时空守恒元解元方法对模拟移动床色谱过程的仿真模拟及优化研究

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模拟移动床(SMB)色谱技术作为对复杂混合物进行高效分离的一种吸附分离技术,具有分离能力强、传质推动力大、生产能力高、固定相利用率高、洗脱剂消耗小、易于实现自动化操作等优点,现已被广泛应用于石油化工、糖醇行业、手性药物、精细化工等领域。时空守恒元解元(CE/SE)方法是求解守恒型方程的一种全新的、高精度的数值计算方法。国外已有学者将CE/SE方法引入到SMB模型方程的求解中,计算效率大幅提高,该方法值得进一步研究。本文将SMB色谱模型与CE/SE方法相结合,从CE/SE方法对SMB色谱数学模型求解、果糖-葡萄糖分离实例模拟仿真以及仿真分离系统操作参数优化三个方面开展研究工作。  首先,本文构建了一种简单的CE/SE方法用于求解SMB色谱模型方程。为验证该算法计算精度,将该方法用于具有分析解的间歇色谱过程,即利用CE/SE方法求解单柱模型方程,为了对比,线上(MOL)法也用于求解同一问题。计算结果表明,CE/SE方法的计算精度明显优于MOL法。CE/SE方法计算曲线与分析解几乎重合,其最大绝对误差为1.1×10-4,MOL法的最大绝对误差为3.8×10-3。  其次,又借助文献中果糖-葡萄糖SMB色谱分离实例,将CE/SE方法对于SMB色谱数学模型的求解用于模拟果糖-葡萄糖分离过程,模拟结果表明,本文的CE/SE方法计算所得浓度曲线与实验数据吻合良好,纯度与产率数据与实验结果一致,计算效率高于MOL法及小波配置法。另外,本文改进的CE/SE方法计算效率及精度都高于文献中的CE/SE方法,通过对比分析指出,文献中采用近似式ut=-fx,可能是其计算精度差的主要原因。  最后,对果糖-葡萄糖仿真分离系统操作参数优化进行了研究。以最大生产能力为优化目标,以组分纯度为约束条件,以SMB四区带流量以及切换时间为优化参数,运用Box复合形结合罚函数优化方法对果糖-葡萄糖分离进行模拟优化,通过对操作参数的优化,生产能力由未优化前的1.67 ml/min提高到了1.74ml/min,提高了5%。通过对分离过程操作参数的优化,对进一步提高生产能力、节约成本,具有重要的应用价值。
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