7.1第七章 化工过程动态模拟与分析
化工系统工程__化工过程系统稳态模拟与分析（可编辑）
化工系统工程__化工过程系统稳态模拟与分析2 化工过程系统稳态模拟与分析概述通过对化工工艺流程系统进行稳态模拟与分析也就是对过程系统建立模型并对模型进行求解可以解决下述三方面的问题①过程系统的分析与模拟②过程系统设计③过程系统参数优化①过程系统的分析模拟对某个给定的过程系统模型进行模拟求解可得出该系统的全部状态变量从而可以对该过程系统进行工况分析如图21所示②过程系统设计当对某个或某些系统变量提出设计规定要求时通过调整某些决策变量使模拟结果满足设计规定要求如图22所示③过程系统参数优化过程系统模型与最优化模型联解得到一组使工况目标函数最佳的决策变量优化变量从而实施最佳工况如图所示 2 化工过程系统稳态模拟与分析相关的基本概念 1 系统为了某种目标由共同的物料流或信息流联系在一起的单元组合而形成的整体称为系统 2 子系统组成系统的系统下一层次的事物简单系统子系统就是某个单元复杂系统它的子系统又可能包含有子系统基本概念 3 系统的特性由两方面构成 1系统内各个单元的特性复杂系统则是各子系统的特性 2系统流程的结构特性树结构和再循环结构的概念 4 过程拓扑将过程流程图转换为信息流程图再把信息流程图转变为过程矩阵的过程称为过程拓扑过程流程→信息流程用有向线段表示信息流用方框表示设备或节点信息流程→过程矩阵将信息流程数字化使计算机可以识别根据信息流图可以得出过程矩阵 2．1 过程系统模拟的基本方法过程系统模拟计算量大且复杂手工计算难以完成计算机和计算技术的发展为过程系统的整体研究提供了技术手段各种类型的过程系统模拟软件不断出现但就其模拟计算求解方法而言可以归纳为三类序贯模块法 Sequentia1 Modular Method 面向方程法 Equation Oriented Method 联立方程法联立模块法 Stmultaneously Modular Method 2 11过程系统模拟的序贯模块法序贯模块法按照由各种单元模块组成的过程系统的结构序贯的对各单元模块进行计算从而完成该过程系统的模拟计算的方法序贯模块法对过程系统的模拟以单元模块的模拟计算为基础依据单元模块入口的物流信息以及足够的定义单元特性的信息计算出单元出口物流的信息序贯模块法的优点与实际过程的直观联系强模拟系统软件的建立维护和扩充都很方便易于通用化计算出错时易于诊断出错位置序贯模块法的主要缺点计算效率较低尤其是解决设计和优化问题时计算效率更低序贯模块法计算效率低的原因只能根据模块的输入物流信息计算输出物流信息在进行系统模拟的过程中对有再循环物流单元模块的计算需要考虑断裂物流收敛计算使问题复杂 2 12 过程系统模拟的面向方程法面向方程法将描述整个过程系统的数学方程式联立求解从而得出模拟计算结果的方法面向方程法又称联立方程法面向方程法的优点可以根据问题的要求灵活地确定输入输出变量而不受实际物流和流程结构的影响模型中所有的方程可同时计算和同步收敛面向方程法的问题形成通用软件比较困难不能利用现有大量丰富的单元模块缺乏与实际流程的直观联系计算失败之后难于诊断错误所在对初值的要求比较苛刻计算技术难度较大等 2 13 过程系统模拟的联立模块法联立模块法将过程系统的简化模型方程与单元模块严格模型交替求解又被称作双层法 2．2 过程系统模拟的序贯模块法 2．2．1序贯模块法的基本原理单元模块依据相应过程单元的数学模型和求解算法编制而成的子程序如图28 a 中的闪蒸单元可依据闪蒸单元模型和算法编制成闪蒸单元模块单元模块的单向性结定单元模块的输入物流变量及参数可计算出相应的输出物流变量但不能由检出变量计算输入变量也不能由输入输出变量计算模块参数序贯模块法的基本思想从系统入口物流开始经过对该物流变量进入的单元模块的计算得到输出物流变量这个输出物流变量就是下一个相邻单元的输入物流变量依次逐个的计算过程系统中的各个单元最终计算出系统的输出物流计算得出过程系统中所有的物流变量值即状态变量值 2．2．