張東輝，沈圓輝，吳麗梅，孫偉娜，周 言

(1.天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072；2.化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué))，天津 300072；3.吉林石化工程設(shè)計(jì)有限公司，吉林 132002)

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對二甲苯模擬移動床分離過程的模擬與優(yōu)化

張東輝1,2，沈圓輝1,2，吳麗梅3，孫偉娜1,2，周 言1,2

(1.天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072；2.化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué))，天津 300072；3.吉林石化工程設(shè)計(jì)有限公司，吉林 132002)

摘 要：對國內(nèi)外模擬移動床的研究狀況及模擬移動床的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了簡短的綜述，基于Aspen Chromatography軟件，以對二甲苯模擬移動床吸附分離過程為研究對象，結(jié)合實(shí)際工況數(shù)據(jù)，采用模擬移動床SMB模型，對模擬移動床吸附分離過程進(jìn)行設(shè)計(jì)與模擬，抽取液中對二甲苯的純度高達(dá)99.98%,，收率高達(dá)98.08%,.考察了切換時(shí)間(ts)、抽取液流量(QE)、進(jìn)料量(QF)、吸附劑鈍化以及管路死體積對吸附分離過程的影響.模擬結(jié)果表明：借助于Aspen Chromatography，采用SMB模型能較好地描述模擬移動床分離過程的真實(shí)情況，對模擬移動床分離過程的工藝設(shè)計(jì)、優(yōu)化及操作具有重要的指導(dǎo)意義.

關(guān)鍵詞：模擬移動床；Aspen Chromatography；對二甲苯；仿真；優(yōu)化

模擬移動床(simulated moving bed，SMB)是UOP公司于1961年提出的一種吸附分離技術(shù)，通過周期性切換進(jìn)出口物料的位置模擬移動床內(nèi)流動相與固相逆向運(yùn)動，相比于批量制備色譜具有質(zhì)量傳遞推動力強(qiáng)、固定相利用率高、溶劑消耗少以及連續(xù)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)[1].SMB的應(yīng)用最初主要集中于石油化工與制糖工業(yè)，工業(yè)化成熟的模擬移動床分離工藝主要包括：采用離子交換樹脂為固定相，分離玉米糖漿中葡萄糖-果糖的UOP-Sarex工藝；以K-BaX/Y分子篩為吸附劑、對二乙苯為解吸劑，混合二甲苯中分離對二甲苯的美國UOP-Parex、日本Toray-Aromax和法國IFP-Eluxyl工藝，這3種工藝的主要差異在于Parex工藝采用旋轉(zhuǎn)閥切換進(jìn)出口物料的位置，而Aromax和Eluxyl工藝在順控系統(tǒng)(sequence controlsystem，SCS)的控制下，通過開關(guān)閥的切換來改變物料進(jìn)出床層的位置，實(shí)現(xiàn)固液相模擬移動.20世紀(jì)90年代初，模擬移動床被引入精細(xì)化學(xué)品分離行業(yè)，尤其在手性藥物和生物制品分離領(lǐng)域成果顯著，迎來了模擬移動床技術(shù)發(fā)展的新時(shí)代.研究者對常規(guī)的SMB進(jìn)行了改進(jìn)和提升，進(jìn)一步提高了分離性能，開發(fā)一系列新型SMB，拓展了SMB的應(yīng)用范圍，國內(nèi)外均有綜述型文獻(xiàn)對其進(jìn)行了報(bào)道[2-4].

