2\right]}_{\mathrm{out}}}{{N\left[H_2\right]}_{\mathrm{in}}-{N\left[H_2\right]}_{\mathrm{out}}}$ 式(7)

以单一反应器为例进行模型的推导。

把反应器按热偶分布分为N段，每段高度为Δz_i，分多少段，每段高度为多少视热偶的数目及位置而定。假定：在每一分段内，在某一时刻，催化剂活性θ一定；各分段内温度一定。

分别根据物料平衡、反应动力学推导活性选择性软测量方程表达式为：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{\θ}\\ \mathrm{SE}\end{array}\right)=C_{11}\left(\begin{array}{c}{T}_1\\ T_2\\ T_3\\ T_4\end{array}\right)+D_{11}\left(\begin{array}{c}{T}_0\\ P_D\end{array}\right)+E_{11}\left(\begin{array}{c}{P}_{A_0}\\ P_{B_0}\\ P_{C_0}\\ G\end{array}\right)$

出口乙炔含量软测量计算式：

$C2H2=C_{12}\left(\begin{array}{c}{T}_1\\ T_2\\ T_3\\ T_4\end{array}\right){+D}_{12}\left(\begin{array}{c}{T}_0\\ P_D\end{array}\right)+E_{12}\left(\begin{array}{c}{P}_{A_0}\\ P_{B_0}\\ P_{C_0}\\ G\end{array}\right)$

通过以上计算式，就可以实时测量出口乙炔含量和活性选择性。实施时，可以考虑用出口色谱浓度值求得的出口乙炔含量和活性选择性来对软测量的结果进行校正。

实施例3

在图2中，示意了一个乙炔加氢反应器的三床层串连结构，反应器1可选用G-58C型Pd系列催化剂，以一氧化碳作为催化剂“缓和剂”；DCS系统可为ABB产品中的MOD 300；可以第一段反应床层为例来说明如下：

(a)取得反应器的实际尺寸、催化剂及反应气体的物性参数、实际平稳反应的相关数据(如每段反应器中反应的动力学方程参数：指前因子、活化能、一氧化碳吸附因子等)、温度测点数目及位置、在线或离线分析状况(包括分析的内容及方位、有无分析迟滞和迟滞时间等)；

(b)第一段床层沿轴向分布着4个热偶，故根据分布把反应床层沿轴向分为4截，每截均有各自长度(Δz)；

(c)根据现场实际，采用了线性化模型；

(d)取得工况平稳时的工作点，记录反应器系统的各输入输出量(如温度，各种流量，压力等)，将这些数据代入软测量仪表的线性公式及反应器控制模型式里，得出工程化的软测量表达式，即利用实施例1或实施例2所述的方法得出工程化的软测量表达式；

(e)三个反应床层均按这一步骤工程化；

(f)DCS组态，主要任务是为控制器软件包的编写提供必要的条件；

(g)软测量软件包的编写及调试。

通过所述实施例，就可以实时测量出口乙炔含量和活性选择性。实施时，可以考虑用出口色谱浓度值求得的出口乙炔含量和活性选择性来对软测量的结果进行校正；同时要求常规仪表工作正常，工况平稳，DCS系统正常。

上述实施例仅用于说明本发明，而非用于限定本发明。

Claims (3)

1.一种乙炔加氢反应器软测量方法，其中包括：

实时采集反应器的可测参数；

依据所述的可测参数采用基于反应器机理模型的软测量；

其中，所述可测参数至少为：反应器中乙炔、氢气的进料浓度，反应器入口温度，反应器内各温度测点的值；

所述的采用基于反应器机理模型的软测量为反应器出口乙炔浓度的软测量和/或反应器内活性选择性的软测量；

所述的反应器出口乙炔浓度的软测量包括：采用物料平衡和化学反应动力学建立反应器机理模型，使得反应器出口乙炔浓度的软测量满足如下条件：

$C2H2=C_{21}\left(\begin{array}{c}{T}_1\\ T_2\\ T_3\\ T_4\end{array}\right)+D_{21}{T}_0+E_{21}\left(\begin{array}{c}{P}_{A_0}\\ P_{B_0}\\ P_{C_0}\\ G\end{array}\right)$

所述的反应器内活性选择性的软测量包括：采用物料平衡和化学反应动力学建立反应器机理模型，使得反应器内活性选择性的软测量满足如下条件：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{\θ}\\ \mathrm{SE}\end{array}\right)=C_{22}\left(\begin{array}{c}{T}_1\\ T_2\\ T_3\\ T_4\end{array}\right)+D_{22}{T}_0+E_{22}\left(\begin{array}{c}{P}_{A0}\\ P_{B0}\\ P_{C0}\\ G\end{array}\right)$

其中：C2H2：乙炔浓度；

θ：催化剂活性；

SE：催化剂选择性；

P_A：乙炔组分分压                 单位：Kpa；

P_B：乙烯组分分压                 单位：Kpa；

P_C：氢气分压                     单位：Kpa；

G：反应器进料总质量流率           单位：Kg/h；

T₁，T₂，T₃，T₄：反应器热偶温度   单位：K；

T₀：反应器入口热偶温度           单位：K。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的实时采集反应器的可测参数还包括，反应器内缓和剂的进料浓度；

所述的反应器出口乙炔浓度的软测量包括，采用物料平衡和化学反应动力学建立反应器机理模型，使得反应器出口乙炔浓度的软测量满足如下条件：

$C2H2=C_{12}\left(\begin{array}{c}{T}_1\\ T_2\\ T_3\\ T_4\end{array}\right)+D_{12}\begin{array}{}\end{array}\left(\begin{array}{c}{T}_0\\ P_D\end{array}\right)+E_{12}\left(\begin{array}{c}{P}_{A_0}\\ P_{B_0}\\ P_{C_0}\\ G\end{array}\right)$

所述的反应器内活性选择性的软测量包括：采用物料平衡和化学反应动力学建立反应器机理模型，使得反应器内活性选择性的软测量满足如下条件：

$\begin{array}{c}\left(\begin{array}{c}\mathrm{\θ}\\ \mathrm{SE}\end{array}\right)\end{array}=C_{11}\left(\begin{array}{c}{T}_1\\ T_2\\ T_3\\ T_4\end{array}\right)+D_{11}\begin{array}{}\end{array}\left(\begin{array}{c}{T}_0\\ P_D\end{array}\right)+E_{11}\left(\begin{array}{c}{P}_A\\ P_B\\ P_C\\ G\end{array}\right)$

其中：C2H2：乙炔浓度；

θ：催化剂活性；

SE：催化剂选择性；

P_A：乙炔组分分压                单位：Kpa；

P_B：乙烯组分分压                单位：Kpa；

P_C：氢气分压                    单位：Kpa；

P_D：缓和剂入口分压              单位：Kpa；

G：反应器进料总质量流率          单位：Kg/h；

T₁，T₂，T₃，T₄：反应器热偶温度  单位：K；

T₀：反应器入口热偶温度          单位：K。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述的采用基于反应器机理模型的软测量，可用色谱分析对所述的软测量进行校正。

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