专利名称：一种模拟移动床色谱操作参数优化方法
技术领域：
本发明涉及模拟移动床色谱技术领域，尤其涉及一种应用于精细化工、手性药物 拆分等高要求分离场合的模拟移动床色谱操作参数优化方法。
背景技术：
模拟移动床(Simulated Moving Bed,简称SMB)技术作为连续色谱的主要代表，具 有生产效率高、有机溶剂消耗少、传质推动力大、便于自动化连续生产等优点，是国际上新 一代绿色化工分离技术，也是流程工业绿色化、自动化的一个重要研究方向。其应用范围也 从传统的石油化工、糖类分离向生物制药、精细化工等领域不断扩展。在SMB技术的实际应用中，人们主要关注点在于针对不同的色谱分离过程如何确 定合适的操作条件，使整个系统的分离效果不仅能够满足产品质量的要求，而且尽可能的 节约成本，提高生产效率。但是其运行机理复杂，影响分离效果的参数众多，一直以来缺乏 较为有效的方法确定实际装置的最佳操作条件。目前常用的几类操作参数优化方法分别为实验方法、三角形方法、单目标优化方 法和一般的多目标优化方法。实验的方法实际应用性较强，但时间成本和经济成本相对较 大，并且该方法的适用性较差，难以普遍化；三角形理论对SMB寻优过程具有重要的指导意 义，它使得寻优过程得以简化。但这种理论是基于理想状况的假设，忽略了两项间的传质阻 力，与实际分离过程存在较大差距，不能用于定量研究。单目标优化方法需要对各个生产目 标进行人为的权重设定，这种权重设定方法带有很大的主观因素，也不利于实际过程，并且 这种方法的全局搜索能力较差；多目标优化方法虽然可以较好的处理多目标问题，但它在 进行优化时对目标空间的全空间进行寻优，从而最终得到的Pareto解是在目标空间均勻 分布的，但是真正符合实际生产要求的分离目标区域内操作点数目却较少，给实际工况选 择带来较大局限性。
发明内容
本发明的目的是针对现有模拟移动床操作参数优化方法技术的不足，提供一种模 拟移动床色谱操作参数优化方法。本发明的具体技术方案如下(1)测定模拟移动床床层参数；(2)测定色谱过程吸附等温线；(3)确定模拟移动床色谱模型；(4)模拟移动床模型的求解；
(5)确定优化目标及目标偏好；(6)确定决策变量及约束条件；(7)优化过程设计。本发明的有益效果是
1、突破了常规寻优方法的局限性，可有效处理模拟移动床色谱优化问题多变量、 多目标的特点。2、解决了实验寻优方法时间消耗多、经济成本大的缺点。本发明不仅可获得分离 性能优异的操作条件，而且能够有效的降低寻优成本。3、优化过程更具针对性，通过在寻优过程中加入模拟移动床分离目标的偏好信 息，使得最终得到的优化结果都位于偏好区域内，可供实际操作者更多的选择范围。4、优化结果更佳，实验证明，本发明能够比其他方法获得性能指标更优的模拟移 动床色谱操作条件。
图1是本发明装置对象的运行原理图；图2是本发明数学模型的求解流程图；图3是本发明优化方法流程图；图4是本发明带偏好的优化方法子代产生过程流程图；图5是本发明中目标偏好设置原理图；图6是本发明与常用多目标优化方法对模拟移动床某一生产过程的优化结果比 较图。
具体实施例方式一种模拟移动床色谱操作参数优化方法利用带生产目标偏好的优化方法对色谱 操作条件进行优化，使模拟移动床产品纯度和生产率达到最佳。本发明一种模拟移动床色谱操作参数优化方法包括以下步骤1、测定模拟移动床床层参数模拟移动床的床层参数是指与模拟移动床装置设计及分离对象相关的参数。主要 包括柱体分布、柱体长度、柱体直径、空隙率、传质系数、扩散系数和Peclet数。柱体分布 是指图1所示的装置结构图中每个分离区域的柱体个数；柱体长度和柱体直径可以通过一 般测量工具测得，如游标卡尺等；空隙率可从填充柱体的厂家说明书上获得；传质系数一 般通过直接测定法和刺激_应答法测定；扩散系数通过时间延迟法测定。2、测定色谱过程吸附等温线吸附平衡关系一般采用bi-Langmuir等温线形式，等温线的模型参数通过单根色 谱柱的实验数据获得，测定方法可用静态法或流动法。3、确定模拟移动床色谱模型本发明利用基于一般速率理论的TMB模型作为数学模型基础。其数学模型无因次 化形式如下物料平衡方程
<formula>formula see original document page 6</formula>相间传质方程边界条件
<formula>formula see original document page 7</formula>
洗脱液入口 <formula>formula see original document page 7</formula>
