流程模拟技术概述

27九月20231化工流程模拟技术概述

化工模拟优化技术的发展是建立在化学工业的发展、人类对化工过程认识的深入及计算机技术的迅速发展等的历史背景下的。 近现代以来，化学工业朝着综合化方向发展，流程结构日益复杂，装置规模日趋大型化，化工行业的资源短缺、环境污染等问题变得越来越重要。 同时，人们对化工过程的认识也越来越深入，1915年美国的A.DLittle首次提出的单元操作的概念，上世纪50年代，传递过程理论诞生，随后，化工过程系统工程应运而生。自1965年以来，大型电子计算机出现，计算方法得到迅速发展。这一切为现代化工过程模拟优化技术的发展奠定了坚实的基础。

化工过程模拟系统开始产生于上世纪后半叶，其标志性事件就是化工流程模拟软件的出现与开发。化工流程模拟软件是由化学工程学、化工热力学、系统工程、应用数理统计、计算方法及计算机技术等多学科理论在计算机上实现的综合性模拟系统。 1960年代，美国HOUSTON大学开发出Chess（ChemicalEngineeringSimulationSystem）系统，该软件采用FORTRAN语言编写，共有16种单元操作模块，98种物料的物性数据。60年代末，美国Monsanto（孟山都）公司开发出Flowtran（FlowsheetTranslator）系统，该软件也采用FORTRAN语言编写，共有30种单元操作模块，180种物料的物性数据。 1976-1981年，美国麻省理工大学化工系开发出ASPEN（AdvancedSystemforProcessEngineering）系统，该系统采用FORTRAN语言编写，共有36种单元操作模块，500种气液物料的物性数据，120种固体物料的物性，可用于模拟计算、优化、成本估算和经济评估等。1988年美国Simsci模拟公司开发出PRO/Ⅱ，对PROCESS做重大改进。1990年代中后期，加拿大Hyprotech公司采用新一代面向对象的编程工具C++语言，在Windows环境下开发出完全交互式的HYSYS软件，2002年7月，Hyprotech公司与AspenTech公司合并，HYSYS成为AspenTech公司的产品。

我国的化工过程模拟系统开发起步较晚，但通过引进软件、硬件等缩短了差距，应用情况目前已接近国际水平，但软件系统的研究开发与国外相比仍有较大差距，国内几乎没有通用的化工过程模拟软件，但80年代以来已经开发出一些专用的具有一定水平的化工专家系统。可见，从上世纪7、80年代以来，化工过程模拟系统已经进入快速的普及、推广时期。一方面，化工模拟理论和技术方面的发展，使软的应用范围更加广泛，另一方面，软件及计算机辅助工具的发展，即研究手段的进步，使工程师更易掌握、使用这种软件，更容易地进行各种技术方案的研究。近年来，人工神经网络技术，作为一种典型的经验建模工具，由于其具有更强的过滤能力，巨大的并行处理能力，良好的自适应能力及强大的模式识别能力等诸多优于传统的经验建模系统的独特性质，被广泛地应用于复杂化工系统中的建模、优化中，取得了显著的效果。

AspenPlus是Aspen工程套件的首个产品，自发布以来，经过20多年的不断改进、提高与扩充，先后发布了十多个版本，已成为举世公认的大型流程模拟标准软件。全球各主要化工、石化和炼油等过程工业制造企业与著名工程公司均是AspenPlus的用户。同时，以AspenPlus的严格机理模型为基础，还逐步发展起来了一系列针对不同用途、不同层次的软件产品，此即为Aspen工程套件(AspenEngineeringSuite,简称AES)。AspenPlus软件做为目前最流行的国际通用性化工流程模拟软件，其广泛应用于科研、生产和工程中。该软件的主要特征是：序贯和联立方程的模拟方法、最快的速度和最高的可靠性及庞大的纯组分和混合物的数据库；其主要功能是：数据回归和数据拟合、物性分析、灵敏度分析、设计和校核及多变量优化。

