粗对苯二甲酸加氢精制反应工业装置模型的建模方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种粗对苯二甲酸（ＣＴＡ）加氢精制反应工业装置模型的建模方法，该方法采用将ＣＴＡ主要的杂质对羧基苯甲醛（４－ＣＢＡ）直接反应到对甲基苯甲酸的简化反应网络，以ＣＴＡ加氢精制过程实验数据为样本，对各主要反应因素，即反应温度（ｘ↓［１］，Ｋ）、单位体积钯／炭（Ｐｄ／Ｃ）催化剂加入量（ｘ↓［２］，ｇ／ｍ↑［３］）和氢分压（ｘ↓［３］，ＭＰａ），以及它们的高次项（ｘ↓［１］↑［２］，ｘ↓［２］↑［２］，ｘ↓［３］↑［２］、ｘ↓［１］↑［３］，ｘ↓［２］↑［３］，ｘ↓［３］↑［３］、……、ｘ↓［１］↑［ｍ］，ｘ↓［２］↑［ｍ］，ｘ↓［３］↑［ｍ］），通过多元线性回归技术，建立各反应因素与反应的速率常数关联模型，并引入线性修正系数对实验模型进行校正。基于工业装置生产数据，寻优求得修正模型的回归系数，建立能良好描述工业装置特性的模型。本发明专利技术建立的工业装置模型具有良好的预测精度，完全能满足工业装置应用需求，具有很高的工业应用价值。

Modeling method of crude terephthalic acid hydrogenation reaction industrial equipment model

The invention discloses a crude terephthalic acid (CTA) modeling method of hydrogenation reaction industrial device model, this method adopts formaldehyde CTA main impurities on the 4-carboxyphenyl (4 - CBA) in direct response to the simplified reaction network of methyl benzoic acid, with CTA experimental data of hydrogen refining process as a sample, the the main reaction factors, namely the reaction temperature (X: 1, K), per unit volume of palladium / carbon (Pd / C) amount of catalyst (X: 2, g / M = 3) and hydrogen pressure (X: 3, MPa), and their high order (X: 1 = 2, x = 2: 2, X: 3 = 2, x = 1: 3, X: 2 = 3, X: 3 = 3,...... X: 1 = M = 2, X: m, X: 3 = m), through multiple linear regression technique, the rate constant of the reaction factors and correlation model of reaction, and the introduction of linear correction coefficient correction to the experimental model. Based on the production data of industrial equipment, the regression coefficients of the modified model are obtained, and a model that can describe the characteristics of industrial equipment is established. The industrial device model established by the invention has good prediction accuracy and can fully meet the application requirements of industrial devices, and has high industrial application value.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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Purified Terephthalic Acid)生产工艺中粗对苯二甲酸(以下简称CTA， 即Crude Terephthalic Acid)加氢精制反应工业装置模型的建模方法。
