工业甲醇制烯烃MTO反应再生系统机理模型构建方法

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，所述密相床区中的催化剂藏量满足：其中，M cat，DB 表示再生器密相床催化剂藏量；所述密相床区中的各气体质量平衡满足：其中，V DB 表示密相床体积，C i，DB 表示密相床某组分浓度，F air 表示再生器主风流量，X i，air 表示主风中某组分摩尔分数，F g，FB 表示稀相床气体摩尔流量，X i，DB 表示密相床某组分摩尔分数，r i，DB 表示密相床某组分生成速率；所述密相床区中的催化剂含碳量表示为：其中，M cat，DB 表示密相床催化剂藏量，w cat，DB 表示密相床催化剂焦炭质量分数，G cat，ST 表示待生催化剂质量流量，w cat，RT 表示反应混合区催化剂焦炭质量分数，G cat，RG 表示再生催化剂质量流量，X CO，DB 表示密相床一氧化碳摩尔分数， 表示密相床二氧化碳摩尔分数；所述密相床区热量平衡为：其中，T DB 表示密相床温度，M g，DB 表示密相床气体藏量，C pg，DB 表示密相床气体热容，Q r，DB 表示密相床反应热，F air 表示再生器主风流量，H air 表示空气热焓，G cat，ST 表示待生催化剂质量流量，H cat，ST 表示待生催化剂热焓，H g，FB 表示稀相床气体热焓，G cat，RG 表示再生催化剂质量流量，H cat，RG 表示再生催化剂热焓，G cat，FB 表示稀相床催化剂质量流量，H cat，FB 表示稀相床催化剂热焓， 表示第二冷却器催化剂移热量；所述密相床区反应热计算如下：其中，r i，DB 表示密相床各组分的生成速率，ΔH i，DB 表示密相床各组分反应热；所述再生器的底部设有第二冷却器，所述第二冷却器的催化剂移热量为：其中，F g，FD 表示换热流量， 表示再生器冷却器温度，T DB 表示密相床温度；所述稀相床区中气体质量守恒和热量守恒方程如下：其中，V FB 表示稀相床体积，C i，FB 表示稀相床各组分浓度，F g，FB 表示稀相床气体摩尔流量，X i，DB 表示密相床某组分摩尔分数，X i，FB 表示稀相床某组分摩尔分数，r i，FB 表示稀相床某组分生成速率；T FB 表示稀相床温度，M g，FB 表示稀相床气体藏量，Q r，FB 表示稀相床反应热。 5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，定义Wf(s，t)为一阶小波变化，即函数经过尺度函数平滑后信号的一阶导数，WWf(s，t)是二阶小波变换，即函数经过尺度函数平滑后信号的二阶导数；引入稳态因子β，当过程变量随时间变化剧烈时，认为处于非稳态，取β＝0，反之则认为处于稳态，取β＝1，其中稳态因子根据一阶小波和二阶小波的数值进行判定，计算方式如下：上式中ζ(x)为平滑函数，采用了Sigmoid函数，即ζ(x)＝(1+e ·x ) -1 ，W(t)，W 1 ，W 2 分别如下：W(t)＝(W 1 -T 1 ) -1 +(W 2 -T 2 ) -1 (31)W 1 ＝|Wf(s，t)|   (32)W 2 ＝|Wf(s，t)|+γ|WWf(s，t)|   (33)。 6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(3)又包括如下步骤：(3-1)随机选择一个样本点作为类别中心；(3-2)计算未选择的样本点到所述类别中心的最短距离；(3-3)使用轮盘赌方法随机选择一个样本点作为第一聚类中心；(3-4)重复步骤(3-2)-(3-3)直到k个中心点被选择完毕；(3-5)计算样本点与每一个所述第一聚类中心之间的距离，并将所述样本点划分到最近第一聚类中心所属的类别中去；(3-6)根据重新划分的类别计算第二聚类中心；(3-7)如果所述第二聚类中心和所述第一聚类中心之间的距离小于设定的阈值，那么就认为聚类过程已经完成；否则，重复步骤(3-5)-(3-6)；(3-8)计算出每一个类别中距离中心最近的真实数据点并作为结果输出。 7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述参数估计模型进行参数估计的优化问题由下式表示：H(y，u，θ)＝0所述参数估计为通过优化未知参数，使得NS组NZ个模型计算状态变量和实测状态变量之间的偏差达到最小化， 是各个变量的权重矩阵，y表示状态变量，t表示时间，z表示提升管反应器高度，u表示操作变量，θ表示待估计参数，F表示偏微分方程，G表示常微分方程，H表示连接性的代数方程， 表示状态变量测量值；分别对所述反应器和所述再生器的轴向变量使用5个微元和3个配置点进行离散，通过有限元正交配置，公式(35)转化为(36)：其中， 表示状态变量， 表示状态变量测量值，F RT 表示状态方程，γ i 表示反应速率，φ i 表示MTO反应失活系数，u RT 表示反应器操作变量，θ RT 表示反应器待估计参数，z RT 表示提升管反应器高度；G RT 表示常微分方程，H RT 表示代数方程。 8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将步骤(3)压缩后的数据集分为两类，使用20组数据进行步骤(5)的参数估计，剩下组数据用作步骤(6)的交叉验证。 9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(5)中，求解获得的所述反应器机理模型的相关参数包括产品中乙烯的体积分数、产品中丙烯的体积分数和所述混合反应区的温度。 10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(5)中，求解获得的所述再生器机理模型的相关参数包括烟气中二氧化碳的体积分数、烟气中氧气的体积分数、密相床区温度和稀相床区温度。