2 再循环物流的断裂当涉及的系统为无再循环流的树形结构时序贯模块法的模拟计算顺序可以按过程单元的排列顺序一一顺利完成用序贯模块法处理具有再循环物流系统的模拟计算时需要用到系统分解断裂 Tearing 和收敛 Convergence 等多项技术 Step1 假定断裂物流S4的变量值然后依次计算单元模块ABC得到物流S4的变量值 Step2利用收敛单元比较S4与S4的相应变量值若不等则改变S4为新的变量值重复Step1过程直到S4与S4两个变量值相等为止问题收敛单元设置在哪个物流处既如何选择断裂物流本问题中不仅可以是物流S4处也可以设置在物流S2或S3处对于复杂系统收敛单元设置的位置不同其效果也将不同究竟设置在何处为好这要通过断裂技术去解决如何得到新的S4变量值如何保证计算收敛如何加快收敛取决于收敛算法还与断裂物流变量的特性有关 2．2．2 再循环物流的断裂 1 断裂的基本概念首先考察方程组的断裂假设有一个由四个方程四个未知变量组成的方程组也可以由另外的方式进行求解例如假设x2的猜值则 f1解出x3 f2解出x4 f3解出x1 最后利用f4来检验最初没定的猜值x2 是否正确如果f4为零则可认为得到了方程组的解若此处的f4 不为零则需修正x2的值再重新进行迭代计算这样可将四维求解问题降阶成了四个一维问题通过迭代计算把高级方程组降阶为低级方程组的办法称为断裂考察过程系统中的不可分隔子系统如图211断裂物流可以选为S10当然也可以选为S11选择不同的断裂物流则其相应的迭代序列也不一样从表面上看上列的两种计算序列似乎没有什么很大的区别但由于系统中各物流及其变量特性的不同在收敛计算上常是有很大差异的如变量个数的多少方程求解的难易程度等如何选择断裂物流确定迭代序列是实施序贯模块法进行过程系统模拟计算过程中必须要解决的问题 2 断裂方法的研究早在20世纪60年代初就有人提出了断裂的思想此后随着流程模拟技术的不断发展有关研究断裂的文章不断出现他们提出判断最佳断裂的准则分为四类 1 断裂的物流数最少 2 断裂物流的变量数最少 3 断裂物流的权重因子之和最少 4 断裂回路的总次数最少另一种归纳 1断裂的流股数目最少 2断裂流股包含的变量数目最少 3对每一流股选定一个权因子该权因子数值反映了断裂该流股时迭代计算的困难程度应当使所有的断裂流股权因子数值总和最小4选择一组断裂流股使直接代入法具有最好的收敛特性四条准则是一般性的原则 3 回路矩阵过程系统中的简单回路可以用回路矩阵 1oop／stream Matrix 表示矩阵中的行代表回路列代表物流若某回路i中包括有物流J则相应的矩阵元素aij＝1否则为空白或零不独立的列 f 1 与 f 值较大的列相比较若某列中的非零元素与 f 值较大列的非零元素同行则该列相对于 f 值大的列不独立如S2的f 值较大与其余小于它的列相比较会发现S2的非零元素为C行和A行而S1列C行非零 S3A行非零其余列中无与S2同行的非零的元素则判别出 S1 S3相对于S2不独立表示为 S1 S3 S2 S5 S6 S4 流股断裂方法一L - R 分解法 L – R分解法遵循的原则断裂流股数目最少且将所有循环路打开例现有一个为最大循环网的不可分割子系统其信息流图如下1 42 53 S4 S3 S2 S1 S6 S5 S7 S8 4流股断裂方法分析在这个信息流程图中有 8个流股S1S2 S8 五个节点12345构成了ABCD四个环路 1 4 2 5 3 S4 S3 S2 S1 S6 S5 S7 S8 A D C B在Lee – Rudd 法中首先分析信息流图再用环路矩阵表示出来 A B C D 环路S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 01 1 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 1 1 1 1 01 0 0 0 0 0 0 0 11 1 1 0 流股 f R 1 42 53 S4 S3 S2 S1 S6 S5 S7 S8A C DB 矩阵做法Si 流股若在 A 环中出现则标 1若不出现则标 0例如 A 环由S2S3 两流股构成其余为零矩阵中还有加和行用f 表示它由每一列中的非零元素加和构成加和列R它将每一行非零元素加和构成 f 称为环路频率代表某流股出现在所有环路中的次数R 称为环路的秩代表某环路中包含的流股总数经运算可得出加和 f 和R值环路矩阵成为下面样子 A B C D