大型工業(yè)二氯乙烷裂解爐綜合建模及優(yōu)化

【摘要】：二氯乙烷裂解爐是氯乙烯乃至聚氯乙烯工業(yè)生產(chǎn)中的重要設(shè)備和用能大戶。因此,研究如何降低二氯乙烷裂解爐中的能耗,提高裂解產(chǎn)物質(zhì)量,有著非常重要的作用。由于現(xiàn)場缺乏足夠的檢測設(shè)備,二氯乙烷裂解爐現(xiàn)場操作水平不高,唯一標(biāo)識二氯乙烷裂解性能的控制指標(biāo)為爐管出口溫度。因此,工業(yè)二氯乙烷裂解爐的操作優(yōu)化還有很大的提升的空間。為了加深對二氯乙烷裂解爐本質(zhì)的認(rèn)識,定量分析現(xiàn)場無法實際測量的關(guān)鍵變量信息,實現(xiàn)二氯乙烷裂解爐的操作優(yōu)化,建立準(zhǔn)確的二氯乙烷裂解爐模型顯得非常關(guān)鍵。為此,本文從不同層面出發(fā),建立多個不同復(fù)雜度的二氯裂解爐模型,并設(shè)計一種高效的多目標(biāo)算法,實現(xiàn)二氯乙烷裂解爐的多目標(biāo)操作優(yōu)化。工作主要的創(chuàng)新點總結(jié)如下： (1)設(shè)計了一種帶約束處理機(jī)制的自適應(yīng)差分進(jìn)化多目標(biāo)優(yōu)化算法(SMODE-εCD)。算法在差分進(jìn)化的變異和交叉過程中引入了自適應(yīng)調(diào)整策略,從而有利于進(jìn)化前期保持種群的多樣性,進(jìn)化后期收斂到全局最優(yōu)。此外,算法引入ε約束處理機(jī)制,用于處理多目標(biāo)問題的約束,并且設(shè)計了外部存檔集,保存非支配關(guān)系的最優(yōu)解,用于引導(dǎo)多目標(biāo)算法的進(jìn)化。通過對9個標(biāo)準(zhǔn)約束多目標(biāo)問題以及4個工程設(shè)計優(yōu)化問題的仿真測試,并與典型的多目標(biāo)優(yōu)化算法NSGA-Ⅱ和CMODE算法作對比,有效驗證了SMODE-εCD算法在處理各種多目標(biāo)約束問題的有效性,為二氯乙烷裂解爐性能指標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化奠定了算法基礎(chǔ)。 (2)建立二氯乙烷裂解爐清潔管時期的簡易機(jī)理模型。爐膛采用一維Lobo-Evans法描述爐膛煙氣傳熱過程,管內(nèi)二氯乙烷的裂解以一維平推流假設(shè)、裂解反應(yīng)動力學(xué)采用一階串聯(lián)的分子反應(yīng)模型。在該模型的基礎(chǔ)上,通過定義燃料氣負(fù)荷分配因子a,分析不同的燃料氣負(fù)荷分配策略對二氯乙烷裂解爐中關(guān)鍵的變量以及重要性能指標(biāo)的影響。此外,通過調(diào)整燃料氣用量,得到爐管出口溫度與裂解性能指標(biāo)如轉(zhuǎn)化率、選擇性、單耗之間的對應(yīng)關(guān)系,用于指導(dǎo)現(xiàn)場操作。 (3)建立了二氯乙烷裂解爐全周期模型。在清潔管時期模型的基礎(chǔ)上,通過引入自由基反應(yīng)機(jī)理和裂解結(jié)焦模型,建立二氯乙烷裂解爐全周期模型。乙炔作為唯一的結(jié)焦母體,結(jié)焦過程作擬穩(wěn)態(tài)假設(shè),爐管外壁最高溫度為裂解爐全周期模擬結(jié)束的制約條件。通過二氯乙烷裂解爐全周期模擬,定量分析結(jié)焦過程對于二氯乙烷裂解爐關(guān)鍵信息的影響,包括爐管內(nèi)徑,爐管外壁溫度,爐管傳熱速率,爐膛煙氣溫度,二氯乙烷裂解轉(zhuǎn)化率、選擇性、單耗隨著運(yùn)行時間的推進(jìn)的變化情況。此外,由于二氯乙烷原料的純度以及爐膛內(nèi)燃料氣負(fù)荷分配策略對二氯乙烷裂解結(jié)焦過程有著重要的影響,本文在全周期的模型的基礎(chǔ)上,定量分析二氯乙烷原料中典型的反應(yīng)促進(jìn)劑CCl4的濃度以及燃料氣負(fù)荷分配因子a對于二氯乙烷結(jié)焦過程以及全周期裂解性能指標(biāo)的影響,并給出合理的CCl4濃度以及燃料氣負(fù)荷分配策略建議。 (4)建立了二氯乙烷裂解爐CFD模型。由于簡易的機(jī)理模型忽略了煙氣流動情況對于二氯乙烷裂解過程的影響,為了準(zhǔn)確描述爐膛內(nèi)煙氣的速度場、溫度場、濃度場,以及煙氣對管內(nèi)反應(yīng)的影響,文章依據(jù)計算流體力學(xué)的原理,建立復(fù)雜的二氯乙烷裂解爐CFD模型。