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1、第18卷第5期聚酯工业Vol.18No.52005209PolyesterIndustrySep.2005精对苯二甲酸(PTA)结晶动力学112丁海兵,汪英枝,马海洪(1.中国纺织工业设计院,北京100037;2.天津大学石油化工技术开发中心,天津300072)摘要:建立了精对苯二甲酸连续多级降压蒸发结晶过程的数学模型,通过工业实验获得了各级结晶器不同操作条件下的产品粒度分布数据,并构造了模型计算值和工业实验值相拟合的优化目标函数,采用单纯形法优化回归得到了精对苯二甲酸结晶动力学参数。研究结果表明,优化回归得到的精对苯
2、二甲酸结晶动力学方程能够较好地模拟PTA连续多级降压蒸发结晶过程。关键词:精对苯二甲酸;结晶动力学;优化回归中图分类号:TQ245.12文献标识码:A文章编号:100828261(2005)0520022205精对苯二甲酸(PTA)的主要生产过程包括催化PTA连续多级降压蒸发结晶过程的数学模型主氧化及结晶精制两大工艺。PTA结晶动力学是模要包括质量衡算、热量衡算、粒数衡算方程等。拟、分析及优化对苯二甲酸连续多级降压蒸发结晶1.1.1质量衡算过程的基础。通常获得结晶动力学模型参数的途径假设溶质不挥发,结晶器混合完全,对于
3、第k级主要是通过实验室测定,方法比较成熟,运用相对较结晶器:[1～3]多。但对于PTA高温、高压体系,实验难度非(进料液相中溶质)+(进料固相中溶质)=(出[4]常大。精制结晶第一结晶器的进料温度约290料液相中溶质)+(出料固相中溶质),℃、压力8.0MPa。获得结晶动力学模型参数的另即:一重要途径是优化回归法,Mohameed等曾经利用Wk-1Ck-1+Sk-1=(Wk-1-VkWk-1)Ck+Sk。(1)MATlab优化程序包来求取间歇结晶时的动力学参[5]式中:W为溶剂质量流量,kg/s;C为质量比,m(溶数。
4、作者通过工业实验,改变结晶器的操作条质)zm(溶剂);S为固体流量,kg/s;V为溶剂蒸件,得到不同操作条件下产品的粒度分布数据,并构发率,kg/(kg溶剂)。造了模型计算值和工业实验值相拟合的优化目标函假设每级结晶器溶液处于饱和状态,根据结晶数,采用单纯形法优化回归得到了PTA结晶动力学器的温度可直接得到出口溶液的质量比。模型参数。研究结果表明,优化回归得到的PTA结-6-2C=5.2968×10exp(4.0499×10θ)。(2)晶动力学方程能够较好地模拟PTA连续多级降压蒸发结晶过程。式中:C为质量比,m(溶质
5、)zm(溶剂);θ为溶液1PTA结晶动力学参数回归模型的建立温度,℃。1.1.2热量衡算采用目标函数优化法回归动力学模型参数时,各级结晶器为绝热操作,进口物流的焓值应等首先需建立PTA连续多级降压蒸发结晶过程的数于出口物流焓值、溶剂蒸发潜热以及结晶热之和。学模型,构造目标函数。溶剂蒸发量可由下式求得:1.1PTA连续降压蒸发结晶过程的数学模型(溶剂蒸发量)×(蒸发潜热)=(溶液冷却显PTA的工业结晶过程是连续四级或五级。通过热)+(晶体冷却显热)+(结晶热)-(热量损失),降压蒸发使得溶液成为过饱和溶液,溶质从过饱和即
6、:溶液中成核析出,同时晶核不断生长而形成较大的Tk-1固体粒子。第一结晶器的进料是来自加氢反应器的VkWk-1ΔvapHm,l=Wk-1∫Cp,mldT+Wk-1Tk溶液,每一级结晶器的出料是其后一级结晶器的进Tk-1Ck-1∫Cp,mdT+Sk-1(Tk-1-Tk)Cp,ms+ΔcryHm(Sk料,最后一级结晶器的晶浆经过滤、洗涤、干燥得到Tk最终产品PTA。-Sk-1)-Q损失。(3)收稿日期:2005203220;修回日期:2005204203。作者简介:丁海兵(19782),男,浙江衢州人,工学硕士,从事化工化
7、纤工程开发设计工作。第5期丁海兵,等:精对苯二甲酸(PTA)结晶动力学23式中:ΔvapHm,l为溶剂蒸发潜热,kJ/mol;Cp,ml,Cp,m,0EbjbBk=kbexp(-)GkMtk。(8)Cp,ms为溶剂、溶质及晶体的摩尔定压热容kJ/(mol·RTkK);ΔcryHm为结晶热,kJ/mol;Q损失为热量损失,kJ/s。式中:kg,kb为生长、成核速率常数;Eg,Eb为生长、式(1)～(3)中共有3个未知数(Sk、Vk及Ck),可成核活化能,J/mol;T为溶液温度,K;R为气体常计算得到各级结晶器的结晶产品
8、量Sk、蒸发率Vk以及数,J/(mol·K);g为生长动力学指数;i为成核动出口质量比Ck,由此得到各级结晶器操作的过饱和度力学指数;j为悬浮密度指数;Gk为第k级结晶器的0ΔCk,并由下式计算晶浆悬浮密度和停留时间:生长速率,m/s;Bk为第k级结晶器的成核速率,3SkVck个/(m·s);C为m(溶质)zm(溶剂);Mtk为第