抽取液提取口<formula>formula see original document page 7</formula>
原料进口 <formula>formula see original document page 7</formula>
提余液提取口 <formula>formula see original document page 7</formula>
吸附等温线类型由步骤2测定。上式中i为待分离物组分编号，j为色谱柱编号，C为流动相浓度，q为固定相浓 度，q*为与流动相浓度平衡的固定相饱和吸附浓度，a为传质单元数，I为空隙率，Pe为 Peclet数，y ,为流速比，QD为脱附剂流量，QF为进料流量，QE为抽取液流量，QE为提余液流 量，QpQmQupQ^为区域流量，t为时间无因次化变量，x为轴向坐标无因次化变量。将过程的床层参数、操作参数和吸附等温线形式带入TMB模型，即可得到针对特 定过程模型形式。4、模拟移动床模型的求解模拟移动床模型的求解流程图如图2所示，首先运用非对称正交配置法对床层轴 向(x方向)离散化，将模型转化为一系列非线性方程组；其次利用MatlabFsolve函数求解 非线性方程组，获得模拟移动床稳定状态床层内各处平均浓度分布状态。5、确定优化目标及目标偏好模拟移动床色谱的产品包括抽取液口获得的强吸附组分(假设称为A)和提余液 口获得的弱吸附组分(假设称为B)。本发明的目的是使模拟移动床产品纯度和生产率达到 最佳。产品纯度和生产率定义如下<formula>formula see original document page 7</formula>7o CPr oductivity R 二 R
VS
cBPure E = 100* A h R
rA +c
I ￡ T IE
o CBPr oductivity E 二 h
VS其中，C/，Cea分别为提余液和抽取液中弱吸附组分的浓度，Ceb, Ceb分别为提余液 和抽取液中强吸附组分的浓度，VS为装置柱体总体积。优化目标的选择根据生产过程所需提取物质确定；目标偏好是指与生产过程或者 产品质量相关的要求，例如生产率要达到某个水平以上，纯度至少为百分之多少等。6、确定决策变量及约束条件决策变量指本发明寻找模拟移动床最佳工作点过程中其值需要改变的操作参数。 模拟移动床的操作参数包括进料浓度、进料流量、洗脱液流量、提余液流量、抽取液流量、 循环液流量和切换时间。约束条件是模拟移动床运行过程中需要满足的限制条件，主要包 括操作参数取值范围和一些固定参数。操作参数的取值范围可以根据模拟移动床装置的实 际分离能力、人们的经验或实验测定等方法确定，其主要目的是获得相对较大的可行域，使 寻优过程能够在较大的空间内开展，有利于获得更多的可行解。7、优化过程设计7. 1、模拟移动床优化方法流程一种带偏好的多目标优化方法的流程图如图3所示，下面结合图3对优化方法设 计流程进行说明。步骤1 参数初始化。创建种群&和外部档案种群％，设置种群中的个体数目 NIND、外部种群个数OutNIND、运行代数Maxgen、决策变量个数VNIND ；步骤2 计算种群&中各个体的目标值，根据目标值支配关系定义种群中个体的 排序阶次和拥挤度参数。步骤3 根据个体的排序阶次和拥挤度距离对Pn种群进行锦标赛选择，得到父代 种群Pn;步骤4 对父代种群Pn进行交叉和变异操作，得到子代种群Qn ；变异操作的概率由 父代种群中个体偏好目标决定，若该个体的偏好目标满足所设定的偏好要求，则采用较小 的变异概率，否则增加惩罚力度。步骤5 将？ 和1合并，得到中间代种群Tn;步骤6 对Tn中的个体进行选择，将所有符合偏好要求的个体存入外部档案种群 Wn;步骤7 根据个体的排序阶次和拥挤度距离对Tn和Wn进行选择操作，得到NIND个 子代个体作为种群Pn+1的成员，同时选取OutNIND个个体作为外部档案种群Wn+1中的成员。步骤8 计算迭代次数，如果迭代次数小于最大迭代次数Maxgen转到步骤3，否则 结束循环，显示^中的优化结果。该过程中对中间代和外部种群进行排序并填充新一代种群Pn+1的过程如图4所 示。首先对中间代种群Rn中的非劣层个数进行统计，以确定其是否能够被新种群完全容纳。