爐膛煙氣流動模型用雷諾平均的守恒方程描述,其中的湍流項用k-ε方程封閉；爐膛燃?xì)獾娜紵捎靡浑A串聯(lián)的簡易動力學(xué)模型,燃燒過程作全預(yù)混假設(shè),其中湍流作用以結(jié)合有限速率模型的渦耗散模型描述；煙氣的輻射模型采用離散坐標(biāo)模型(DO模型)。通過二氯乙烷裂解爐的CFD模擬,給出了爐膛詳細(xì)的爐膛煙氣流速、溫度、濃度在爐膛中的三維分布信息,有助于加深人們對二氯乙烷裂解爐爐膛燃料氣燃燒、煙氣流動傳熱傳值過程的本質(zhì)特征的了解,從而輔助裂解爐的工藝設(shè)計。此外,二氯乙烷CFD模擬雖然非常耗時,但其結(jié)果更為準(zhǔn)確,可用于輔助驗證簡易模型的準(zhǔn)確性。 (5)完成了二氯乙烷裂解爐多目標(biāo)優(yōu)化?？紤]計算代價,二氯乙烷裂解爐的操作優(yōu)化選擇簡易的機(jī)理模型作為多目標(biāo)優(yōu)化模型,優(yōu)化的目標(biāo)為二氯乙烷裂解的轉(zhuǎn)化率最大化,選擇性最大化,單耗最小化。優(yōu)化的決策變量則為二氯乙烷進(jìn)料流量,燃料氣進(jìn)料量,燃料氣負(fù)荷分配因子、以及爐管出口壓力等四個重要現(xiàn)場操作變量。通過將整體的多目標(biāo)優(yōu)化問題進(jìn)一步分解,確定了轉(zhuǎn)化率-選擇性,轉(zhuǎn)化率-單耗,選擇線-單耗三個雙目標(biāo)優(yōu)化問題。利用所建立的SMODE-εCD多目標(biāo)優(yōu)化算法,實現(xiàn)二氯乙烷裂解爐性能指標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化,找到了轉(zhuǎn)化率-選擇性,轉(zhuǎn)化率-單耗,選擇線-單耗的近似Pareto邊界,并給出了典型邊界點所對應(yīng)的操作工況,用于輔助現(xiàn)場決策者做出正確的判斷。 【關(guān)鍵詞】：二氯乙烷裂解爐 熱量耦合模擬 一維Lobo-Evans法 全周期模擬 計算流體力學(xué) 燃料氣負(fù)荷分配策略 多目標(biāo)優(yōu)化 自適應(yīng)差分進(jìn)化多目標(biāo)優(yōu)化算法
【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TQ054
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目錄9-12
• 第1章 緒論12-29
• 1.1 研究背景12-18
• 1.1.1 聚氯乙烯行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀12-14
• 1.1.2 氯乙烯生產(chǎn)工藝方法綜述14-16
• 1.1.3 乙烯氧氯化平衡法制氯乙烯生產(chǎn)流程簡介16-17
• 1.1.4 工業(yè)二氯乙烷裂解爐介紹17-18
• 1.2 二氯乙烷裂解反應(yīng)動力學(xué)建模綜述18-20
• 1.2.1 經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/span>19
• 1.2.2 分子反應(yīng)模型19
• 1.2.3 自由基反應(yīng)模型19-20
• 1.3 二氯乙烷裂解爐爐膛傳熱建模綜述20-24
• 1.3.1 經(jīng)驗法21
• 1.3.2 零維模型21-22
• 1.3.3 一維模型-一維Lobo-Evans法22-23
• 1.3.4 多維模型23-24
• 1.4 二氯乙烷裂解爐優(yōu)化研究工作綜述24-25
• 1.5 本文的主要研究內(nèi)容和安排25-29
• 第2章 一種帶約束處理機(jī)制的自適應(yīng)差分進(jìn)化多目標(biāo)優(yōu)化算法及測試29-54
• 2.1 引言29
• 2.2 多目標(biāo)算法簡介29-31
• 2.2.1 多目標(biāo)優(yōu)化的基本概念29-30
• 2.2.2 多目標(biāo)優(yōu)化問題研究的歷史及現(xiàn)狀30-31
• 2.3 差分進(jìn)化多目標(biāo)優(yōu)化算法31-34
• 2.3.1 差分進(jìn)化算法介紹31-34
• 2.3.2 差分進(jìn)化多目標(biāo)算法回顧及現(xiàn)狀34
