工业甲醇制烯烃MTO反应再生系统机理模型构建方法技术方案

本发明专利技术公开了工业甲醇制烯烃MTO反应再生系统机理模型构建方法，该方法通过“分而治之”的理念利用再生/待生催化剂为纽带将复杂的反应再生系统拆分为反应器和再生器两个部分，分别对这两个部分进行合理的简化，构建由常微分、偏微分、代数方程组成机理模型，然后有机集成小波分析、机器学习、有限元正交配置、非线性规划模型求解等方法，实现了利用工业运行数据进行过程机理模型参数的优化估计。本发明专利技术不仅很好地建立了工业甲醇制烯烃MTO反应再生系统的机理模型，还嵌套提出了合理利用工业数据进行机理模型参数估计的方法，更为工业甲醇制烯烃MTO反应再生系统的优化操作和先进控制夯实了基础。了基础。了基础。

【技术实现步骤摘要】
工业甲醇制烯烃MTO反应再生系统机理模型构建方法


[0001]本专利技术属于甲醇制烯烃过程机理建模
，具体涉及一种工业甲醇制烯烃MTO反应再生系统机理模型构建方法。

技术介绍

[0002]在国内石油资源供不应求，国际油价剧烈波动的今天，非石油路线生产烯烃已逐渐成为具有经济竞争力的新选择。而中国的资源禀赋的另一大特点就是具有大量的煤矿，甲醇制烯烃MTO技术则能够连接中国多煤的资源特点和对低碳烯烃需求现状，打造一条以甲醇资源作为原料来生产烯烃的工业路线。目前国内已经有多套MTO工艺装置落地运行，截止2020年底，煤/甲醇制烯烃生产的乙烯已经超过全国乙烯产能的五分之一。以信息技术、自动化技术、人工智能技术全面结合为基础的智能制造是未来甲醇制烯烃企业的必然需求，是提高甲醇制烯烃行业的创新能力和附加值，实现节能减排目标，抢占流程工业发展制高点的重要保障。为提升甲醇制烯烃的机理分析能力及优化协同能力，建立MTO过程机理模型显得尤为重要。

