基于乙醇偶合制备C4烯烃的研究.pdf

2023年6 月第8 卷2 期西安交通工程学院学术研究Academic Research of Xian Traffic Engineering InstituteJun.2023Vol.8No.2基于乙醇偶合制备 C4 烯烃的研究许小蒂，王卓，刘顺斋(西安交通工程学院陕西省西安市7 10 30 0)摘要：随着当今科技的不断发展，新型材料在社会生产中的占比越来越重。其中高分子材料以其耐腐蚀性、耐候性、性能可灵活调配、可中长期在较高温度中使用等优良特性，从新型材料中脱颖而出，成为比肩金属材料、无机非金属材料的又一重要材料，已投入使用在了经济建设中的。其中C4烯烃作为高分子材料中的重要成分，得到了广泛关注，因此怎样更高效配置C4烯烃在当前意义重大。本文从数学角度出发，利用数学模型，分析研究了C4烯烃的制备。以温度作为横轴，乙醇转化率与C4烯烃分别作为纵轴，借助于MATLAB编程，绘制乙醇转化率、C4烯烃与温度的关系图。其次根据图形曲线观测选用非线性回归分析模型，借助MATLB编程，选用最小二乘法，绘制了乙醇转化率与温度的一阶、二阶、三阶拟合图像，得出了拟合多项式参数，用二范数检查了拟合后与原数据的偏差，同时绘制了C4烯烃与温度的一阶、二阶、三阶拟合图像，得出了拟合多项式参数，用二范数检查了拟合后与原数据的偏差。关键词：C4烯烃；最小二乘法；MATLAB；丰中图分类号0 151.2 1;G558文献标识码：APreparation of C4 Olefin Based on Ethanol Coupling(Xian Traffic Engineering Institute,Xian Shaanxi 710300,China)Abstract:With the continuous development of science and technology,the proportion of new materials in social production is moreand more heavy.Among them,polymer materials with its corrosion resistance,weather resistance,performance can be flexiblydeployed,can be used in high temperature for a long time and other excellent characteristics,stand out from the new materials,become the shoulder of metal materials,inorganic non-metallic materials and another important material,has been put into use in theeconomic construction.As an important component of polymer materials,C4 olefin has been widely concerned.Therefore,how toallocate C4 olefin more efficiently is of great significance at present.In this paper,the preparation of C4 olefin was analyzed andstudied from the mathematical point of view.With temperature as the horizontal axis,ethanol conversion rate and C4 olefin as thevertical axis respectively,the relationship diagram of ethanol conversion rate,C4 olefin and temperature was drawn with the help ofMATLAB programming.Secondly,the nonlinear regression analysis model was selected according to the graph curve observation.With the help of MATLB