• 2.4 一種帶約束處理機(jī)制多目標(biāo)自適應(yīng)差分進(jìn)化多目標(biāo)優(yōu)化算法(SMODE-εCD)34-39
• 2.4.1 變異過程的自適應(yīng)調(diào)整策略35-36
• 2.4.2 交叉過程的自適應(yīng)調(diào)整策略36
• 2.4.3 基于ε約束處理機(jī)制的選擇策略36-38
• 2.4.4 最優(yōu)個體的保存及利用機(jī)制38-39
• 2.5 算法性能測試以及結(jié)果討論39-52
• 2.5.1 測試函數(shù)和性能評價指標(biāo)39-42
• 2.5.2 實驗仿真結(jié)果對比分析42-46
• 2.5.3 SMODE-εCD算法在工程優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用46-52
• 2.6 本章小結(jié)52-54
• 第3章 二氯乙烷裂解爐清潔管時期建模及模擬分析54-69
• 3.1 引言54-55
• 3.2 裂解爐能量傳遞過程55-56
• 3.3 二氯乙烷裂解爐清潔管時期數(shù)學(xué)模型56-62
• 3.3.1 二氯乙烷裂解反應(yīng)動力學(xué)56
• 3.3.2 爐管模型56-57
• 3.3.3 爐膛模型57-59
• 3.3.4 清潔管時期爐膛爐管熱量耦合迭代方法59-61
• 3.3.5 二氯乙烷裂解爐性能指標(biāo)61-62
• 3.4 燃料氣負(fù)荷分配策略對二氯乙烷裂解性能的影響62-65
• 3.5 爐管出口溫度對二氯乙烷裂解性能的影響65-67
• 3.6 本章小結(jié)67-69
• 第4章 二氯乙烷裂解爐全周期建模及結(jié)焦因素影響分析69-91
• 4.1 引言69-70
• 4.2 二氯乙烷裂解反應(yīng)及結(jié)焦機(jī)理70-73
• 4.3 二氯乙烷裂解爐全周期模擬數(shù)學(xué)模型73-75
• 4.3.1 結(jié)焦模型73-74
• 4.3.2 二氯乙烷裂解爐全周期模擬爐膛爐管耦合迭代方法74-75
• 4.4 二氯乙烷乙烷全周期模擬結(jié)果及討論75-82
• 4.5 二氯乙烷裂解結(jié)焦影響因素的討論與分析82-90
• 4.5.1 CCl_4濃度對結(jié)焦過程的影響82-86
• 4.5.2 燃料氣負(fù)荷分配策略對結(jié)焦過程的影響86-90
• 4.6 本章小結(jié)90-91
• 第5章 二氯乙烷裂解爐CFD數(shù)值模擬及分析91-108
• 5.1 引言91-93
• 5.2 數(shù)學(xué)模型93-100
• 5.2.1 爐膛數(shù)學(xué)模型93-96
• 5.2.2 爐管數(shù)學(xué)模型96
• 5.2.3 物質(zhì)屬性96-98
• 5.2.4 二氯乙烷裂解爐爐膛爐管耦合模擬98-100
• 5.3 二氯乙烷裂解爐CFD模擬結(jié)果與討論100-107
• 5.3.1 爐膛部分100-105
• 5.3.2 爐管部分105-107
• 5.3.3 模擬結(jié)果對比107
• 5.4 本章小結(jié)107-108
• 第6章 二氯乙烷裂解爐多目標(biāo)優(yōu)化及分析108-117
• 6.1 引言108-109
• 6.2 二氯乙烷裂解爐多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計109-111
• 6.2.1 優(yōu)化目標(biāo)的選擇109-110
• 6.2.2 決策變量的選擇110
• 6.2.3 約束條件的確定110-111
• 6.2.4 二氯乙烷裂解爐多目標(biāo)優(yōu)化框架111
• 6.3 二氯乙烷裂解爐多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果以及討論分析111-115
• 6.3.1 多目標(biāo)優(yōu)化案例一111-113
• 6.3.2 多目標(biāo)優(yōu)化案例二113-114
• 6.3.3 多目標(biāo)優(yōu)化案例三114-115
• 6.4 本章小結(jié)115-117
• 第7章 論文總結(jié)和研究展望117-120
• 7.1 主要工作和貢獻(xiàn)117-118
• 7.2 以后的研究展望118-120
• 參考文獻(xiàn)120-130
• 致謝130-131
• 攻讀博士學(xué)位期間完成的論文和科研情況131