S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 0 1 1 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 10 R 2 2 3 4 f 1 2 1 2 1 1 2 1 不独立的列 A B C D S1 S2 S3 S4 S5S6 S7 S8 0 1 1 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 11 1 1 0 1 0 0 0 00 0 0 1 1 1 1 0 R 2 2 34 f 1 2 1 2 1 1 2 1 不独立的列基本概念工艺流程图过程流程过程拓扑举例信息流图-13 序贯模块法的基础是单元模块子程序通常单元模块与过程单元是一一对应的过程单元的输入物流变量即为单元模块的输入单元模块的输出即为过程单元的输出物流变量如 A B H G F E C D 系统分解对复杂系统将所有模型方程全部联立求解很困难直接用序贯法又存在相互影响这时可将该系统分成几个相对独立的部分各自联解再序贯求解将大的复杂系统分解为若干个小的子系统的过程称为大系统的分解目的是识别出不可分割子系统 AB H G F ECD 不可分割子系统不相关子系统 A B H G FE C D A B C A B CG F E D 流股断裂 Tearing 一般对于大系统分解得到的子系统已是不可分隔的如ABC构成的当这样的子系统仍很复杂时联立求解仍困难若断开某一个流股则可采用序贯法求解而断开的流股变量则作为迭代变量选择断裂流股是该技术的关键 A B H G F E C D 断裂物流迭代计算步骤如下该方程组可以通过联立求解得到它的解图210 描述了断裂的过程其中流股x2称为断裂流股该流股只有一个变量x2 称为迭代变量流股的收敛性指的就是其中变量x2 的收敛性能问题如果不选择流股x2是否可达到简化的目的。
化工过程模拟和优化的基本原理和方法
化工过程模拟和优化的基本原理和方法化工过程模拟和优化是化工领域中非常重要的工作，它可以帮助工程师们设计和改进化工生产过程，提高生产效率和产品质量。
本文将介绍化工过程模拟和优化的基本原理和方法，以帮助读者更好地理解和应用这些技术。
首先，让我们来了解一下化工过程模拟的基本原理。
化工过程模拟是指利用计算机对化工过程进行仿真和模拟，以预测和评估不同操作条件下的工艺性能。
模拟的过程通常包括建立数学模型、求解模型方程和分析模拟结果三个步骤。
建立数学模型是化工过程模拟的第一步。
数学模型是描述化工过程中各种变量之间关系的数学方程组。
它可以由已知的物理平衡原理、反应动力学原理和传热传质等基本关系推导而来。
建立数学模型的关键是准确地描述化工过程中各种因素的相互作用。
常用的数学模型包括质量平衡、能量平衡、动量平衡等。
求解模型方程是化工过程模拟的第二步。
一旦数学模型建立完成，就需要使用适当的方法求解模型方程。
常用的求解方法包括数值方法、优化方法和统计方法等。
数值方法可以通过离散化模型方程将其转化为代数方程组，然后使用数值计算技术求解。
优化方法则通过调整参数和操作条件，寻找最优解，以达到优化化工过程的目标。
分析模拟结果是化工过程模拟的第三步。
在完成模拟计算后，需要对模拟结果进行分析和评估。
这可以通过比较不同操作条件下的模拟结果，评估工艺性能的改进和优化效果。
分析模拟结果可以帮助工程师们更好地了解化工过程的动态行为和相互关系，为实际生产提供指导。
接下来，让我们来介绍化工过程优化的基本原理和方法。
化工过程优化是指通过调整操作条件和参数，寻求最佳工艺方案，以提高生产效率和产品质量。
化工过程优化的基本原理是最大化产量、降低能耗和减少废物产生的量。
在化工过程优化中，常用的方法包括经验调整法、试错法和数学优化方法等。
经验调整法是一种基于工程师经验进行操作参数调整的方法，它常常用于初始设计和操作条件粗略调整。
试错法是通过反复试验和调整来改进工艺，逐步逼近最佳操作条件。
第七章 化工过程开发与评价
概念设计介于小试研究和中间评价之间，其作用包括： 发现一些不成熟的条件和需要补充的数据，要求重复
或完善小型试验； 经济衡算的内容，为中间评价提供了基本的依据； 对中试研究提出具体的建议和要求。
