化工系统过程模拟与优化

学院化学化工学院

专业化学工程与工艺

年级2009级

姓名

论文题目化工系统过程模拟与优化

指导教师职称讲师成绩

2012年6月15日

目录

摘要 (2)

关键词 (2)

Abstract (2)

前言 (2)

1 发展迅猛的成因 (2)

2 化工过程模拟的进展 (3)

2.1 分子模拟 (3)

2.2 单元过程的模拟 (4)

2.3 化工流程模拟 (5)

2.3.1 模型化的方法 (5)

2.3.2 动态流程模拟 (6)

3 化工过程的优化 (6)

3.1 化工数据的校正 (6)

3.2 化工过程优化的层次结构 (7)

4 主要的化工模拟软件及其应用 (8)

5 结束语 (9)

参考文献 (10)

化工系统过程模拟与优化

摘要：化工系统过程模拟是计算机化工应用中最为基础、发展最为成熟的技术之一。本文从分子模拟、单元过程模拟及流程模拟三个模拟层次综述其发展现状及发展趋势。并对过程的优化和当前流行的国际国内商业化化工过程模拟软件及其主要功能、应用领域作了系统的总结。

关键词：过程优化；分子模拟；过程模拟；流程模拟

Abstract：Chemical process simulation system is the most basic computer chemical application, development of one of the most mature technology. This article from molecular simulation, unit process simulation and process simulation three simulation in its development level situation and the development tendency. And the process optimization and the current popular international and domestic commercial chemical process simulation software and its main function and application field is the summary of the system.

Keywords：Process optimization; Molecular simulation; Process simulation; Process simulation

前言

利用计算机高超的能力解算化工过程的数学模型[1]，以模拟化工过程系统的性能，这种技术早在50 年代已开始在化学工业中应用。经过40年的发展，现已成为一种普遍采用的常规手段，广泛应用于化工过程的研究开发、设计、生产操作的控制与优化，操作工的培训和老厂技术改造。而且随着计算机硬件的性能价格比的迅速提高、软件环境的改善与丰富，过程模拟技术发展的势头有增无减。

1 发展迅猛的成因

这种发展的成因可以归结为以下几个方面：

首先，化工行业市场竞争剧烈，要求化工新产品、新工艺开发周期短，用数学模拟可以大大加快筛选进度、减少实验工作、提高工程放大倍数、降低研究开发成本,从而提高竞争能力。

其次，老厂面临愈来愈严酷的竞争，环境保护规定愈来愈严，安全规定及质量要

求愈来愈高，而过程模拟正是计算机辅助操作运营的基础对老厂改进操作优化控制及挖潜技术改造具有重要作用。

再次，过程模拟也是计算机辅助工艺设计的基础是每个化工工程设计单位不缺少的手段。从系统工程角度来看，一个大型化工厂由一些不同层次的子系统组成。因此，就化过程模拟而言[2] ,也就有不同层次的过程模拟。

2 化工过程模拟的进展

一个化工厂流程模拟的象在十儿米至上百米的规模范围，而其单元程子系统则为几厘米至几米大小。进一步深模拟每个单元过程设备的内部传递过程和反过程，则模拟对象小到毫米至亚微米级，而在计算分子物性或研制新的药品时，要模拟分子的性能，这时模拟对象可小到纳米级。下面分3个层次来介绍化工过程模拟的进展，重点介绍化工流程模拟和优化。

2.1 分子模拟

分子模拟又可分为两个不同的层次：一种是对大量分子在运动中产生的宏观性质的模拟；另一种则是研究单个分子的内部结构与其药物活性之间关系，即所谓“分子设计”。

根据统计力学法则，从分子位置及运动的统计来计算所要求的宏观性质，不仅可以大大节省试验工作量，而且有时成为实验所不可能完成的唯一手段，在以下几个方面十分有用：

(1)复杂系统的相行为预测极端压力及温度条件下的流体相图，电离系统的相图，熔融盐类及胶体悬浮体系，生物流体中的双元及高元缔合液的相行为这在生物工程发展中十分重要。

