二甲苯吸附分離程序建模與優(yōu)化

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1、二甲苯吸附分離程序建模與優(yōu)化第1章緒論1.1引言對(duì)二甲苯⑴（PX)作為重要的有機(jī)化工原料，可用于生產(chǎn)精對(duì)苯二甲酸（PTA)或?qū)Ρ蕉姿岫卓幔―MT)，PTA或DMT和乙二醇反應(yīng)生成聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)。PET可通過(guò)進(jìn)一步加工生產(chǎn)漆給纖維、聚酯樹(shù)脂等。除此之外，PX在醫(yī)藥上也有少量用途，但從用量上看，國(guó)內(nèi)PX需求量的90%均用于生產(chǎn)PTA。因此，PX是聚酯產(chǎn)品鏈的龍頭，是一種不可缺少的化工原料?；旌隙妆椒蛛x是PX生產(chǎn)工藝中難度最大的一個(gè)環(huán)節(jié)，典型的PX生產(chǎn)方法是從石腦油催化重整生成的熱力學(xué)平衡的混合二甲苯中分離出來(lái)，而基于連續(xù)逆流模擬

2、移動(dòng)床的分子篩吸附分離技術(shù)是目前PX生產(chǎn)的主流技術(shù)。模擬移動(dòng)床分離技術(shù)[2]是上世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新型吸附分離技術(shù)。它具有吸附劑消耗低、分離能力強(qiáng)、投資運(yùn)行成本低、設(shè)備結(jié)構(gòu)小、傳質(zhì)推動(dòng)力大、便于自動(dòng)控制以及易于分離熱敏性和難分離物系等優(yōu)點(diǎn)。模擬移動(dòng)床分離技術(shù)的應(yīng)用范圍遍及石油化工、精細(xì)化工、制藥、食品等生產(chǎn)領(lǐng)域。其分離過(guò)程機(jī)理復(fù)雜，操作變量多且耦合性強(qiáng)，建模與優(yōu)化存在一定難度，如何建立模擬移動(dòng)床分離過(guò)程機(jī)理模型并對(duì)其進(jìn)行操作優(yōu)化，是模擬移動(dòng)床領(lǐng)域的主要研究方向之一。.1.2混合二甲苯分離技術(shù)混合二甲苯是由對(duì)二甲苯（PX)、間二甲苯（MX)

3、、鄰二甲苯（0X)和乙苯（HB)這四種異構(gòu)體組成的混合物，這幾種異構(gòu)體均為聚酯纖維、聚酷樹(shù)脂、聚苯稀、增塑劑和ABS等的基本原料。混合二甲苯可以從多個(gè)方面大量獲取，因此，混合二甲苯的分離技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)技術(shù)之一。由于這幾種異構(gòu)體結(jié)構(gòu)相近，物化性質(zhì)很相似，各組份密度接近且沸點(diǎn)差較小，除了鄰二甲苯沸點(diǎn)較高、間二甲苯的相對(duì)堿度較大、對(duì)二甲苯的溶點(diǎn)較高以外，其他各種異構(gòu)體的沸點(diǎn)都極為接近，難以用傳統(tǒng)的精館方法分離[3]。二甲苯各異構(gòu)體間的分離特性數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.1[4]。從表1.1可以看出，0X沸點(diǎn)最高，比其他三種異構(gòu)體高約5，與其他異構(gòu)體分離

4、時(shí)，回流比為8~10,理論塔板數(shù)需要100?150塊，0X目前可以采用傳統(tǒng)的精館方法，而MX,PX,EB沸點(diǎn)十分相近，用一般的精懷方法難以將它們分開(kāi)。目前分離混合二甲苯的主要工業(yè)方法有深冷結(jié)晶法[5，6，7]和吸附分離法[8]其次還有絡(luò)合萃取法[9]、共晶法以及磺化法等。其中基于連續(xù)逆流模擬移動(dòng)床的分子蹄吸附分離技術(shù)是目前生產(chǎn)PX的主流工藝技術(shù)。第2章二甲苯模擬移動(dòng)床分離過(guò)程建模與仿真研究2.1二甲苯吸附分離過(guò)程工藝簡(jiǎn)介二甲苯吸附分離過(guò)程是通過(guò)利用PX和其他三種異構(gòu)體（OX,MX，EB)對(duì)吸附劑的親和力不同以及解吸劑對(duì)二乙苯（PDEB)的作用使得

