過程模擬優化在化工工藝設計中的應用研究

張新嬌，王超，王芳，陳宗院

（1.五蓮縣行政審批服務局政務服務中心，山東 日照 262300；2.山東五征集團有限公司農用車技術部，山東 日照 262300）

0 引言

化學中的過程模擬技術是在更方便研究和優化化學過程反應的基礎上發展起來的。它根據化工過程的數據，利用合適的模擬軟件，用數學模型對多個單元操作構成的化工過程進行描述，模擬實際的生產過程，再通過計算機去改變不同的有效條件，最終得到需要的結論。化學過程模擬的本質是用計算機程序定量計算化學過程的特征方程。

1 過程模擬概述

1.1 過程模擬的概念

過程模擬是指使用與系統中每個設備相關的數字學習模型以更好地平衡不同的設計方程。為了更好地表達與主元件相關的數學表達式，所有流程模擬流程都代表流程系統的內部特征[1]。

大多數流程模擬主要分為開放模型和受控模型。前者表示流程中各種導入設備的內部輸出狀態，后者達到主要設備的設計條件所要求的狀態。大多數流程模擬概念可以應用于不同的行業，但通常應用于化學流程設計。

1.2 過程模擬與化學技術的結合

在實際的化工生產中，首先需要控制單個的化工過程變量系統，在實際中設定相應的順序然后控制整個單元流程，最后控制整個操作車間。這個過程涉及到很多環節，需要結合不同的環節優化參數，以使整個過程更好地運行。在實踐中，如果能利用化學過程模擬技術，就能及早發現內部問題。根據問題不斷優化過程參數，使化工過程避免在生產中產生大的失誤，從而減少企業生產的虧損。

此外，通過模擬化學過程本身，可以有效地控制內部不可控制的因素，并盡量減少內部不可控制的因素。通過一系列良好的模擬結構參數，可以生產出質量更好的化學品。因此，在進行大規模化學生產之前，有必要模擬整個化學過程。

2 化學過程模擬優化技術

2.1 化學過程模擬技術

隨著計算機技術的不斷發展，該技術在化學生產中得到了有效的應用和創新，有效利用信息技術使人們能夠對化學生產過程進行實際模擬，并最終成為該過程設計的重要組成部分。大部分化學反應被應用于大型化工企業，雖然可以在實際應用模擬中有效地計算化學過程數據，但有可能更好地分析有關不同方面的數據，例如相平衡、壓力平衡，并酌情分析不同化學生產環境的適應情況。

在確定最佳經濟點之前，有必要確定業務困難。此外，利用這一技術，可以從一開始就診斷出生產過程中的大量缺陷，從而不僅降低了試驗成本，而且為產品研發奠定了基礎[2]。

2.2 化學過程模擬優化軟件

事實上，傳統的化學品制造工藝可能會有許多不利之處，因此企業必須使用健全的化學模擬技術來優化工藝，從而提高化學生產的科學質量和總體效率。但是，在化學系統的實際仿真和優化中，需要使用相應的技術來支持和改進仿真模型的運行，在優化生產過程中可以避免許多問題。

自1960年代和1970年代以來，化學過程模擬技術一直廣泛用于化學生產，但這些技術是主要研究機構使用的第一種也是最好的技術。大多數化學模擬軟件主要由不同的原材料數據、操作單元模塊庫、數據輸入、信號輸出和網絡通信組成。

此外，當優化化學過程時，可以通過創建適當的單元模型來提高其效率。目前有許多常用的化學過程模擬軟件，主要是CAPES和ASPEN軟件。此外，如果在現有模塊的基礎上靈活應用SIMMOD技術，就可以更好地模擬化學過程。在實踐中，只有有效使用模擬優化軟件，才能更好地應用不同的化學技術。

2.3 化學技術的應用

經過持續的研究，大多數工藝模擬技術可廣泛應用于化學技術。如果需要，可以使用最先進的技術來解決流程模擬系統的內部問題，重點是不同類型的內容，例如優化的單元操作模型和相等限制。通過優化應力方程，可以通過求解穩定模型來解決數據和模型問題，從而使這些技術能夠展示其獨特的優勢。相關證據表明，這些技術能夠有效地提高企業的經濟效率，并為今后的化學技術發展提供更好的保護，從而發揮更大的作用。

3 化學過程模擬優化在化工設計中的作用

3.1 流程模擬優化技術的重要作用

第一，可以在短時間內診斷出適當的程序。在實踐中，使用傳統生產方法進行試驗往往需要很長時間，不可避免地會增加費用。在實驗中有效地使用模擬優化措施，則可以確定最佳優化解決方案，并通過優化業務成本節省時間。

第二，技術設計過程中一般有很多情景，使用模擬優化技術，則可以更快地獲得最佳解決方案。在此基礎上，如果能夠不斷改進流程設計過程，就會明顯提高生產率。

第三，在生產中遇到問題時，可以采用仿真技術尋找影響因素，并使用仿真軟件迅速得到最佳解決措施。過程模擬不僅可以查找問題原因，還可以提高解決問題的效率[3]。

3.2 過程模擬在線優化

程序模擬的實際最佳化程序是使用各種最佳化技術來完成的，這些技術可有效地解決模擬系統中的非線性規劃問題，并提供相對穩定的最佳化模型。

最小f(u，s)s，tf(u，s，z)=0(機組運行模型方程)h(u，s)=0(流量-存量連接方程)

