MX氧化过程优化的模拟方法及模拟系统

技术领域

本发明涉及一种化工生产过程中模拟方法及模拟系统，尤其涉及一种MX氧化过程优化的模拟方法及模拟系统。

背景技术

间二甲苯(MX)氧化装置是间苯二甲酸生产过程的一个非常重要的装置，其操作的优化以及可视化都直接关系产品的质量、产品收率和能耗，同时对于生产间苯二甲酸的企业提升自身的运营效率和竞争力都有很重要的影响。

目前，在MX氧化的整个生产过程之中，在保证产品质量的前提下，若能实现各个装置的操作条件最优化以及各个装置中原料的利用率最大，这对于整个生产效益的提升都有很大的帮助，同时在整个生产过程中，对操作的实时观测以及对生产过程的可视化对于企业来说也至关重要。

为了实现操作条件的优化以及生产过程的可视化，首先需建立严格的装置操作模型，可以非常准确的反应操作参数与操作结果的规律，其次就是对于计算结果的实时呈现，即当原料组成与性质变化发生变化的时候能够快速计算出优化结果，并且反映在模拟的图形界面上。

然而，尽管目前存在Aspen plus等工业模拟系统，但由于现有模拟系统所适应的底层优化逻辑及其与反应体系的关系与MX氧化装置不同，不能直接应用于MX氧化过程的模拟，现有技术下也没有针对MX氧化装置中操作条件优化和生产过程可视化的模拟方法及模拟系统，使得间苯二甲酸工业化生产过程中的操作条件优化困难，且无法实现生产过程的可视化。

发明内容

为克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种MX氧化过程优化的模拟方法及模拟系统，可快速找到间苯二甲酸生产过程的最优操作条件，为工业化生产提供理论指导。

本发明实现上述目的的技术方案是：MX氧化过程优化的模拟方法，包括以下步骤：

S1：生成用于模拟MX氧化过程的Aspen plus模拟文件，所述模拟文件的生成步骤包括：

S11：选取物性模型；

S12：确定或修正参数，所确定或修正的参数包括MX与HAC、MX与CO

S13：优化操作条件，所优化的操作条件包括氧化反应器中的反应温度、HAC与MX的质量流量比和空气与MX的质量流量比；

S2：运行所述模拟文件。

优选的，在所述S13中，判断操作条件是否对应于单目标优化值，并在判断为是时，优化氧化反应器中的反应温度，和/或判断操作条件是否对应于多目标优化值，并在判断为是时，优化氧化反应器中的HAC与MX的质量流量比和空气与MX的质量流量比，所述单目标优化值为间苯二甲酸的收率为96.5％以上，所述多目标优化值为间苯二甲酸的收率为96.5％以上且间苯二甲酸中间羧基苯甲醛的含量小于1800ppm。

进一步的，优化的氧化反应器中的反应温度为180℃-195℃，优化的氧化反应器中的HAC与MX的质量流量比为3.0-5.1，优化的氧化反应器中的空气与MX的质量流量比为4.2-5.8。

优选的，在所述S11中，所述物性模型为NRTL-HOC物性模型，在所述S12中，MX与HAC之间的二元交互参数为2.5-4.5，MX与CO

优选的，MX氧化过程的尾气吸收塔为板式喷淋吸收塔，在所述S13中，所述操作条件还包括所述板式喷淋吸收塔中的塔板数量、液相与MX的质量流量比和液相的进料位置。

进一步的，所述板式喷淋吸收塔中的塔板的数量为6-14个，液相与MX的质量流量比为1:3.2-1:4.5，液相的进料位置为自上向下的第一个塔板和第三个塔板同时进料，气相的进料位置为自上向下的第八至十二个塔板处。

