TWI290480B - Method of optimizing the operation of a simulated countercurrent xylenes separation unit - Google Patents

Description

1290480 坎、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 、，本u係關於-種在混合操作條件中、最適化操作模擬 逆流二曱笨分離方法的方法。 【先前技術】 色層分析為基礎的分離或分館方法是在分離系統中最通 常被實㈣，該系統包含（圖υ_系列的管柱、或_聯之互 相連接e柱部份’形成_個封閉迴路。經預先測量顆粒尺 寸的多孔固體組成了固定相。被分離之混合物被進料到管 柱中’然後以載體流體或脫附劑（EL)的方式被置換，並且 :同組成物根據是否其主要被固定相或多或少地留滯而連 續流出。包含要被分離之所有組成物及溶劑或脫附劑肛的 混合物、或進糾的注射點、及包含要被升級、稀釋於溶劑 之產物的萃取物Εχ和包含所有其他組成物之萃餘物的萃取 點沿者此迴路被分佈。這些點不限制劃定不同區域（例如： 至Ζ4)相同液體流流經一個區域之所有管柱或管柱部份 果Ρ被安排在迴路中的某處，提供依圖中所示方向的流體 循環。 ^真正逆流分離系統中，發展出一種固定且恆定的濃度 型悲，其中注射及萃取點的位置維持固定。吸附劑固體^ 疒-、逆向/瓜私動。固悲務末（entrainment)系統及循環泵p 白被女排在區域21及24的匯合點，分別容許將固體從底 部送回到頂部，並且相反地液體從頂部送回到底部。 已知為模擬移動床系統的系統容許克服在真實移動床方 87010 1290480 法中固有的主要困難，其構成適當地循環該固體相而不創 造磨損，且不大幅增加相對於固定床之多孔性的該床多孔 性。為了模擬其置換’固體被置於某些數目n(通常為4$η$24) 之串聯安排的固定床中，並且其是以相當均勻的速度在所 有封閉迴路周圍置換的濃度型態。實際上，以轉動閥、或 更簡單之一系列的適當控制開關閥的方式，獲得連續轉換 注入及卒取點。在各期間進行、依所給方向之不同進出液 體流的此循環轉換，造成固體吸附劑依相反方向模擬置換。 用於二甲苯分離之分離系統最通常由四個主要區域所組 成。也有五個區域的系統，其中從溶劑分離出的一部分萃 取物被再注入到萃取物取出處及進料注入處之間。其他的 也可具有五至七個區域’在其中次要流體容許洗務連續載 有幾種流體的管線，以避免汗染。 在此後之本文中，下列的變數被定義為： -經控制變數：必須恒定地接近預先測量之設定值的變數 ’並且其顯示製程的平順進行。其可以例如是：萃取物之 組成物的純度、分離單元對特定組成物的產率等。 -操作變數：可由操作舅改鐵的物老冬丄+ 休W貝汉欠的雙數，如：容許該床之模擬置 換的流速或閥門變換期間等。 -控制變數：主要作用在單一卩 f用社早區域的變數，該區域是例如： 包含在區域中濃度型能的邱八、丄+ ^ · 卜 工心的邛刀。沒些控制變數是以控制 演算法測量’並且被轉譯為操作變數。 