技术实现思路

[0003]本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的目的在于提出一种利用工业数据进行数学机理模型参数估计的方法，本专利技术不仅很好地建立了工业甲醇制烯烃MTO反应再生系统的机理模型，还嵌套提出了合理利用工业数据进行机理模型参数估计的方法，更为工业甲醇制烯烃MTO反应再生系统的优化操作和先进控制夯实了基础。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提出了一种工业甲醇制烯烃MTO反应再生系统机理模型构建方法，所述甲醇制烯烃MTO反应再生系统包括反应器和再生器。根据本专利技术的实施例，所述方法包括：
[0005](1)将反应器划分为混合反应区、提升反应区和旋风分离区，分别对所述混合反应区和所述提升反应区建立机理模型；
[0006]将再生器划分为密相床区、稀相床区和分离区，分别对所述密相床区和所述稀相床区建立机理模型；
[0007](2)利用小波分析方法，分别对所述反应器和所述再生器中的输入变量进行稳态分析，获取具有稳态特征的数据集；
[0008](3)对步骤(2)得到的稳态数据进行分析，利用K
‑
means聚类机器学习方法，实现对原始数据集的压缩，形成训练数据集；
[0009](4)建立包括微分代数方程约束的参数估计模型，并利用有限元正交配置方法将偏微分方程和/或微分方程转化为多项式模型，从而将参数估计模型转化为易于求解的非线性规划模型；
[0010](5)将经步骤(3)压缩后获得的训练数据集用于步骤(4)转化后易于求解的非线性
规划模型，分别求解获得所述反应器和所述再生器的机理模型的相关参数。
[0011]根据本专利技术实施例的工业甲醇制烯烃MTO反应再生系统机理模型构建方法，该方法通过“分而治之”的理念利用再生/待生催化剂为纽带将复杂的反应再生系统拆分为反应器和再生器两个部分，分别对这两个部分进行合理的简化，构建由常微分、偏微分、代数方程组成机理模型，然后有机集成小波分析、机器学习、有限元正交配置、非线性规划模型求解等方法，实现了利用工业运行数据进行过程机理模型参数的优化估计。本专利技术不仅很好地建立了工业甲醇制烯烃MTO反应再生系统的机理模型，还嵌套提出了合理利用工业数据进行机理模型参数估计的方法，更为工业甲醇制烯烃MTO反应再生系统的优化操作和先进控制夯实了基础。与现有技术相比，本专利技术从过程系统工程角度出发，建立的过程机理模型可以直接用于过程优化操作与控制系统的开发；同时，本专利技术将经典的小波分析和先进的机器学习相集成，可以直接将工业运行数据用于过程机理模型的参数估计。
[0012]另外，根据本专利技术上述实施例的工业甲醇制烯烃MTO反应再生系统机理模型构建方法还可以具有如下附加的技术特征：
[0013]在本专利技术的一些实施例中，所述方法还包括：(6)利用额外的数据集对反应再生系统机理模型进行交叉验证。
[0014]在本专利技术的一些实施例中，在步骤(1)中，所述混合反应区的催化剂藏量实时波动，满足：
[0015][0016]其中，M
cat,RT
表示所述混合反应区的催化剂藏量，t表示时间，G
cat,RG
表示进入所述混合反应区的再生催化剂的质量流量，G
cat,CY
表示不经过第一冷却器的反应器内循环的催化剂的质量流量，G
cat,CL
表示经过第一冷却器的反应器内循环的催化剂的质量流量，G
cat,LF
表示流向所述提升反应区的催化剂的质量流量，G
cat,ST
表示流向所述再生器的待生催化剂的质量流量；
[0017]混合反应区由CSTR进行模拟，所述CSTR包括甲烷、乙烯、丙烯、丙烷、C4、C5和焦炭七个集总，各集总均满足质量守恒：
[0018][0019]其中，V
RT
表示所述混合反应区的容量，C
i,RT
表示所述混合反应区中某种集总气体的浓度，F
MeOH
表示所述混合反应区中的甲醇的摩尔流量，X
i,MeOH
表示进料的甲醇纯度，F
LF
表示进入提升管反应区的摩尔流量，X
i,RR
表示混合反应区各组分的摩尔分数，r
i,RT
表示混合反应区各组分的生成速率，∈
cat,RT
表示混合反应区的空隙率，ρ
cat
表示催化剂密度；
[0020]混合反应区中催化剂含碳量满足：
[0021][0022]其中，w
ck,RT
表示混合反应区催化剂焦炭质量分数，w
ck,DB
表示来自密相床区的再生催化剂焦炭质量分数，表示提升反应区出口催化剂焦炭质量分数，r
ck,RT
表示混合反应区焦炭生成速率；
[0023]混合反应区中催化剂和气体保持热平衡，满足：
[0024][0025]其中，H
cat,DB
表示再生器密相床区催化剂热焓，G
cat,RG
表示再生催化剂质量流量，表示提升管顶部催化剂热焓，表示反应器内循环催化剂流量，H
cat,CL
表示反应器内循环催化剂热焓，F
MeOH
表示甲醇摩尔流量，H
MeOH
表示甲醇热焓，F
LF
表示进入提升管反应区的摩尔流量，H
g,LF
表示提升管气体热焓，H
cat,LF
表示提升管催化剂热焓，H
cat,ST
表示待生催化剂热焓，Q
r,RT
表示反应器混合区反应热；
[0026]其中：
[0027]MCT
RT
＝M
cat,RT
C
p,cat
T
RT
+M
g,RT
C
pg,RT
T
RT
ꢀ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种工业甲醇制烯烃MTO反应再生系统机理模型构建方法，所述甲醇制烯烃MTO反应再生系统包括反应器和再生器，其特征在于，包括：(1)将反应器划分为混合反应区、提升反应区和旋风分离区，分别对所述混合反应区和所述提升反应区建立机理模型；将再生器划分为密相床区、稀相床区和分离区，分别对所述密相床区和所述稀相床区建立机理模型；(2)利用小波分析方法，分别对所述反应器和所述再生器中的输入变量进行稳态分析，获取具有稳态特征的数据集；(3)对步骤(2)得到的稳态数据进行分析，利用K
