[发明专利]芳烃氧化反应的动力学模型建模方法及动力学模型

说明书

本发明涉及一种芳烃氧化反应的动力学模型建模方法及动力学模型，所述建模方法包括以下步骤：在采用MX或PX制备IPA或PTA的过程中，通过实验拟合得到链引发反应速率常数k₁^fit；将k₁^fit代入所述动力学模型中作为k₁，并使用lsqnonlin函数来搜索函数S的最小值，计算模型参数α和β；将计算出的模型参数α和β，以及实际生产条件下不同的各催化剂浓度代入所述动力学模型中，计算得出实际生产中的链引发反应速率常数k₁^cal。本发明建立的动力学模型能够定量描述在工业温度和溶剂比下，催化剂浓度与配比对氧化反应过程的影响，指导工业反应器的设计、生产操作条件的优化和生产工艺的优化。

技术领域

本发明涉及一种化工生产过程中的模型建模方法及相应模型，尤其涉及一种芳烃氧化反应的动力学模型建模方法及动力学模型。

背景技术

间苯二甲酸(Iso-phthalic Acid,以下简称IPA)和对苯二甲酸(p-phthalicacid,以下简称PTA)是发展较快的有机化工中间体原料。对苯二甲酸主要用于PET聚酯原料的单体。间苯二甲酸主要用作PET树脂的改性单体，以改善PET树脂的加工和制品性能；用于代替苯酐生产高强度耐化学腐蚀的不饱和树脂；代替苯酐生产高性能高固含量的醇酸树脂。IPA在国外已得到广泛的应用，发展前景看好，许多大公司正在准备扩大生产能力和新建IPA装置。随着装置规模的不断扩大，其成本将不断降低，应用领域和市场份额将不断扩大。我国IPA的应用已有一定的基础，目前在瓶级聚酯树脂和聚酯阳离子可染纤维、不饱和树脂、醇酸树脂高档涂料领域都已有应用，但其来源主要由进口解决。随着国外许多大公司采用先进技术扩大生产能力和新建IPA装置，这些装置的竞争力将存在较大的问题。充分认识反应过程，建立反应过程的动力学模型对于指导间苯二甲酸和对苯二甲酸的生产具有极其重要的意义，可以提高企业的竞争力。

工业生产中，PX/MX氧化反应遵循自由基链式氧化机理，反应中存在诸多中间产物，例如，对(间)甲基苯甲醛(以下简称p(m)-TALD)、对(间)甲基苯甲酸(以下简称p(m)-TA)、对(间)羧基苯甲醛(以下简称4(3)-CBA)等。一般认为氧化过程中PX/MX的两个甲基依次氧化为醇、醛、酸，整个过程是一个连串的、不可逆的过程：

现有技术下，尽管PX/MX氧化过程中的催化反应机理已在某种程度得以简化，PX/MX氧化反应仍然包含有30个反应步骤。在PX/MX氧化反应体系中，分别只有5个主要组分(PX、p-TALD、p-TA、4-CBA、PTA和MX、m-TALD、m-TA、3-CBA、IPA)的浓度可以通过取样、经液相色谱准确分析得到。由于反应过程中产生的自由基极不稳定，自由基的浓度很难被定量探测。用5个观测变量估计30个模型参数，那么估计得到的参数由于存在很大的任意性而不可靠，这种情况被称为过度拟合，因此有必要进一步减少模型参数以避免过度拟合情况的发生。目前，许多学者建立了反应动力学模型，模型可以很好的反映反应物浓度随时间的变化，并且可以预测反应温度对反应的影响。但是，催化剂浓度和配比对反应的影响十分复杂，至今尚未有合适的模型可以反映和预测催化剂浓度和配比对反应的影响，限制了工业反应器、生产操作条件和生产工艺的优化。

发明内容

为克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种芳烃氧化反应的动力学模型建模方法及动力学模型，能够定量描述催化剂浓度和配比对氧化反应过程的影响。

本发明实现上述目的的技术方案是：芳烃氧化反应的动力学模型建模方法，包括以下步骤：

S1：在采用MX或PX制备IPA或PTA的过程中，通过实验拟合得到链引发反应速率常数k1^fit(未加催化剂浓度的动力学反应速率常数)；