要提醒：應用於製程之先進押 選匕制糸統的目標是計算控制 見則（所有及時操作變數的數值），使得· 87010 1290480 _控制鮮，即：計算可確保-或多個先驗（priori)選擇之經 控制變的兩個不同數值間轉變的控制規則，且 -，整，作，即:計算容許所有作用在製程上外在干擾之最 仏補仏（預先或至少漸進地）的控制規則，使得先驗所選的 控制變數保持一個半恆定數值。 在板擬離單元的情況下，規則也可與由於吸附劑 之…、力及幾m數隨時間釋出的干擾互補（當然是對吸附 劑性質的有限惡化）。 二這些目標是以自動控制製程達成，該製程是以"黑盒子" 類之技術、或分離製程之非線性模型所容許的更多控制方 式為基礎。 由本申明人送件之專利歐洲專利Ep_875,268(美國專利 收5,9〇2,486)敘述—種意於用來循環流體混合物組成物之 杈擬移動床分離系統自動控制的方法，該流體特別是芳香 ^類’其可具有特別的流速或進料品質變化。製程的控制（ 從知識輕性模式、在所給之工作點附近進行的非線性多 艾數種類’ k輸入/輸出表現模式進行）是在沿著該迴路的許 多測量點，以某些數目的變數（例如··濃度及流速）測量、及 被注入及萃取之流體的特色測量來進行。在各區域中，流 體流速及模擬吸附物質流速間之分別指示比率的比率，是 取決於所测量之變數，由目前的經控制變數值（組成物純度 、系統之產率等)來測定。為了將控制變數帶到或帶回測量 設定值、而對操作變數所給的數值，是由這些比率決定。 若可獲得四個獨立控制變數，例如··在各區域中的四個比率 87010 !29〇48〇 則必須測量四個控制變數。 該控制製程包含計算演算法，其從所獲得的測量來判定 μ比率’其對經控制變數的計算是必需的。 個6入宁 丨w」Μ兩 性：:：Γ:式進行:使用真實移動床分離單元的非線 核式，或使用單變數線性m組合，各代表 a控制變數）與輸入（控制變數）相關的行 性指斗Ή A 文』鮮.A些線 通常被專家稱為”黑盒子，，。這些簡單 =疋由接近其計劃之敎狀況的製程卫作狀態下所: 的一組實驗測量進行。 又于 2已發展之二甲苯分離版本中，該製程被用來純化存 於㈣中的對二甲苯，該進料含有大多為二甲苯，但也 有C9务香族及限詈的 摇 甘6 里的石增。其以兩種版本獲得：獨立版本， 4岭達到純度高於99綱；及混合版本，其被 ::度的等級為95.00%。該製程的後者版 m 斗達到所要的高純度。以人 ^ 总 / 〇杈式刼作的單元由至少1 2個 “主所組成，而獨立模式有至少24個管柱。 不淪是非線性芳香族控制製 杲怂#f呌I 皿子類的製程，目標 异經控制變數為必需之某些組成物的濃’ 速㈣間之經測量分別：附？之流體^ 刀別丸不比率的比率（Rk 經控制變數到設定值。 T彳飞T 口 教U於八彳 因此在苐二階段令，經測定之比率 “的方式被轉成應用於製程的操作變數。 因此該控制製程容許分離單元被帶到下列四個參數被帶 87010 -9- 1290480 到特定值的工作點： 1·在萃取物中的二甲笨純度被定義 純度: ρχ萃取物 r * px萃取物+ IMP萃取物，其中 Ρχ卒取物是在萃取物中的二甲苯濃度，且 ΙΜΡ萃取物代表在萃取物中的所有不純物。 之二甲 广經控制變數的測量’需要一方面是在萃取物中 苯濃度的線上測量，另—方面是所有其他組成物的 2·該單元的對二甲苯產率被定義如下· 產率 Q萃餘物^萃餘物+卩麵一萃取物，其中 中的二甲

