專利名稱：一種丁二烯萃取精餾塔溶劑比的優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于化學(xué)工程與控制工程交叉領(lǐng)域，涉及丁二烯抽提裝置中的第 一萃取精餾塔溶劑比的優(yōu)化控制方法。
背景技術(shù)：
丁二烯是重要的基本石油化工原料，它是合成橡膠的最主要原料，如以 丁二烯為主要原料的丁苯橡膠、順丁橡膠和丁腈橡膠要占整個(gè)合成橡膠的
75%。 丁二烯又是最重要的品種、最大的通用工程塑料ABS的主要原料。因 此，提高丁二烯的產(chǎn)量
乙烯裂解副產(chǎn)物丁二烯約占丁二烯生產(chǎn)能力的90%以上。乙烯裂解副產(chǎn) 物碳四餾分是丁垸、丁烯、丁二烯和炔烴等分子所組成的混合物，其中1， 3_ 丁二烯占40-50%。但是，碳四餾分中各組分的沸點(diǎn)十分接近，用普通的精餾 方法不能得到聚合級(jí)的丁二烯。將丁二烯從乙烯裂解副產(chǎn)物碳四餾分中抽提 出來(lái)，工業(yè)上常用的方法是萃取精餾的方法，萃取劑常用的有二甲基甲酰胺 (DMF) 、 N-甲基吡咯烷酮(NMP)和乙腈(CAN)。
隨著乙烯裝置的不斷擴(kuò)能和煉油化工一體化工作的深入，乙烯原料資源 緊張和原料多樣化的問(wèn)題日漸突出，造成裂解副產(chǎn)物碳四中各組分含量頻繁 變化，生產(chǎn)企業(yè)為了保證生產(chǎn)指標(biāo)一般對(duì)第一萃取精餾塔采用較大的溶劑比 來(lái)操作，這一方面造成裝置的能耗大，另一方面影響了裝置的處理能力。并且，丁二烯第一萃取精餾塔是丁二烯抽提裝置中能耗最大的，而在保證塔頂 和塔釜控制指標(biāo)的前提下降低溶劑的用量可顯著降低整個(gè)裝置的能耗。為 此，本發(fā)明針對(duì)第一萃取精餾塔建立溶劑比優(yōu)化模型，根據(jù)模型的輸出與碳 四原料進(jìn)料量的乘積作為溶劑進(jìn)料控制器的設(shè)定值，實(shí)時(shí)調(diào)整溶劑量，使第 一萃取精餾塔在優(yōu)化的條件下操作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種丁二烯萃取精餾塔溶劑比的優(yōu)化控制方法。首先 通過(guò)流程模擬計(jì)算不同進(jìn)料組成下的最優(yōu)溶劑比，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)回歸得到最優(yōu)溶劑比的模型，最后以最優(yōu)溶劑比與進(jìn)料碳四流量的乘 積作為溶劑流量控制器的設(shè)定值，進(jìn)行操作控制。據(jù)此進(jìn)行丁二烯萃取精餾 操作，可以顯著降低萃取精餾塔和后續(xù)汽提塔的能耗，并可以通過(guò)裝置的處 理能力，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。這里所述溶劑比指的是萃取精餾塔溶劑(即萃取 劑)與進(jìn)料碳四的質(zhì)量比。 1. 丁二烯最優(yōu)溶劑比模型
建模是優(yōu)化的基礎(chǔ)，只有建立了準(zhǔn)確可靠的模型，下一步的優(yōu)化和控制 工作才有意義。本發(fā)明選用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法，以建立丁二烯萃取精餾塔 最優(yōu)溶劑比的模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法不需考慮內(nèi)部的精餾過(guò)程機(jī)理，直接 采用工業(yè)裝置的代表性數(shù)據(jù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，就可以得到萃取精餾塔最優(yōu) 溶劑比的模型，建立的模型具有較高的精度、同時(shí)又有很好的預(yù)報(bào)能力。為 保證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有較高的外推能力，在工業(yè)裝置"操作點(diǎn)"周圍進(jìn)行"大區(qū)域"正交模擬計(jì)算，獲得了若干組操作范圍變化較大的最優(yōu)溶劑比樣 本數(shù)據(jù)，構(gòu)成丁二烯萃取精餾塔最優(yōu)溶劑比模型的訓(xùn)練樣本。
丁二烯萃取精餾塔最優(yōu)溶劑比模型的自變量，即神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入變
(1) 碳四中正異丁烯含量G,);
(2) 碳四中順丁烯含量G2);
(3) 碳四中反丁烯含量G3);
(4) 碳四中l(wèi)， 3-丁二烯含量(x4);
因變量，即神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸出變量最優(yōu)溶劑比(y)。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型采用活化函數(shù)為Sigmoid函數(shù)，三層前傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)建立 丁二烯萃取精餾塔的過(guò)程模型，并采用誤差反傳算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)如圖l所示，輸入層4個(gè)節(jié)點(diǎn)、隱含層1 30個(gè)節(jié)點(diǎn)、輸出層l個(gè)節(jié) 點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)模型的輸入變量利用式(1)進(jìn)行歸一化處理
';c,鵬-;c,隱、 ，/ = 1,2，3，4 (1)