(2)微孔介质和相介面性质在分子数量很少的系统中，如液滴、气泡、孔穴中的流体及凝胶粒子等，用经典热力学来解释表面现象平衡是不适用的。用分子模拟[3]可以预测催化剂颗粒、吸附剂、膜分离等微孔介质中的流体特性；预测直径小于20￡时，液滴表面曲率强烈影响下的液滴性质；模拟分子性质与表面活性之间关系以便为三次采油回收及其他工业过程设计找出更好的表面活性剂。

(3)研究蛋白质在溶液中的稳定性由蛋白质的化学结构来预测其空间折叠结构，从而预测小团蛋白质在溶液中的稳定极限。这在生物工程中很有用处，这类分子模拟的数值计算方法有两大类蒙特卡洛方法和分子动力学法。这些方法假定的群体分

子数目N=100~1000,数目愈大准确度愈高，但计算工作量也相应加大。

规定其周期性边界条件及分子间势能，然后进行统计计算。不言而喻，这种计算工作量极大，要求速度高及内存大的巨型机(如Cray机)才能完成。

近年来由于计算机硬件的长足进展[4]，在小型机或工作站上也可以进行了。国内北京化工大学在蒙特卡洛法估算热力学性质方面做了有益工作。

所谓“分子设计”意在化学合成某种分子之前，按照人们指定性能在计算机上设计出分子结构，在计算机上筛选结构可以省去大规模的实验筛选工作，这在药品研制中具有重大意义。不仅可以节省上亿元投资，而且可以大大加快开发速度，在竞争中保持优。当“指定性能”是生物活性(如杀虫活性、杀菌活性、除草活性、对某种酶的抑制活性)时，这种方法称为“定量结构一活性关系”QSAR方法，这也是计算化学中最活跃的领域。

此外在高分子新型材料的研究开发中也常用分子设计[5]。我国在承认化合物知识产权之后，医药、农药和精细化工行业均面临严峻的挑战，必须迅速建立起我国自己的研究、创制，开发、放大体系。在这方面，中国科学院化工冶金研究所计算化学开放实验室领先一步做了几年工作，取得可喜的进展。国际上已有一些专门的公司销售商品化的通用分子模拟软件，例如：美国的TRIPOS公司、Molecular Simulation公司和BIOSIM公司等。

2.2 单元过程的模拟

单元过程的数学模型的详细程度或严格程度应视其应用目的不同而异，至少应区别以下几种不同的情况。

(1)工程放大及设计用数学模型这是要工程放大及设计用数学模型[6]，这是要求最严格的模型，不仅基于机理推导，而且往往要积累相当多中试及工程实践数据加以校验及修正。一旦证明这种模型可靠实用，就可以用它替代试验，直接进行放大设计，因而这种模型价值也最高。

(2)工艺流程筛选用数学模型这是在概念设计阶段为了比较各种候选工艺流程合理性时做粗略计算用的。这个阶段并不需要深入详细的计算，其结果只要相对正确就够了，因此是一种近似模型。

(3)操作或控制优化用数学模型这种模型往往是针对性强的专用数学模型。因其专用性强，因而准确度可以很高。如果用于实时控制，则往往要求解算时间要快。

近15年来单元操作的模拟主要在以下几个方面有了较大进步：

首先，传统的相平衡级分离模型在使用了近100年之后已被基于速率方程[7]的级分离模型所逐步取代。相平衡级模型的基本假定是：①液体在塔板上全混合；②蒸汽穿过液体为活塞流流动。这当然与实际差别很大，这种差异就靠塔板效率来纠正。这使将分离塔模拟计算长期不够准确，而且也无法对现场操作塔进行棋拟。基于传递速率的棋型则认为相平衡只在汽液相界面上才成立，而分离程度取决于两相接触中的质及能盈传递。这样就使准确度大为提高，而且便于处理含化学反应的分离过程。

