对二甲苯模拟移动床分离过程的模拟与优化

张东辉，沈圆辉，吴丽梅，孙伟娜，周 言

(1.天津大学化工学院，天津 300072；2.化学工程联合国家重点实验室(天津大学)，天津 300072；3.吉林石化工程设计有限公司，吉林 132002)



对二甲苯模拟移动床分离过程的模拟与优化

张东辉1,2，沈圆辉1,2，吴丽梅3，孙伟娜1,2，周 言1,2

(1.天津大学化工学院，天津 300072；2.化学工程联合国家重点实验室(天津大学)，天津 300072；3.吉林石化工程设计有限公司，吉林 132002)

摘 要：对国内外模拟移动床的研究状况及模拟移动床的设计方法进行了简短的综述，基于Aspen Chromatography软件，以对二甲苯模拟移动床吸附分离过程为研究对象，结合实际工况数据，采用模拟移动床SMB模型，对模拟移动床吸附分离过程进行设计与模拟，抽取液中对二甲苯的纯度高达99.98%,，收率高达98.08%,.考察了切换时间(ts)、抽取液流量(QE)、进料量(QF)、吸附剂钝化以及管路死体积对吸附分离过程的影响.模拟结果表明：借助于Aspen Chromatography，采用SMB模型能较好地描述模拟移动床分离过程的真实情况，对模拟移动床分离过程的工艺设计、优化及操作具有重要的指导意义.

关键词：模拟移动床；Aspen Chromatography；对二甲苯；仿真；优化

模拟移动床(simulated moving bed，SMB)是UOP公司于1961年提出的一种吸附分离技术，通过周期性切换进出口物料的位置模拟移动床内流动相与固相逆向运动，相比于批量制备色谱具有质量传递推动力强、固定相利用率高、溶剂消耗少以及连续化生产等优点[1].SMB的应用最初主要集中于石油化工与制糖工业，工业化成熟的模拟移动床分离工艺主要包括：采用离子交换树脂为固定相，分离玉米糖浆中葡萄糖-果糖的UOP-Sarex工艺；以K-BaX/Y分子筛为吸附剂、对二乙苯为解吸剂，混合二甲苯中分离对二甲苯的美国UOP-Parex、日本Toray-Aromax和法国IFP-Eluxyl工艺，这3种工艺的主要差异在于Parex工艺采用旋转阀切换进出口物料的位置，而Aromax和Eluxyl工艺在顺控系统(sequence controlsystem，SCS)的控制下，通过开关阀的切换来改变物料进出床层的位置，实现固液相模拟移动.20世纪90年代初，模拟移动床被引入精细化学品分离行业，尤其在手性药物和生物制品分离领域成果显著，迎来了模拟移动床技术发展的新时代.研究者对常规的SMB进行了改进和提升，进一步提高了分离性能，开发一系列新型SMB，拓展了SMB的应用范围，国内外均有综述型文献对其进行了报道[2-4].

随着模拟移动床技术在分离领域的应用越来越广泛，国内大学及研究机构也纷纷对其开展了一系列的研究.浙江大学Wei等[5-6]报道了溶剂梯度三区SMB从三组分或四组分中分离中间组分，合理地选择洗脱液和进料液的溶剂强度，使Ⅱ区洗脱强度高于Ⅲ区，中等保留组分在Ⅱ区内随流动相前进，在Ⅲ区跟随柱子的切换而后退，即中等保留组分被截留在Ⅱ区与Ⅲ区内，从而与弱组分强组分相分离.华东理工大学Shen等[7]报道了液相SMB分离石脑油中正构烷烃与非正构烷烃，脱溶剂脱附油中正构烷烃质量分数可达到98%,，脱溶剂吸余油中非正构烷烃质量分数可达到92%,.辽宁科技大学Wang等[8]报道了以C-18键合硅胶为固定相、甲醇/水为流动相，溶剂梯度的开环三区SMB分离茶多酚中的儿茶素，分离过程分为两步：第1步通过模拟移动床将茶多酚中的重组分与含有儿茶素的轻组分分离；第2步将儿茶素与轻组分分离，抽取液中儿茶素的纯度为97.8%,，收率可达到99.8%,.吴献东等[9]报道了基于NSGA-Ⅱ算法，以分离联萘酚对映体的模拟移动床色谱分离过程作为研究对象，采用真实移动床(true moving bed，TMB)数学模型，以分离性能指标作为目标函数进行模拟移动床多目标操作优化设计.钱锋等[10]报道了采用TMB模型模拟对二甲苯模拟移动床吸附分离过程，并分析了区域回流比对产品质量的影响.石油化工科学研究院对对二甲苯(PX)吸附剂进行了长期的研究，相继开发了RAX-2000A与RAX-3000,PX吸附剂，并进行了小试、中试以及工业化Parex装置的实验，各项考核结果达到相应技术指标，打破了该领域长期被国外公司垄断的市场格局，对我国芳烃生产技术的长远发展具有重要意义[11-12].

