二甲苯吸附分离程序建模与优化

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1、二甲苯吸附分离程序建模与优化第1章绪论1.1引言对二甲苯⑴（PX)作为重要的有机化工原料，可用于生产精对苯二甲酸（PTA)或对苯二甲酸二甲酷（DMT)，PTA或DMT和乙二醇反应生成聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。PET可通过进一步加工生产漆给纤维、聚酯树脂等。除此之外，PX在医药上也有少量用途，但从用量上看，国内PX需求量的90%均用于生产PTA。因此，PX是聚酯产品链的龙头，是一种不可缺少的化工原料。混合二甲苯分离是PX生产工艺中难度最大的一个环节，典型的PX生产方法是从石脑油催化重整生成的热力学平衡的混合二甲苯中分离出来，而基于连续逆流模拟

2、移动床的分子筛吸附分离技术是目前PX生产的主流技术。模拟移动床分离技术[2]是上世纪60年代发展起来的一门新型吸附分离技术。它具有吸附剂消耗低、分离能力强、投资运行成本低、设备结构小、传质推动力大、便于自动控制以及易于分离热敏性和难分离物系等优点。模拟移动床分离技术的应用范围遍及石油化工、精细化工、制药、食品等生产领域。其分离过程机理复杂，操作变量多且耦合性强，建模与优化存在一定难度，如何建立模拟移动床分离过程机理模型并对其进行操作优化，是模拟移动床领域的主要研究方向之一。.1.2混合二甲苯分离技术混合二甲苯是由对二甲苯（PX)、间二甲苯（MX)

3、、邻二甲苯（0X)和乙苯（HB)这四种异构体组成的混合物，这几种异构体均为聚酯纤维、聚酷树脂、聚苯稀、增塑剂和ABS等的基本原料。混合二甲苯可以从多个方面大量获取，因此，混合二甲苯的分离技术已成为国内外学者研究的热点技术之一。由于这几种异构体结构相近，物化性质很相似，各组份密度接近且沸点差较小，除了邻二甲苯沸点较高、间二甲苯的相对碱度较大、对二甲苯的溶点较高以外，其他各种异构体的沸点都极为接近，难以用传统的精馆方法分离[3]。二甲苯各异构体间的分离特性数据见表1.1[4]。从表1.1可以看出，0X沸点最高，比其他三种异构体高约5，与其他异构体分离

4、时，回流比为8~10,理论塔板数需要100?150块，0X目前可以采用传统的精馆方法，而MX,PX,EB沸点十分相近，用一般的精懷方法难以将它们分开。目前分离混合二甲苯的主要工业方法有深冷结晶法[5，6，7]和吸附分离法[8]其次还有络合萃取法[9]、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蹄吸附分离技术是目前生产PX的主流工艺技术。第2章二甲苯模拟移动床分离过程建模与仿真研究2.1二甲苯吸附分离过程工艺简介二甲苯吸附分离过程是通过利用PX和其他三种异构体（OX,MX，EB)对吸附剂的亲和力不同以及解吸剂对二乙苯（PDEB)的作用使得

5、强被吸附组分PX从抽出液中提取出来，而弱被吸附组分（OX,MX，EB)从抽余液中提取出来，最终实现PX与其他二甲苯异构体之间的分离。二甲苯吸附分离模拟移动床按其分离操作任务的不同可分为四个不同的区域，但相比于传统的四区模拟移动床而言，多引入了两股冲洗液：（1)一次冲洗液，从解吸剂口的前一床层抽出，进入进料口的后两个床层。一次冲洗出可将床层管线中残留着的抽出液带出，送至一次冲洗进，从而避免PX的损失，提高收率；（2)二次冲洗液，位于抽出液口的前一床层，目的是进一步冲洗床层管线，避免抽出液被管线内残留液污染，影响PX纯度。因此床层也可分为1个区域，如

6、图2.1所示。各个区域的划分方式和功能介绍如下：I区（吸附区）：位于进料口和抽余液口之间。在此区域，强被吸附组分被吸附剂选择性吸附，弱被吸附组分则保留在流动相中并从抽余液口提取出来，避免了强被吸附组分污染抽余液。II区（精制区）：位于抽出液口和进料口之间。在此区域，吸附剂中的弱被吸附组分被解吸剂以及强被吸附组分不断置换出来，进一步提升固相中PX纯度。一次和二次冲洗液将该区域划分出另外两个小区：E和X之间为IIA区，X和Hi之间为II区，Hi和F之间为IIB区。III区（解吸区)：位于解吸剂口和抽出液口之间。该区域利用解吸剂从固相中解吸出强被吸附组

7、分。一次冲洗液将此区分为两个区域：D和Ho间为IIIA区，Ho和E之间为III区。..2.2二甲苯吸附分离过程数学模型及参数根据模拟移动床的特性，其数学建模方法分为两种方法：SMB模型方法和TMB模型方法。前者考虑到进出料管线随时间的周期性变化，可以反映分离过程中轴向浓度周期性的变化，整个过程是动态的，其描述了真实的模拟移动床分离过程；后者把模拟移动床假设为固定移动床，将模拟移动床分离过程等价为真实逆流过程，大大简化了模型，但只能获得稳态的轴向浓度曲线。TMB模型中固液两相的相对速度和SMB模型相同，因此两种模型操作变量之间可以相互变换，Minc

8、eva等在对PX分离进行仿真研究时釆用了这两种建模方法，当采用TMB方法时，算得PX纯度和收率分别为99.92%，98.33%,采用SM