其次，与环境保护有关的单元过程模拟有了很大发展，例如：膜分离过程；离子交换，反渗透，吸附与化学吸附等。

第三，单元过程模拟中的多解间题可用同伦拓展(Homotopy)方法解决。因为描述单元操作的物料及热量衡算往往涉及代数及超越方程组，这种非线性代数方程组在以下情况下用常规迭代求解法往往失败：①初始迭代值不好时；②没有唯一解时。这时用同伦拓展法往往可顺利算出所有的解。

第四，化学反应器的模型[8]化正沿着两条路径发展：一条是提供基本模型组块，对一个具体反应器而言，用户可以自己用组块搭建复杂反应器模型。一条是建立可调节的通用反应器模型，用户针对自己的反应器可以改变部分参数。

2.3 化工流程模拟

2.3.1 模型化的方法

将一个由许多单元过程组成的化工流程用数学模型[9]表现，并在计算机上解算其物料及能量衡算，并进一步计算各单元设备尺寸及成本的模拟称之为流程模拟。就其数学模型的表述及解算方法而言，已发展了两类模型化方法序贯模块法和联立方程法。

从50年代就开始发展的序贯模块法至今仍然是当前使用的主要方法，而60年代由英国帝国理工学院Sargent教授首先创始的联立方程法虽然有很多的优越性，但至今尚未很好地商品化模型化发展的方向是把序贯模块法的通用性和联立方程法的适应灵活性结合到一个面向对象的模型化环境中去，使之既可供非专家使用，也可供模拟专家使用。

面向对象就意味着以一批常用基本模块为对象，因此必然是模块化的，但其解算方法又具有联立方程法的优越性。终用户可以把一些基本模型对象用图形建模器搭接起来，形成用户单元模型[10]。每个模块对象应当提供有关自身的所有的重要信息给联立方程解算器，例如：方程结构、残差、导数等。此外，这些模块对象还包括着定性

工程知识以协助用户来给定规定或进行诊断。这种思路已被DOT Products的NOV A 系统和美国Carnegie-Mellon大学的ASCEND系统部分采用，前者已商品化。

既然今后的面向对象模型化采用模块[11]，当然就不难想到如何使之标准化以便重复利用，甚至可以嵌入其他程序之中应用。现在不同的化工软件供应商提供的模块完全没有互换性的状，已使广大用户愈来愈难以容忍。

美国化工学会成立了一个过程数据交换委员会(PDXI)，正在起草过程工程应用程序茹数据库及各种组织之间数据共享的标准数据交换规范。这里涉及到过程工程涉及到哪些活动？每种活生成和要求提供哪些数据？这些数据应如何识别、构造和组织等，这是一项系统工程。

2.3.2 动态流程模拟

动态流程模拟的发展[12]比稳态模拟晚10~15年，因为有以下一些难点，所以要开发出通用性强而解算又可靠、使用方便的软件十分不容易：(1)高维数的微分与代数混合方程组，常常大于1000个程；(2)稀疏性强(只有1%的雅可比矩阵元素非零)；

(3)非线性方程常常碰到病态方程(刚性问题)；(4)可能碰到对时间不连续间题。

90年代以来，动态模拟的技术发展和应用呈迅速上升趋势，这是由于一方面计算机性能价格比提高极快，过去需要消耗过多计算机时的障碍不存在了；另一方面CAPO发展也要求使用动态模拟的工具。动态模拟实际上沿着两个方向发展；设计用的模拟系统和操作实时模拟系统。Marquard 对一些有名的学院的和商品化的动态摸拟软件做了出色的综述，稳态模拟与动态模拟有合并的趋势，有一多半软件既是动态模拟软件又可以做稳态模拟设计用。预计随着平行计算及分布式计算环境的推广，90年代动态模拟技术的应用会有迅速的增长。而工业部门则把动态过程模拟工具看成是一种在不同技术工作组(从设计组、生产准备组及至生产管理组)之间动态信息交流的手段，实际上从概念设计，基础设计、施工详细设计到生产准备，正常生产各阶段均需要用到动态模拟。如果在一个项目中能在早期就建立更多的明确的信息资料，则有助于对设计早期进行实际的分析。