‑
means聚类机器学习方法，实现对原始数据集的压缩，形成训练数据集；(4)建立包括微分代数方程约束的参数估计模型，并利用有限元正交配置方法将偏微分方程和/或微分方程转化为多项式模型，从而将参数估计模型转化为易于求解的非线性规划模型；(5)将经步骤(3)压缩后获得的训练数据集用于步骤(4)转化后易于求解的非线性规划模型，分别求解获得所述反应器和所述再生器的机理模型的相关参数。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：(6)利用额外的数据集对反应再生系统机理模型进行交叉验证。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述混合反应区的催化剂藏量实时波动，满足：其中，M
cat，RT
表示所述混合反应区的催化剂藏量，t表示时间，G
cat，RG
表示进入所述混合反应区的再生催化剂的质量流量，G
cat，CY
表示不经过第一冷却器的反应器内循环的催化剂的质量流量，G
cat，CL
表示经过第一冷却器的反应器内循环的催化剂的质量流量，G
cat，LF
表示流向所述提升反应区的催化剂的质量流量，G
cat，ST
表示流向所述再生器的待生催化剂的质量流量；混合反应区由CSTR进行模拟，所述CSTR包括甲烷、乙烯、丙烯、丙烷、C4、C5和焦炭七个集总，各集总均满足质量守恒：其中，V
RT
表示所述混合反应区的容量，C
i，RT
表示所述混合反应区中某种集总气体的浓度，F
MeOH
表示所述混合反应区中的甲醇的摩尔流量，X
i，MeOH
表示进料的甲醇纯度，F
LF
表示进入提升管反应区的摩尔流量，X
i，RT
表示混合反应区各组分的摩尔分数，r
i，RT
表示混合反应区各组分的生成速率，∈
cat，RT
表示混合反应区的空隙率，ρ
cat
表示催化剂密度；混合反应区中催化剂含碳量满足：其中，w
ck，RT
表示混合反应区催化剂焦炭质量分数，w
ck，DB
表示来自密相床区的再生催化
剂焦炭质量分数，表示提升反应区出口催化剂焦炭质量分数，r
ck，RT
表示混合反应区焦炭生成速率；混合反应区中催化剂和气体保持热平衡，满足：其中，H
cat，DB
表示再生器密相床区催化剂热焓，G
cat，RG
表示再生催化剂质量流量，表示提升管顶部催化剂热焓，表示反应器内循环催化剂流量，H
cat，CL
表示反应器内循环催化剂热焓，F
MeOH
表示甲醇摩尔流量，H
MeOH
表示甲醇热焓，F
LF
表示进入提升管反应区的摩尔流量，H
g，LF
表示提升管气体热焓，H
cat，LF
表示提升管催化剂热焓，H
cat，ST
表示待生催化剂热焓，Q
r，RT
表示反应器混合区反应热；其中：MCT
RT
＝M
cat，RT
C
p，cat
T
RT
+M
g，RT
C
pg，RT
T
RT
ꢀꢀꢀ
(7)其中，C
p，cat
表示催化剂热容，T
RT
表示反应混合区温度，M
g，RT
表示反应混合区气体质量，C
pg，RT
表示反应混合区气体热容；上式中的各股物流的焓以及反应热定义如下：H
k
＝C
pk
(T
k
‑
T
ref
)
ꢀꢀꢀ
(8)其中，H
k
表示各组分热焓，C
pk
表示各组分热容，T
k
表示各组分温度，T
ref
表示参考温度，Q
r，RT
表示混合反应区反应热，∈
cat，RT
表示混合反应区的空隙率，ΔH
i，RT
表示混合反应区各组分反应热；混合反应区中空隙率计算公式如下：其中，∈
cat，RT
表示混合反应区的空隙率，u
g，RT
表示混合反应区气体表观流速；所述反应器的底部设有第一冷却器，用于移除所述反应器内多余的热量，假定所述第一冷却器内部催化剂混合均匀，则所述第一冷却器的出口催化剂的温度满足：其中，表示冷却器催化剂藏量，表示混合反应区冷却器温度，表示进入冷却器催化剂质量流量，表示提升管出口温度，表示流出冷却器催化剂质量流量，U
RT
表示热量传递系数，表示反应内循环截面积，表示冷流温度，表示循环温度；假设所述提升反应区为PFR，且假设所述提升反应区的气体流速保持稳定，所述提升反应区的各集总物料平衡满足：
其中，C
i，LF
表示提升管反应区各组分浓度，u
g，LF
表示提升管反应区气体表观流速，z表示提升管反应器高度，∈
cat，LF
表示提升管反应区的空隙率，r
i，LF
表示提升管反应区各组分生成速率；所述提升反应区的催化剂含碳量满足：其中，Ω
LF
表示提升管截面积，w
ck，LF
表示提升管反应区催化剂焦炭质量分数，r
ck，LF
表示提升管反应区催化剂焦炭生成速率；所述提升反应区的温度沿提升管轴向满足：其中，Q
r，LF
表示提升管反应区反应热，C
i，LF
表示提升管反应区各组分浓度，C
pi，LF
表示提升管反应区各组分热容，C
p，cat
表示催化剂热容，F
g，LF
表示提升管气体摩尔流量，T
LF
表示提升管温度；其中：其中，ΔH
i，LF
表示提升管反应热；所述提升反应区的空隙率的计算公式如下：其中，u
g，LF
表示提升管反应区气体表观流速。4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述密相床...

【专利技术属性】
技术研发人员：王亮，王智权，袁志宏，白玮，李秀洁，吴昂山，徐飞，许恒微，宋垚，
申请(专利权)人：江苏斯尔邦石化有限公司，
类型：发明
国别省市：