中间评价：亦称第二次评价，是运用技术经济分析方法 对概念设计的方案进行技术可靠性和经济合理性方面的 分析，对方案的可行性作出论证。
特点： 部分解析法是一种半理论、半经验的方法，它虽然没
有建立数学模型，但采用的分解一综合和试验一简化 一验证的方法却与数学模拟法相似，其有效性也不低 于数学模型； 它与逐级放大法并不相同，因为它所进行的试验并不 是实验室结果的简单放大，而是对实验室实验基础上 的理论思维的某些设想的探索和检验。 以理论指导试验，减少了试验的盲目性，既提高了试 验效果，又简化了试验工作，因此是在当今化工技术 发展水平下的一种切合实际行之有效的放大方法
7.1.1.3 工业装置试生产阶段
目的是建立一套工业生产装置，主要工作内容有基础 设计、最终评价、工程设计、施工与开车等。
基础设计：针对第一套工业规模的生产装置(也称示范 装置或试生产装置)而进行的原则设计，它将中试结果 以设计的形式呈现，是技术转让的主要技术文件，研 究单位开发的阶段性成果。基础设计质量的好坏，体 现了研究开发工作的水平。通常，该项工作是在研究 内容全部完成，并通过鉴定之后，由研究单位编制， 并由研究人员承担。若研究单位设计力量不足时，可 以委托设计单位，或者与设计单位合作进行。
基础设计包括即将建立的生产装置的一切技术要点， 其内容如下: 设计基础；工艺流程说明；物料流程图和 物料衡算表；对工程设计的要求；带控制点的管道流 程图；设备名称表和设备规格说明书；工艺操作说明； “三废”排放点及排放量；自控设计说明；消耗定额； 有关技术资料、物性数据；安全技术和劳动保护说明 等。
7.1第七章-化工过程动态模拟与分析
第七章化工过程动态模拟与分析第一节化工过程系统动态模拟简介化工进展CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS2000 Vol.19 No.1 P.76-78化工过程模拟及相关高新技术(Ⅱ)化工过程动态模拟陆恩锡张慧娟随着化工过程稳态模拟的发展，动态模拟相继被提到日程上来。
由于化工稳态过程只是相对的、暂时的，实际过程中总是存在各种各样的波动、干扰以及条件的变化。
因而化工过程的动态变化是必然的、经常发生的。
归纳引起波动的因素主要有以下几类：·计划内的变更，如原料批次变化，计划内的高负荷生产或减负荷操作，设备的定期切换等。
·事物本身的不稳定性，如同一批原料性质上的差异和波动，冷却水温度随季节的变化，随生产时间的增加而引起催化剂活性的降低，设备的结垢等。
·意外事故，设备故障、人为的误操作等。
·装置的开停车。
以上的种种波动和干扰，都会引起原有的稳态过程和平衡发生破坏，而使系统向着新的平衡发展。
这一过程中，人们最为关心的问题是：·整个系统会产生多大的影响?产品品质、产量会有多大的波动?·有无发生危险的可能?可能会导致哪些危害?危害程度如何?·一旦产生波动或事故，应当如何处理、调整?最恰当的措施、步骤是什么?·干扰波动持续的时间有多久?克服干扰、波动到系统恢复正常需要多长时间?·开停车的最佳策略。
这些问题就不是稳态模拟所能解决的，而必须由化工过程动态模拟来回答。
也正是在这样一个背景下，动态模拟在近20多年来尤其是进入90年代后获得了长足的进展和广泛的应用［1～14］。
1动态模拟的主要功能和应用领域1.1 动态特性研究动态模拟广泛地应用于各种过程动态特性的研究。
研究过程参数随时间变化的规律，从而得到有关过程的正确的设计方案，或操作步骤。
过程的动态特性并非完全可以从静态特性或者根据经验推断而出，而且往往这类推断是片面的、有错误的。
化学工程中的化工过程模拟与优化技术
化学工程中的化工过程模拟与优化技术化学工程是一门应用科学，旨在研究和应用化学原理和工程原理来设计、开发和改进化学过程。
在化学工程中，化工过程模拟与优化技术是一项重要的工具，它可以帮助工程师有效地预测和改进化学过程的性能和效率，从而提高生产效益和降低成本。
化工过程模拟是指使用数学模型和计算机仿真技术来模拟化学过程中的各种物理和化学现象。
通过建立适当的数学模型，可以揭示化学反应的动力学、传热传质的规律以及设备和流体流动的行为。
化工过程模拟能够帮助工程师理解和预测化学过程中的复杂现象，为工艺的设计和优化提供指导。