3 化工过程的优化

3.1 化工数据的校正

化工过程模拟分析的重要目标之一就是工厂操作或控制的优化[13]。说到“优化”，首先就要弄清当前操作的真实现状，也就是由工艺现场采集到的各种工艺数据必须准

确可靠。如果得到的数据有较大随机误差，甚至个别是错误的(过失误差)，那么在这种基础信息上谈“优化”就无异自欺欺人，导致危险的后果。因此，化工装置优化的前提是：所有采集的原始数据必须经过数据的筛选及校正处理，筛除过失误差数据，校正随机误差，使之符合物料、能量及化学3大平衡为约束条件，按最小二乘法原则，使各个数据的调整量之和为最小。当前数据校正软件往往只有物料流量的校正。高级的可以校正流量温度及化学反应后的组分，有些只能离线校正，有的可以在线应用。现在一些著名优化控制公司均有自己的数据校正软件，例如，Aspen Tech公司，ABB Simcon公司，Simulation Science公司有DATACOM。国内中国化工信息中心进行了这方面研究，但尚未形成商品化软件。

3.2 化工过程优化的层次结构

当前的过程优化[14]实际上是将下层的动态控制与上层的稳态优化问题分开解决，也就是用DCS集散控制系统或和先进控制手段使工艺变量控制在合理指定值上，而将采集得的工艺数据首先送进数据校正软件进行处理，得到精炼后的数据放入实时数据库进行管理。上层的基本模型及优化模型均是稳态模型，它认为在计算出新的优化步骤之前，工艺过程处于上一次稳定状态之下。

在线环境平台至少包括数据校正及实时数据库，它可以从各种不同牌号的DCS 上直接采集数据，也可以由先进控制器上采集数据，经过校正后的数据送入基本模型,以标定这些稳态模型中的可调整参数值、如换热器传热系数、压缩机效率、反应器催化剂失活系数等。这样得到的标定好的模型就是工况研究和优化的起点。这种基本模型多半是序贯模块法的通用稳态流程模拟器程序，如ASPEN PLUS及某些专门应用程序(如乙烯裂解炉模型)，但也有可能直接用联立方程法写的(如美国Chem Share公司的Pro CAM)。如果用序贯模块法的基本模型，则往往需要将其变换成联立方程模型，这种平台在Aspen Tech公司称为RTOPT。

优化模型[15]是在基本模型基础上要求用户选定一组独立变量作为决策变量，给出约束条件及目标函数。约束条件包括设备约束和产品质量要求等，目标函数可以是每吨原料得到的产品产量最大、每吨产品能耗最小或每吨原料产生的利润最大等。

优化计算就是不断改变各个决策变量以求满足约束条件下，目标函数达到最大或最小。这是要不断多次解算基本模型的搜索过程，因此，十分消耗机时决策变量愈多则机时消耗也愈大，所以通常决策变量只有10~20个，而计算时间间隔为2~8h。间隔再缩短受到两个方面限制：一方面化计算时间不够用；一方面调节过于频繁使工艺

过程难于达到稳态。

解算器的任务是在尽快的时间内按数学规划法进行寻优计算。值得指出的是：Aspen Tech及ABB Simcon公司均采用NOV A系统作为解算器。解算器解得的一组决策变量优化值如果自动下载到DCS上去作为其给定值，则称之为“闭环在线优化”，如果经由操作工酌情下载，则称为“开环在线优化”。

