化工系统过程模拟与优化

论文题目指导教师化工系统过程模拟与优化职称目录摘要.................................................................2关键词.................................................................2Abstract...............................................................2前言...................................................................21发展迅猛的成因.......................................................22化工过程模拟的进展...................................................32.1分子模拟........................................................32.2单元过程的模拟..................................................42.3化工流程模拟....................................................52.3.1模型化的方法..............................................52.3.2动态流程模拟..............................................63化工过程的优化.......................................................73.1化工数据的校正..................................................73.2化工过程优化的层次结构..........................................74主要的化工模拟软件及其应用...........................................85结束语..............................................................10参考文献..............................................................101摘要：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：Chemicalprocesssimulationsystemisthemostbasiccomputerchemicalapplication,developmentofoneofthemostmaturetechnology.Thisarticlefrommolecularsimulation,unitprocesssimulationandprocesssimulationthreesimulationinitsdevelopmentlevelsituationandthedevelopmenttendency.Andtheprocessoptimizationandthecurrentpopularinternationalanddomesticcommercialchemicalprocesssimulationsoftwareanditsmainfunctionandapplicationfieldisthesummaryofthesystem.Keywords：Processoptimization;Molecularsimulation;Processsimulation;Processsimulation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,2从而提高竞争能力。挖潜技术改造具有重要作用。就化过程模拟而言,也就有不同层次的过程模拟。[2]2化工过程模拟的进展3介绍化工流程模拟和优化。2.1分子模拟面十分有用：(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。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[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3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。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，在小型机或工作站上也可以进行了。国内[4]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。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]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商品化的通用分子模拟软件，例如：美国的TRIPOS公司、MolecularSimulation公司和BIOSIM公司等。2.2单元过程的模拟别以下几种不同的情况。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]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4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：100年之后已被基于速率方程的级[7]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。(Homotopy)用同伦拓展法往往可顺利算出所有的解。第四，化学反应器的模型化正沿着两条路径发展：一条是提供基本模型组块，[8]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]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5060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拟专家使用。5[10]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DOTProducts的系统和美国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]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比稳态模拟晚10~15年，因为有以下一些难点，所以要[12]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；稀疏性强只有的雅可比矩阵元素非零；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90一种在不同技术工作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，正常生产各阶段均助于对设计早期进行实际的分析。63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]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，3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。AspenTech公司，ABBSimcon公司，SimulationScience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，[14]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,型多半是序贯模块法的通用稳态流程模拟器程序，如ASPENPLUS及某些专门应用程序如乙烯裂解炉模型能直接用联立方程法写的如美国ChemShare公司的ProCAM)。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AspenTech公司称为。优化模型[15]7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。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：AspenTech及ABBSimcon公司均采用策变量优化值如果自动下载到DCS题。4主要的化工模拟软件及其应用的整合[16]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)。81[17]Ⅱ/，Ⅱ和95结束语化工过程模拟技术[18]发展至今已有50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。参考文献：曹斌,高金森,徐春明.分子模拟技术在石油相关领域的应用化学进蔡松林,陈宗海,沈廉.基于稳态数据的化工过程动态模型的建立[J].计算机仿郭姝媛.化工过程模拟辅助设计专