Px卒取物及Ρχ卒餘物分別代表在萃取物中及在萃餘物 苯濃度，且 Q萃餘物及Q萃取物分別代表萃餘物及萃取物流速。 此經控制變數的測量需要線上測量在萃取物及萃餘物中 的對一甲苯濃度，並且測量萃取物及萃餘物的流速。 3·在萃取物中的乙基苯Eb萃取物份量。 此經控制變數的測量需要如點1所發展之相同線上測量。 4·在區域1之點的對二甲苯以區域丨份量。 此經控制變數的測量需要發展在區域1之特定測量點，該 區域1即:在溶劑注入點及萃取物取出點之間。 若4兩個經控制變數清楚地對應於生產目標，後兩者直 接與本發明之目標連結，即：單元操作的最適化。 分離單元的控制需要在迴路之三個不同點的濃度測量。 這些測量是以色層分析或拉曼（Raman)光譜的方式進行，如 87010 -10- 1290480 本申請人所送件之法國專利FR-2,699,9i7(美國專利_5,569,8〇δ) Ζ述的。線上計算純度及產率、和在萃取物_的乙基笨 知里測ϊ ’需要兩個測量，其提供在萃取物及萃餘物中之 不同組成物的濃度。最後輸出Ρχ區域|需要在區域Ζ1的測量 點。分析的長度範圍是在幾秒（拉曼光譜）及2〇分鐘（色層分 析）之間。考慮該單元的反應時間（在4及8小時之間），若其 隹持^於則、時，製程控制的品質不被分析時間所影響。 /、衣耘及其设備尺寸相關連之真實物理應用限制分開， 控制變數（Rk比率）轉化成"習帛”操作變數總是可能的，因為 在其之間有一對一的關係、，為使分離系統完美控制必需的 狀況。 已熟知的是：模擬逆流分離系統的操作是與真實移動床 系統的操作幾乎相同的’若對後者而言，對主要液體流為 逆流的循環流，符合前述歐洲專利Ep_875,268所敘述的相 專關係。 控制變數（Rk比率）是與這些相等物相關而被測量，該相 等物是在各區域中主要液體流速及固體流速之間的無因次 (dimensionless)比率，其在整個分離單元中是恆定的： a 這些比率的選擇是遵循在固定狀態、所分層（discretized) 管柱部分之真實移動床分離單元模式的物質平衡方程式文 件。比率的數目等於區域的數目，該區域組成該單元，各 區域之特徵在於主要液體流速與鄰近區域有區分。 【發明内容】 87010 -11 - 1290480 二:發意於用來分離進料之組成物的單 “ ^ 5個分離迴路，其由互相連接之一系 、：：二成’該床包含-個固體吸附劑物質，形成由進料 餘物=點、和包含進料之第—組成物的萃取物及萃 符、物出料到迴路之卜 、十取”沾、注入點及萃取點開關裝置 所4疋的幾個區域，衮 作變數的裝置。 