8如果能，则将该非劣层的所有个体填充到新种群，并将它们从Rn中删除，并继续对剩余个体 进行判断选择；如果不能则根据拥挤度距离进行选择填充。7. 2、设定目标偏好本发明生产过程目标偏好添加方式是通过在优化方法中选取外部种群来实现的。 如图5所示，优化过程中的父代和子代合并产生中间代，然后对中间代中所有个体的目标 进行判断，以确定其是否满足偏好信息。若满足，则将其复制到外部种群，否则不做任何处理。下面根据附图详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。实施例实施例以某一手性化合物弱对映体的模拟移动床提取过程为例，利用本发明寻找 模拟移动床装置的最佳操作点，使生产过程获得高的提余液纯度和提余液生产率。具体实 施步骤如下(1)模拟移动床床层参数通过实施方案中说明的测量方法测定或者直接设备供应 商说明书中获取。(2)吸附等温线采用bi-Langmuir等温线形式，等温线参数通过静态法和流动法 相结合的方法测定。(3)本实施例基于一般速率理论的TMB模型作为数学模型基础，模型方程具体形 式见本发明方案实施步骤。(4)模拟移动床模型的求解流程图如图2所示，运用非对称正交配置法设置每个 分离区域内配置点数目16个；接着对床层轴向(χ方向)离散化，将模型转化为288个非线 性方程；最后利用Matlab Fsolve函数求解该非线性方程组，获得模拟移动床稳定状态床 层内各处平均浓度分布状态。(5)针对本实施例的分离要求，确定优化目标为最大提余液纯度和最大提余液生 产率；目标偏好为提余液中弱吸附组分的纯度高于98%。(6)模拟移动床各个操作变量之间有耦合关系，实际上系统的自由变量个数要小 于操作变量个数。本实施例选取切换时间、洗脱液流量、提余液流量和进料流量作为优化过 程的决策变量。约束条件为保持图1所示装置中I区流量不变，各决策变量的取值范围根 据实际过程确定。(7)本实施例中种群规模为50，外部种群规模为50，迭代次数为100次，交叉概率 为0. 75，变异概率根据目标是否满足偏好要求确定若满足，则设定为0. 05，否则变异概率 为(98-Pure R)/100。图6显示了本发明优化方法与现有的多目标优化方法(如带精英策略的非支配 排序遗传方法，NSGA-II)对模拟移动床分离手性化合物弱对映体的优化结果。从图6中可以看到，NSGA-II方法得到的纯度目标范围非常广，在68% 100%的 区间内都有分布，这些工作点中绝大部分不在生产目标要求范围之内，造成实际可操作点 的数目较少，分布稀释，不利于工作点的选取。本发明优化结果中纯度则都在98%以上，满 足生产目标偏好要求，能够给实际生产过程提供足够的备选工作点。从生产率目标来看，在 满足纯度要求大于98%的条件下，本发明得到的最大生产率达到1. 88g/h/l，高于NSGA-II 方法得到的1. 75g/h/l最好结果，在满足产品质量的要求前提下，生产能力提高了 7. 43%。从Pareto解分布的均勻度来看，显然本发明得到的结果更佳，其整个解集在目标空间均勻 分布，而NSGA-II方法中纯度在95%的解个数相对较少，分布相对集中。综上可得，本发明 能够更好的处理提高模拟移动床产品纯度和生产率的问题。 上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和 权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
权利要求
一种模拟移动床色谱操作参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤(1)测定模拟移动床床层参数。(2)测定色谱过程吸附等温线。(3)确定模拟移动床色谱模型。(4)模拟移动床模型的求解。(5)确定优化目标及目标偏好。(6)确定决策变量及约束条件。(7)优化过程设计。
2.根据权利要求1所述模拟移动床色谱操作参数优化方法，其特征在于，所述步骤(1) 中，所述模拟移动床床层参数是指与模拟移动床装置设计及分离对象相关的参数。主要包 括柱体分布、柱体长度、柱体直径、空隙率、传质系数和Peclet数。
