[发明专利]对二甲苯氧化反应工业装置模型的建模方法

说明书

技术领域

本发明属于石油化工化学反应工程领域，涉及精对苯二甲酸(以下简称PTA，即Pure Terephthalic Acid)生产工艺中对二甲苯(以下简称PX，即P-xylene)氧化反应工业装置模型的建模方法。

背景技术

PTA是合成聚酯纤维和塑料的重要原料，主要用来合成聚酯的中间体苯二甲酸乙二醇酯(PET)，PTA生产装置是整个化纤工业的龙头装置。整个PTA生产工艺包括氧化单元和精制单元，其流程如图1所示。以对二甲苯为原料，醋酸为溶剂，在醋酸钴，醋酸锰催化剂的作用下，以溴化氢(或四溴乙烷)为促进剂与空气中的氧气反应，生成对苯二甲酸。反应中放出的大量反应热通过溶剂的蒸发带走，并通过副产蒸汽回收这部分热量。氧化反应液经串联的结晶器降温降压，再经过滤，干燥，得到中间产品粗对苯二甲酸。溶剂等通过溶剂回收单元回收并循环使用。粗对苯二甲酸用脱离子水配成一定浓度的浆料，加热至要求溶解温度后送至加氢反应器。通过催化加氢反应，使粗对苯二甲酸中所含杂质转化为水溶性物质。加氢反应液在串联的结晶器中逐级降温降压后送去离心机分离，得到的滤饼再用脱离子水打浆，然后经过滤和干燥，制得纤维级精对苯二甲酸。其中PX氧化反应是整个PTA生产工艺的核心，其操作条件是否合适、稳定直接关系到最终产品的质量、产量、以及物耗与能耗等。

随着工艺技术的发展、市场需求的增强、以及面对激烈的市场竞争，为了获取更大的规模效益，PTA生产企业纷纷对传统(或甚至新建)的生产装置进行了扩能改造；以及由于原料来源的经常变化等，使氧化反应装置的最佳操作条件严重偏离原来的设计工况。如何确定目前生产状况下最优的操作条件、提高氧化反应装置的操作技术水平，真正做到使生产装置安、稳、长、满、优地运行，是企业决策层和生产技术人员所共同关心、急迫解决的重要问题之一。利用PX氧化反应工业装置模型来指导生产调整、优化装置操作条件、消除生产瓶颈、实现过程监控、故障诊断是提高装置经济效益最有效的途径之一。另外，通过PX氧化反应工业装置模型的在线投运，还可为先进控制提供重要的受控变量实时计算值，为装置起到“软仪表”的作用。

PX氧化反应工业装置模型以数学的形式定量、综合地描述了各反应因素对反应过程的影响。如果模型的预测结果能良好地反映实际情况，将对优化生产操作起到重要的作用。但PX氧化反应是高温高压下液相催化氧化反应，反应过程气液固三相共存，同时伴随着很多副反应，反应过程涉及到气液的传热、传质、固体结晶及淤浆悬浮等，各反应因素(主要有催化剂浓度及其组成、反应温度、溶剂比、反应物浓度、停留时间等)对反应过程影响复杂。由于其复杂性和人类目前认知水平的限制，真正的工业PX氧化反应过程机理模型无法建立；工业反应过程积累大量的生产数据，这些数据蕴涵着工业装置反应过程的特征信息，但从实际生产过程采集的样本数据总是有限的，样本数据中包含大量重复程度不同的冗余信息，工业噪声的广泛存在等原因，使单纯基于样本数据的数学模型难以完全准确地体现各操作条件的影响，甚至出现违反已知工艺机理和经验知识的情况，其适用范围有限，难以满足大范围操作优化和控制的需求。因此，预测性能良好的PX氧化反应工业装置模型的建立是目前PTA生产领域的一个难点。

中国专利(ZL02148477.5)公开了一种对二甲苯液相催化氧化反应动力学模型的建模方法。首先，通过半连续气液反应器数据建立神经网络速率常数模型，即各反应因素与速率常数的关联模型；然后，通过对神经网络速率常数模型添加修正系数，采集工业反应器的数据，采用优化算法，以模型的拟合总偏差最小为目标，确定修正系数，建立工业装置对二甲苯液相催化氧化反应动力学模型。建立的模型可以通过各反应因素值，即反应温度(x₁，℃)、溶剂比(x₂，mol/Kg)、钴催化剂浓度(x₃，ppmw)、锰催化剂浓度(x₄，ppmw)、及溴促进剂浓度(x₅，ppmw)，由速率常数神经网络模型，求得工业化对二甲苯液相催化氧化反应中连串反应网络各步反应的速率常数k₁，i＝1，2，3，4；进而求得反应器出料中PX、对甲基苯甲醛(p-tolualdehyde，简称TALD)、对甲基苯甲酸(p-toluic acid，简称PT酸)、对羧基苯甲醛(4-carboxybenzaldehyde，简称4-CBA)、对苯二甲酸(terephthalic acid，简称TA)等中间产物和最终产物的含量。