純㈣床的逆流置換；和測量操 兑/、包含使用控制演算法，用來將分離單元帶到工作點， /在卒取物中之第一組成物（例如··對二τ苯）純度及與此 第-組成物生產相關的分離單元產率被帶到特定的數值。 根據第-實施模式，對於在萃取物中進料第二組成物（例 ★•乙基苯）所給的濃度值，第一組成物濃度的設定值在座落 於溶劑注人點及萃取物萃取點之間的區域中被調整，使得 溶劑相對於進料的比例最小化。 設定濃度值的調整是以單變數最佳化的方式而被優越地 獲得。 在卒取物中第一組成物之設定濃度值的調整，較佳地在 該單元之工作穩定性限制内、以分離單元產能最大化來完 成0 根據另一個實施模式，在萃取物中進料第二組成物的濃 度設定值被調整，以在該單元之工作穩定性限制内，獲得 分離單元產能的最大化。 在萃取物中第二組成物的設定濃度值較佳範圍是在 0.02%及2%之間。 87010 -12- 1290480 【實施方式】 根據本發明之方法的其他特色及優點，會從閱讀之後里 體實施例的敘述、以非限制實例的方式、參考㈣圖示而 清楚，其中： -圖1圖示地顯示_個有四龍域的分離單元，具有插入注 十取2 -圖2a、2b分別顯示溶劑比率（S/F)及平均循 環流速（MR)的變化，為ρχ區域！及別萃取物的函數。 -圖3顯示在最適化卫作點、考慮（S/F)、在恆定純度及產率 下，沿著分離迴路之Px、Eb、Μ〇χ的濃度模式（c%)。 根據本I明之方法容許在混合模式中有四個區域之二甲 苯分離單7^的最適化操作，首先是應用為前述歐洲專利 EP:875,268之目標的控制製程到工作點上，其中兩個經控 制變數直接描述產物的品質及生產被帶到特定值，該變數 即··上面定義之萃取物中對二甲苯的純度及對二甲笨產率。 取適化的進行是使用在此敘述之控制演算法。因為我們 具有四個獨立的控制變數（各區域的四個比率 1 / 口句兩個 ,、他中經控制變數必須被測量’為了最適化操作 做法是： 伐們的 -在萃取物中之乙基笨濃度：Eb萃取物，可使用用來測量純声 的測试方式而被優越地測定，及 又 •在區域1(為包含在溶劑注入及萃取物取出點之間所^ 的區域）所給點之對二甲苯濃度：Ρχ區域i，其可藉著測量在 區域1所給點之對二曱苯濃度而被測定。 在萃取物中之乙基苯濃度容許描述在區域Z2 〈乙基笨 87010 -13- 1290480 型態的位置。在區域21所給點的對二甲笨濃度被測量，以 控制來自溶劑注入點之對二甲苯流下游。 對此類的分離單元而言，I兩個經控帝[變數被用來將一 個定義為設定生產目標（例如經濟成本）的函數最大化或最 小化，例如： l將定義為溶劑流速及進料流速間之比率的溶劑比率最小 化。 2·將進料流速最大化。 3 ·將定義如下之平均循環流速最小化： & 區域 【均