programming,the least square method was selected to draw the first-order,second-order and third-orderfitting images of ethanol conversion and temperature,and the fiting polynomial parameters were obtained.The deviation betweenfitting and original data was checked with the dinorm,and the first-order,second-order and third-order fitting images of C4 olefinand temperature were drawn.The fitting polynomial parameters are obtained,and the deviation from the original data is checkedwith the binary norm.Keywords:C4 olefin;Least square method;引言在当今世界形势，全球石油能源供给矛盾日益突出，基于我国目前“富煤少油”的能源现状，集中力量发展烯烃工业，已成为我国应对新国际环境下的能源大危机大战，为确保石油工业实现可持续发展的重要和有效途径 1。根据石油和化学工业“十三五”发展指南要作者简介：许小蒂（1990-），女，讲师，硕士，模糊数学。29非线性回归分析模型；拟合XU Xiaofu,WANG Zhuo,LIU ShunzhaiMATLAB;Nonlinear regression analysis model;fiting求，“十三五”期间我国要加快已有的烯烃装置的升级与建造。截至目前，我国在建以及建造好的煤烯烃项目13个，分布陕西、安徽、南京等多个地区.C4烯烃作为重要的化工原料，被广泛的应用与化工产品及医药中间体的生产 2 。在国家政策的鼓励和引导下，我国的烯烃产业链，开始逐步完善，向着更高的水平迈进 3-5。因此在制备烯烃的过程中，如何高效的促进烯烃的产率，成为当前函待突破的问题基于乙醇偶合制备C4烯烃的研究6-8，制备过程中哪些因素可以促进烯烃的建设，使采用MATLAB软件对数据进行处理，绘制图形，其工艺流程不断完善提高，都是目前待解决的问根据图形曲线判定这是一个相关性问题，运用线性题 9-12 。随着化工行业的不断发展，C4烯烃广泛应回归知识，利用最小二乘法算法对数据进行处理，用于化工产品及医药的生产，制备C4烯烃的过程其次，求解出乙醇转化率与温度，在2 1种不同催中，催化剂的组合（Co负载量，Co/SiO和HAP化剂组合下，进行一阶、二阶、三阶的拟合反应的装料比，乙醇浓度的组合）与温度对C4烯烃的选关系图及表达式以及C4烯烃转化率与温度，在2 1择性和C4烯烃收率产生影响，研究乙醇催化偶合种不同催化剂组合下的拟合反应关系图及表达式。制备C4烯烃的工艺条件具有重要的意义 13-15。最后用二范数检查了4 2 组拟合数据与原数据的偏某化工实验室针对不同催化剂在不同温度下差，得出结论。做的一系列实验，研究实验结果，并对其做出具体附件二数据包含某种催化剂组合在350 度下，分析。本文主要解决下列问题：随时间变化，各生成产物及乙醇转化率的变化趋建立合理的数学模型，针对2 0 2 1年全国大学势。经过数据分析，运用Excel软件建立时间与乙生数学建模竞赛B题的问题一 16 ，对附件1中2 1醇转化率及C4烯烃选择性之间的图像关系。通过种催化剂组合，进行数据处理，分别研究乙醇转化图像可以得出它们之间存在着非线性关系，并得到率，C4烯烃的选择性与温度的关系；对附件二中函数关系式，利用函数关系进行分析。350度时给定的催化剂组合，进行数据处理，研究3 求解思路随时间变化，各产物之间的选择性变化及乙醇转化问题一分为两个问题，（一）分析附件1中乙率的变化。线观测选用非线性回归分析模型，借助醇在不同催化剂组合下，反应生成C4烯烃选择性MATLB编程，选用最小二乘法，绘制了乙醇转化及乙醇转化率的变化趋势。第一个问题的解答，使率与温度的一阶、二阶、三阶拟合图像，得出了拟用MATLAB编程画出在不同催化剂组合下，乙醇合多项式参数，用二范数检查了拟合后与原数据的转化率及C4烯烃的转化率与温度之间的变化图像。