過程模擬優化在化工工藝設計中的應用分析

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1.過程模擬優化設計概述

(1)過程模擬概述

過程模擬是一種常見的以更好表達與大型裝置相關的數學式為目的的設計方程，其通過將各個裝置相關聯的數學模型與系統內部進行聯系、運用與平衡、計算與調整，提升技術合理性與科學性。在此期間，所有過程模擬均是由系統內部的特性為表現形式而存在的。此外，過程模擬主要有兩種類型，分別是控制式與開式。控制式主要通過聯系裝置相關的設計條件，由此達到指定狀態，開式是指從過程輸入的各種裝置內部輸出的狀態。上述類型均可被運用在不同行業和領域，但最常見的還是化工工藝設計中[1]。

(2)化工工藝與過程模擬的結合

首先，將化工工藝與過程模擬進行結合，可以有效且及時的發現化工工藝中存在的內部問題，在具體生產中可以有效避免錯誤的發生和紕漏的產生，從而提高經濟效益，降低產出損失。其次，在使用過程模擬技術模擬化工工藝生產的過程中，可以更好的掌握生產內部存在的諸多不確定因素與不可控風險，將內部風險的容錯率降低。最后，通過對結構的改良與模擬生產，就可以在現實生產中生產出質量有保障的產品。

在化工工藝與過程模擬的結合中，首先我們應當明確一個大前提，即在實際生產時，應當先對化工工藝的變量及其數值進行控制，同時設置好順序，這其中環節諸多，不同單獨變量的有效結合才能發揮整體的最大作用。單獨變量控制之后，再對整個單元進行把控，才能最終達到控制運行車間的目的。

2.化工過程模擬優化技術應用

(1)化工過程模擬技術

隨著科技的進步與計算機技術的發展，化工反應被更多的運用在各個領域與技術當中，同時也伴隨著更多更好的創新，正確有效的運用計算機技術來模擬化工生產的過程，逐漸成為工藝設計中的重要組成部分，為企業的經濟與技術帶來提升。我們將過程模擬用于計算化工工藝的數據，可以分析的數據包括壓力平衡、相比平衡等其他方面的相關數據。縱觀化工模擬技術的全過程，從原材料到原材料處理，再到化學反應與產物處理，確定好操作的難易程度后定下最佳的經濟點，模擬技術就可以根據生產流程對生產過程進行模擬與故障診斷，從而減少支出實驗成本，為產品研發與創新也開辟了順暢的路[2]。

(2)化工過程模擬優化軟件

技術進步不僅帶來了更加優化的生產過程，同樣也暴露出傳統化工生產過程中的諸多缺點，此種態勢下，運用合理的模擬技術可以提升化工生產整體效果與生產流程的科學性。過程模擬最初被運用于化工生產是在上個世紀改革開放時期前后，但是當時化工生產中的模擬技術更多的被用于采取原材料的數據、數據的輸入、網絡型號檢測與信號輸出等方面。現代化設備與技術的不斷創新給工業模擬技術帶來了更多的可能性，更多學者將目光投入單元模型中，在優化整個生產過程時，組建合理單元模型可以讓模擬技術更好的發揮作用，同時也拓寬了模擬技術的運用范圍，使其具有更好的性價比與經濟效益。目前階段，化工領域的模擬軟件不斷增加，其中大家較為認可和信任的是ASPEN與CAPES兩個軟件的組合，在化工過程模擬中，有專業的軟件與數據進行支撐，可以讓模型效益最大化，也可以規避風險、查漏補缺。

(3)在化工工藝中的運用

在化工工藝中運用模擬技術，主要內容有三大類，分別為優化等式約束、單元操作模型以及其他不可歸類的內容，若確有必要，也可以采取最先進的技術對過程模擬系統中存在的內部問題進行解答。在上述三類內容中，針對優化約束方程，需要處理與模型、數據相關聯的問題，此時可以通過求解穩態模擬來解答，此種方法也可以讓上述技術得到充分發揮，以此提高企業的經濟效益，為化工工藝技術更好的發展而奠定基礎。

3.過程模擬優化技術在化工工藝設計中的應用

(1)生產設備的調整及優化

在化工工藝設計中，過程優化模擬技術起到關鍵作用的，首當其沖是生產設備的調整與優化。通過對化工工藝流程進行模擬，可以優化傳統的優化方式，通過計算機化的方式對化工設備進行優化，得到最合理的參數，保障生產效率和經濟效益，同時通過尋找最佳工藝條件，從而降低化工生產中產生的能耗，起到節能減排的作用。在目前階段，處于基礎位置的仍然是穩態模擬，通過穩態模擬進行參數確定后，即可運用更加先進的動態模擬進行實時優化。動態模擬已經在過程模擬優化技術中得到廣泛的運用，將穩態模擬與動態模擬有機結合，各自適用，還可以對復雜裝置進行調整及優化。