模拟移动床分离过程由于其过程操作变量的强耦合性、工艺机理的复杂性，使得模拟移动床在设计过程中操作条件的选择(如各区的流速、阀切换时间、操作温度、压力以及设备结构参数的设定)尤为困难.目前，模拟移动床的设计方法主要有以下3种.瑞士Mazzotti等[13-15]基于平衡理论的分析，提出了“三角形理论”方法，报道了线性或非线性的吸附体系及平衡或非平衡体系模拟移动床的模型参数与操作参数设计与优化，最终分析可得模拟移动床Ⅱ区与Ⅲ区液固相流速比构成可行性分离区域(呈三角形状).美国普渡大学Wang 等[16-17]在模拟移动床设计过程中提出了“驻波分析”方法，分析可得到产品纯度收率与模拟移动床各区长度、固相流速、液相流速、床层容量因子及传递系数相关联的设计方程，结合初始与边界条件可以解得SMB的设计与操作参数，并通过实验对模型进一步修正，得到稳定可靠的模型，用于SMB驻波优化设计与模拟.葡萄牙波尔图大学Rodrigues等[18]在模拟移动床设计过程中考虑了质量传递阻力的影响，提出“separation volume”设计方法，考察了Ⅰ区、Ⅳ区的操作参数对Ⅱ区与Ⅲ区液固相流速比构成可行性分离区域的影响.在对二甲苯模拟与优化方面，Rodrigues等[19-21]基于gPROMS平台，模拟了对二甲苯模拟移动床吸附分离过程，并提出了两步优化策略；开发对二甲苯模拟移动床耦合反应器，即二甲苯的分离与异构化同时进行，提升了对二甲苯的产率及收率.韩国汉阳大学Lim等[22-23]通过模拟着重分析对二甲苯模拟移动床装置中死体积对分离效果的影响.模型中将装置中的死体积单元化，建立额外的死体积单元的节点模型，模拟比较了四区模拟移动床(无管路冲洗)与七区模拟移动床(引入一次及二次管路冲洗)操作策略，在保证收率的情况下，七区模型中一次管路冲洗与二次管路冲洗的引入，使对二甲苯的纯度得到提高.同时，Lim等在七区模型的基础上，设计了八区模拟移动床，以提高对二甲苯的收率与纯度.

混合二甲苯吸附平衡动力学参数以及建模工艺参数的缺乏，使国内鲜有文献报道对二甲苯模拟移动床的设计、优化及操作.在实际生产过程中，针对引入的生产装置操作与管理主要依赖于原设计参数和操作经验，为保证产品质量与工艺的可运行性，操作往往偏于保守，工艺装置的运行无法到达最佳工况.结合笔者实验室长期从事吸附分离工艺模拟与优化的经验，基于上述问题，通过建立SMB的物理模型和数学模型，对SMB进行模拟，深入分析SMB分离过程，对SMB的设计、操作及优化具有重要的指导意义.本文基于Aspen Chromatography平台，结合某石化公司所提供的模拟移动床工艺设计参数和吸附剂相关数据，以对二甲苯模拟移动床吸附分离过程为研究对象进行了设计与模拟，并探讨了工艺操作条件对分离效果的影响.

1　模拟移动床分离过程

图1为UOP-Parex对二甲苯模拟移动床操作示意，其核心部件为吸附塔和24通旋转阀，吸附塔内由12个吸附床层构成，每个吸附床层上部安装有液体分布器，下部安装有液体“收集器”.床层通过管线与24通旋转阀相连接，由程序控制旋转阀的切换时间，沿液相流动方向定期切换物料进出口位置，模拟固定相与流动相的逆向运动.吸附分离过程中，在吸附剂的选择吸附性和对二乙苯(PDEB)的脱附作用下，强吸附组分对二甲苯(PX)富集于抽取液，弱吸附组分间二甲苯(MX)、邻二甲苯(OX)和乙苯(EB)富集于抽余液.实际生成过程中，为了避免各流股在管道内残留所引起的污染，引入一次冲洗流股和二次冲洗流股，以保证对二甲苯的纯度和收率，各流股将对二甲苯模拟移动床划分为7个区，但从各区的功能仍可以视为传统的四区，Ⅰ区～Ⅳ区的床层数分配为7-9-5-3.

