【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于乙烯生產過程能耗分析，具體涉及一種乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況能效評價方法。
技術介紹
1、乙烯是化工工業(yè)不可或缺的基礎原料，廣泛應用于塑料、合成纖維和橡膠等制造過程，占據石油化工產品中75％份額。然而，乙烯的生產過程卻面臨著能耗高的嚴重問題，特別是在乙烯裂解爐輻射段的管式反應器中，這一過程伴隨大量熱能吸收和能量損失。由于乙烯是化工產業(yè)的關鍵中間體，其生產的高能耗不僅增加了生產成本，也不利于環(huán)境可持續(xù)性。在這一背景下，深入了解乙烯生產的能源消耗狀況，提高生產效率和降低能耗尤為重要。然而，現有乙烯生產工業(yè)過程中一般是以熱力學第一定律為基礎的焓分析法來評價系統(tǒng)的能量利用。但隨著對節(jié)能減排的迫切需求，該方法在指導用能方面逐漸顯露出局限性。焓分析法只能從量的角度來指導用能，卻無法體現能的質量變化。對于乙烯裂解爐輻射段管式反應器而言，現有評價方法無法準確確定乙烯生產過程中不可逆性產生的原因和分布情況，難以定量評估乙烯生產過程中乙烯裂解爐輻射段管式反應器的節(jié)能潛力。
技術實現思路
1、為了克服上述現有技術存在的問題，評估乙烯生產過程中能質轉化效率和損來源和大小，本專利技術的目的在于提供一種乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況能效評價方法，該方法采用基于熱力學第二定律的分析方法進行乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況能效的計算分析，可以實時對乙烯裂解爐輻射段管式反應器生產乙烯過程中不可逆性產生原因、分布情況以及節(jié)能潛力進行評估。
2、為了達到上述目的，本專利技術采用如
3、一種關于乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況能效評價方法，利用乙烯裂解爐輻射段管式反應器管外壁向管內裂解氣的換熱耗散和管內的熱化學反應耗散分析乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況下的不可逆損失來源和分布規(guī)律，并利用乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況下理性效率來評估乙烯裂解爐輻射段管式反應器的節(jié)能潛力。具體步驟如下：
4、步驟1：讀取乙烯裂解爐輻射段管式反應器的實時運行工況參數和結構參數；
5、步驟2：計算乙烯裂解爐輻射段管式反應器中裂解氣熱力學參數和物性參數，其中，所述裂解氣為乙烯裂解爐輻射段管式反應器中參與所有反應氣相組分的總稱；
6、步驟3：計算乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況下管外壁向管內裂解氣的換熱耗散
7、
8、式中：q為煙氣與裂解氣的換熱量，kw；to為環(huán)境參考態(tài)溫度，k；tw為乙烯裂解爐輻射段管式反應器外壁溫度，k；tg為乙烯裂解爐輻射段管式反應器內裂解氣溫度，k；
9、步驟4：計算乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況下管內的熱化學反應耗散具體子步驟為：
10、1)計算乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況下的物理
11、
12、式中：乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況下的物理還表示為進料物理或輸出物理kj；h(tg，pg，z)為裂解氣在乙烯裂解爐輻射段管式反應器不同位置處對應溫度、壓力、濃度下的焓值，kj；h(t0，p0，z)為裂解氣在乙烯裂解爐輻射段管式反應器不同位置處對應環(huán)境參考態(tài)溫度、壓力、濃度下的焓值，kj；s(tg，pg，z)為裂解氣在乙烯裂解爐輻射段管式反應器不同位置處對應溫度、壓力、濃度下的熵值，kj/k；s(t0，p0，z)為裂解氣在乙烯裂解爐輻射段管式反應器不同位置處對應環(huán)境參考態(tài)溫度、壓力、濃度下的熵值，kj/k。
13、2)計算乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況下的化學
14、
15、式中：乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況下的化學還表示為進料化學或輸出化學kj；n0為裂解氣在所處狀態(tài)下氣相成分的物質的量，mol；r為理想氣體常數，取8.314，j/(mol·k)；yi為組分i在所處狀態(tài)下的摩爾分數；表示組分i的標準摩爾kj/mol；
16、3)計算乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況下的輸入進料和輸出產物所述輸入進料和輸出產物均由物理和化學兩部分組成。
17、
18、
19、式中，和分別為乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況下的進料物理和進料化學kw；和分別為乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況下的輸出物理和輸出化學kw；
20、4)計算乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況下管內的熱化學反應耗散
21、
22、
23、式中：v為乙烯裂解爐輻射段管式反應器的體積，m3；ρg為裂解氣的密度，kg/m3；e為裂解氣的比kj/kg；ν為裂解氣的比體積，m3/kg；τ為運行時間，s；
24、步驟5：校核乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況下的流平衡方程，具體子步驟為：
25、1)計算乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況下的管外壁輸入熱量
26、2)校核乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況下的輸入進料與管外壁輸入熱量之和是否等于乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況下的輸出產物管外壁向管內裂解氣的換熱耗散以及管內的熱化學反應耗散三者之和，若不相等，則重新計算上述所有步驟中涉及的變量，若相等則校核成功，進行后續(xù)計算；
27、
28、步驟6：計算乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況下理性效率ε，所述理性效率是指乙烯裂解爐輻射段管式反應器系統(tǒng)期望輸出與所消耗的的比值，計算公式為：
29、
30、步驟1中所述實時運行工況參數包括乙烯裂解爐輻射段管式反應器入口、出口的溫度、壓力以及參與反應的所有組分i的摩爾流量；步驟2中所述裂解氣熱力學參數和物性參數，其中裂解氣熱力學參數包括裂解氣進入、流出乙烯裂解爐輻射段管式反應器時的焓值和熵值；物性參數包括裂解氣進入、流出乙烯裂解爐輻射段管式反應器時的密度和比體積。