隨著模擬移動床技術(shù)在分離領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，國內(nèi)大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)也紛紛對其開展了一系列的研究.浙江大學(xué)Wei等[5-6]報(bào)道了溶劑梯度三區(qū)SMB從三組分或四組分中分離中間組分，合理地選擇洗脫液和進(jìn)料液的溶劑強(qiáng)度，使Ⅱ區(qū)洗脫強(qiáng)度高于Ⅲ區(qū)，中等保留組分在Ⅱ區(qū)內(nèi)隨流動相前進(jìn)，在Ⅲ區(qū)跟隨柱子的切換而后退，即中等保留組分被截留在Ⅱ區(qū)與Ⅲ區(qū)內(nèi)，從而與弱組分強(qiáng)組分相分離.華東理工大學(xué)Shen等[7]報(bào)道了液相SMB分離石腦油中正構(gòu)烷烴與非正構(gòu)烷烴，脫溶劑脫附油中正構(gòu)烷烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)到98%,，脫溶劑吸余油中非正構(gòu)烷烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)到92%,.遼寧科技大學(xué)Wang等[8]報(bào)道了以C-18鍵合硅膠為固定相、甲醇/水為流動相，溶劑梯度的開環(huán)三區(qū)SMB分離茶多酚中的兒茶素，分離過程分為兩步：第1步通過模擬移動床將茶多酚中的重組分與含有兒茶素的輕組分分離；第2步將兒茶素與輕組分分離，抽取液中兒茶素的純度為97.8%,，收率可達(dá)到99.8%,.吳獻(xiàn)東等[9]報(bào)道了基于NSGA-Ⅱ算法，以分離聯(lián)萘酚對映體的模擬移動床色譜分離過程作為研究對象，采用真實(shí)移動床(true moving bed，TMB)數(shù)學(xué)模型，以分離性能指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行模擬移動床多目標(biāo)操作優(yōu)化設(shè)計(jì).錢鋒等[10]報(bào)道了采用TMB模型模擬對二甲苯模擬移動床吸附分離過程，并分析了區(qū)域回流比對產(chǎn)品質(zhì)量的影響.石油化工科學(xué)研究院對對二甲苯(PX)吸附劑進(jìn)行了長期的研究，相繼開發(fā)了RAX-2000A與RAX-3000,PX吸附劑，并進(jìn)行了小試、中試以及工業(yè)化Parex裝置的實(shí)驗(yàn)，各項(xiàng)考核結(jié)果達(dá)到相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)，打破了該領(lǐng)域長期被國外公司壟斷的市場格局，對我國芳烴生產(chǎn)技術(shù)的長遠(yuǎn)發(fā)展具有重要意義[11-12].

模擬移動床分離過程由于其過程操作變量的強(qiáng)耦合性、工藝機(jī)理的復(fù)雜性，使得模擬移動床在設(shè)計(jì)過程中操作條件的選擇(如各區(qū)的流速、閥切換時(shí)間、操作溫度、壓力以及設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)定)尤為困難.目前，模擬移動床的設(shè)計(jì)方法主要有以下3種.瑞士Mazzotti等[13-15]基于平衡理論的分析，提出了“三角形理論”方法，報(bào)道了線性或非線性的吸附體系及平衡或非平衡體系模擬移動床的模型參數(shù)與操作參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，最終分析可得模擬移動床Ⅱ區(qū)與Ⅲ區(qū)液固相流速比構(gòu)成可行性分離區(qū)域(呈三角形狀).美國普渡大學(xué)Wang 等[16-17]在模擬移動床設(shè)計(jì)過程中提出了“駐波分析”方法，分析可得到產(chǎn)品純度收率與模擬移動床各區(qū)長度、固相流速、液相流速、床層容量因子及傳遞系數(shù)相關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)方程，結(jié)合初始與邊界條件可以解得SMB的設(shè)計(jì)與操作參數(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)對模型進(jìn)一步修正，得到穩(wěn)定可靠的模型，用于SMB駐波優(yōu)化設(shè)計(jì)與模擬.葡萄牙波爾圖大學(xué)Rodrigues等[18]在模擬移動床設(shè)計(jì)過程中考慮了質(zhì)量傳遞阻力的影響，提出“separation volume”設(shè)計(jì)方法，考察了Ⅰ區(qū)、Ⅳ區(qū)的操作參數(shù)對Ⅱ區(qū)與Ⅲ區(qū)液固相流速比構(gòu)成可行性分離區(qū)域的影響.在對二甲苯模擬與優(yōu)化方面，Rodrigues等[19-21]基于gPROMS平臺，模擬了對二甲苯模擬移動床吸附分離過程，并提出了兩步優(yōu)化策略；開發(fā)對二甲苯模擬移動床耦合反應(yīng)器，即二甲苯的分離與異構(gòu)化同時(shí)進(jìn)行，提升了對二甲苯的產(chǎn)率及收率.韓國漢陽大學(xué)Lim等[22-23]通過模擬著重分析對二甲苯模擬移動床裝置中死體積對分離效果的影響.模型中將裝置中的死體積單元化，建立額外的死體積單元的節(jié)點(diǎn)模型，模擬比較了四區(qū)模擬移動床(無管路沖洗)與七區(qū)模擬移動床(引入一次及二次管路沖洗)操作策略，在保證收率的情況下，七區(qū)模型中一次管路沖洗與二次管路沖洗的引入，使對二甲苯的純度得到提高.同時(shí)，Lim等在七區(qū)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了八區(qū)模擬移動床，以提高對二甲苯的收率與純度.