Nb 管柱 ，其中

Nb區域代表該單元的區域數，

Nb管柱代表管柱總數， 1 i代表各區域的管柱數目，

Qi代表各區域中的液體流速。 只有點1及2在之後的敘述中被討論，因為點3的最適化是 相當於點2。 點2及3被一起最適化，因為其藉著與比率及操作變數有 關之系統方程式的同質性被連結。任何流速增加可藉著在 另一個流速的等量增加及閥門轉換期間之相同比例減少而 被補償。因此’流速最大化可與循環流速最小化直接相關 ’道理為其中循環流速越低’增加進料流速的限度越大。 在實際上這些”理想”的考慮是被流體動力學所限制，例如. 軸分散上的增加，其隨著外部多孔性中流體速度的二次方 變化。 87010 14 l29〇48〇 點1係關於溶劑的過量消耗，其蒸館成本高。對於點⑷ ’分離單元的最適化是藉著Ρχ ^ 區域！及Eb萃取物輸出的明智調 整而獲得。 模擬結果 我們以模擬顯示：這些最適化目標並非獨立的，並對溶劑 比率的絕對最小值是取決於Ρχ 區域1及hb萃取物。我們由實驗 結果可見·我們建議在最適化條株 保件下刼作（以保證單元穩定 性），然而容許獲得大的溶劑比率及產能增加。 以模擬所獲得的結果被摘要於圖2的圖表中。 在怪定純度、值定產率及怪定進料流速下，對所給之別 μ物ϋ㈣代表如上面所定義之溶劑比率（ 循環流速的變化，為Ρχ區域1(橫座標）的函數。 (S/F)的變化對Ρχ區域f(從該曲線為明顯的)及ι 皆為嚴重下凹的，因為（Eb 卒取物、 %取物—15%)曲線是高 气5%)及（Eb萃取物49%)曲線 、（萃取物 ,^ 低於(Eb萃取物=0.35〇/〇) 曲線。因此，（S/F)有絕對最小值， 代表性。 /、數值在廷些曲線中無 八，區域:及Eb萃取物相關之平均循環流速(mr)的變化為完 :早凋地：加。增加時，平均循環流速()值減 广亚且^_值增加時增加’所有其他的規格為怪定。 上面呈現的結果顯示：點⑴的模擬最適化（即·s/f =及進料流速的最大化）是不可能的。s/f的絕 !對應於可能以平均循環流速所達到的可能最小化。 驗結果 87010 -15- 1290480 在試驗單元中獲得得實驗結果證實由模擬所顯示的趨勢。 在此後之實例中，只有Ρχ區域丨的結果被呈現，因為在單 元操作上的Eb萃取物影響清楚地更為明確，並且因此不需要 特定的實驗。 比較下列2個固定點： 固定點1號 固定點2號 純度=95% 純度=95% 產率=96% 產率=96% Eb萃取物=0·06% Eb萃取物=〇·〇6% Ρχ區域丨=4% Ρχ區域1 = U% Q進料=68立方公分/ Q進料=78立方公分/ 分鐘 分鐘 Q循環=379立方公分 Q循環= 379立方公分 /分鐘 /分鐘 S/F = 1.15 S/F = 1.1 , · --~~—-_ 顯示··對相同的純度及產率規袼而言，可能通過⑺立方公分 /分鐘進料或更多，以獲得稍微較低的溶劑比率，並且藉著 只改變PX區域！設定值而保持相同循環流速。 獲得最適化點的特色 不同最適點（為（S/F)的 ’追縱在下列圖表上沿 最 著 取物取出點 為了比較上面以模擬所獲得之 小化），我們對三個重要Eb萃取物值 分離迴路之管柱的所有濃度型態c 圖3之圖表的垂直線從左至右分別代表·萃 Vex、進料注入點〜及萃餘物取出點v_。 1290480 當平均循環型態減少時，該型態下降。接近萃取物取出 點Vex，不同的型態相當的分明，因此在萃取物中不純物之 間的比例相當大地變化，因為其中之一（乙基笨）為描述這些 模擬特色的參數。在進料注入vF及萃餘物取出點Vraf之間 的區域Z3中，不同模擬的型態是相當，，接近的，，。其形狀清 楚地描述此分離單元之最適化操作模式的特色，即：萃餘物 的萃取總是在區域Z3中對二甲苯型態的底部。在萃餘物取 出點高度所獲得之對二甲苯濃度值差別，可以對所有模擬 皆為恆定的產率值解釋。以濃度值的小變化補償了對各模 擬特定之萃餘物流速值的變化。 分離單元最適化及坪作 在檢驗由模擬所獲得、由實驗結果所完成的結果之後， 我們可设定下列混合模式τ、用於該分離單元之最適化操 作的規則，考慮(S/F)的最小化及產能的最大化，即:調整該 分離單元，使得其可能處理最大量的進料。在實際上，此 最大化策略的應用可能只是以控制演算法的方式，例如:在 前述歐洲專利EP-531，191中所呈現的演算法。