31、所述乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況為乙烯裂解爐輻射段管式反應器內發(fā)生裂解反應時，產生的焦層厚度隨時間的累計不斷增加，從而導致出口溫度、出口壓力以及輸出產物的摩爾流量隨時間不斷變化的工況。
32、裂解氣計算的基準溫度和壓力分別取環(huán)境溫度和環(huán)境壓力，分別取298.15k、100kpa。
33、乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況下管外壁向管內裂解氣的換熱耗散通過增加乙烯裂解爐輻射段管式反應器管內壁的表面積、選擇高導熱性能傳熱材料以及調整流速的方式來降低；乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況下管內的熱化學反應耗散通過調整反應溫度、壓力和催化劑選擇的方式來降低。
34、通過計算乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況下理性效率ε，對乙烯裂解爐輻射段管式反應器熱力學性能進行實時評估定量，ε越小，乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況能效越差，節(jié)能潛力越大。
35、組分i的標準摩爾通過元素或者單質的標準摩爾化學eθ進行計算，計算方程如下所示：
36、
37、式中：a、b和c為不同的化學元素；a、b和c分別為元素a、b和c的化學計量數；δfg本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況能效評價方法，其特征在于，利用乙烯裂解爐輻射段管式反應器管外壁向管內裂解氣的換熱耗散和管內的熱化學反應耗散分析乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況下的不可逆損失來源和分布規(guī)律，并利用乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況下理性效率來評估乙烯裂解爐輻射段管式反應器的節(jié)能潛力；具體步驟如下：
2.根據權利要求1所述的一種乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況能效評價方法，其特征在于：步驟1中所述實時運行工況參數包括乙烯裂解爐輻射段管式反應器入口、出口的溫度、壓力以及參與反應的所有組分i的摩爾流量；步驟2中所述裂解氣熱力學參數和物性參數，其中裂解氣熱力學參數包括裂解氣進入、流出乙烯裂解爐輻射段管式反應器時的焓值和熵值；物性參數包括裂解氣進入、流出乙烯裂解爐輻射段管式反應器時的密度和比體積。
3.根據權利要求1所述的一種乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況能效評價方法，其特征在于：所述乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況為乙烯裂解爐輻射段管式反應器內發(fā)生裂解反應時，產生的焦層厚度隨時間的累計不斷增加，從而導致出口溫度、出口壓力以及輸出產
4.根據權利要求1所述的一種關于乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況能效評價方法，其特征在于：裂解氣計算的基準溫度和壓力分別取環(huán)境溫度和環(huán)境壓力，分別取298.15K、100kPa。
5.根據權利要求1所述的一種關于乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況能效評價方法，其特征在于：乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況下管外壁向管內裂解氣的換熱耗散通過增加乙烯裂解爐輻射段管式反應器管內壁的表面積、選擇高導熱性能傳熱材料以及調整流速的方式來降低；乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況下管內的熱化學反應耗散通過調整反應溫度、壓力和催化劑選擇的方式來降低。
6.根據權利要求1所述的一種關于乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況能效評價方法，其特征在于：通過計算乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況下理性效率ε，對乙烯裂解爐輻射段管式反應器熱力學性能進行實時評估定量，ε越小，乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況能效越差，節(jié)能潛力越大。
7.根據權利要求1所述的一種關于乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況能效評價方法，其特征在于：組分i的標準摩爾通過元素或者單質的標準摩爾化學進行計算，計算方程如下所示：
...【技術特征摘要】
1.一種乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況能效評價方法，其特征在于，利用乙烯裂解爐輻射段管式反應器管外壁向管內裂解氣的換熱耗散和管內的熱化學反應耗散分析乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況下的不可逆損失來源和分布規(guī)律，并利用乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況下理性效率來評估乙烯裂解爐輻射段管式反應器的節(jié)能潛力；具體步驟如下：
2.根據權利要求1所述的一種乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況能效評價方法，其特征在于：步驟1中所述實時運行工況參數包括乙烯裂解爐輻射段管式反應器入口、出口的溫度、壓力以及參與反應的所有組分i的摩爾流量；步驟2中所述裂解氣熱力學參數和物性參數，其中裂解氣熱力學參數包括裂解氣進入、流出乙烯裂解爐輻射段管式反應器時的焓值和熵值；物性參數包括裂解氣進入、流出乙烯裂解爐輻射段管式反應器時的密度和比體積。
3.根據權利要求1所述的一種乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況能效評價方法，其特征在于：所述乙烯裂解爐輻射段管式反應器動態(tài)工況為乙烯裂解爐輻射段管式反應器內發(fā)生裂解反應時，產生的焦層厚度隨時間的累計不斷增加，從而導致出口溫度、出口壓力以及輸出產物的摩爾流量隨時間不斷變化的工況。<...
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：嚴卉，郭彩玲，沙釗旸，趙全斌，劉明，種道彤，
申請(專利權)人：西安交通大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
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