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基于可達(dá)性的交通規(guī)劃方法研究    王繼峰

轎車底盤平臺開發(fā)中多目標(biāo)優(yōu)化方法的研究及應(yīng)用    楊榮山

多目標(biāo)優(yōu)化進(jìn)化算法及應(yīng)用研究    劉鎏

基于模糊理論的化工過程多目標(biāo)優(yōu)化集成研究    孫力

基于群智能的魯棒多目標(biāo)優(yōu)化方法及應(yīng)用    徐鳴

編組站計算機(jī)輔助設(shè)計理論研究及系統(tǒng)實現(xiàn)    黃孝章

考慮負(fù)荷特性的電壓崩潰及其市場化預(yù)防方法研究    馬瑞

基于特征零件結(jié)構(gòu)并行設(shè)計技術(shù)研究    姜杉

改進(jìn)的遺傳算法及其在多目標(biāo)優(yōu)化中的應(yīng)用研究    江務(wù)學(xué)

基于遺傳算法的大學(xué)排課問題的研究    趙光哲

基于改進(jìn)自適應(yīng)遺傳算法的軋制規(guī)程優(yōu)化設(shè)計    韓欣艷

遺傳算法用于多目標(biāo)過程優(yōu)化綜合的研究    王達(dá)

改進(jìn)的多目標(biāo)優(yōu)化遺傳算法及多目標(biāo)優(yōu)化軟件的研制    耿玉磊

多目標(biāo)優(yōu)化的電梯群控算法    王國萍

綿陽市涪江水環(huán)境承載力研究    李玲

遺傳算法在多目標(biāo)優(yōu)化中的應(yīng)用研究    張安英

基于免疫遺傳計算的鉆前工程多目標(biāo)優(yōu)化研究    崔麗

基于綜合利益最優(yōu)的集成調(diào)度優(yōu)化模型應(yīng)用研究    王建波