C (u，s)=0優化等式約束

g (u，s) ＜0的最優化不等式約束

通過利用穩態仿真的方法，可以解決OPT11中的優化等式約束方程。經過有效地處理數據、模型和操作，我們可以了解優化在處理大規模非線性系統優化技術方面的優勢和明顯影響。

4 Aspen中化學模擬的對應模塊

4.1 熱力模型

根據工藝流程的物理性質，選擇合適的熱力學模型作為整個工藝流程的模擬方法，涉及化工熱力學中學習的狀態方程法和活度系數法。只有充分了解熱力學模型，才能快速準確地選擇合適的熱力學模型，實現對整個工藝流程的準確模擬。

4.2 反應過程

反應是工藝過程的核心，無論在模擬過程中使用基于物料平衡的反應器、基于化學平衡的反應器還是動力學反應器，都需要化學反應工程的知識作為支撐。值得注意的是，在Aspen Plus中，反應器模擬主要通過反應器單元獲得物料平衡和熱量平衡，而無法獲得反應器結構、反應器內流量和反應器內催化劑裝填量的信息，這是工藝模擬初學者的常見誤區。

4.3 運輸和熱交換過程

過程模擬還需要模擬流體輸送過程、換熱過程和分離過程，這部分知識涉及《化工原理》第一、二卷的內容。雖然反應是工藝過程的核心，但流體輸送、換熱和分離也是過程模擬不可缺少的一部分。這部分模擬需要操作者掌握化工原理的相關知識[4]。

用Aspen模擬流體輸送過程時，不需要考慮管道輸送過程，只需要考慮流體壓力變化的過程，其中用泵模擬液體加壓過程，用壓縮機模擬氣體加壓過程，用閥門模擬流體減壓過程。泵、壓縮機和值模塊分別對應于泵、壓縮機和閥門。

在流體傳熱過程的模擬中，不需要考慮流體與哪個流或哪個設施進行熱交換，也不需要考慮熱交換器的壓降，只需要考慮流升溫或降溫，也就是說，在Aspen中只需要對加熱器模塊進行模擬。

4.4 分離過程

在分離過程的模擬中，當物質的沸點相差較大時，如(氫和水)，或者物質之間存在明顯的相，如(苯和水)，前者可以通過兩相閃蒸分離，對應于Aspen中的閃蒸模塊，后者可以通過相分離器分離，對應于Aspen中的潷水器模塊。Sep為強制分離模塊，可以將物料分離成你需要的任意比例和成分。但是使用該模塊需要其他文獻數據或軟件模擬結果來支持設置的分離結果，這些結果通常可用于分子篩脫水等，所以不推薦使用[5]。

當分離工藝系統變得越來越復雜時，就需要考慮用精餾、吸收、萃取等方法來分離物質。精餾過程對應Aspen中的DSTWU(簡單法)和Radfrac(嚴格法)模塊。作為化工設計中廣泛使用的分離方法，精餾模擬的一般步驟大致為DSTWU簡單塔模擬、Radfrac嚴格塔模擬和塔設備優化。Radfrac模塊直接用于模擬吸收過程。提取模塊用于模擬提取過程。后面的模塊可以模擬復雜的蒸餾，如分隔壁塔和側線提取，以及石油蒸餾[6]。

5 實例建模

5.1 假設

為了簡化乙醇連續發酵過程，可以在分析相關數據后作出合理的假設。在實際反應中，還需要計算類似的摩爾比，重點是根據對不同化學反應的分析計算反應條件。乙醇連續發酵的整個過程如下：根據等效性原則分析連續發酵的所有條件；注意不要考慮穩定狀態以外的特殊狀態；注意直接降低材料運輸過程中的壓力，直接忽略運輸過程中產生的能源消耗；如果在計算固體成分時沒有觀察到其他化學反應，則無需進一步計算。

5.2 分析和優化仿真結果

大部分葡萄糖的攝入量受預發酵和反應壓力等發酵結果差異的影響，必須由專業人士根據實際情況加以考慮。只有通過對相應的條件進行分析，才能得到更貼近實際的結果。此外，在蒸汽補充過程中，動物飼料的成分，生產負荷等，可能會受到其他內部和外部因素的影響。在實踐中，化學工藝只能在原材料加工中發揮重要作用，但整個工藝只能脫機工作。在生產過程中，即使設備是在線仿真的，也很難超過實際的分析數據。只有通過不同的模擬過程，企業才能在短時間內獲得大量適當的數據，并最終更好地控制總體質量。

5.3 執行效果

一般來說，模擬優化技術的效果如下:

首先，有效診斷流程故障。在傳統生產過程中試驗一種工藝可能需要很長時間，甚至花費很多錢。但是，如果這是模擬過程，通常可以首先確定優化方案。這種實際做法不僅節省了處理時間，而且直接提高了企業的內部經濟效率。

其次，有效地改造實際過程。流程設計包含許多方案，如果通過模擬進行優化，這些方案自然可以使計算過程更加精確，從而通過加快流程設計過程來填補空白并最終改進流程的科學方面。

6 結語

綜上所述，大部分化學模擬技術主要是對整個生產過程進行分析，然后才能使整個過程更加的安全。把化工技術作為基礎，可以促進建模技術的進步和發展，并在實際的應用過程中獲得良好的效果。由此可以看出，大部分化工過程模擬技術不僅能夠提高實際化工過程水平，還可以優化企業在實際生產中的化工工藝，使企業更好生產出更高品質的化工產品。目前，常用的過程模擬優化技術是化工生產中的一項重要技術，得到了廣泛應用。