偏差，同时绘制了C4烯烃与温度的一阶、二阶、然后利用最小二乘法计算原理，使用MATLAB进三阶拟合图像，得出了拟合多项式参数，用二范数行两个图像的拟合，一共进行三次拟合。可以得出检查了拟合后与原数据的偏差。原始数据、一阶拟合、二阶拟合、三阶拟合，四组1模型的假设数据的关系。（二）、分析附件2 中乙醇在350 度下，和某种催化剂组合反应，随时间变化生成各产本文为了简化模型的建立难度，方便求解模物的变化趋势。第二个问题解答，使用EXCEL画型。在综合考虑各方面因素后，提出以下合理的假设，出在350 度给定催化剂下，随时间的变化，C4烯烃假设1：假设某化工所提供的数据真实可靠，无异选择性及乙醇转化率的散点图变化图像，得出它们常值，可直接使用。在实验过程中没有出现任何的的函数表达式。最后将它们放在同一个坐标系里观偏差。察它们的变化规律。同时使用MATLAB软件进行假设2：假设本实验所采用的实验用品无过期和损建立乙醇转化率与C4烯烃选择性与时间之间的关坏现象。系拟合图像。共进行三次拟合，分析它们之间的关系。假设3：假设本文实验研究时没有关于本实验更新4模型的建立的数据产生。假设4：假设本文实验中不出现新的酶促反应。假设5：假设需要实验在相同条件下时，每次都能保证实现环境的高度一致。2问题分析2021年全国大学生数学建模竞赛B题的附件数据共有两个，问题一可拆解为两个小问题。附件1中数据包含2 1组催化剂组合在不同温度下的，各生成产物变化趋势等大量数据，首先，研究本题中每种催化剂组合下，乙醇转化率、C4烯烃选择性与温度之间的关系，我们主要利用MATLAB软件进行数据处理，然后编程出乙醇转化率、C4烯烃选择性分别与与温度之间的关系，得到它们的关系曲线图。然后利用最小二乘法进行这两种关系的拟合，从而得到原始数据、一阶拟合曲线、二阶拟合曲线、三阶拟合曲线这四者之间的函数关系模型。所以简单介绍一下曲线拟合原理最小二乘法30基于乙醇偶合制备C4烯烃的研究的定义。data(i).yadev=temy1,temy2,temy3;%可在曲线拟合原理：给定数据点，求近似曲线函数。数据结构中查看并且使得近似曲线函数与数据点的偏差最小。legend原始数据，一阶拟合，二阶拟合，三阶首先，采用控制变量法在保持催化剂组合种类拟合）（编程二）不变的情况下，首先以温度作为横轴，乙醇转化率当研究350 度给定催化剂组合下不同时间的测与C4烯烃分别作为纵轴，借助于MATLAB编程，试结果时，由于该数据的数量相对较少，所以我们绘制乙醇转化率、C4烯烃与温度的关系图，编程如可以采用EXCLE表格建立乙醇转化率、C4烯烃选下：择性与时间之间的关系图。并得出它们的函数关系clc;式，根据函数的变化规律去进行分析。clear all;5 模型的求解close all;loaddataworkspace.mat;for i=1:km=data(i).range(2,1)-data(i).range(1,1)+1;figure;plot(data(i).num(:,1),data(i).num(:,2),-*);title(乙醇转化率图催化方案,data(i),namel);xlabel(c温度);ylabel(乙醇转化率%);figure;plot(data(i).num(:,1),data(i).num(:,4),-o);title(烯烃选择性催化方案,data(i).name);xlabel(温度);ylabel(C4烯烃选择性%);end(编程一)其次根据模型一图形曲线观测选用非线性回归分析模型，借助MATLB编程，选用最小二乘法，绘制了乙醇转化率与温度的一阶、二阶、三阶拟合图像，得出了拟合多项式参数，用二范数检查了拟合后与原数据的偏差，同时绘制了C4烯烃与温度的一阶、二阶、三阶拟合图像，得出了拟合多项式参数，用二范数检查了拟合后与原数据的偏差（见附录一):%乙醇转化率多项式拟合yal=polyfit(x0,y0,1);ya2=polyfit(x0,y0,2);ya3=polyfit(x0,y0,3);data(i).yal=yal;%可在数据结构中查看拟合多项式参数data(i).ya2=ya2;data(i).ya3=ya3;%二范数检查拟合后与原数据的偏差temyl=norm(polyval(yal,x0)-yO);temy2=norm(polyval(ya2,x0)-y0);temy3=norm(polyval(ya3,x0)-y0);利用MATLAB软件进行数据处理后，首先通过编程使得乙醇的转化率和C4烯烃的选择性的图像进行拟合，得到部分图像如图1和图2 所示：乙醇转化率图催化方案A140353025151052502605048464442403836根据图像中拟合曲线的走势，随着温度的增高，乙醇转化率和C4烯烃的选择性都在增加。