精对苯二甲酸(purified terephthalic acid,简称PTA)作为聚酯的原料,化纤行业的“龙头”,是重要的化工大宗产品。我国早已成为世界第一大PTA生产国和消费国,并且我国PTA装备国产化已取得了突破,但由于缺乏对机理的深入了解与优化运行技术软体的支撑,我国PTA装置的整体运行技术与国外先进技术相比还存在一定的差距。本文融合实验机理分析结果和工业装置运行信息,对大型PTA装置对二甲苯(p-Xylene,简称PX)氧化反应过程、共沸精馏溶剂脱水过程和粗对苯二甲酸(crude terephthalic acid,简称CTA或TA)加氢反应过程的建模与优化运行技术进行了较为系统的分析和研究。本文主要研究成果如下：(1)由于复杂化工工业操作条件的优化极其困难,传统的优化算法极易陷入局部最优,或需要对象的梯度信息。粒子群优化(particle swarm optimization,简称PSO)算法是一种有效、简单的群体智能优化算法,吸引了越来越多研究者的关注。本文首先对相位角粒子群优化(phase angle based particle swarm optimization,简称θ-PSO)算法进行了改进,提出了基于交叉变异的改进θ-PSO算法。在此基础上,又进一步研究了动态环境下θ-PSO算法跟踪极值的性能,提出了一种结合记忆追溯与变尺度随机初始化策略的改进θ-PSO算法。通过标准测试函数MPB的仿真,表明在一定的动态环境下,引入记忆追溯,有利于提高算法的寻优性能。(2)本文在分析PX氧化主、副反应机理的基础上,建立了PX氧化反应宏观动力学模型以及反应器中醋酸、PX燃烧损失模型。通过ASPEN PLUS建立了INVISTA工艺的PX氧化反应过程集成模型并实现了流程模拟。采用改进的交叉变异θ-PSO算法对PX氧化反应过程反应器和第一结晶器的工艺操作参数进行了寻优,并以此调整了PX氧化反应过程的操作条件,取得了显著的降耗效果。(3)针对PX氧化反应过程非线性、耦合难控制的特点,采用FRONT-Suite先进控制软件实施了INVISTA工艺PX氧化反应过程的多变量预测控制,实现了反应器尾气O2浓度、氧化产品CTA中对羧基苯甲醛(4-carboxybenzaldehyde,简称4-CBA)浓度和第一结晶器尾气O2浓度的优化控制,稳定了PX氧化反应过程的运行。(4)选用合适的共沸精馏多元组分物性方法,研究了以醋酸正丙酯为共沸剂的共沸精馏溶剂脱水过程机理,建立了INVISTA工艺共沸精馏溶剂脱水过程的模型,并实现了流程模拟。根据模型分析与装置操作经验,进行了有效的节能优化操作,包括溶剂脱水塔回流量优化调整、溶剂脱水塔顶部汽相冷凝温度优化调整和釜水含量优化调整,稳定优化了共沸精馏溶剂脱水过程的运行,降低了再沸器蒸汽的消耗。(5)本文在实验室动力学模型和反应器模型研究的基础上，研究了工业装置Pd/C催化剂的失活动力学，表明在正常工业加氢生产过程中，催化剂失活是缓慢均匀的。同时,基于ASPEN PLUS平台建立了AMOCO工艺CTA加氢反应过程的流程模拟,模型预测结果表明该模型能较好地表征实际工业生产的特征。基于模型,本文采用交叉变异θ-PSO算法进行了工业加氢生产过程操作条件的优化分析,指导了实际工业生产的优化调整,取得了很好的应用效果。