化工过程模拟技术通常分为静态模拟和动态模拟两种。
静态模拟主要关注化学过程中的平衡状态，通过求解质量守恒、能量守恒和物质平衡等方程，得到化学过程中各个组分的浓度和温度分布。
这对于工程师来说是十分重要的，因为它可以帮助他们选择合适的操作条件和设备参数，以实现既定的产品质量和产量目标。
动态模拟则更多地关注化学过程中的动态行为，如反应速率的变化、设备的响应时间等。
动态模拟可以帮助工程师分析和优化化学过程中的控制策略，以实现更好的过程控制性能。
此外，动态模拟还可以用于分析工艺的安全性和稳定性，有助于优化化学过程的操作和控制。
除了化工过程模拟技术，优化技术也是化学工程中的一个重要工具。
优化技术旨在找到化学过程的最佳操作条件，以达到最小的成本或最大的产量。
常见的优化方法包括数值优化、多目标优化和逻辑优化等。
这些方法可以帮助工程师确定最佳的操作参数、设备规格和生产策略，从而实现资源的最大化利用和生产效益的最大化。
化工过程模拟与优化技术的应用非常广泛。
例如，在石油化工领域，通过模拟和优化炼油过程，可以提高产品的质量和产量，并减少废物和能源消耗。
在制药工业中，化工过程模拟与优化技术可以用于设计和改进药物的合成过程，提高药物的纯度和产量。
在环境保护领域，化工过程模拟与优化技术可以帮助工程师设计高效的废水处理系统，减少对环境的污染。
化工过程动态模拟研究综述
3.化工过程动态模拟实例
粗对苯二甲酸CTA加氢反应过程动态特性分析
在加氢反应过程动态模型中，杂质4-CBA、中间产物 4-HMBA、反应产物PT酸BACID、CO均是需要观测 的变量。当加氧反应工艺条件发生扰动，这些变量都 会随之变化并对产品PTA产生较坏影响。由于这些变 量浓度较小，观测不便，需要对其进行变量重置。
操作培训故障诊断及实时优化解决稳态模拟无法解决的问题。
1.2国内外研究进展
20世纪70年代末80年代初，化工过程动态 模拟在美、日、西欧等发达国家和地区进 入广泛应用阶段 近几年，很多国家推出了 功能强大的商业化通用动态模拟软件，国 外很多发达国家已将通用动态模拟软件广 泛地应用于先进控制系统的设计，在科研 和应用上都取得了极大的进步，也极大地 提高了企业的经济效益。
策略无力更好地解决此类问题，因此化工过程动态模拟（又称动态仿
真）成为人们了解化工生产过程强有力的工具。稳态模拟已经广泛应
用于化工设计改造及优化等过程，对很多人来说已经不再陌生。
动态模拟的实际应用是十分广泛的，其主要用于各种化工过程的
动态特性分析、先进控制系统设计、开停车过程、安全分析研究等。
随着动态流程模拟技术的发展，化工过程动态模拟还广泛地用于化工
是遇到很多困难。动态模拟软件是工艺控制和计算机等多项技术结合
的产物，动态模拟软件的应用也对应用人员提出新的要求，需要使用
者了解更多的知识，这就使得动态模拟软件的推广变得缓慢，但是人
们在动态模拟的开发及应用推广上还是卓有成效的。
虽然目前采用机理模型建立并使用通用化工动态流程模拟系统的
公开报道并不少见，但大部分文献仅对动态模拟软件的开发历程做了
在ASPEN DYNAMICS中规定变量如下： CBA4 as massfraction (upper: 100); BACID as massfraction (upper;500); HMBA as massfraction (upper: 1500); PT as massfraction (upper: 100); CBA4=1000000*STREAMS(”24”).Fmcn(”CBA4”)/STREAMS(”24”).Fmcn(”TA"); BACID=1000000*STREAMS("24").Fmcn("BACID")/STREAMS("24").Fmcn('TA") HMBA=1000000*STREAMS("24").Fmcn("HMBA")/STREAMS("24").Fmcn("TA"); PT=1000000*STREAMS("24").Fmcn("PT")/STREAMS("24").Fmcn("TA"); 其中“CBA4、BACID、HMBA、PT酸”表示加氧反应器底部出料中各产物质量流 量与TA质量流量比(变量CBA4即杂质4-CBA,变量HMBA为中间产物4-HMBA),且 量纲均为10_6。