优选的，MX氧化过程中对尾气的降温及回收部分能量采用多级冷凝设备，相邻级冷凝设备的温差为30℃-40℃，所述冷凝设备可以采用现有技术下化工领域常规的冷凝设备。

优选的，所述模拟文件的模拟结果输出显示。

本发明公开的任一种MX氧化过程优化的模拟方法可以采用本发明公开的任一种MX氧化过程优化的模拟系统实施。

MX氧化过程优化的模拟系统，包括：

模拟文件生成模块，用于生成模拟MX氧化过程的Aspen plus模拟文件；

模拟文件运行模块，用于运行所述模拟文件，

所述模拟文件生成模块包括：

物性模型选取单元，用于选取物性模型；

参数修正单元，用于确定或修正参数，所确定或修正的参数包括MX与HAC、MX与CO

操作条件优化单元，用于优化操作条件，所优化的操作条件包括氧化反应器中的反应温度、HAC与MX的质量流量比和空气与MX的质量流量比。

优选的，所述模拟系统还包括判断模块，所述判断模块用于判断操作条件是否对应于单目标优化值和/或多目标优化值，当操作条件对应于单目标优化值时，调用所述操作条件优化单元，对氧化反应器中的反应温度数据进行优化，当操作条件对应于多目标优化值时，调用所述操作条件优化单元，对氧化反应器中的HAC与MX的质量流量比和空气与MX的质量流量比数据进行优化，所述单目标优化值为间苯二甲酸的收率为96.5％以上，所述多目标优化值为间苯二甲酸的收率为96.5％以上且间苯二甲酸中间羧基苯甲醛的含量小于1800ppm。

优选的，MX氧化过程的尾气吸收塔为板式喷淋吸收塔，所述操作条件优化单元还用于优化所述板式喷淋吸收塔中的塔板数量、液相与MX的质量流量比、液相的进料位置和气相的进料位置。

优选的，所述模拟系统还包括数据输出模块，用于获取或接收所述模拟文件的模拟结果并输出显示。

本发明的有益效果是：

1、适用于对MX的氧化过程进行模拟，可以快速找到生产过程的最优操作条件，为间苯二甲酸的工业化生产提供理论指导，将生产效益最大化。

2、针对现有工业模拟系统的特征，在不增加数据处理量的情形下，通过改变了模拟文件中物料的交互参数改变底层优化逻辑，由此消除了妨碍Aspen plus应用于MX氧化过程的障碍，使Aspen plus的模拟结果能够很好地与MX氧化过程的实际结果相符合，进而通过优化氧化反应器中的反应温度和进料比，保证了MX氧化产物的收率和纯度符合工业化生产目标。

3、基于本发明选取的物性模型和修正的参数，使得MX的溶解度与MX氧化过程的实验结果上下波动不超过3％，可有效保证模拟结果的准确性。

4、本发明的模拟文件能够与模拟界面、Visual Basic接口程序构成MX氧化过程优化的仿真系统，从而实现可视化生产。

附图说明

图1是本发明的模拟方法的流程图；

图2是本发明的模拟文件与模拟界面窗口、Visual Basic接口构成的可视化仿真系统的原理图；

图3是本发明的模拟系统的原理示意图。

具体实施方式

MX氧化过程包括多个工艺流程，工艺流程采用的工艺设备通常包括预热器、氧化反应器、脱水塔、冷凝系统、尾气吸收塔和空气压缩单元。预热器主要用于对原料进行加热；氧化反应器是整个工艺流程的核心，MX和空气在其中进行氧化生成间苯二甲酸；脱水塔用于除去氧化反应中生成的水；冷凝系统用于将尾气进行降温回收部分能量；尾气吸收塔主要是用水喷淋冷却后的尾气形成稀酸溶液；空气压缩单元用于空气进入氧化反应器中进行主反应。