Px區域^Eb萃取物言史定值的明智選擇，容許該分離單元操 作達到最適化，對所給純度及產率考慮（s/f)的最小化。" 考慮我們由模擬所進行之調查所知道的：該曲線總是完 全：凹(圖2)’且藉著變化Px區域|，我們可沿著該曲線移動 ，並因為加在Eb -..η. ^ . 士 萃取物5又疋值上的限制來保證產能的最大化 ’同時保證單元穩定性，對真 對專豕已熟知之非常簡單的 種類單變數最適化，可用 早 J用來反復的自動線上搜尋Ρχ區域丨的最 87010 1290480 佳設定值。此最適化為實際的 而實施。優點是其限制成本函 的情況下，其相對應於可能在 元的許多工作點。 ，因為其不必計算數字梯度 數的評估數字，在目前方法 最適化工作點之外的分離單 在此應用的文章内，最適化可以在平面上產生三角形達 到，三角形的各頂點為可能的解答。在搜尋最適化的各階 段，會產生在目前三角形中的一個新點或接近點。在新點 的函數值與在simplex之頂點的函數值比較，並且通常是頂 點之一被新點取代，因此產生一個新的simplex及較佳的成 本函數估計。此階段被重覆，直到直徑是小於所 選的限度。

Eb萃取物設定值的明智選擇容許保證該單元產能的最適化 ，但有下列兩個評論： 1 ·此設定值的最佳值不能達到，因為在此情況下，以該單 元所達到之操作條件是不穩定的。事實上，循環流速上 的非常輕微減少，產生累積在管柱上之乙基笨的增加份 量，其使得該分離單元難以操作，因為在萃取物中之乙 基苯份量的增加動力，遠快於減少動力。 2· Eb萃取物的最佳設定值以產能而言，不與搜尋（S/F)最佳化 的值同時發生，其（S/F)為較小的。 考慮上述的兩個評論，較佳的是：偏好該分離單元穩定性 ’並且在此文中，選擇Eb萃取物的設定值保證產能的最大化 ，而不嘗試達到可能的最適化。在此型態中，（S/F)的最適 化相當於上述的最適化。. 87010 -18- 1290480 考慮貫驗及模擬結果’對Eb# # •所選的數值直接取決於 該分離單元之控制系統的表現及所選的純度值。 在區域Z3中該型態的陡峭度（不同模擬的所有型態為相 似的）及對在此前端底部之萃餘物Raf萃取點的特定位置， 顯示產率值對小流速變化、或在該型態位置上產生變化之 任何其他干擾的高敏感度。此高產率敏感度顯示在最適點 下的手動操作該單元是困難的。 【圖式代表符號說明】

1，2,3 點 Z1，Z2，Z3，Z4 區域 P泵 F進料

Ex包含進料之第一組成物的萃取物

Raf卒餘物 EL載體流體或脫附劑

87010 19-

Claims (1)

1290480 拾、申請專利範圍·· ，勺：钬用以分離進料組成物之單元操作最適化的方法 個刀離迴路，其由-系列互相連接的床所組成 ”二包含一個固體吸附劑物質’形成由進料(f)、及溶 二：入點、和包含進料之第-組成物㈣的萃取物㈣ 二’、物（Raf)出料到迴路之外的萃取點、注人點及萃取 .奇衣置所劃疋的幾個區域’容許模擬該床的逆流置 2和柳里知作變數的袭置，包含一種控制演算法，用 f將分離單元帶到工作點’其中萃取物中第一組成物的 ^及與第一組成物之生產相關的此分離單元產率被 :到特疋值’其特徵在於：對在萃取物中⑽萃取物）濃度進 料j二組成物㈣的所給值、第一組成物之（Px區域1)濃度 的设疋值，於座落在溶劑注入點及萃取物萃取點之間的 區或（Z1)裡被手動地調整，使得溶劑/進料比率（S/F)最小 化0 2. 如申請專利範圍第1項之方法，其特徵在於：該⑺b萃取物） 濃度值被調整，使得在該單元之操作穩定性限制内，該 分離單元的產能最大化。 3. 一種將欲用以分離進料組成物之單元操作最適化的方法 ，包含一個分離迴路，其由一系列互相連接的床所組成 ，該床包含一個固體吸附劑物質，形成由進料（F)、及溶 劑（S)✓主入點、和包含進料之第一組成物（jgb)的萃取物（ex) 及萃餘物（Raf)出料到迴路之外的萃取點、注入點及萃取 點開關裝置所劃定的幾個區域，容許模擬該床的逆流置 87010 1290480 換；和測量操作變數的裝置，包含一種控制演算法，用 來將分離單元帶到工作點，其中萃取物中第一組成物的 純度、及與第一組成物之生產相關的此分離單元產率被 帶到特定值，其特徵在於：對在萃取物中⑽萃㈣）濃度進 料之第二組成物（Eb)的所給值被調整，使得在該分離單元 之操作穩定性限制内..，分離單元之產能最大化。 4. 5. 如申請專利範圍第丨或2項之方法，其特徵在於··該（ρχ區域1: 濃度的設定值藉著單變數最適化而被調整。 如申凊專利範圍第3項之方法，其特徵在於：在萃取物中， 該⑽萃取物）濃度的設定值被調整在〇〇2%及2%之間的範 圍内。 6. 如申請專利範圍第1至3項 進料之第一組成物及第二 笨。 中任一項之方法，其特徵在於: 組成物分別為冑二甲苯及乙基 87010