化工过程系统动态模拟与分析技术讲义
化工过程系统动态模拟与分析技术讲义首先，动态模拟和分析技术是通过建立化工过程的动态模型，模拟其
在不同条件下的运行过程，实现对系统的动态行为进行预测和分析。
这种
模型通常由一系列的微分方程组成，通过对关键参数的输入和改变，可以
模拟出系统在不同操作条件下的响应和效果。
动态模拟和分析技术的基本
原理是基于物质平衡、能量平衡和动量平衡等基本原理建立的。
动态模拟和分析技术在化工领域具有广泛的应用。
首先，它可以用来
优化工艺设计，通过模拟不同的工艺方案，找到最佳的操作条件，以降低
生产成本和提高产量。
其次，它可以用来解决工艺运行中的问题，比如控
制系统设计和故障诊断等。
此外，动态模拟和分析技术还可以用来评估化
工过程对环境的影响，帮助工程师们设计和选择更加可持续和环保的工艺。
随着计算机技术的不断发展，动态模拟和分析技术也在不断进步和完善。
在模型的建立和求解方面，现代动态模拟软件已经具备了更高的计算
速度和更精确的数值求解算法。
另外，数据的采集和处理技术的进步，也
为动态模拟和分析技术的应用提供了更多的可能性。
比如，数据驱动建模
和机器学习等方法，可以通过对历史数据的分析和挖掘，帮助工程师们更
好地理解和优化化工过程系统的运行。
总之，动态模拟和分析技术是化工过程优化和分析的重要工具。
它能
够帮助工程师们更好地理解和优化化工过程系统的运行，提高生产效率和
降低成本。
随着计算机技术和数据处理技术的不断进步，动态模拟和分析
技术将会得到更广泛的应用和发展。
化工过程动态模拟研究综述
图3.17调节温度控制器后，反应温度、4-CBA、CO变化曲线
运行CTA加氯反应过程的动态模型至稳定后，加氧反应器内 温度、压力分布曲线如图3.3所示，加氢反应器内4-CBA、PT 酸、4-HMBA、BACID分布曲线则如图3.4所示。
CTA和饱和水的流量发生变化都会影响加氧反应的进行，从而导致4-CBA没有 完全反应，其浓度会超过25个ppm，对PTA质量产生较恶劣的影响。故本小 节将会讨论当CTA和饱和水流量增加和减少5%时，加氧反应受到的影响以及 4-CBA、产物4-HMBA、BACID、PT酸、CO浓度的动态特性。将模型动态运 行至稳定，1小时后改变CTA负荷和饱和水流量。
在石油石化炼油方面的应用
FCC 主分馏塔设计、优化； 3、气体装置设计与优化； 4、汽油稳定、石脑油分离和气提、反应精馏、变换和甲 烷化反应器、酸水分离器、硫和 HF 酸烷基化、脱异丁烷 塔等设计与优化； 5、在气体处理方面：可完成胺脱硫、多级冷冻、压缩机 组、脱乙烷塔和脱甲烷塔、膨胀装置、气体脱氢、水合物 生成/抑制、多级、平台操作、冷冻回路、透平膨胀机优 化。
BACID=1000000*STREAMS("24").Fmcn("BACID")/STREAMS("24").Fmcn('TA")
HMBA=1000000*STREAMS("24").Fmcn("HMBA")/STREAMS("24").Fmcn("TA"); PT=1000000*STREAMS("24").Fmcn("PT")/STREAMS("24").Fmcn("TA"); 其中“CBA4、BACID、HMBA、PT酸”表示加氧反应器底部出料中各产物质量流 量与TA质量流量比(变量CBA4即杂质4-CBA,变量HMBA为中间产物4-HMBA),且 量纲均为10_6。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第七章化工过程动态模拟与分析第一节化工过程系统动态模拟简介化工进展CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS2000 Vol.19 No.1 P.76-78化工过程模拟及相关高新技术(Ⅱ)化工过程动态模拟陆恩锡张慧娟随着化工过程稳态模拟的发展，动态模拟相继被提到日程上来。
由于化工稳态过程只是相对的、暂时的，实际过程中总是存在各种各样的波动、干扰以及条件的变化。
因而化工过程的动态变化是必然的、经常发生的。
归纳引起波动的因素主要有以下几类：·计划内的变更，如原料批次变化，计划内的高负荷生产或减负荷操作，设备的定期切换等。