参见图1，本发明公开了一种MX氧化过程优化的模拟方法，包括以下步骤：

S1：生成用于模拟MX氧化过程的Aspen plus模拟文件，所述模拟文件的生成步骤包括：

S11：选取物性模型；

S12：修正参数，所述参数包括MX与HAC、MX与CO

S13：优化操作条件，所述操作条件包括氧化反应器中的反应温度、HAC与MX的质量流量比和空气与MX的质量流量比；

S2：运行所述模拟文件。

在所述S11中，基于Aspen plus的MX氧化过程，可选取的物性模型有NRTL、UNIQUAC和PSRK等很多，但大部分的物性模型的模拟结果并不符合预期，其中的溶解度相较于实验偏大，经过反复实验验证之后，所述物性模型优选为NRTL-HOC物性模型。

在所述S12中，在选取的所述物性模型的基础上，结合实验数据修正参数，其中，MX与HAC之间的二元交互参数优选修正为2.5-4.5(例如，2.5、3.0或4.5)，MX与CO

在选取的所述物性模型和修正的参数的基础上进行氧化过程模拟，MX的溶解度与MX氧化过程的实验结果上下波动不超过3％，可保证模拟结果的准确性。

在所述S13中，判断是否需要实现单目标优化和/或多目标优化，当需要实现单目标优化时，即判断操作条件是否对应于单目标优化值，并在判断为是时，对氧化反应器中的反应温度数据进行优化，得出单目标优化对应的氧化反应器中的反应为温度为180℃-195℃(例如，180℃、190℃或195℃)。当需要实现多目标优化时，即判断操作条件是否对应于多目标优化值，并在判断为是时，对氧化反应器中的HAC与MX的质量流量比和空气与MX的质量流量比进行优化，得出多目标优化对应的操作条件为：氧化反应器中的HAC与MX的质量流量比为3.0-5.1(例如，3.0、3.8或5.1)，氧化反应器中的空气与MX的质量流量比为4.2-5.8(例如，4.2、5.0或5.8)。所述单目标优化值为间苯二甲酸的收率为96.5％以上，所述多目标优化值为间苯二甲酸的收率为96.5％以上且间苯二甲酸中间羧基苯甲醛的含量小于1800ppm。

所述尾气吸收塔优选为板式喷淋吸收塔，在所述S13中，优化的所述操作条件还可以包括所述板式喷淋吸收塔中的塔板数量、液相与MX的质量流量比、液相的进料位置和气相的进料位置。当对所述板式喷淋吸收塔进行优化时，得出的操作条件为：所述板式喷淋吸收塔中的塔板的数量为6-14个(例如，6个、10个或14个)，液相与MX的质量流量比为1:3.2-1:4.5(例如，1:3.2、1:4.0或1:4.5)，液相的进料位置为自上向下的第一个塔板和第三个塔板同时进料。

由于所述尾气吸收塔采用板式喷淋吸收塔，需要控制好液泛点，体现在aspen上就是需要对气液的相交位置做一个很好的判断，在优化所述尾气吸收塔时，塔板的数量通常超过8个，气相在自上向下的第8-12个塔板(视塔板的实际数量而定)中的一处或多处进料效果较好，不会超出其本来的液泛点。

所述冷凝系统优选包括多级冷凝设备，相邻级冷凝设备的温差优选为30℃-40℃(例如，30℃、35℃或40℃)，所述冷凝设备可以采用现有技术下化工领域常规的冷凝设备。

上述步骤所得的模拟结果存储在Aspen plus模拟文件中，生成最终的模拟文件，运行最终的模拟文件后结束模拟。对MX氧化过程的不同工况进行模拟可以得到多个模拟文件，为间苯二甲酸的工业化生产过程的操作条件提供理论指导。

所述模拟文件的模拟结果优选输出显示，以实现可视化生产。

本发明的MX氧化过程中采用的氧化机理为：Matlab将链式反应机理建立成为一个数学模型，通过这一步的编译可以把MX氧化的机理模型转化成Matlab中的计算机语言模型，再利用Fortran编译器把Matlab的语言进行动态编译，可以使用Microsoft visualstudio 2010进行编译，再结合Aspen自带的命令行生成dll文件，在Aspen中使用customize进行添加dll文件。