(1) 式中，'、是第/個(gè)操作條件(即，自變量)的實(shí)際測(cè)量值，巧表示
第'個(gè)操作條件歸一化后作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入值，[Xfn ，X廠]表示采集到第/個(gè) 操作條件的變化范圍，歸一化后自變量的變化范圍為["，6]。
網(wǎng)絡(luò)模型的輸出變量利用式(2)進(jìn)行歸一化處理
"=--c) + c ， (2)
(2) 式中，y是輸出變量(即，因變量)的計(jì)算值，sy表示因變量歸一 化后作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的目標(biāo)值，[ym'n ,7，]表示采集到的因變量的變化范圍，歸一化后神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出值的變化范圍為[c，"]。
采集到"組代表性的工業(yè)裝置數(shù)據(jù)，其中每組數(shù)據(jù)包含h AAAJ j，
經(jīng)歸一化后為h^2,W,^4,^ j，形成訓(xùn)練樣本。訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)達(dá)到一定精度要 求時(shí)，停止訓(xùn)練，獲得丁二烯萃取精餾塔最優(yōu)溶劑比的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，根據(jù) 求得的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的權(quán)值與閾值，就可以得到最優(yōu)溶劑比與碳四進(jìn)
料中正異丁烯含量(x,)、順丁烯含量(x2)、反丁烯含量(a)和l, 3-丁
二烯(x4)之間關(guān)系的具體表達(dá)式，即模型方程。
2. 丁二烯最優(yōu)溶劑比的控制
丁二烯溶劑比的控制是上述建立的最優(yōu)溶劑比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，根據(jù)碳四 進(jìn)料中的組分組成計(jì)算出最優(yōu)溶劑比，然后將其與進(jìn)料碳四流量相乘得到的 數(shù)值作為溶劑進(jìn)料流量控制器的設(shè)定值，進(jìn)行串級(jí)控制，控制過(guò)程的示意框 圖如圖2所示。根據(jù)該模型及控制回路控制的丁二烯萃取精餾過(guò)程降低了能 耗，并可提高裝置的處理能力，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。


圖1是丁二烯最優(yōu)溶劑比的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的示意框圖； 圖2是丁二烯最優(yōu)溶劑比控制過(guò)程的示意框圖。
具體實(shí)施例方式
下面，通過(guò)以下實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，它將有助于理解本發(fā) 明，但并不限制本發(fā)明的內(nèi)容。如圖1所示，選取碳四進(jìn)料中的正異丁烯含量(Xl)、順丁烯含量
(x2)、反丁烯含量(x》和1， 3-丁二烯含量(X4)作為模型的輸入變量， 選取計(jì)算所得的最優(yōu)溶劑比作為模型的因變量，各個(gè)自變量經(jīng)過(guò)歸一化后形 成網(wǎng)絡(luò)的輸入自變量k^2,^w]，歸一化后自變量的范圍為["，"；網(wǎng)絡(luò)輸 出為最優(yōu)溶劑比(？)的歸一化后的預(yù)測(cè)值sy。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，輸入層的 節(jié)點(diǎn)數(shù)皆為4，隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 30,輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)為l。
最優(yōu)溶劑比的控制是基于丁二烯第一萃取精餾塔最優(yōu)溶劑比的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 模型，根據(jù)模型的計(jì)算值與進(jìn)料碳四流量的乘積作為溶劑進(jìn)料流量的設(shè)定 值，進(jìn)行串級(jí)控制，使丁二烯萃取精餾過(guò)程保持最優(yōu)的操作狀況，降低裝置 的能耗，提高裝置的處理能力。 1. 丁二烯萃取精餾塔最優(yōu)溶劑比模型
首先要進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，其中輸入數(shù)據(jù)為從現(xiàn)場(chǎng)挑選出具有代表性的分析 數(shù)據(jù)，根據(jù)裝置的控制指標(biāo)，即塔頂丁二烯的含量不超過(guò)操作指標(biāo)，塔釜根 據(jù)后續(xù)裝置的限制確定順丁烯和反丁烯不超過(guò)操作指標(biāo)，可以采用流程模擬 軟件進(jìn)行操作優(yōu)化，確定相應(yīng)工況下的最優(yōu)溶劑比。通過(guò)模擬軟件的計(jì)算得 到IOO組不同進(jìn)料組成下的最優(yōu)溶劑比數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模 型的建立。
利用(1)式，對(duì)各自變量進(jìn)行歸一化處理^的變化范圍
， A的變化范圍
, A的變化范圍
, ^的變化范圍為，取ai.2，b二0.8，進(jìn)行歸一化計(jì)算
jc 一0 3
