顺序式模拟移动床分离低聚木糖的多目标优化及其变量调控方法技术

本发明专利技术公开顺序式模拟移动床分离低聚木糖的多目标优化及其变量调控方法，包括如下步骤：步骤(1)：构建顺序式模拟移动床的TD模型和线性吸附模型；步骤(2)：使用Martin

【技术实现步骤摘要】
顺序式模拟移动床分离低聚木糖的多目标优化及其变量调控方法


[0001]本专利技术涉及顺序式模拟移动床变量调控
具体地说是顺序式模拟移动床分离低聚木糖的多目标优化及其变量调控方法。

技术介绍

[0002]模拟移动床(Simulated Moving Bed，SMB)作为一项重要的连续性色谱分离技术，在对二甲苯的提取、玉米湿磨、果糖/葡萄糖分离等工业领域获得了广泛的应用。同时，在精细化工和复杂化学药品的分离(如手性药物和一些氨基酸、多肽等生物成分的分离)等领域也展现出工业化应用潜力。模拟移动床技术对于复杂体系及难分离体系都有其独特优势，而且其连续性的操作模式具有分离效果好、产率高、纯度高等优点，具有广阔的发展前景。
[0003]近年来，随着经济的发展和科技的进步，化学工业对于分离过程的能耗、溶剂消耗、分离效率、分离产品的复杂性以及分离过程控制的灵活程度都提出了更高的要求，所以一些新型的模拟移动床分离技术被相继提出。比如由Ludemann
‑
Hombourger提出的Varicol系统、内部流速变化的SMB过程、有梯度的SMB过程，以及近些年发展起来的顺序式模拟移动床(Sequential Simulated Moving Bed，SSMB)。SSMB在保留了SMB优点的同时，采用了间歇进料、间歇出料的模式，解决了系统内物料的返混问题。而且SSMB将传统SMB的一次切换分解成了3个子步骤，每个子步骤可以实现不同的职能，达到了更精确的控制，使各组分都在最佳条件下分离，能耗和溶剂消耗显著降低，非常适用于溶剂比较昂贵的难分离体系和一些复杂物质的大规模工业提纯。
[0004]SMB和SSMB分离过程示意图如图1所示。SSMB分为进料、循环、洗脱三步，如图1(b、c、d)所示。在进料期，物料和洗脱液分别由III区和I区进入系统，II区和VI区停止工作；在循环期，色谱柱连接成一个闭合的回路，流动相在其中不断地循环，重新分配物料在各个区域的组成；在洗脱期，VI区停止工作，洗脱液由I区进去，从III区流出。产物的收集可以在第一步和第三步进行，经过数个循环，系统趋于稳定，就可以达到分离纯化的目的，在出口处收集到高纯度的产品。
[0005]常见的SMB分离过程的控制和优化策略包括：一是由M.Morbidelli提出的“平衡理论”，也称为“三角形理论”，是基于局部瞬时平衡和忽略扩散影响的假设，利用一阶偏微分方程来计算物料平衡。具体通过SMB系统各个区域的无量纲流量(m值)和目标分离体系的吸附参数来确定完全分离区域(三角形区域)，在此区域内对应的变量即为最佳操作条件。另外，Standing Wave Design(SWD)理论的应用也较为广泛，这种策略是基于真实移动床系统的稳态解，考虑传质的影响，通过一系列的代数方程来解决SMB过程的优化问题。除此之外，还有一种选择是对SMB分离过程进行数值模拟和多目标优化，通过试验和对模型的调整来保证优化结果的准确性，此种方法难度较高，但是结果最为准确，可以针对不同的优化目标(可以将溶剂消耗等因素考虑其中)高效地提供一组最优解(pareto set)。而且，多目标优化考虑了传质和扩散的影响，对整个分离过程完整的数学描述可以解释一些在SMB改型模
式中无法用传统平衡理论中的平均m值解释的瞬时行为和变化趋势。
[0006]由于顺序式模拟移动床SSMB将传统SMB的一次切换分解成了3个子步骤，每个子步骤实现的职能不同，因此，传统的SMB分离过程的控制和优化策略已经不适用于SSMB过程分析和预测，因此有必要建立一种新的针对SSMB的分离过程模型，以便于更好地分析预测和调节控制SSMB的分离过程。