如上所述，目前这种将稳态优化与动态控制人为分割开的方法是不尽人意，也就是说，给定值计算和优化控制动作同步确定，从而消除了优化与控制的界限。这种动态优化不再是找寻一组决策变量的优化值，而是要找寻一个优化轨迹，或是一组变量变化的优化曲线。这就使基本模型变成动态模型，是微分一代数方程组系统的优化间题。

4 主要的化工模拟软件及其应用

现在化工过程模拟软件已经广泛地被应用于化工过程的设计、测试、优化和过程的整合[16]。化工模拟软件的应用一般包括以下几步：绘制流程图，定义组件，选择热动力学计算方法，定义进料物流，运行模拟器，结果查看与输出。目前常用的化工过程模拟软件除上文提及的以外，还有ChemCAD、DesignⅡ等(见表1)。

表1 主要的化工模拟软件及其应用

软件名称功能与特点应用范围最新版本

AspenPlus[17]用严格和最新的计算方法，进行单元

和全过程的计算，提供准确的单元操

作模型，还可以评估已有装置的优化

操作或新建、改建装置的优化设计。

可用于石油化工、气体加工、

煤炭、医药、冶金、环境保

护、动力、节能、食品加工

等许多工业领域，目前已在

AspenPlus12.1

功能齐全、规模庞大。全世界范围内广泛使用。

Pro/Ⅱ适宜用于化工复杂过程的模拟。能够

完成新工艺设计，不同装置配里评

估，优化和改进现有装置，依据环境

评估，消除工艺装置瓶颈，优化产能、

增进收益。

综合工艺流程模拟，在制气、

炼油、石油化工、化学工程、

制药、工程建设与施工中进

行过程设计、过程操作分析、

设计和操作过程优化。

Pro/Ⅱ7.1

Hysys 最先进的集成式工程环境。具有强大

的动态模拟功能。提供了一组功能强

大的物性计算包和数据回归包。具有

物性预测系统和内置人工智能。

控制方案的研究；分析装置

的瓶颈间题；确定开工方案；

计算间歇生产过程；计算特

殊的非稳态过程；在线优化

及先进控制。

4.0

ChemCAD 大型化工流程模拟软件，具有强大的

模型计算和分析功能，可以求解几乎

所有的单元操作；集成了设备标定模

块及工具模块，支持动态模拟，可以

在作工艺计算的同时进行经济评价，

有高度灵活的数据回归系统。

化工过程的工艺开发；热力

学－物性计算；汽/ 液/液平

衡计算；换热器网络；环境

影响计算；安全性能分析等。

ChemCAD 5.3

DesignⅡ内置了Fortran语言，Visual Basic，

Visual C++ 和Excel VBA 界面。是高

价值的稳态过程模拟软件。

原油处理；换热器设计；混

合胶体系模拟管线建棋；合

成氛工厂模拟；化工传递模

拟等。

DesignⅡ9.20

ECSS 我国自行开发的模拟系统软件，功能

十分丰富，可以用来进行物性推算，

单级过程模拟、反应过程模拟、工艺

流程系统模拟、塔及换热器设计、经

济评价等。

天然气加工、石油炼制、石

油化工、化学工业及轻工等

工业的新过程设计、流程筛

选、流程改造、过程最优化、

环境影响评价等。

ECSS-STAR

化工之星4.1

5 结束语

化工过程模拟技术[18]发展至今已有50 余年的历史，这项高新技术已为化工界所认识，已经广泛地应用于炼油、石油化工、精细化工等化工领城，产生了明显的经济效益和环境效益。随着计算机技术，数值计算方法与优化理论的发展，更复杂，更精确的计算模型将不断推出，化工过程模拟技术将成为企业增强创新能力和综合竞争力的主要技术途径之一。但同时由于化工系统工程也在不断地深入发展，所以化工流程

模拟的过程综合及过程优化等功能也有待于进一步完善与强化。

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