[發明專利]工業甲醇制烯烴MTO反應再生系統機理模型構建方法

在審

• 申請號: 202210351913.2
• 申請日: 2022-04-02
• 公開（公告）號: CN114662367A
• 公開（公告）日: 2022-06-24
• 發明（設計）人: 王亮;王智權;袁志宏;白瑋;李秀潔;吳昂山;徐飛;許恒微;宋垚
• 申請（專利權）人: 清華大學;江蘇斯爾邦石化有限公司
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F17/10;C07C1/20;G06F119/02
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 黃德海

1.一種工業甲醇制烯烴MTO反應再生系統機理模型構建方法，所述甲醇制烯烴MTO反應再生系統包括反應器和再生器，其特征在于，包括：

(1)將反應器劃分為混合反應區、提升反應區和旋風分離區，分別對所述混合反應區和所述提升反應區建立機理模型；

將再生器劃分為密相床區、稀相床區和分離區，分別對所述密相床區和所述稀相床區建立機理模型；

(2)利用小波分析方法，分別對所述反應器和所述再生器中的輸入變量進行穩態分析，獲取具有穩態特征的數據集；

(3)對步驟(2)得到的穩態數據進行分析，利用K-means聚類機器學習方法，實現對原始數據集的壓縮，形成訓練數據集；

(4)建立包括微分代數方程約束的參數估計模型，并利用有限元正交配置方法將偏微分方程和/或微分方程轉化為多項式模型，從而將參數估計模型轉化為易于求解的非線性規劃模型；

(5)將經步驟(3)壓縮后獲得的訓練數據集用于步驟(4)轉化后易于求解的非線性規劃模型，分別求解獲得所述反應器和所述再生器的機理模型的相關參數。

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括：

(6)利用額外的數據集對反應再生系統機理模型進行交叉驗證。

3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步驟(1)中，所述混合反應區的催化劑藏量實時波動，滿足：

其中，M_cat，RT表示所述混合反應區的催化劑藏量，t表示時間，G_cat，RG表示進入所述混合反應區的再生催化劑的質量流量，G_cat，CY表示不經過第一冷卻器的反應器內循環的催化劑的質量流量，G_cat，CL表示經過第一冷卻器的反應器內循環的催化劑的質量流量，G_cat，LF表示流向所述提升反應區的催化劑的質量流量，G_cat，ST表示流向所述再生器的待生催化劑的質量流量；

混合反應區由CSTR進行模擬，所述CSTR包括甲烷、乙烯、丙烯、丙烷、C4、C5和焦炭七個集總，各集總均滿足質量守恒：

其中，V_RT表示所述混合反應區的容量，C_i，RT表示所述混合反應區中某種集總氣體的濃度，F_MeOH表示所述混合反應區中的甲醇的摩爾流量，X_i，MeOH表示進料的甲醇純度，F_LF表示進入提升管反應區的摩爾流量，X_i，RT表示混合反應區各組分的摩爾分數，r_i，RT表示混合反應區各組分的生成速率，∈_cat，RT表示混合反應區的空隙率，ρ_cat表示催化劑密度；

混合反應區中催化劑含碳量滿足：

其中，w_ck，RT表示混合反應區催化劑焦炭質量分數，w_ck，DB表示來自密相床區的再生催化劑焦炭質量分數，表示提升反應區出口催化劑焦炭質量分數，r_ck，RT表示混合反應區焦炭生成速率；

混合反應區中催化劑和氣體保持熱平衡，滿足：

其中，H_cat，DB表示再生器密相床區催化劑熱焓，G_cat，RG表示再生催化劑質量流量，表示提升管頂部催化劑熱焓，表示反應器內循環催化劑流量，H_cat，CL表示反應器內循環催化劑熱焓，F_MeOH表示甲醇摩爾流量，H_MeOH表示甲醇熱焓，F_LF表示進入提升管反應區的摩爾流量，H_g，LF表示提升管氣體熱焓，H_cat，LF表示提升管催化劑熱焓，H_cat，ST表示待生催化劑熱焓，Q_r，RT表示反應器混合區反應熱；

其中：

MCT_RT＝M_cat，RTC_p，catT_RT+M_g，RTC_pg，RTT_RT (7)

其中，C_p，cat表示催化劑熱容，T_RT表示反應混合區溫度，M_g，RT表示反應混合區氣體質量，C_pg，RT表示反應混合區氣體熱容；

上式中的各股物流的焓以及反應熱定義如下：

H_k＝C_pk(T_k-T_ref) (8)

其中，H_k表示各組分熱焓，C_pk表示各組分熱容，T_k表示各組分溫度，T_ref表示參考溫度，Q_r，RT表示混合反應區反應熱，∈_cat，RT表示混合反應區的空隙率，ΔH_i，RT表示混合反應區各組分反應熱；

混合反應區中空隙率計算公式如下：

其中，∈_cat，RT表示混合反應區的空隙率，u_g，RT表示混合反應區氣體表觀流速；

所述反應器的底部設有第一冷卻器，用于移除所述反應器內多余的熱量，假定所述第一冷卻器內部催化劑混合均勻，則所述第一冷卻器的出口催化劑的溫度滿足：

其中，表示冷卻器催化劑藏量，表示混合反應區冷卻器溫度，表示進入冷卻器催化劑質量流量，表示提升管出口溫度，表示流出冷卻器催化劑質量流量，U_RT表示熱量傳遞系數，表示反應內循環截面積，表示冷流溫度，表示循環溫度；

假設所述提升反應區為PFR，且假設所述提升反應區的氣體流速保持穩定，所述提升反應區的各集總物料平衡滿足：

其中，C_i，LF表示提升管反應區各組分濃度，u_g，LF表示提升管反應區氣體表觀流速，z表示提升管反應器高度，∈_cat，LF表示提升管反應區的空隙率，r_i，LF表示提升管反應區各組分生成速率；

所述提升反應區的催化劑含碳量滿足：

其中，Ω_LF表示提升管截面積，w_ck，LF表示提升管反應區催化劑焦炭質量分數，r_ck，LF表示提升管反應區催化劑焦炭生成速率；

所述提升反應區的溫度沿提升管軸向滿足：

其中，Q_r，LF表示提升管反應區反應熱，C_i，LF表示提升管反應區各組分濃度，C_pi，LF表示提升管反應區各組分熱容，C_p，cat表示催化劑熱容，F_g，LF表示提升管氣體摩爾流量，T_LF表示提升管溫度；

其中：

其中，ΔH_i，LF表示提升管反應熱；

所述提升反應區的空隙率的計算公式如下：

其中，u_g，LF表示提升管反應區氣體表觀流速。