技术介绍
PTA是制造聚酯纤维、薄膜、绝缘漆的重要原料，主要用于生产聚对苯二甲 酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丙二醇酯、以及聚对苯二甲酸丁二醇酯，也用作染料 中间体，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。由氧化过程得到的粗对苯二甲酸(crude terephthalic acid ， CTA)中含有的主要杂质是对羧基苯甲醛(4-carboxybenzaldehyde， 4-CBA)， 4-CBA不但会在结晶时与TA形成共晶而污染TA，还会在下游产品生产中影响 TA的聚合反应。4-CBA含量高低是PTA质量的重要指标，而加氢精制过程的主 要任务就是降低CTA中的4-CBA含量得到精制的对苯二甲酸。CTA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4-CBA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，TA加氢精制流程如图1所示。加氢精 制过程在PTA生产过程中处于极其重要的地位，它直接关系到PTA产品的质量、 产量、钯/碳催化剂消耗以及能耗等。因此，以合适的方法准确地建立TA加氢精 制反应动力学模型，对工业过程模拟与优化有着非常重要的作用。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；以及由于中间产品CTA的杂质含量不稳定等，使加氢精制反应装置 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、提高加氢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CTA加氢精制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CTA加氢精制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。CTA加氢精制反应是高温高压下液相催化反应，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和液固的传热、传质、催化剂内扩 散等，各反应因素(主要有单位体积催化剂加入量及其组成、反应温度、氢分压、 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.l :的工业CTA加氢精制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，甚至出现违反己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。当前的研究方法 一般通过各种假设建立动力学参数与反应因素之间的关联模型，然后通过实验数 据拟合确定参数模型中的待定常数，最终建立动力学参数模型。由此可见，参数 模型的准确性严重依赖于各种假设。由于加氢精制反应过程的复杂性以及认识水 平的限制，各种假设难免与真实机理存在出入，因此难以保证参数模型在所有的 反应因素水平下都能良好地描述反应因素对动力学参数的影响，因此获得的关联 模型偏差较大。同时工业上CTA加氢精制使用固定床反应器，而现有研究都是在小试的、 半连续的气液反应器条件下进行的实验，建立相关的动力学模型。由于生产过程 的放大、实验室条件下小试的、半连续的气液反应器与工业生产过程大型(或巨 型)连续加氢反应器存在巨大的差异，通过实验室数据建立的动力学模型难以描 述工业装置的特性。因此，预测性能良好的CTA加氢精制反应工业装置模型的 建立是目前PTA生产领域的一个难点。
技术实现思路
5本专利技术目的是提供一种CTA加氢精制反应工业装置模型的建模方法。采用 将CTA主要的杂质4CBA直接反应到对甲基苯甲酸的简化反应网络，建立工业 装置模型框架。通过多元线性回归技术建立各主要反应因素，即反应温度 (xpK)、单位体积钯/炭(Pd/C)催化剂加入量(^,g/ w3)和氢分压(X3，MPa)，以及它们的高次项(x，，X22,^ 、 xf,^,X33.......、 xr，x2"',《)，与反应速率常数之间的关联模型。基于实验数据，挖掘速率常数关联模型的回归系数，建立 了实验条件下CTA加氢精制速率常数关联模型。引入线性修正系数对实验模型 进行校正，基于工业装置生产数据，寻优求得修正模型的回归系数，建立能良好 描述工业装置特性的TA加氢精制反应工业装置模型。