混合二甲苯吸附平衡動力學(xué)參數(shù)以及建模工藝參數(shù)的缺乏，使國內(nèi)鮮有文獻(xiàn)報(bào)道對二甲苯模擬移動床的設(shè)計(jì)、優(yōu)化及操作.在實(shí)際生產(chǎn)過程中，針對引入的生產(chǎn)裝置操作與管理主要依賴于原設(shè)計(jì)參數(shù)和操作經(jīng)驗(yàn)，為保證產(chǎn)品質(zhì)量與工藝的可運(yùn)行性，操作往往偏于保守，工藝裝置的運(yùn)行無法到達(dá)最佳工況.結(jié)合筆者實(shí)驗(yàn)室長期從事吸附分離工藝模擬與優(yōu)化的經(jīng)驗(yàn)，基于上述問題，通過建立SMB的物理模型和數(shù)學(xué)模型，對SMB進(jìn)行模擬，深入分析SMB分離過程，對SMB的設(shè)計(jì)、操作及優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義.本文基于Aspen Chromatography平臺，結(jié)合某石化公司所提供的模擬移動床工藝設(shè)計(jì)參數(shù)和吸附劑相關(guān)數(shù)據(jù)，以對二甲苯模擬移動床吸附分離過程為研究對象進(jìn)行了設(shè)計(jì)與模擬，并探討了工藝操作條件對分離效果的影響.

1　模擬移動床分離過程

圖1為UOP-Parex對二甲苯模擬移動床操作示意，其核心部件為吸附塔和24通旋轉(zhuǎn)閥，吸附塔內(nèi)由12個(gè)吸附床層構(gòu)成，每個(gè)吸附床層上部安裝有液體分布器，下部安裝有液體“收集器”.床層通過管線與24通旋轉(zhuǎn)閥相連接，由程序控制旋轉(zhuǎn)閥的切換時(shí)間，沿液相流動方向定期切換物料進(jìn)出口位置，模擬固定相與流動相的逆向運(yùn)動.吸附分離過程中，在吸附劑的選擇吸附性和對二乙苯(PDEB)的脫附作用下，強(qiáng)吸附組分對二甲苯(PX)富集于抽取液，弱吸附組分間二甲苯(MX)、鄰二甲苯(OX)和乙苯(EB)富集于抽余液.實(shí)際生成過程中，為了避免各流股在管道內(nèi)殘留所引起的污染，引入一次沖洗流股和二次沖洗流股，以保證對二甲苯的純度和收率，各流股將對二甲苯模擬移動床劃分為7個(gè)區(qū)，但從各區(qū)的功能仍可以視為傳統(tǒng)的四區(qū)，Ⅰ區(qū)～Ⅳ區(qū)的床層數(shù)分配為7-9-5-3.

圖1　對二甲苯模擬移動床操作示意Fig.1 Schematic diagram of simulated moving bed for pxylene separation

Ⅰ區(qū)(吸附區(qū))：位于進(jìn)料口與抽余液出口之間，吸附對二甲苯，防止對二甲苯進(jìn)入抽余液中，以保證對二甲苯的高收率.

Ⅱ區(qū)(精制區(qū))：位于抽取液出口與進(jìn)料口之間，通過強(qiáng)吸附組分對二甲苯和對二乙苯將滯留在Ⅱ區(qū)的弱吸附組分置換出去，以保證對二甲苯的高純度.