(2)新工藝研究

在初始研究化工工藝流程時，我們的研究人員和專家主要使用一種安全穩妥的方式，即實驗，此種方法雖然踏實，但卻耗時耗力。隨著現代化步伐的不斷加快，計算機技術得到高速發展，過程模擬技術逐漸進入研究領域并由此開始了它與技術創新與研究的旅程。目前階段，我國研究化工新工藝的手段主要為模擬技術，同時配備一定的實驗為輔助，過程模擬優化技術在新工藝研究中起到的作用不僅有效縮短研究時間與研究成本，同時因其特有的計算機技術，還增加了新工藝在化工工藝中的合理性與適用性，使新工藝與具體工藝更加契合，創新驅動優勢更加凸顯[3]。

(3)新裝置設計

通過新裝置設計進行化工過程的模擬，可以有效發揮模擬優化技術，不僅可以準確的計算出能量平衡和物料平衡，同時還可以對后續工藝的設備參數進行優化及調整，必要時可進行修改。在這其中，針對諸如氣體分餾裝置、乙烯裝置等的設計，模擬過程可以得到更好的效果和數據，同時新裝置設計還可以用于檢驗生產操作的規范合理與否。細化模擬軟件的功能，可以分為以下六點：第一，針對實際生產中遇到的難易攻克的技術難關，可以通過模擬裝置進行參數與結果的提供，從而反饋給技術人員進行瓶頸突破與技術改進；第二，可以由模擬軟件判斷各類裝置是否處于正常或優化狀態，使技術人員由此判斷是否需要改進；第三，裝置一旦異常，即可通過模擬發現異常點從而解決異常問題；第四，模擬技術并不要求企業有實際投入，僅依靠計算機模擬就可完成優化與調整，可有效降低能耗；第五，模擬軟件對于技術人員的素質培養具有積極影響作用；第六，模擬軟件可以為裝置的技術改革與改造提供保障。

4.實際運用案例

(1)案例分析

綜上所述，過程模擬優化對于化工工藝技術提升的積極意義，可以對化工工業設計進行有效的優化與改進，提升整體效率。本研究以某石化企業作為應用案例進行分析，主要針對過程模擬優化設計，在該企業優化精餾工藝的過程中，針對其中的乙二醇裝置，企業運用模擬技術對其進行優化，模擬了整套環氧甲烷反應，使實際操作中裝置的發揮空間更大。

(2)應用過程

應用過程分為假設、模擬和應用結果反饋三方面。首先，根據乙烯反應可以提出相應的假設，根據假設簡化氧化過程，在對生產過程進行分析中，我們也應當注意計算化學工藝，其主要體現在以下兩方面，首先根據乙烯反應的特定與條件，我們使用摩爾比進行計算，針對該反應中的原料為基礎進行計算與分析；其次，針對可能以及應當影響氧化反應的因素進行計算，其中包括壓力平衡和熱平衡等因素。若確定實驗中乙烯已發生反應，則可以通過分析等價的原則，根據反應得出與生產相關的過程，若無化學反應，此時可以不進行計算，避免出現計算難度過大的現象。此外，由于在現實生產中，物料傳輸會導致壓力值降到最低，所以能耗問題本實驗在所不記。

一旦乙烯發生化學反應，則可以對相應技術進行分析。過程模擬優化可以使整體操作過程在離線狀態下進行，也可以優化物料加工中的一切環節，但若只在裝置上采用在線分析的方法，參數與結果均會受到影響，只有獲取更加標準的參數，才能構建更好的模型，同時使數據資源更好被轉化。

(3)應用效果

綜上所述，過程模擬優化技術的實際效果主要表現在以下兩個方面：第一方面，過程模擬優化技術可以將化工工藝中存在的故障排查出來，并就整體故障進行診斷。運用傳統的方式對生產環節中存在的故障進行實驗與診斷，不僅會消耗更多的時間，同時會消耗更多成本。采用過程模擬優化技術，則可以用更快的速度確定優化方案；第二方面，過程模擬優化設計可以更加有效的對實際工藝進行優化和創新。我們在化工工藝技術的突破和創新上，往往會面臨一些很實際的問題，比如優化方案太多，但實驗成本較高，從而導致技術人員無從選擇。若能借助模擬優化技術，可以使物質轉為計算，使實驗過程變為虛擬，過程與參數都更加精準了，也彌補了實驗中無法避免的不足，提升了工藝技術以及工藝的科學性。

5.結束語

綜上所述，化工模擬技術對于推動化工工藝技術的穩步推進與持續創新具有十分重要的影響作用，其深遠的意義不僅使生產過程變得更加安全，還可以以化工技術為基礎，推進行業與技術的創新與發展，實現了行業的可持續發展。同時，模擬優化技術也為企業發展指明了方向，使企業可以更好的融入科技與時代的進步，穩扎穩打持續進步。