[发明专利]工业对二甲苯氧化反应单元运行状态监测的方法

说明书

本发明公开了在线实时监测工业过程中对二甲苯氧化反应操作单元运行状态的方法，是根据过程变量间的相关性信息将被测变量划分成多个独立的变量以及多个相关的变量子集。采集工业反应单元实际生产数据作为训练样本，利用核主元分析算法(KPCA)建立起相关变量子集的监测模型，通过支持向量数据描述算法(SVDD)为剩余的多个独立变量创建统一的监测模型。最后，所有的统计指标通过贝叶斯推理技术融合为一个单一的统计指标以指示当前过程是否运行正常。工业对二甲苯氧化反应单元的监测方法进一步挖掘了过程变量间的局部信息，其监测结果更有针对性，便于进一步指导相关控制操作、保证生产安全、提高产品质量和经济效益。

技术领域

本发明属于化学反应工程与自动化交叉领域，涉及精对苯二甲酸(PureTerephthalic Acid，PTA)工业生产过程中，对二甲苯(p-xylene，PX)氧化反应单元运行状态的实时监测方法。

背景技术

现代工业规模越来越大，工艺过程也越来越复杂，而对生产稳定性和持续性的要求却又在不断提高。尤其是对于各类化工生产领域，其生产常处于高温高压或是低温低压等极端环境下。任何细小的异常工况都有可能影响生产，严重的则会导致装置停车，甚至是引发爆炸或破坏周边生态环境等恶性事件。因此及时准确地发现生产过程中的异常工况，对于保障过程安全和产品质量都具有十分重要的意义。

在精对苯二甲酸(PTA)生产过程中，对二甲苯(p-xylene，PX)主要是在工业连续搅拌釜式反应器(Continuous Stirred-Tank Reactor,CSTR)中进行的，在温度为180℃到200℃范围内，使用以醋酸为溶剂，醋酸钴和醋酸锰为催化剂，溴化氢为促进剂，空气或者分子氧为氧化剂进行反应的。PX氧化反应过程如图1所示，即PX在氧化反应器中氧化生成粗对苯二甲酸(TA)，接着反应器的出料进入结晶器。这一氧化反应在PTA生产中处于核心地位，直接关系到PTA产品的质量、产量、收率和燃烧损失等。因此，迫切需要对对二甲苯氧化反应单元进行有效的监测。

对二甲苯氧化反应是高温高压下的气液固三相共存的液相催化氧化反应，反应过程涉及到气液的传热、传质、固体结晶及淤浆悬浮等；在PX氧化生成TA过程中，还伴随着大量副反应。因此，PX氧化反应过程相当复杂，各变量间呈高度非线性特征。并且目前对PX氧化反应及其副反应的机理认识有限，因此很难从模型的角度出发建立监测模型。

基于多元统计的数据驱动方法利用过程运行数据进行分析处理，可以在不需要系统精确模型的条件下实施监测任务。随着集散控制系统(Distributed Control System,DCS)和计算机技术的飞跃发展，该方法自20世纪90年代以来在学术界和工业界都受到了广泛的关注。基于数据驱动的方法完全以采集到的数据为依据，具有很强的通用性，更加适合现代复杂的化工工业。常用的方法有主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)、偏最小二乘(Partial Least Squares,PLS)独立成分分析(Independent ComponentAnalysis,ICA)以及处理非线性对象的核主元分析(Kernel PCA,KPCA)和支持向量数据描述(Support Vector Data Description,SVDD)。

由于现代工业规模的日益扩大，待监测的变量个数也随之增加，而变量之间的关系也变得越来越复杂，有些变量之间是线性相关的，有些变量之间是非线性相关的，甚至还有一些变量是近似独立于所有其它变量的。对于实施过程监测来讲，对整个过程建立一个全局的监测模型可能会忽略很多过程的细节信息。同时，由于变量间的关系复杂，监测得到的结果也很难解释。在全局的监测模型当中，当对影响个别变量的局部故障进行监测的时候，将会有大量的冗余变量的存在，这会明显降低过程监测的效果。因此，我们希望将具有紧密相关关系的变量聚集在一起，以挖掘出更多的局部故障信息并减少冗余变量对监测效果的影响。

发明内容