参见图2，可以利用Visual basic编写Aspen plus模拟文件与仿真界面(或称模拟界面)的接口程序，采用Aspen plus模拟文件、仿真界面和Visual basic接口程序建立一个可视化的仿真系统，Visual Basic接口程序在Aspen plus模拟文件与模拟界面之间进行链接，建立所述Aspen plus模拟文件与模拟界面间的动态联系，通过模拟界面实现模拟结果的输出显示。

模拟界面(顶层)一般用于建立一个可视化的图形界面，方便读取模拟数据，对得到的数据进行可视化的表示，提供更加多元化的调整优化方法。

在Visual Basic的窗体中添加所述模拟界面，在所述模拟界面中添加VisualBasic控件，所述Visual Basic控件包括文本框控件和命令按钮控件。所述文本框控件一般分为两类，一类是用于改变Aspen plus模拟文件输入的文本框控件，另一类是用于显示底层Aspen plus模拟文件的模拟结果的文本框控件。在用于改变所述Aspen plus模拟文件输入的文本框控件的旁边设有一个“调整参数”的命令按钮控件。

参见图3，本发明还公开了一种MX氧化过程优化的模拟系统，可以应用本发明的任一种MX氧化过程优化的模拟方法，包括：

模拟文件生成模块，用于生成模拟MX氧化过程的Aspen plus模拟文件；

模拟文件运行模块，用于运行所述模拟文件，

所述模拟文件生成模块包括：

物性模型选取单元，用于选取物性模型；

参数修正单元，用于修正参数，所述参数包括MX与HAC、MX与CO

操作条件优化单元，用于优化操作条件，所述操作条件包括氧化反应器中的反应温度、HAC与MX的质量流量比和空气与MX的质量流量比。

所述物性模型选取单元选取的物性模型优选为NRTL-HOC物性模型。

所述参数修正单元修正的参数优选为：MX与HAC之间的二元交互参数为2.5-4.5，MX与CO

所述模拟系统在在选取的所述物性模型和修正的参数的基础上进行氧化过程模拟，MX的溶解度与MX氧化过程的实验结果上下波动不超过3％，可保证模拟结果的准确性。

所述模拟系统还优选包括判断模块和数据输出模块，所述数据输出模块用于获取或接收所述模拟文件的模拟结果并输出显示，所述判断模块用于判断操作条件是否对应于单目标优化值和/或多目标优化值，当判断操作条件对应于单目标优化值(间苯二甲酸的收率为96.5％以上)时，调用所述操作条件优化单元，对氧化反应器中的反应温度数据进行优化，此时，所述数据输出模块获取或接收模拟结果数据并输出单目标优化值对应的氧化反应器中的反应温度为180℃-195℃；当判断操作条件对应于多目标优化值(间苯二甲酸的收率为96.5％以上且间苯二甲酸中间羧基苯甲醛的含量小于1800ppm)时，调用所述操作条件优化单元，对氧化反应器中的HAC与MX的质量流量比和空气与MX的质量流量比数据进行优化，此时，所述数据输出模块获取或接收模拟结果数据并输出多目标优化值对应的操作条件为：氧化反应器中的HAC与MX的质量流量比为3.0-5.1，氧化反应器中的空气与MX的质量流量比为4.2-5.8。

所述操作条件优化单元优化的操作条件还可以包括所述板式喷淋吸收塔中的塔板数量、液相与MX的质量流量比和液相的进料位置。当所述操作条件优化单元对所述板式喷淋吸收塔进行优化时，得出：所述板式喷淋吸收塔中的塔板的数量为6-14个，液相与MX的质量流量比为1:3.2-1:4.5，液相的进料位置为自上向下的第一个塔板和第三个塔板同时进料。

采用所述模拟系统对MX氧化过程进行模拟，可以快速找到生产过程的最优操作条件，将生产效益最大化。