5、強(qiáng)被吸附組分PX從抽出液中提取出來(lái)，而弱被吸附組分（OX,MX，EB)從抽余液中提取出來(lái)，最終實(shí)現(xiàn)PX與其他二甲苯異構(gòu)體之間的分離。二甲苯吸附分離模擬移動(dòng)床按其分離操作任務(wù)的不同可分為四個(gè)不同的區(qū)域，但相比于傳統(tǒng)的四區(qū)模擬移動(dòng)床而言，多引入了兩股沖洗液：（1)一次沖洗液，從解吸劑口的前一床層抽出，進(jìn)入進(jìn)料口的后兩個(gè)床層。一次沖洗出可將床層管線(xiàn)中殘留著的抽出液帶出，送至一次沖洗進(jìn)，從而避免PX的損失，提高收率；（2)二次沖洗液，位于抽出液口的前一床層，目的是進(jìn)一步?jīng)_洗床層管線(xiàn)，避免抽出液被管線(xiàn)內(nèi)殘留液污染，影響PX純度。因此床層也可分為1個(gè)區(qū)域，如

6、圖2.1所示。各個(gè)區(qū)域的劃分方式和功能介紹如下：I區(qū)（吸附區(qū)）：位于進(jìn)料口和抽余液口之間。在此區(qū)域，強(qiáng)被吸附組分被吸附劑選擇性吸附，弱被吸附組分則保留在流動(dòng)相中并從抽余液口提取出來(lái)，避免了強(qiáng)被吸附組分污染抽余液。II區(qū)（精制區(qū)）：位于抽出液口和進(jìn)料口之間。在此區(qū)域，吸附劑中的弱被吸附組分被解吸劑以及強(qiáng)被吸附組分不斷置換出來(lái)，進(jìn)一步提升固相中PX純度。一次和二次沖洗液將該區(qū)域劃分出另外兩個(gè)小區(qū)：E和X之間為IIA區(qū)，X和Hi之間為II區(qū)，Hi和F之間為IIB區(qū)。III區(qū)（解吸區(qū))：位于解吸劑口和抽出液口之間。該區(qū)域利用解吸劑從固相中解吸出強(qiáng)被吸附組

7、分。一次沖洗液將此區(qū)分為兩個(gè)區(qū)域：D和Ho間為IIIA區(qū)，Ho和E之間為III區(qū)。..2.2二甲苯吸附分離過(guò)程數(shù)學(xué)模型及參數(shù)根據(jù)模擬移動(dòng)床的特性，其數(shù)學(xué)建模方法分為兩種方法：SMB模型方法和TMB模型方法。前者考慮到進(jìn)出料管線(xiàn)隨時(shí)間的周期性變化，可以反映分離過(guò)程中軸向濃度周期性的變化，整個(gè)過(guò)程是動(dòng)態(tài)的，其描述了真實(shí)的模擬移動(dòng)床分離過(guò)程；后者把模擬移動(dòng)床假設(shè)為固定移動(dòng)床，將模擬移動(dòng)床分離過(guò)程等價(jià)為真實(shí)逆流過(guò)程，大大簡(jiǎn)化了模型，但只能獲得穩(wěn)態(tài)的軸向濃度曲線(xiàn)。TMB模型中固液兩相的相對(duì)速度和SMB模型相同，因此兩種模型操作變量之間可以相互變換，Minc

8、eva等在對(duì)PX分離進(jìn)行仿真研究時(shí)釆用了這兩種建模方法，當(dāng)采用TMB方法時(shí)，算得PX純度和收率分別為99.92%，98.33%,采用SM