^ ~~^(0.8 — 0.2)+ 0.2 0.5 — 0.3<formula>formula see original document page 10</formula>
利用(2)式，對(duì)上述各因變量進(jìn)行歸一化處理^的變化范圍為，取c二O. 2，d二0. 8，進(jìn)行歸一化計(jì)算
^ =^^(0.8-0.2)+ 0.2 8 — 6
網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)為4，隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為4，輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)為 1。以歸一化后的100組樣本數(shù)據(jù)為訓(xùn)練樣本，采用BP算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn) 練；網(wǎng)絡(luò)收斂時(shí)，得到下列一組權(quán)值《)(i二l，2，3，4;j-l,2，3，4)， 《)(j=l,2，3，4; k4)和閾值&"(nFl,2，3，4)，《)(n=l)。這里4)為輸入層第 i個(gè)節(jié)點(diǎn)到隱含層第j個(gè)節(jié)點(diǎn)的權(quán)值；" 為隱含層第j個(gè)節(jié)點(diǎn)到輸出層第k 個(gè)節(jié)點(diǎn)的權(quán)值；6二"為隱含層第m個(gè)節(jié)點(diǎn)閾值；6尸為輸出層第n個(gè)節(jié)點(diǎn)閾
值。丁二烯第一萃取精餾塔最優(yōu)溶劑比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型為
<formula>formula see original document page 10</formula><formula>formula see original document page 11</formula> (9)
<formula>formula see original document page 11</formula> (10)
<formula>formula see original document page 11</formula> (11)
<formula>formula see original document page 11</formula> (12)
其中，sy是丁二烯萃取精餾塔最優(yōu)溶劑比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型經(jīng)過(guò)歸一化的計(jì)算 值，該計(jì)算值通過(guò)反歸一化處理
<formula>formula see original document page 11</formula> (13)
這樣就可以求得相應(yīng)進(jìn)料組成下的最優(yōu)溶劑比(？)，根據(jù)最優(yōu)溶劑比
(JO可以用于指導(dǎo)操作人員的生產(chǎn)操作。 2. 丁二烯萃取精餾塔最優(yōu)溶劑比的控制
最優(yōu)溶劑比的控制是基于丁二烯萃取精餾塔最優(yōu)溶劑比的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模 型，將根據(jù)模型計(jì)算的最優(yōu)溶劑比？與進(jìn)料碳四流量的乘積作為溶劑進(jìn)料流 量的設(shè)定值，進(jìn)行操作控制，使丁二烯萃取精餾塔保持最優(yōu)的操作狀況，降 低裝置的能耗，提高裝置的處理能力。
如進(jìn)料組成正異丁烯為0.3127，順丁烯為0.0572，反丁烯為 0.0516， 1， 3-丁二烯為0.5354，進(jìn)料碳四流量為16.5噸/小時(shí)。則通過(guò)最 優(yōu)溶劑比模型計(jì)算的溶劑比為7.65。這樣根據(jù)乘法器的計(jì)算可以計(jì)算出溶劑 進(jìn)料量為16.5噸/小時(shí)X7.65426.225噸/小時(shí)，該值被自動(dòng)計(jì)算出并作為 溶劑進(jìn)料量的設(shè)定值對(duì)溶劑投料量進(jìn)行控制。
權(quán)利要求
1、一種丁二烯萃取精餾塔溶劑比的優(yōu)化方法，其特征在于，包括如下步驟(1)以丁二烯萃取精餾塔為對(duì)象，選取正異丁烯、順丁烯、反丁烯和1，3-丁二烯的含量組合作為輸入變量；(2)選取丁二烯萃取精餾塔的溶劑比作為因變量；所述溶劑是二甲基甲酰胺或乙腈或N-甲基吡咯烷酮；所述溶劑比是指所述溶劑與進(jìn)料組分中碳四的質(zhì)量比；(3)通過(guò)流程模擬對(duì)不同工況進(jìn)行優(yōu)化，以得到的不同進(jìn)料組成下的最優(yōu)溶劑比數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，建立丁二烯萃取精餾塔最優(yōu)溶劑比的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；(4)將根據(jù)所述最優(yōu)溶劑比的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算得到的預(yù)測(cè)值與碳四進(jìn)料流量的乘積作為溶劑進(jìn)料流量設(shè)定值進(jìn)行控制。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的優(yōu)化方法，其特征在于，所述優(yōu)化方法的 優(yōu)化目標(biāo)是溶劑比最小并保證塔頂丁二烯和塔釜順丁烯和反丁烯含 量不高于操作指標(biāo)，且優(yōu)化操作條件滿足工藝與工業(yè)裝置約束。