利用该软件，可以进行以下具体的工作：（1）物料平衡、热平衡，热负荷、流率、组成及物性等设计基础数据的计算；(2)设备单元主要工艺参数，并可进行冷换设备核算及塔板水力学估算；(3)流程合成和工艺包开发；(4)原料及加工路线的筛选与评价；(5)工艺参数优化和消除装置“瓶颈”；（6）装置操作优化，扩产与节能；（7）参数显著性分析，提供总流程的优化LP模型参数和“影子价格”等参数；(8)操作参数的灵敏度分析；(9)自控方案、DCS或APC中建模提供依据；（10）利用动态模拟功能分析控制参数的动态特性，如自控和开、停工方案及火炬排放系统的设计等。27九月20237内容概论过程系统工程的基本概念过程系统工程包含的内容过程系统工程研究方法稳态模拟基础知识27九月20238概论60年代过程系统工程产生和发展的理论准备时期70年代过程系统工程走上实用的时期80年代过程系统工程普及时代27九月20239过程系统工程的基本概念过程系统工程是将系统工程学的理论和方法应用于过程工业领域的确一门边缘学科，是化学工程的一个分支。过程系统工程的基本内容就是从过程系统的整体目标出发，根据系统内部各个组成部分的特性及其相互关系，确定在规划、设计、操作和控制等方面的最优策略。27九月202310研究开发市场调查设备设计设备制造建设工程试运转操作运行过程设计外协检查经营管理控制环境的变化27九月202311过程系统工程包含的内容过程系统分析过程系统集成过程系统优化过程系统设计27九月202312过程系统输入输出过程系统分析示意图（待求）27九月202313过程系统（待求）输入输出过程系统集成示意图27九月202314过程系统优化过程系统优化或系统优化可分为参数优化和结构优化参数优化：在一确定的系统流程中对其操作参数进行优化。结构优化：改变过程系统中设备类型或其相互间的联结，以优化过程系统。27九月202315过程系统设计过程系统的设计原则上讲，是过程系统集成与过程系统分析交替过程的整体。包括三个主要的步骤：过程系统集成、分析与优化27九月202316过程系统经济评价综合参数优化需求计算设备尺寸、费用结构优化最终的过程系统热量物料衡算决策变量优化27九月202317数学模拟数学模拟：对数学模型求解的过程优点：经济、灵活、可以减少中间试验，可获得实验条件下难以得到的性能信息，可以利用已有的理论成果来研究复杂过程系统的性能。27九月202318过程系统模型

过程系统模型是借助有关概念、变量、规则、逻辑关系、数学表达式、图形和表格等对系统的总体描述。27九月202319数学模型的类型与建立按建模的方法分为：机理模型和经验模型按建模是否考虑时间分为：动态模型和稳态模型按建模是否考虑空间分为：集中参数模型和分布参数模型按过程的特征分为：确定模型和随机模数学模型的建立过程称为模型化，模型化的最基本要求，数学模型与所研究的过程系统具有客观的一至性。27九月202320过程系统模型组成及表示过程单元模型过程系统结构过程系统结构表示：有向图表示、矩阵表示27九月202321稳态模拟的基本知识数学模型的基本类型与主要形式稳态模拟所研究问题的基本类型稳态模拟的基本方法稳态模拟软件化工过程物性系统化工过程的数学模型27九月202322数学模型的基本类型集中参数模型与分布参数模型确定模型与随机模型机理模型与经验模型27九月202323稳态模拟所研究的基本问题标准型问题设计型问题最优化问题27九月202324单元模块输入流股向量输出流股向量标准型问题27九月202325单元模块输入流股向量输出流股向量设计型问题控制模块设备参数向量要求的输出向量特性27九月202326过程模拟模型给定输入物理特性最优化问题经济模拟模型给定的参数控制变量约束条件优化程序约束条件27九月202327公用工程及原料量成本数据物料与能量衡算设备尺寸计算成本估算经济评价输入条件设备尺寸计算投资费用数据收益流程模拟的一般步骤27九月202328稳态模拟的基本方法序贯模块法（SM）联立方程法（EO）最优联立模块法27九月202329流程模拟系统软件模拟系统开发者结构特点ASCEND美国Carnegie-Mellon联立方程法模拟与优化ASPENPLUS美国ASPEN公司序贯模块法模拟与优化CAPES日本序贯模块法有优化费用CHESS美国Washington大学CONCEPTIII英国CAD中心序贯模块法交互作用方式DESIGN2000美国ChemShare序贯模块法FLOWPACKII英国德国ICI-LINDE序贯模块法批处理与交互FLOWSIM美国Connecticut大学联立方程法图形输入FLOWTRAN美国MonsantoCo.序贯模块法有费用和尺寸GMB美国BadgerCo.序贯模块法交互作用方式27九月202330流程模拟系统软件模拟系统开发者结构特点HYSIM加拿大HYPROTECHCo.序贯模块法交互作用方式PRO/II美国Simulation公司序贯模块法批处理与交互QUASLIN英国CAD中心联立方程法模拟与优化SIMMOD美国Illinois大学序贯模块联立模块法模拟与优化SPEEDUP英国Imperial大学PASCAL编程SYMBOL英国Cambridge大学联立方程法线性化法ECSS青岛化工学院序贯模块法MicroSAPROSS兰州设计院序贯模块法合成氨专用系统程大连理工大学华东理工大学27九月202331流程模拟系统的基本结构计算方法库单元模块库物性数据库热力学性质库输入输出管理系统执行程序求解优化经济分析27九月202332物性系统的作用根据模拟计算的进程与要求向程序