图1　对二甲苯模拟移动床操作示意Fig.1 Schematic diagram of simulated moving bed for pxylene separation

Ⅰ区(吸附区)：位于进料口与抽余液出口之间，吸附对二甲苯，防止对二甲苯进入抽余液中，以保证对二甲苯的高收率.

Ⅱ区(精制区)：位于抽取液出口与进料口之间，通过强吸附组分对二甲苯和对二乙苯将滞留在Ⅱ区的弱吸附组分置换出去，以保证对二甲苯的高纯度.

Ⅲ区(解析区)：位于解吸剂进口与抽取液出口之间，解吸剂对二乙苯将对二甲苯从吸附剂解析，完成吸附剂的再生，从底部取出富含对二甲苯的抽取液，部分解析液回流至Ⅱ区.

Ⅳ区(缓冲区)：位于抽余液出口与解吸剂进口之间，进一步吸附弱吸附组分，实现解吸剂的再生.

2　模型建立

本文基于Aspen Chromatography模拟平台建立对二甲苯模拟移动床分离过程模型，为了模拟实际生产过程中物料进出口位置的真实切换，选用SMB模型.利用数学模型描述质量守恒与动力学传质过程，模拟过程中，采用了有限元正交配置法在空间上对吸附床层进行离散，并对模型进行了如下假设：

(1)液体在吸附塔内的流动遵循轴向扩散模型，忽略径向扩散；

(2)吸附动力学模型采用线性推动力模型；

(3)吸附等温线采用扩展Langmuir方程；

(4)床层填充均匀，床层的空隙率、颗粒直径和孔隙率保持不变；

(5)传质系数和物化参数与液相组成无关；

(6)忽略热效应和床层压降.

液相物料守恒方程为

传质驱动力方程为

多组分吸附等温线方程为

初始条件为

边界条件为

式中：ε为吸附剂床层的孔隙率；ci,j为j区组分i液相的浓度；qi,j为j区组分i固相吸附量；t为时间变量；z为轴向坐标；ρp为吸附剂固相密度；DL,j为轴向扩散系数；vj为j区内液相流速；kL,i为组分i的传质系数；q*为与液相浓度平衡的固相浓度；qm,i为组分i饱和

i,j吸附量；Ki为组分i的吸附平衡常数；Lj为j区吸附床层的高度.

进出口节点模型方程如下.

原料进口节点方程为

抽取液出口节点方程为

二次冲洗液入口节点方程为

一次冲洗液入口节点方程为

解吸剂入口节点方程为

一次冲洗出口节点方程为

抽余液出口节点方程为

式中：Qj(j＝Ⅰ，ⅡA，Ⅱ，ⅡB，ⅢA，Ⅳ)为各区的流量；Q(F,E,D,R,X,H)分别为进料、抽取液、洗脱液、抽余液、一次冲洗以及二次冲洗的流量；cin/out(j=Ⅰ，ⅡA，

i,jⅡ，ⅡB，ⅢA，Ⅳ)为各区的进出口处组分i的浓度；ci,(F,E,D,R,X,H)分别为进料、抽取液、洗脱液、抽余液、一次冲洗以及二次冲洗中组分i的浓度.

模拟移动床吸附分离效果的评价参数：抽取液中PX纯度，PX收率；吸附剂的PX产率；解吸剂的消耗.

抽取液中PX的纯度(PUX，%,)为

PX的收率(REX，%,)为

解吸剂PDEB的消耗(DC，m3/kg)为

吸附剂的PX产率(PR，kg/(m3·h))为

循环稳态的判定条件为

式中：cE(PX,MX,OX,EB)分别为抽取液中对二甲苯、邻二甲苯、间二甲苯以及乙苯的浓度；Vs为吸附塔内吸附剂体积；ck为模拟移动床第k次循环运行时，抽取

i,E/R液或抽余液中组分i的平均浓度.

本实验模拟对象为某石化公司的对二甲苯模拟移动床分离过程，模拟移动床的结构尺寸、床层分布及操作条件主要依据该公司所提供的数据进行设计，吸附剂物化性质与石科院RAX-2000A相近[12].模拟移动床的操作工况及模型参数详见表1.经简化处理，混合二甲苯原料组成(质量分数)：14.2%,乙苯，45.7%,间二甲苯，19.6%,邻二甲苯以及20.5%,对二甲苯，解吸剂为对二乙苯，二次冲洗液为对二乙苯.