Ⅲ區(qū)(解析區(qū))：位于解吸劑進(jìn)口與抽取液出口之間，解吸劑對二乙苯將對二甲苯從吸附劑解析，完成吸附劑的再生，從底部取出富含對二甲苯的抽取液，部分解析液回流至Ⅱ區(qū).

Ⅳ區(qū)(緩沖區(qū))：位于抽余液出口與解吸劑進(jìn)口之間，進(jìn)一步吸附弱吸附組分，實(shí)現(xiàn)解吸劑的再生.

2　模型建立

本文基于Aspen Chromatography模擬平臺建立對二甲苯模擬移動床分離過程模型，為了模擬實(shí)際生產(chǎn)過程中物料進(jìn)出口位置的真實(shí)切換，選用SMB模型.利用數(shù)學(xué)模型描述質(zhì)量守恒與動力學(xué)傳質(zhì)過程，模擬過程中，采用了有限元正交配置法在空間上對吸附床層進(jìn)行離散，并對模型進(jìn)行了如下假設(shè)：

(1)液體在吸附塔內(nèi)的流動遵循軸向擴(kuò)散模型，忽略徑向擴(kuò)散；

(2)吸附動力學(xué)模型采用線性推動力模型；

(3)吸附等溫線采用擴(kuò)展Langmuir方程；

(4)床層填充均勻，床層的空隙率、顆粒直徑和孔隙率保持不變；

(5)傳質(zhì)系數(shù)和物化參數(shù)與液相組成無關(guān)；

(6)忽略熱效應(yīng)和床層壓降.

液相物料守恒方程為

傳質(zhì)驅(qū)動力方程為

多組分吸附等溫線方程為

初始條件為

邊界條件為

式中：ε為吸附劑床層的孔隙率；ci,j為j區(qū)組分i液相的濃度；qi,j為j區(qū)組分i固相吸附量；t為時(shí)間變量；z為軸向坐標(biāo)；ρp為吸附劑固相密度；DL,j為軸向擴(kuò)散系數(shù)；vj為j區(qū)內(nèi)液相流速；kL,i為組分i的傳質(zhì)系數(shù)；q*為與液相濃度平衡的固相濃度；qm,i為組分i飽和

i,j吸附量；Ki為組分i的吸附平衡常數(shù)；Lj為j區(qū)吸附床層的高度.

進(jìn)出口節(jié)點(diǎn)模型方程如下.

原料進(jìn)口節(jié)點(diǎn)方程為

抽取液出口節(jié)點(diǎn)方程為

二次沖洗液入口節(jié)點(diǎn)方程為

一次沖洗液入口節(jié)點(diǎn)方程為

解吸劑入口節(jié)點(diǎn)方程為

一次沖洗出口節(jié)點(diǎn)方程為

抽余液出口節(jié)點(diǎn)方程為

式中：Qj(j＝Ⅰ，ⅡA，Ⅱ，ⅡB，ⅢA，Ⅳ)為各區(qū)的流量；Q(F,E,D,R,X,H)分別為進(jìn)料、抽取液、洗脫液、抽余液、一次沖洗以及二次沖洗的流量；cin/out(j=Ⅰ，ⅡA，

i,jⅡ，ⅡB，ⅢA，Ⅳ)為各區(qū)的進(jìn)出口處組分i的濃度；ci,(F,E,D,R,X,H)分別為進(jìn)料、抽取液、洗脫液、抽余液、一次沖洗以及二次沖洗中組分i的濃度.

模擬移動床吸附分離效果的評價(jià)參數(shù)：抽取液中PX純度，PX收率；吸附劑的PX產(chǎn)率；解吸劑的消耗.

抽取液中PX的純度(PUX，%,)為

PX的收率(REX，%,)為

解吸劑PDEB的消耗(DC，m3/kg)為

吸附劑的PX產(chǎn)率(PR，kg/(m3·h))為

循環(huán)穩(wěn)態(tài)的判定條件為

式中：cE(PX,MX,OX,EB)分別為抽取液中對二甲苯、鄰二甲苯、間二甲苯以及乙苯的濃度；Vs為吸附塔內(nèi)吸附劑體積；ck為模擬移動床第k次循環(huán)運(yùn)行時(shí)，抽取

i,E/R液或抽余液中組分i的平均濃度.

