[发明专利]一种工业装置对二甲苯氧化反应过程多目标优化运行方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种过程优化运行方法，尤其是一种工业装置对二甲苯氧化反应过程多目标 优化运行方法。

背景技术

精对苯二甲酸(Purified Terephthalic Acid，以下简称PTA)是合成聚酯纤维和塑料的重要 原料，主要用来合成聚酯的中间体苯二甲酸乙二醇。PTA生产工艺主要分为对二甲苯 (p-Xylene，简称PX)氧化反应过程和粗对苯二甲酸加氢精制反应过程。图1是PTA生产过 程中PX氧化反应过程的工艺简图。PX氧化反应过程，是一个以PX为反应物、醋酸为溶剂、 醋酸钴、醋酸锰为催化剂、溴化物为促进剂、空气中的氧为氧化剂的反应，最终产品为对苯 二甲酸。PX氧化过程非常复杂，是高温高压下的气液固三相反应。反应过程中涉及到气液的 传热、传质、液相中的自由基催化反应、固体结晶及淤浆悬浮等化学工程问题。PX氧化反应 在PTA生产中处于核心地位，直接关系到PTA产品的质量、产量及收率。

研究表明，PX氧化反应过程极其复杂，存在多种反应，主反应是一串级的复杂反应，主 反应产生的副产物主要是对羧基苯甲醛(4-CBA)，对甲基苯甲酸(PT酸)和对甲基苯甲醛 (TALD)。副反应主要是溶剂醋酸和反应原理PX的燃烧反应，副反应产物主要是一氧化碳 (CO)、二氧化碳(CO₂)和水。对于PX氧化反应过程，副产物4-CBA的含量必须进行控 制，4-CBA含量过高将使产品着色，严重影响产品品质；同时，醋酸和PX的燃烧损失是一 个重要的经济指标，应该有效控制醋酸和PX的燃烧反应程度，从而减少醋酸和PX的单耗。

由于PX氧化反应的复杂性，反应体系中有中间产物和副产物，对所有的组分都加以考 虑，无论从分析角度、模型计算角度还是优化运行角度都是不现实的；但如果只考虑4-CBA 含量的优化，忽略主要的燃烧副反应的优化，会造成额外的经济损失。因此，在工业PX氧 化反应过程操作中，应当兼顾产品质量和燃烧损失。到目前为止还没有很好的适用于PX氧 化反应过程的优化运行方法。

发明内容

本发明提供了一种工业装置PX氧化反应过程的多目标优化运行方法，此方法基于PX 液相催化反应动力学模型(专利授权号：ZL 02 1 48477.5)和醋酸、PX燃烧损失模型(申请 号：200410024901.0，公开号：CN 1704751A)，应用基于精英选择和个体迁移的多目标进化 算法(国家软件著作权，登记号：2008SR05765)，根据实际工业生产目标，对工艺操作条件 进行优化，以达到对PX氧化反应过程进行准确描述和实现工业生产节能降耗的目的。

一种工业装置PX氧化反应过程优化运行方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

①确定工业装置PX氧化反应过程多目标优化的目标函数和优化变量；

②设定基于精英选择和个体迁移的多目标进化算法的参数；

③采集工业反应器数据；

④基于PX液相催化反应动力学模型和醋酸、PX燃烧损失模型，利用基于精英选择 和个体迁移的多目标进化算法，对操作条件参数进行优化，直至达到优化目标， 包括以下步骤：

a)针对每个优化目标，随机生成相应单目标子种群；

b)计算每个单目标子种群所有个体的目标函数值，基于Pareto最优解定义， 比较所有单目标子种群中的所有个体，获得初始Pareto最优解，并保存 到精英种群中，所述目标函数为：基于PX液相催化反应动力学模型，最 小化4-CBA含量；基于醋酸、PX燃烧损失模型，最小化醋酸燃烧损失 和最小化PX燃烧损失；

c)对于多目标优化问题中的第一个目标，从相应的单目标子种群和Pareto 最优精英种群的并集中，选出该目标最好的个体作为该子种群的父个体； 重复前述选择过程直至所有单目标子种群的父个体都选择完毕；

d)分别在每个单目标子种群的父个体上，应用交叉和变异算子，获得本次 循环的单目标子种群；

e)在Pareto精英种群中应用交叉和变异，产生子种群数量个新的个体；

f)基于Pareto最优的概念，将所有本次循环的单目标子种群中的个体及精 英种群进化得到的子种群数量个新个体分别和前次循环的Pareto最优精 英种群中的个体进行比较，得到本次循环的Pareto最优精英种群；

g)重复步骤c)-f)直至进化达到优化目标；