基于CTA加氢精制反应 工业装置模型，可以计算不同反应因素下，PTA中主要杂质4-CBA的含量；考 查工业装置中，各反应因素对反应过程的影响；为生产操作条件的优化、过程控 制、故障诊断、生产负荷调整等等，提供基础和依据。 '本专利技术的优点(1)直接通过各主要反应因素以及高次项，从实验数据中挖 掘出动力学参数与反应因素之间的关联模型，该关联模型不但可以描述各反应因 素对CTA加氢精制反应的复杂影响规律，而且模型结构简单。(2)基于工业装 置生产数据，引入线性修正系数，建立CTA加氢精制反应工业装置模型。该方 法避免了由于实验装置与工业装置的巨大差异，通过实验装置测试数据建立的 CTA加氢精制反应模型无法描述工业装置的特性。同时避免了单纯基于工业生 产数据的数学模型难以完全准确地体现各操作条件的影响，难以满足大范围操作 优化和控制的需求。1. CTA加氢精制反应网络和模型框架4-CBA加氢反应是高温高压下液相催化反应，反应过程气液固三相共存，同 时伴随着很多副反应，对所有组分都加以考虑，无论从分析角度还是模型计算角 度都是不可能的，而且从工业角度来看也是没有必要的。因此通常采用集总反应 动力学模型，即只考虑重要的反应产物，提出简化的反应网络。不同的研究者提 出了不同的反应网络，但均认为4-CBA加氢是一个串联过程。这里根据反应过程 中中间产物浓度变化情况和最终产物4-CBA的含量，提出如图2所示的一步加氢 反应简化网络。由此可采用幂函数反应动力学模型来表示4-CBA消逝速率，则CTA加氢精制宏观动力学方程可表示为:<formula>formula see original document page 7</formula>其中参数-^为4-CBA反应速率，f为反应停留时间，、为反应速率常数，c4—(w为反应器中4-CBA浓度，"为反应级数。方程(1)即为包含待定参数、和"的4-CBA加氢反应动力学模型，其中反应级数"可以通过实验得到，或采用以普遍 公认的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种粗对苯二甲酸加氢精制反应工业装置模型的建模方法，其特征在于，包含如下步骤：　（１）以反应温度（ｘ↓［１］，Ｋ）、单位体积钯／炭（Ｐｄ／Ｃ）催化剂加入量（ｘ↓［２］，ｇ／ｍ↑［３］）和氢分压（ｘ↓［３］，ＭＰａ），以及它们的高次项（ ｘ↓［１］↑［２］，ｘ↓［２］↑［２］，ｘ↓［３］↑［２］、ｘ↓［１］↑［３］，ｘ↓［２］↑［３］，ｘ↓［３］↑［３］、……、ｘ↓［１］↑［ｍ］，ｘ↓［２］↑［ｍ］，ｘ↓［３］↑［ｍ］）为自变量，用从４－ＣＢＡ直接反应到对甲基苯甲酸的简化反应网络，建立如下ＣＴＡ加氢精制反应工业装置模型框架：　＊＊＊　其中，－ｒ↓［Ａ］为４－ＣＢＡ的消逝反应速率；　ｔ为反应停留时间（ｍｉｎ）；　ｎ为反应级数，且ｎ＝１；　ｋ↓［ａ］为反应速率常数；　高次项的指 数ｍ是大于１的整数；　ｃ↓［４－ＣＢＡ］为反应器中４－ＣＢＡ的浓度，ｍｏｌ／ｍ↑［３］；　β＝［β↓［０］β↓［１］β↓［２］β↓［３］…β↓［３ｍ－２］β↓［３ｍ－１］β↓［３ｍ］］，是ｋ↓［ａ］的回归系数矢量；　其中ａ 和ｂ为修正系数，＊↓［ａ］是ＣＴＡ加氢精制反应工业装置模型的修正速率常数；　（２）以工业装置生产数据为样本采集数据，每组数据包括［ｘ↓［１］，ｘ↓［２］，ｘ↓［３］，ｔ，ｃ↓［４－ＣＢＡ］↑［０］，ｃ↓［４－ＣＢＡ］］，即反应器反应温 度、单位体积钯／炭催化剂加入量、氢分压、停留时间、进料初始的４－ＣＢＡ浓度、反应器出料中４－ＣＢＡ浓度，通过以下步骤建立上述修正系数ａ和ｂ的辨识模型：　（ａ）确定修正系数ａ和ｂ的初始值，建立初始ＣＴＡ加氢精制反应工业装置模型；　 （ｂ）由式＊↓［ａ］＝ａｋ↓［ａ］＋ｂ，通过样本数据的自变量［ｘ↓［１］，ｘ↓［２］，ｘ↓［３］］，获得模型的计算结果，求得修正后反应速率常数＊↓［ａ］；　（ｃ）由进料在反应器中的停留时间ｔ以及进料初始的４－ＣＢＡ浓度ｃ↓［４－ＣＢＡ ］↑［０］，通过动力学模型，积分求得反应器出料中４－ＣＢＡ（＊↓［４－ＣＢＡ］，ｍｏｌ／ｍ↑［３］）含量的计算值＊↓［４－ＣＢＡ］＝ｃ↓［４－ＣＢＡ］↑［０］ｅ↑［＊↓［ａ］ｔ］；　（ｄ）判断模型是否达到精度要求，具体步骤如下：计算总 误差Ｅ　＊＊＊，ｊ＝１，２，…ｎ２，其中，１＞ε＞０　Ｅ＝＊Ｅ↓［ｊ］　判断总误差Ｅ是否足够小，或是否是最小的，若是，则辩识结...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：颜学峰，胡春平，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]