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的優(yōu)化方法，其特征在于，所述最優(yōu)溶劑比 的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，其輸入層的節(jié)點(diǎn)數(shù)為4、隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 30、 輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)為l。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的優(yōu)化方法，其特征在于，所述輸入變量的 數(shù)據(jù)是人工分析值或在線儀表的分析值；
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的優(yōu)化方法，其特征在于，所述控制的過(guò)程 是采用串級(jí)控制。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的優(yōu)化方法，其特征在于，所述控制的過(guò)程 是采用自動(dòng)控制。
7、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的優(yōu)化方法，其特征在于，所述輸入變 量按照下式(I )進(jìn)行歸一化處理-<formula>formula see original document page 3</formula>式(I)中，x,是第/個(gè)操作條件即所述輸入變量的實(shí)際測(cè)量值，％表示第'個(gè)操作條件歸一化后作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入的值，[;c， ，;c廣]表示采集到第Z個(gè)操作條件的變化范圍，歸一化后輸入自變量的變化范圍 為[a，6]，其中"wo;網(wǎng)絡(luò)模型的輸出變量按照下式(II)進(jìn)行歸一化處理 W =-— c) + c<formula>formula see original document page 3</formula>式(II)中，y是輸出變量即因變量，sy表示因變量歸一化后作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的目標(biāo)值，[ym'n ,y"i表示采集到的因變量變化范圍，歸一化后神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的變化范圍為[c，c/]，其中">^^0;采集到"組代表性的模擬數(shù)據(jù)，其中每組數(shù)據(jù)包含 J，經(jīng)歸一化后為t巧 I，形成訓(xùn)練樣本；以h，巧馬，^J作為網(wǎng)絡(luò)的輸入，對(duì)應(yīng)的sy作為目標(biāo)值，訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)達(dá)到精度要求時(shí)，停止訓(xùn)練，獲得最優(yōu)溶劑比的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型， 根據(jù)求得的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的權(quán)值與閾值，獲得最優(yōu)溶劑比的計(jì)算 值，通過(guò)下式(III)對(duì)最優(yōu)溶劑比的計(jì)算值進(jìn)行反歸一化計(jì)算<formula>formula see original document page 3</formula>式(III)中，？表示因變量的預(yù)測(cè)值，其他字母的含義同式 (II )所述；基于所述因變量的預(yù)測(cè)值y ，在保證所述優(yōu)化目標(biāo)的基礎(chǔ)上以 操作條件的工藝上下限為界，采用遺傳算法對(duì)操作條件的約束空間 進(jìn)行搜索，求得最優(yōu)操作條件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種丁二烯萃取精餾塔溶劑比的優(yōu)化方法，首先對(duì)丁二烯第一萃取精餾塔進(jìn)行過(guò)程模擬，以塔頂氣中1，3-丁二烯的含量和塔釜碳四中的順丁烯和反丁烯含量合格為約束條件，以溶劑比最小為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化；通過(guò)調(diào)整進(jìn)料中的正異丁烯、順丁烯、反丁烯和1，3-丁二烯的量組成不同的工況，對(duì)各種工況進(jìn)行優(yōu)化，得到不同進(jìn)料情況下的最優(yōu)溶劑比；然后以正異丁烯、順丁烯、反丁烯和1，3-丁二烯為輸入變量，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)回歸的方法建立丁二烯第一萃取精餾塔最優(yōu)溶劑比的模型；最后建立串級(jí)控制回路控制最優(yōu)溶劑比，以模型的輸出值與碳四流量的乘積作為溶劑的進(jìn)料流量設(shè)定值，進(jìn)行串級(jí)控制操作，保證萃取精餾在最優(yōu)溶劑比下操作。
文檔編號(hào)C07C11/16GK101429086SQ200810203398
公開日2009年5月13日 申請(qǐng)日期2008年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月26日
發(fā)明者劉漫丹, 李紹軍 申請(qǐng)人:華東理工大學(xué)