一种c8芳烃模拟移动床分离过程的建模和优化方法
【专利摘要】本发明涉及一种C8芳烃模拟移动床分离过程的建模和优化方法，基于真实移动床建模方法，考虑吸附分离过程的压力和温度稳定不变，液相假设为弥散活塞流，固相假设为活塞流，传质速率模型采用线性推动力模型，吸附平衡通过Langmuir等温线来描述，建立C8芳烃吸附分离过程模型，并且基于该模型采用多目标教学优化算法对两个典型的模拟移动床多目标操作问题进行优化：(a)PX收率最大化和解吸剂用量最小化；(b)PX收率和纯度同时最大化。建立的模型能够获得吸附分离塔各床层的各个组分信息、抽出和抽余液中主要产物的收率和纯度，结合优化算法对模型中解吸剂流量、抽出液流量以及抽余液流量等操作变量的分析可以为提高模拟移动床运行水平提供指导。
【专利说明】一种C8芳烃模拟移动床分离过程的建模和优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于C8芳烃模拟移动床分离过程建模和优化方法，该方法可用 于模拟移动床分离过程模拟仿真和操作优化。
【背景技术】
[0002] 对二甲苯（PX)是一种重要的有机化工原料，是聚酯产品链的龙头产品。混合二甲 苯分离是PX生产工艺中难度最大的一个环节，分离混合二甲苯的主要工业方法有深冷结 晶法和吸附分离法其次还有络合萃取法、共晶法以及磺化法等，其中基于连续逆流模拟移 动床的分子筛吸附分离技术是目前生产对二甲苯的主流工艺技术。
[0003] 模拟移动床（SMB)分离技术是20世纪60年代兴起的一种连续逆流色谱分离技 术，它可以提高固定相的利用率与产品纯度，在提高产品收率的同时也可以减小解吸剂的 消耗，近年来在手性药物、石油化工分离等领域的应用受到越来越广泛的关注。
[0004] 图1是二甲苯模拟移动床操作示意图，在二甲苯吸附分离过程中，通过利用对二 甲苯（PX)和其他三种异构体（间二甲苯（MX)、邻二甲苯（OX)、乙苯（EB))对吸附剂的亲和 力不同来达到分离效果，另外再通过解吸剂对二乙苯（PDEB)的作用使得强被吸附组分PX 从抽出液中提取出来，而弱被吸附组分从抽余液中提取出来。
[0005] 在二甲苯模拟移动床的实际工况操作中，技术人员主要关注如何确定合适的操作 条件，使整个系统在满足PX纯度和收率满足分离要求的前提下，尽可能减少解吸剂的消 耗，提高生产效率。然而模拟移动床吸附分离过程机理复杂，操作变量多且耦合性强，很难 对其进行系统的分析，因此一直以来就缺乏较为有效的方法来为实际工况确定操作条件。
[0006] 目前，许多学者基于三角形理论对其操作优化过程进行了深入的研究，但三角形 理论忽略了轴向扩散和传质阻力，仅在理想状态下对模型进行优化，其预测的结果不能很 好的描述真实的分离过程。此外，还有学者采用传统的多目标优化算法来优化模拟移动床 操作过程，如NSGA-II算法等，但采用这些方法求得的pareto解集分布性和收敛性较差，不 利于找到最优操作点，对实际工况的操作选择带来较大的局限性。
【发明内容】
[0007] 针对上述问题，本申请提出将一种多目标教学优化算法用于C8芳烃模拟移动床 分离过程操作优化，基于真实移动床方法建模，结合多目标教学优化算法（MOTLBO)对工艺 操作条件进行优化，对指导实际工况的操作具有十分重要的意义。
[0008] 本发明的特点如下：
[0009] 1.与真实的模拟移动床结构完全一致，能够准确反映模拟移动床的操作变化如区 域回流比、步进时间和冲洗液对吸附分离塔内流动、传质、分离过程的影响，由此可以获得 吸附分离塔内详细的组分浓度分布以及抽出液和抽余液中关键组分的收率和纯度。
[0010] 2.具有完善的吸附动力学体系，能够从吸附分离原理上描述不同C8芳烃异构体 在吸附剂上吸附和解吸过程，计算得到吸附分离过程各组分浓度沿吸附塔床层的分布。
[0011] 3.优化采用的多目标教学优化算法（MOTLBO)相较于其他优化算法，如NSGA-II， 不仅在收敛性和分布性上具有优越性，而且求解时间也比较短。