3.根据权利要求1所述模拟移动床色谱操作参数优化方法，其特征在于，所述步骤(3) 具体为利用基于一般速率理论的TMB模型作为数学模型基础，其数学模型无因次化形式 如下物料平衡方程<formula>formula see original document page 2</formula>相间传质方程 <formula>formula see original document page 2</formula>； 边界条件<formula>formula see original document page 2</formula>洗脱液入口<formula>formula see original document page 2</formula>抽取液提取口 <formula>formula see original document page 2</formula>原料进口 <formula>formula see original document page 2</formula>提余液提取口 <formula>formula see original document page 2</formula><formula>formula see original document page 3</formula>吸附等温线类型由步骤(2)测定。其中i为待分离物组分编号，j为色谱柱编号，C为流动相浓度，q为固定相浓度，q* 为与流动相浓度平衡的固定相饱和吸附浓度，a为传质单元数，I为空隙率，Pe为Peclet 数，、i为流速比，Qd为脱附剂流量，QF为进料流量，Qe为抽取液流量，Qe为提余液流量，Qx, QmQupQ^为区域流量，T为时间无因次化变量，X为轴向坐标无因次化变量。将过程的床层参数、操作参数和吸附等温线形式带入TMB模型，即可得到针对特定过 程模型形式。
4.根据权利要求1所述模拟移动床色谱操作参数优化方法，其特征在于，所述步骤(5) 具体为模拟移动床色谱的产品包括抽取液口获得的强吸附组分A和提余液口获得的弱吸 附组分B。本发明的目的是使模拟移动床产品纯度和生产率达到最佳。产品纯度和生产率 定义如下<formula>formula see original document page 3</formula>其中，c/，CEA分别为提余液和抽取液中弱吸附组分的浓度，Ceb, Ceb分别为提余液和抽 取液中强吸附组分的浓度，VS为装置柱体总体积。
5.根据权利要求1所述模拟移动床色谱操作参数优化方法，其特征在于，所述步骤(6) 中，所述决策变量指寻找模拟移动床最佳工作点过程中其值需要改变的操作参数。模拟移 动床的操作参数包括进料浓度、进料流量、洗脱液流量、提余液流量、抽取液流量、循环液 流量和切换时间。约束条件是模拟移动床运行过程中需要满足的限制条件。
6.根据权利要求1所述模拟移动床色谱操作参数优化方法，其特征在于，所述步骤(6) 包括优化过程设计步骤和设定目标偏好步骤，所述优化过程设计步骤具体包括(A)参数初始化，创建种群&和外部档案种群％，设置种群中的个体数目NIND、外部种 群个数OutNIND、运行代数Maxgen、决策变量个数VNIND。(B)计算种群&中各个体的目标值，根据目标值支配关系定义种群中个体的排序阶次 和拥挤度参数。(C)根据个体的排序阶次和拥挤度距离对Pn种群进行锦标赛选择，得到父代种群Pn；(D)对父代种群Pn进行交叉和变异操作，得到子代种群化；变异操作的概率由父代种群 中个体偏好目标决定，若该个体的偏好目标满足所设定的偏好要求，则采用较小的变异概 率，否则增加惩罚力度。(E)将Pjn(^合并，得到中间代种群Tn。(F)对！；中的个体进行选择，将所有符合偏好要求的个体存入外部档案种群Wn。(G)根据个体的排序阶次和拥挤度距离对Tn和Wn进行选择操作，得到NIND个子代个体作为种群Pn+1的成员，同时选取OutNIND个个体作为外部档案种群Wn+1中的成员。(H)计算迭代次数，如果迭代次数小于最大迭代次数Maxgen转到步骤3，否则结束循 环，显示^中的优化结果。所述设定目标偏好步骤通过在优化方法中选取外部种群来实现的，优化过程中的父代 和子代合并产生中间代，然后对中间代中所有个体的目标进行判断，以确定其是否满足偏 好信息。若满足，则将其复制到外部种群，否则不做任何处理。
全文摘要
本发明公开了一种模拟移动床色谱操作参数优化方法，该方法引入了模拟移动床色谱生产过程的目标偏好要求，以此引导优化方向，使模拟移动床产品纯度和生产率达到最优。本发明与实验寻优方法相比，节省了大量操作时间和经济成本；与一般单目标优化方法相比，更加符合模拟移动床实际生产过程存在多个生产目标、目标之间权重关系难以确定的实事；与一般多目标优化方法相比，本发明根据实际过程，加入了模拟移动床生产目标偏好，使得到的优化结果都位于目标偏好范围之内，提高了寻优结果的针对性，并且获得了更好的工作点。
文档编号B01D15/10GK101829438SQ201010101988
公开日2010年9月15日 申请日期2010年1月28日 优先权日2010年1月28日
发明者卢建刚, 郭小晓 申请人:浙江大学