·事物本身的不稳定性，如同一批原料性质上的差异和波动，冷却水温度随季节的变化，随生产时间的增加而引起催化剂活性的降低，设备的结垢等。
·意外事故，设备故障、人为的误操作等。
·装置的开停车。
以上的种种波动和干扰，都会引起原有的稳态过程和平衡发生破坏，而使系统向着新的平衡发展。
这一过程中，人们最为关心的问题是：·整个系统会产生多大的影响?产品品质、产量会有多大的波动?·有无发生危险的可能?可能会导致哪些危害?危害程度如何?·一旦产生波动或事故，应当如何处理、调整?最恰当的措施、步骤是什么?·干扰波动持续的时间有多久?克服干扰、波动到系统恢复正常需要多长时间?·开停车的最佳策略。
这些问题就不是稳态模拟所能解决的，而必须由化工过程动态模拟来回答。
也正是在这样一个背景下，动态模拟在近20多年来尤其是进入90年代后获得了长足的进展和广泛的应用［1～14］。
1动态模拟的主要功能和应用领域1.1 动态特性研究动态模拟广泛地应用于各种过程动态特性的研究。
研究过程参数随时间变化的规律，从而得到有关过程的正确的设计方案，或操作步骤。
过程的动态特性并非完全可以从静态特性或者根据经验推断而出，而且往往这类推断是片面的、有错误的。
而认识判断的失误又往往是导致事故的根源。
因而对于重要的过程，采用动态模拟，深入研究、分析其动态特性是十分必要的。
兹以工业中常见的甲烷化反应为例，说明动态模拟的重要性。
甲烷化反应在固定床反应器、有催化剂存在的条件下进行。
进料为50%的合成气(H2和CO混合物)和50%的水蒸气。
在反应器中有以下反应发生：CO+3H2=CH4＋H2OCO+H2O=H2＋CO2这两个反应均为放热反应，正常条件下，进入反应器物料的温度为755K，出反应器物料温度为1032K。
水蒸气的通入是非常重要的，其作用有三个方面，一是可抑制甲烷化反应，二是促进水-汽转化反应，三是稀释反应热。
假设水蒸气供应突然停止了3min，此时反应器将产生什么变化?图1是根据稳态模拟作出的有蒸汽和无蒸汽两种情况下沿反应器长度变化的温度曲线。
可以看出，对于有蒸汽的工况，沿反应器管长温度呈上升趋势，在出口处达到最高，为1032K。
而无蒸汽情况，约在24%的反应器长度上温度上升到最高，为1206K，此后该温度基本维持不变，直至反应器出口。
图2则是根据动态模拟得出的结果，给出了在蒸汽正常供应、蒸汽停止3min 及蒸汽恢复供应后三个阶段中，在不同反应器的长度方向上，温度随时间变化的曲线。
可以看出，在蒸汽停止供应的时刻，反应器入口温度最低为750K，出口处温度最高为1032K。
当蒸汽停止供应的3min期间，反应器出口温度先升后降，在不同反应器长度上温度变化均不同。
在3min末，反应器长度0.4处温度升至最高约为1165K。
然而在蒸汽恢复之后，反应器不同长度上温度的变化却超出常规的预料，温度不是立即下降，反而继续上升。
靠反应器出口愈近，温度升高愈大。
在反应器出口处，在第7min时，温度达到最高，为1250K，之后再缓缓下降。
动态模拟求出的最高温度较稳态模拟高出44K左右。
从动态模拟曲线还可看出，反应器中热点的形成非常之快，而热点的移动又是相当的缓慢，直至7min 才开始下降，在10min时，反应器出口温度尚未恢复正常。
从以上分析可以看出，应用动态模拟可以更加全面、正确地认识一个化工过程，认识当某一个干扰或波动发生时，会发生什么样的变化。
对于甲烷化反应器，考虑到水蒸气供应可能中断的情况，则在设计时就必须考虑较高的设计温度，否则如仅按稳态模拟的温度进行设计就有可能造成严重的后果。
动态模拟的重要性是显而易见的。
1.2 开停车指导化工生产中，开、停车是极其重要的环节。
不仅因为有大量的设备需要开始投入使用或者停止操作和运转，而且有大量的物料需要处理。
任何疏忽或处理不当都极易产生各种各样的事故，从而导致严重的经济损失或人员的伤亡。
对于大型的石化装置，每开停车一次，即使是完全正常，也会造成数十万、甚至数百万的经济损失。
因而历来无不对开停车过程给予高度的重视。
然而在没有动态模拟的情况下，开停车过程主要根据经验进行操作，不可能，也不允许直接在装置上做任何试验。
因而，对于操作者来说，开停车次数愈多，经验也就愈丰富，开停车步骤是否完全正确、恰当，很少能从理论上予以验证。