本實(shí)驗(yàn)?zāi)M對象為某石化公司的對二甲苯模擬移動床分離過程，模擬移動床的結(jié)構(gòu)尺寸、床層分布及操作條件主要依據(jù)該公司所提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，吸附劑物化性質(zhì)與石科院RAX-2000A相近[12].模擬移動床的操作工況及模型參數(shù)詳見表1.經(jīng)簡化處理，混合二甲苯原料組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))：14.2%,乙苯，45.7%,間二甲苯，19.6%,鄰二甲苯以及20.5%,對二甲苯，解吸劑為對二乙苯，二次沖洗液為對二乙苯.

表1　模擬移動床操作工況及模型參數(shù)Tab.1 SMB operation conditions and model parameters

3　模擬結(jié)果與討論

圖2為模擬移動床運(yùn)行40周期后，充分達(dá)到循環(huán)穩(wěn)態(tài)，t＝1,120,s時(shí)液相各組分沿吸附床層軸向含量分布.由圖可見，在Ⅰ區(qū)內(nèi)進(jìn)料后的PX被優(yōu)先吸附，液相中PX含量沿軸向逐漸降低，至Ⅰ區(qū)末端，抽余液中PX的質(zhì)量分?jǐn)?shù)已降至0.8%,以下，表明吸附劑有足夠的吸附容量和較快的PX吸附速率；進(jìn)入Ⅱ區(qū)后，液相PX含量明顯增加，其余C8芳烴同分異構(gòu)體含量迅速減少，相應(yīng)吸附相中的PX純度得到逐步的提高，表明了吸附劑具有良好的選擇；Ⅲ區(qū)反映了吸附相中PX的脫附現(xiàn)象，從曲線的變化可知，使用PDEB為脫附劑，吸附劑具有較快的PX脫附速率.模擬結(jié)果：抽取液中的PX純度為99.98%,，收率為98.08%,，解析劑消耗為0.008,22,m3/kg，吸附劑的產(chǎn)率為97.81,kg/(m3·h).表2為石化公司提供的實(shí)際生產(chǎn)參數(shù)與本文設(shè)計(jì)參數(shù)的對比.

圖2　吸附劑床層液相組分含量的分布Fig.2 Distribution of liquid phase composition in absorbent bed

表2　模擬移動床生產(chǎn)參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)的對比Tab.2 Comparison of the production parameters and design parameters

3.1切換時(shí)間對SMB分離效果的影響

在其他操作條件不變的情況下，考察切換時(shí)間對模擬移動床分離效果的影響，如圖3所示，同時(shí)獲取高純度和高收率，切換時(shí)間操作范圍較為狹窄.切換時(shí)間反映了固相吸附劑與液體流動相的接觸時(shí)間，切換時(shí)間過短，吸附床層利用率低，強(qiáng)吸附組分從液相傳遞至吸附相及置換弱吸附組分效果受限，對二甲苯純度偏低；反之，切換時(shí)間過長，過多的對二甲苯損失于抽余液中，對二甲苯的收率下降.盡管縮短切換時(shí)間，可以提高吸附塔的生產(chǎn)能力，但受吸附劑的吸附和解吸速度的限制以及流體速度分布的制約，將直接影響吸附劑的吸附效果與解析效果，分離能力反而下降.由此可見，模擬移動床分離過程對切換時(shí)間的變化非常敏感，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，應(yīng)盡量避免外部因素造成切換時(shí)間的波動.