技术实现思路

[0007]为此，本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种顺序式模拟移动床分离低聚木糖的多目标优化及其变量调控方法，以解决当前SMB分离过程的控制和优化策略用于SSMB分离过程的分析和预测时，适用性较差的问题。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：
[0009]顺序式模拟移动床分离低聚木糖的多目标优化及其变量调控方法，包括如下步骤：
[0010]步骤(1)：构建顺序式模拟移动床的TD模型【平衡
‑
扩散模型】和线性吸附模型；
[0011]步骤(2)：使用Martin
‑
Synge方法对TD模型进行沿轴向离散分析计算；
[0012]步骤(3)：确定顺序式模拟移动床的过程优化独立变量；
[0013]步骤(4)：建立顺序式模拟移动床的过程独立变量与流量比m值的计算关系；
[0014]步骤(5)：构建多目标优化的目标函数；
[0015]步骤(6)：根据多目标优化的目标函数及限制条件确定变量范围。
[0016]上述顺序式模拟移动床分离低聚木糖的多目标优化及其变量调控方法，步骤(1)中：TD模型和线性吸附模型的表达公式如下：
[0017][0018][0019]公式(1)和公式(2)中：c(单位g/L)和q(单位mL/min)分别代表流动相和固定相中的浓度，i代表体系中的各个组分，j代表色谱柱，t代表时间，代表相率(ε是空隙率)，u(单位m/s)是间隙流动速度，z(单位m)表示轴向坐标，D
L
是轴向扩散系数，k
m
(s
‑1)是传质系数，H是线性吸附中的亨利常数。
[0020]上述顺序式模拟移动床分离低聚木糖的多目标优化及其变量调控方法，步骤(2)具体包括：
[0021]步骤(2
‑
1)：使用Martin
‑
Synge方法对TD模型进行了沿轴向离散，具体计算公式为：
[0022][0023][0024]公式(3)和公式(4)中，M代表在一定轴向长度上的网格点，入口处M＝0，出口处M＝N
L
；L代表色谱柱长度；N
L
代表理论板数；
[0025]步骤(2
‑
2)：消除公式(1)中的二阶导数，只考虑入口处的边界条件，如下所示：
[0026][0027]公式(5)中，上标ext表示洗脱液和进料液进入体系的色谱柱；jpre表示与色谱柱j相邻的上游色谱柱序号，如下所示：
[0028][0029]上述顺序式模拟移动床分离低聚木糖的多目标优化及其变量调控方法，步骤(3)中，将顺序式模拟移动床的7个独立变量分别记为：进料期持续时间t1、循环期持续时间t2、洗脱期持续时间t3、循环期流量Q
loop
、进料期洗脱液流量Q
eluent,phase1
、洗脱期洗脱液流量Q
eluent,phase3
和进料液流量Q
feed
；
[0030]假定I区流量Q
I
恒定不变，且Q
I
是I
‑
IV区四个区域中的最大流量，记为Q
max
；理论上，I区中色谱柱柱压最本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.顺序式模拟移动床分离低聚木糖的多目标优化及其变量调控方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)：构建顺序式模拟移动床的TD模型和线性吸附模型；步骤(2)：使用Martin
‑
Synge方法对TD模型进行沿轴向离散分析计算；步骤(3)：确定顺序式模拟移动床的过程优化独立变量；步骤(4)：建立顺序式模拟移动床的过程独立变量与流量比m值的计算关系；步骤(5)：构建多目标优化的目标函数；步骤(6)：根据多目标优化的目标函数及限制条件确定变量范围。2.根据权利要求1所述的顺序式模拟移动床分离低聚木糖的多目标优化及其变量调控方法，其特征在于，步骤(1)中：TD模型和线性吸附模型的表达公式如下：方法，其特征在于，步骤(1)中：TD模型和线性吸附模型的表达公式如下：公式(1)和公式(2)中：c(单位g/L)和q(单位mL/min)分别代表流动相和固定相中的浓度，i代表体系中的各个组分，j代表色谱柱，t代表时间，代表相率(ε是空隙率)，u(单位m/s)是间隙流动速度，z(单位m)表示轴向坐标，D
L
是轴向扩散系数，k
m
(s
‑1)是传质系数，H是线性吸附中的亨利常数。3.根据权利要求2所述的顺序式模拟移动床分离低聚木糖的多目标优化及其变量调控方法，其特征在于，步骤(2)具体包括：步骤(2
‑
1)：使用Martin
‑
Synge方法对TD模型进行了沿轴向离散，具体计算公式为：Synge方法对TD模型进行了沿轴向离散，具体计算公式为：公式(3)和公式(4)中，M代表在一定轴向长度上的网格点，入口处M＝0，出口处M＝N
L
；L代表色谱柱长度；N
L
代表理论板数；步骤(2
‑
2)：消除公式(1)中的二阶导数，只考虑入口处的边界条件，如下所示：公式(5)中，上标ext表示洗脱液和进料液进入体系的色谱柱；jpre表示与色谱柱j相邻的上游色谱柱序号，如下所示：4.根据权利要求3所述的顺序式模拟移动床分离低聚木糖的多目标优化及其变量调控方法，其特征在于，步骤(3)中，将顺序式模拟移动床的7个独立变量分别记为：进料期持续时间t1、循环期持续时间t2、洗脱期持续时间t3、循环期流量Q
loop
、进料期洗脱液流量Q
eluent,phase1
、洗脱期洗脱液流量Q
eluent,phase3
和进料液流量Q
feed
；
假定I区流量Q
I
恒定不变，且Q
I
是I
‑
IV区四个区域中的最大流量，记为Q
max
；则：循环期流量Q
loop
＝进料期洗脱液流量Q
eluent,phase1
＝洗脱期洗脱液流量Q
eluent,phase3
＝I区流量Q
I
＝最大流量Q
max
；则：顺序式模拟移动床的7个独立变量简化为4个独立变量；即，顺序式模拟移动床的过程独立变量确定为：进料期持续时间t1、循环期持续时间t2、洗脱期持续时间t3和进料液流量Q
feed
。5.根据权利要求4所述的顺序式模拟移动床分离低聚木糖的多目标优化及...

【专利技术属性】
技术研发人员：李艳，刘聚明，马惠言，阿山，
申请(专利权)人：内蒙古工业大学，
类型：发明
国别省市：