根据程序中二范数的作用时检查拟合后与原数据的偏差结合图像可得：当温度越高时原始数据与拟合数据的重合率就越高，代表着图像的准确性越高。所以图像越具有代表性。而第二小问中的问题，我们可以运用EXCEL表格建立出乙醇转化率和C4烯烃的选择性的散点图得出它们之间的图像与函数关系表达式如图3和图4，根据图五所给出的函数表达式可以推算出表乙醇转化率和C4烯烃选择性与时间之间的关系：270图1乙醇催化方案与温度关系烯烃选择性催化方案A1260270图2 烯烃选择方案与温度关系280280290300310温度290300310320330340温度32033034035035031基于乙醇偶合制备C4烯烃的研究45乙醇转化率图催化方案B14035308252015105025054140.54039.5%3938.53837.53736.50350给定催化剂下乙醇转化率、C4烯烃选择性的变化曲线图504030201000图5350 度催化剂下乙醇转化率、C4烯烃选择变化曲线表1乙醇转化率和C4烯烃选择性与时间之间的关系乙醇转化率和C4烯烃选择性与时间之间的关系时间20(min)乙醇转化率43(%)C4烯烃选39.938.5536.7239.5338.9640.3239.04择性根据表格和曲线图可以看出：随着时间的增加，乙醇的转化率在逐步降低。而C4烯烃的选择原始数据一阶拟合二阶拟合三阶拟合300350温度：图3乙醇转化率催化方案三阶拟合烯经选择性附件2 方案一原始数据一阶拟合二阶拟合三阶拟合50100图4 烯烃选择三阶拟合y-0.008%037:785-y-0.0528x+42.:671F-g50100+一乙醇转化率（%)线性（C4烯烃选择性线性（乙醇转化率%7011037.836.6性则成波动变化，在2 0 min与2 4 0 min时出现峰值，时间分别处于在110 min与19 7 min时乙醇与C4烯烃吸收达到最小值。在使用MATLAB软件进行数据拟合，得出的图像更直观具体，可以很直接地反应出温度分别与乙醇转化率、C4烯烃选择性两者之间的关系和温度、乙醇转化率、C4烯烃选择性三者之间的关系。本题可以先采用插值法进行计算，可以得到更多相400关数值，之后再进行数据拟合会使图像更为精确。参考文献1赵婕.煤制烯烃工艺发展及我国装置建设现状 C.惠生工程中国有限公司,上海,2 0 12.10.2吕绍沛.乙醇偶合制备丁醇及C4烯烃 T.大连理工大学,2018.06.3罗艳宁.天然气甲醇制烯烃产业链项目开发与技术开发的创新组合 J.高科技与产业化,2 0 14(9):2.4刁海燕.信诚工业烯烃产业链发展展望 .国际化工信息，2005(10):1.5徐斌.煤基甲醇制烯烃及其产业链的综合分析 .西部煤化工,2 0 13(2):7.150200时间min150+C4烯烃选择性16319732.731.725020025030030024029.96谭雨诺.有关生物质裂解气制备烯烃的绿色催化合成工艺探究 .当代化工研究,2 0 2 0(6):2.7杨晶.B/L酸在烯烃氢酯化和氢烷氧基化反应中的促进/催化作用 D.2011.8卢捍卫.可提高轻烯烃产率的新型催化裂化装置 .炼油设计,1999.0 1:6 0-6 0.9张伟清.新的裂解反应器将烯烃产率提高了34%J.石油炼制与化工,2 0 17,4 8(9):1.10谭雨诺,吴迪,杞丹萍,等.一种生物质裂解气制备烯烃的绿色催化合成工艺探究-绿色合成SAPO-34分子筛 .当代化工研究,2 0 2 0(4):2.11赵国良,滕加伟,许宁,等.高硅MCM-22分子筛的合成及其C4烯烃裂解性能 .高等学校化学学报,2 0 0 5，2 6(6):114 0-1142.12张昕,王建伟,钟进,等.C4烯烃催化转化增产丙烯研究进展 J.石油化工,2 0 0 4,33(8):7.13王金金.C4烯烃叠合装置的产品取价方法探讨与应用 .石油化工设计,2 0 19,36(2):5.27314美国ABB拉默斯环球有限公司.从C4烯烃物流生产丙烯和乙烯的方法 J.国内外石油化工快报,2 0 0 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