圖3　切換時(shí)間對對二甲苯分離效果的影響Fig.3 Effect of the switching time on p-xylene separation

3.2抽取液流量對SMB分離效果的影響

圖4　抽取液流量對對二甲苯分離效果的影響Fig.4 Effect of the extract flow rate on p-xylene separation

3.3進(jìn)料量對SMB分離效果的影響

保持其他操作條件不變，由物料平衡，抽余液流量隨進(jìn)料量變化而變化.進(jìn)料量對模擬移動床吸附分離效果的影響如圖5所示.增大進(jìn)料量，明顯改善吸附劑的PX產(chǎn)率與解吸劑的消耗，但PX的收率呈下降趨勢.QF的增大，意味Ⅰ區(qū)床層對原料液的處理量的增大，QF增大至一定程度后，受吸附區(qū)(Ⅰ區(qū))吸附容量的限制，抽余液中PX含量上升，降低了PX的收率.隨著QF的進(jìn)一步增大，受緩沖區(qū)(Ⅳ區(qū))吸附能力的限制，Ⅳ區(qū)床層無法完成解吸劑的再生，含有弱吸附組分(MX、OX、EB)的解吸劑循環(huán)至Ⅲ區(qū)，對吸附PX飽和的床層解析，降低了抽取液中PX純度.

圖5　進(jìn)料量對對二甲苯分離效果的影響Fig.5 Effect of the feed flow rate on p-xylene separation

圖6　吸附劑鈍化對對二甲苯分離效果的影響Fig.6 Effect of the adsorbent deactivation on p-xylene separation

3.4吸附劑鈍化對SMB分離效果的影響

裝載新鮮PX吸附劑的模擬移動床裝置的運(yùn)行周期約為10年，長時(shí)間的運(yùn)行，部分吸附劑中毒、失活、顆粒磨損等，是吸附劑吸附能力及選擇性下降、傳質(zhì)阻力增加的重要因素.吸附劑的鈍化程度影響著PX純度和收率，甚至可能導(dǎo)致整個(gè)裝置的停工.因此，通過模擬計(jì)算考察吸附劑鈍化對分離過程的影響及相應(yīng)的補(bǔ)償措施對實(shí)際生產(chǎn)過程有著重要的指導(dǎo)意義.筆者建模過程中，主要將吸附劑的鈍化視為吸附劑吸附量的下降進(jìn)行模擬計(jì)算.圖6為吸附劑鈍化程度(飽和吸附量/最初的飽和吸附量)對分離效果的影響.維持工藝操作條件不變，鈍化程度增加，PX收率與產(chǎn)率下降嚴(yán)重，解吸劑消耗增加.PX的純度始終維持在99%,以上，但抽取液中PX的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯下降，充分表明吸附劑的鈍化惡化了模擬移動床吸附分離效果.為維持工藝操作條件(各區(qū)內(nèi)流速及外部物料的流量)不變，從移動床角度分析，吸附劑飽和吸附量的下降，可通過提升固定相流動速率，以減少吸附劑的原液處理量，以改善工藝分離效果.在模擬移動床中，則可通過縮短切換時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)移動床固定相流動速度提升的效果.隨后考察了縮短切換時(shí)間對吸附劑鈍化的補(bǔ)償效果，結(jié)果見表3，縮短切換時(shí)間能有效地彌補(bǔ)吸附劑鈍化所帶來的影響，且在實(shí)際工藝操作中易實(shí)施.表3為PX吸附劑飽和吸附量為新鮮吸附劑飽和吸附量的80%,時(shí)，ts＝70.0,s 與ts＝67.9,s分離效果的對比.

表3　ts＝70.0,s與ts＝67.9,s分離效果的對比Tab.3 Comparison of p-xylene seperation when ts＝70.0,s and ts＝67.9,s

3.5管路死體積對SMB分離效果的影響

Parex模擬移動床裝置，吸附塔的每個(gè)床層與24通閥通過單一管路相連接，意味著同一管路既用于進(jìn)料，又用于出料，管路內(nèi)殘留的組分直接影響到抽取液中PX 的純度.通過模擬四區(qū)模擬移動床(取消模型中一次沖洗和二次沖洗流股)，考察管路死體積對模擬移動床吸附分離效果的影響.圖7為管路總體積占吸附床層總體積0～10%,范圍內(nèi)，對抽取液中PX純度、收率、解吸劑的消耗以及產(chǎn)率的影響.管路體積占床層體積分?jǐn)?shù)從0增至10%,，收率從98.10%,降至96.31%,，產(chǎn)率從97.82%,降至96.05%,，解吸劑的消耗從0.008 22,m3/kg增至0.008 37,m3/kg，管路死體積對以上三者的影響并不顯著.分析抽取液中PX純度的變化，從99.99%,降至93.55%,，死體積分?jǐn)?shù)為0.5%,時(shí)，PX純度降為99.50%,，可見管路死體積對抽取液PX純度的影響非常明顯，進(jìn)一步表明在實(shí)際生產(chǎn)過程中引入沖洗管路流股的必要性.此外，一次沖洗及二次沖洗流股的流量則需要進(jìn)一步優(yōu)化.