表1　模拟移动床操作工况及模型参数Tab.1 SMB operation conditions and model parameters

3　模拟结果与讨论

图2为模拟移动床运行40周期后，充分达到循环稳态，t＝1,120,s时液相各组分沿吸附床层轴向含量分布.由图可见，在Ⅰ区内进料后的PX被优先吸附，液相中PX含量沿轴向逐渐降低，至Ⅰ区末端，抽余液中PX的质量分数已降至0.8%,以下，表明吸附剂有足够的吸附容量和较快的PX吸附速率；进入Ⅱ区后，液相PX含量明显增加，其余C8芳烃同分异构体含量迅速减少，相应吸附相中的PX纯度得到逐步的提高，表明了吸附剂具有良好的选择；Ⅲ区反映了吸附相中PX的脱附现象，从曲线的变化可知，使用PDEB为脱附剂，吸附剂具有较快的PX脱附速率.模拟结果：抽取液中的PX纯度为99.98%,，收率为98.08%,，解析剂消耗为0.008,22,m3/kg，吸附剂的产率为97.81,kg/(m3·h).表2为石化公司提供的实际生产参数与本文设计参数的对比.

图2　吸附剂床层液相组分含量的分布Fig.2 Distribution of liquid phase composition in absorbent bed

表2　模拟移动床生产参数与设计参数的对比Tab.2 Comparison of the production parameters and design parameters

3.1切换时间对SMB分离效果的影响

在其他操作条件不变的情况下，考察切换时间对模拟移动床分离效果的影响，如图3所示，同时获取高纯度和高收率，切换时间操作范围较为狭窄.切换时间反映了固相吸附剂与液体流动相的接触时间，切换时间过短，吸附床层利用率低，强吸附组分从液相传递至吸附相及置换弱吸附组分效果受限，对二甲苯纯度偏低；反之，切换时间过长，过多的对二甲苯损失于抽余液中，对二甲苯的收率下降.尽管缩短切换时间，可以提高吸附塔的生产能力，但受吸附剂的吸附和解吸速度的限制以及流体速度分布的制约，将直接影响吸附剂的吸附效果与解析效果，分离能力反而下降.由此可见，模拟移动床分离过程对切换时间的变化非常敏感，在实际生产过程中，应尽量避免外部因素造成切换时间的波动.

图3　切换时间对对二甲苯分离效果的影响Fig.3 Effect of the switching time on p-xylene separation

3.2抽取液流量对SMB分离效果的影响

图4　抽取液流量对对二甲苯分离效果的影响Fig.4 Effect of the extract flow rate on p-xylene separation

3.3进料量对SMB分离效果的影响

保持其他操作条件不变，由物料平衡，抽余液流量随进料量变化而变化.进料量对模拟移动床吸附分离效果的影响如图5所示.增大进料量，明显改善吸附剂的PX产率与解吸剂的消耗，但PX的收率呈下降趋势.QF的增大，意味Ⅰ区床层对原料液的处理量的增大，QF增大至一定程度后，受吸附区(Ⅰ区)吸附容量的限制，抽余液中PX含量上升，降低了PX的收率.随着QF的进一步增大，受缓冲区(Ⅳ区)吸附能力的限制，Ⅳ区床层无法完成解吸剂的再生，含有弱吸附组分(MX、OX、EB)的解吸剂循环至Ⅲ区，对吸附PX饱和的床层解析，降低了抽取液中PX纯度.

图5　进料量对对二甲苯分离效果的影响Fig.5 Effect of the feed flow rate on p-xylene separation

图6　吸附剂钝化对对二甲苯分离效果的影响Fig.6 Effect of the adsorbent deactivation on p-xylene separation