[0012] 根据上述特点，对C8芳烃模拟移动床分离过程进行建模和优化。首先，采用真实 移动床方法（True Moved Bed，简称TMB)方法，考虑吸附分离过程的压力和温度稳定不变， 液相假设为弥散活塞流，固相假设为活塞流，传质速率模型采用线性推动力模型，吸附平衡 通过Langmuir等温线来描述，建立了完全符合色谱分离实际过程的工艺模型，精确描述塔 内区域流量、液体流动速度、关键组分吸附解吸速度以及沿塔层的组分分布。
[0013] 具体技术方案如下：
[0014] 一种C8芳烃模拟移动床分离过程的建模和优化方法，包括如下步骤：
[0015] (1):根据实际模拟移动床装置确定特定温度和压力下的设计参数和操作参数，并 设定吸附平衡动力学参数初始值；；
[0016] 所述设计参数包括塔长、塔径和塔板数，所述操作参数包括流量和步进时间；
[0017] (2):确定模拟移动床建模方法及模型方程；
[0018] (3):对二甲苯吸附分离模型进行求解；
[0019] (4):基于实际工业运行数据校正模拟移动床吸附平衡动力学参数；
[0020] (5):确定优化策略；
[0021] (6):进行优化计算。
[0022] 所述平衡动力学参数主要包括：扩散系数，传质系数，Pelect数和Langmuir吸附 平衡常数。
[0023] 所述建模方法为真实移动床（TMB)建模方法，假设压力和温度恒定不变，液相为 弥散活塞流，固相为活塞流，传质速率模型采用线性推动力模型，吸附平衡采用Langmuir 等温吸附描述。其模型方程如下：
【权利要求】
1. 一种C8芳烃模拟移动床分离过程的建模和优化方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 根据实际模拟移动床装置确定特定温度和压力下的设计参数和操作参数，并设定 吸附平衡动力学参数初始值； 所述设计参数包括塔长、塔径和塔板数，所述操作参数包括流量和步进时间； (2) 确定模拟移动床建模方法及模型方程； (3) 对二甲苯吸附分离模型进行求解； (4) 基于实际工业运行数据校正模拟移动床吸附平衡动力学参数； (5) 确定优化策略； (6) 进行优化计算。
2. 根据权利要求1所述的建模和优化方法，其特征在于，所述平衡动力学参数包括：扩 散系数，传质系数，Pelect数和Langmuir吸附平衡常数。
3. 根据权利要求1所述的建模和优化方法，其特征在于，所述建模方法为真实移动床 建模方法；假设压力和温度恒定不变，液相为弥散活塞流，固相为活塞流，传质速率模型采 用线性推动力模型，吸附平衡采用Langmuir等温吸附描述； 其模型方程如下： 液相物料衡算方程：
4. 根据权利要求1所述的建模和优化方法，其特征在于，所述平衡动力学参数初始值 为同系列吸附剂的吸附平衡动力学参数。
5. 根据权利要求1所述的建模和优化方法，其特征在于，所述C8芳烃为三个二甲苯异 构体和乙苯，解吸剂为对二乙苯。
6. 根据权利要求1所述建模和优化方法，其特征在于，所述优化策略为：针对两种不同 的优化问题分别进行求解和分析：（a)PX收率最大化和解吸剂用量最小化；(b)PX收率和纯 度同时最大化。
7. 根据权利要求1所述建模和优化方法，其特征在于，所述优化计算过程中决策变量 的范围是通过对模型进行灵敏度分析得到，约束条件是抽出液中PX纯度高于99. 7%以及 抽出液中PX收率高于92%。
8. 根据权利要求1所述建模和优化方法，其特征在于，所述优化计算采用多目标教学 优化算法。
【文档编号】B01D15/18GK104331636SQ201410695917
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年11月26日 优先权日:2014年11月26日
【发明者】钱锋, 杨明磊, 叶贞成, 杜文莉 申请人:华东理工大学