圖7　管道死體積對對二甲苯分離效果的影響Fig.7 Effect of the pipe line dead volume on p-xylene separation

4　結(jié) 論

(1)本文以對二甲苯模擬移動床工業(yè)生產(chǎn)裝置工況數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立了對二甲苯模擬移動床吸附分離過程的動態(tài)分離模型；模擬結(jié)果表明：對二甲苯純度可達(dá)99.98%,，收率可達(dá)98.08%,，設(shè)計(jì)操作參數(shù)與實(shí)際工況操作參數(shù)相近，能較好地描述模擬移動床動態(tài)分離過程，對于對二甲苯模擬移動床吸附分離過程的設(shè)計(jì)、操作、調(diào)優(yōu)具有指導(dǎo)意義.

(2)通過考察切換時(shí)間、QE、QF對模擬移動床分離效果的影響發(fā)現(xiàn)：模擬移動床分離效果對切換時(shí)間十分敏感，實(shí)際生產(chǎn)過程應(yīng)盡量避免切換時(shí)間的波動；QE調(diào)節(jié)表明Ⅲ區(qū)至Ⅱ區(qū)回流比是影響產(chǎn)品純度和收率的重要因素；在一定范圍內(nèi)增加QF，明顯改善吸附劑的產(chǎn)率與解吸劑的消耗，對PX的純度影響不大，但PX的收率顯著下降.

(3)通過考察吸附劑的鈍化與管路死體積對模擬移動床分離效果的影響，模擬表明隨著吸附劑吸附飽和吸附量的下降，吸附分離效果明顯下降.進(jìn)一步考察發(fā)現(xiàn)縮短閥切換時(shí)間，能有效改善模擬移動床吸附分離效果.管路死體積占吸附床層總體積分?jǐn)?shù)的增加，對PX收率、解吸劑的消耗以及吸附劑的產(chǎn)率影響并不顯著；但PX的純度下降十分明顯.

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(責(zé)任編輯：田 軍)

Simulation and Optimization of Simulated Moving Bed for the Separation of p-Xylene

Zhang Donghui1,2，Shen Yuanhui1,2，Wu Limei3，Sun Weina1,2，Zhou Yan1,2
(1.School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.State Key Laboratory of Chemical Engineering(Tianjin University)，Tianjin 300072，China；3.Jilin Petro-Chemical Engineering Design Company Limited，Jilin 132002，China)

Abstract：A short review of recent progress in the field of SMB technology around the world was presented,as well as the simulation method of SMB processes.By using the data obtained from real industry working conditions and the model of SMB,a simulated moving bed process for industrial xylene isomers separation was simulated successfully with Aspen Chromatography software.Results show that the purity and yield of p-xylene(PX)product can reach 99.98% and 98.08% respectively.The effects of switching time,flow rates of the feed and extraction,deactivation of adsorbent and pipe line dead volume on the separation performance were then investigated.The results show that the model SMB in Aspen Chromatography can reflect the real conditions of SMB separation exactly,which can be of great importance in facilitating the design,optimization and operation of a simulated moving bed.

Keywords：simulated moving bed；Aspen Chromatography；p-xylene(PX)；simulation；optimization

通訊作者：沈圓輝，975163427@qq.com.

作者簡介：張東輝（1971—），男，博士，副教授，donghuizhang@tju.edu.cn.

基金項(xiàng)目：天津市科技支撐資助項(xiàng)目(2009F3-0005).

收稿日期：2014-10-09；修回日期：2014-12-18.

DOI:10.11784/tdxbz201410008

中圖分類號：TQ028

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：0493-2137(2016)03-0279-08

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2015-03-12.網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20150312.0931.003.html.