3.4吸附剂钝化对SMB分离效果的影响

装载新鲜PX吸附剂的模拟移动床装置的运行周期约为10年，长时间的运行，部分吸附剂中毒、失活、颗粒磨损等，是吸附剂吸附能力及选择性下降、传质阻力增加的重要因素.吸附剂的钝化程度影响着PX纯度和收率，甚至可能导致整个装置的停工.因此，通过模拟计算考察吸附剂钝化对分离过程的影响及相应的补偿措施对实际生产过程有着重要的指导意义.笔者建模过程中，主要将吸附剂的钝化视为吸附剂吸附量的下降进行模拟计算.图6为吸附剂钝化程度(饱和吸附量/最初的饱和吸附量)对分离效果的影响.维持工艺操作条件不变，钝化程度增加，PX收率与产率下降严重，解吸剂消耗增加.PX的纯度始终维持在99%,以上，但抽取液中PX的质量分数明显下降，充分表明吸附剂的钝化恶化了模拟移动床吸附分离效果.为维持工艺操作条件(各区内流速及外部物料的流量)不变，从移动床角度分析，吸附剂饱和吸附量的下降，可通过提升固定相流动速率，以减少吸附剂的原液处理量，以改善工艺分离效果.在模拟移动床中，则可通过缩短切换时间，以实现移动床固定相流动速度提升的效果.随后考察了缩短切换时间对吸附剂钝化的补偿效果，结果见表3，缩短切换时间能有效地弥补吸附剂钝化所带来的影响，且在实际工艺操作中易实施.表3为PX吸附剂饱和吸附量为新鲜吸附剂饱和吸附量的80%,时，ts＝70.0,s 与ts＝67.9,s分离效果的对比.

表3　ts＝70.0,s与ts＝67.9,s分离效果的对比Tab.3 Comparison of p-xylene seperation when ts＝70.0,s and ts＝67.9,s

3.5管路死体积对SMB分离效果的影响

Parex模拟移动床装置，吸附塔的每个床层与24通阀通过单一管路相连接，意味着同一管路既用于进料，又用于出料，管路内残留的组分直接影响到抽取液中PX 的纯度.通过模拟四区模拟移动床(取消模型中一次冲洗和二次冲洗流股)，考察管路死体积对模拟移动床吸附分离效果的影响.图7为管路总体积占吸附床层总体积0～10%,范围内，对抽取液中PX纯度、收率、解吸剂的消耗以及产率的影响.管路体积占床层体积分数从0增至10%,，收率从98.10%,降至96.31%,，产率从97.82%,降至96.05%,，解吸剂的消耗从0.008 22,m3/kg增至0.008 37,m3/kg，管路死体积对以上三者的影响并不显著.分析抽取液中PX纯度的变化，从99.99%,降至93.55%,，死体积分数为0.5%,时，PX纯度降为99.50%,，可见管路死体积对抽取液PX纯度的影响非常明显，进一步表明在实际生产过程中引入冲洗管路流股的必要性.此外，一次冲洗及二次冲洗流股的流量则需要进一步优化.

图7　管道死体积对对二甲苯分离效果的影响Fig.7 Effect of the pipe line dead volume on p-xylene separation

4　结 论

(1)本文以对二甲苯模拟移动床工业生产装置工况数据为基础，建立了对二甲苯模拟移动床吸附分离过程的动态分离模型；模拟结果表明：对二甲苯纯度可达99.98%,，收率可达98.08%,，设计操作参数与实际工况操作参数相近，能较好地描述模拟移动床动态分离过程，对于对二甲苯模拟移动床吸附分离过程的设计、操作、调优具有指导意义.

(2)通过考察切换时间、QE、QF对模拟移动床分离效果的影响发现：模拟移动床分离效果对切换时间十分敏感，实际生产过程应尽量避免切换时间的波动；QE调节表明Ⅲ区至Ⅱ区回流比是影响产品纯度和收率的重要因素；在一定范围内增加QF，明显改善吸附剂的产率与解吸剂的消耗，对PX的纯度影响不大，但PX的收率显著下降.

(3)通过考察吸附剂的钝化与管路死体积对模拟移动床分离效果的影响，模拟表明随着吸附剂吸附饱和吸附量的下降，吸附分离效果明显下降.进一步考察发现缩短阀切换时间，能有效改善模拟移动床吸附分离效果.管路死体积占吸附床层总体积分数的增加，对PX收率、解吸剂的消耗以及吸附剂的产率影响并不显著；但PX的纯度下降十分明显.

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(责任编辑：田 军)

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

通讯作者：沈圆辉，975163427@qq.com.

作者简介：张东辉（1971—），男，博士，副教授，donghuizhang@tju.edu.cn.

基金项目：天津市科技支撑资助项目(2009F3-0005).

收稿日期：2014-10-09；修回日期：2014-12-18.

DOI:10.11784/tdxbz201410008

中图分类号：TQ028

文献标志码：A

文章编号：0493-2137(2016)03-0279-08

网络出版时间：2015-03-12.网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20150312.0931.003.html.