自从有了动态模拟以来，已广泛应用于开停车过程的动态研究。
从理论上探讨、分析开停车过程的特性，从而指导开停车过程的实施，其主要作用有：·缩短开停车时间，尽快达到稳定操作状态或安全停车；·降低物耗、能耗，减少开停车损耗；·避免可能产生的误操作或事故；·减少不合格产品；·保证开停车过程顺利进行；·取得最佳经济效益。
1.3 动态仿真系统建立动态仿真系统是动态模拟的一项重要用途。
动态仿真系统用来模拟装置的实际生产，它不仅能得到稳态的操作情况，更重要的是当有波动或干扰出现时，系统会产生什么变化，通过动态仿真便可一目了然。
因而动态仿真系统可以广泛地用于教学和培训。
以往新装置开车前，操作人员必须事先在同类的装置进行培训、实习，以便取得第一手的实际经验。
这样做不但费时，费用高昂，更重要的是难以在实际装置上进行事故状态及异常情况的操作培训，也难以保证能够进行开、停车的训练。
而这一切在动态仿真系统上都是轻而易举的“常规”训练，操作人员可以反复应用计算机仿真系统进行实践、练习，直至完全掌握。
因而动态仿真系统的出现已使计算机培训逐渐取代了传统的实际装置培训。
国际上较有名的动态仿真系统有美国ABB Simcon Inc.的Simcon动态模拟器［1］。
该模拟器提供用户统一的平台及智能化工具用来开发用户自己的工程和·SIMCON动态模拟器由SIMCON智能图形化建模器GMB、SIMCON模拟语言、SIMCON培训管理器、标准的及用户的单元操作工艺模型等部分所组成。
值得指出的是SIMCON智能图形化建模器GMB中采用了著名的Gensym Corporation［13］1.4先进控制是起源于70年代末，而在90年代获得了广泛应用的过程控制技术。
先进控制系统设计的关键是了解装置的动态特性，而装置动态特性可以通过在线过程识别或者过程动态模拟获得。
当没有动态模拟软件时，必须在现场进行动态测试，这就给生产带来极大的不便，同时生产装置的稳定运行要求，也给动态测试带来了种种限制，并非所有特性都可以通过现场测试得到。
而动态模拟的发展，使得可以通过计算机模拟取代现场动态测试。
这不仅节省了资金，加快了动态特性数据的获取，而且对生产无任何干扰，并可取得任何所需的数据。
在国外，动态模拟已经大量地应用于先进控制系统的设计，尤其是在著名的过程控制公司如美国Setpoint公司和DMC公司(均于1996年为ASPEN TECH公司兼并)等，并取得了极大的经济效益。
2 国外动态模拟的发展动态模拟的发展较稳态模拟略迟。
国外有关动态模拟的研究成果的报道出现于70年代初期，如Bobrow,Ponton等人提出的DYNSYS系统，应用于指导丁二烯抽提装置的开车。
Franks、Nuttal、及Himmelblan等人开发的DYFLO软件用于吸收装置的开车等。
这些可控CSTR反应器。
Briggs等人的DYSCO软件用于SO2初期的动态模拟软件，处理的变量少，应用范围较狭窄，只能对个别具体装置进行动态研究。
这一时期尚未能形成通用化的动态模拟系统。
进入80年代以来，众多动态模拟软件纷纷推出，如美国普度大学的BOSS、英国剑桥大学的QUASLIN、美国威士康星大学的POLYRED、德国BASF公司的CHEMSIM、Linde公司的OPTSIM等［10］。
然而商品化、通用化较好的动态模拟软件还是出自专业化的化工过程模拟公司。
如80年代后期，美国ASPEN TECH公司推出了著名的通用动态模拟软件SPEED Up［2］，美国ABB Simcon公司推出了SIMCON 系统，并成功地将其应用于大型乙烯装置的动态模拟，在工业界有较大的影响。
90年代中期，加拿大HYPROTECH公司在其稳态模拟软件HYSIM的基础上，又推出了动态模拟软件HYSIS［11］。
HYSIS同时兼有稳态模拟和动态模拟的功能，用户可以很方便地在稳态和动态模拟之间切换。
ASPEN TECH公司则综合了其稳态模拟软件ASPEN PLUS和动态模拟软件SPEED Up的特点，于1997年推出了同时具有稳态和动态模拟功能的软件DYNAMICS［12］。
可以说DYNAMICS和HYSIS是到目前为止仅有的两个通用的、功能强大、使用方便、用户界面十分友好的将稳态和动态模拟合二为一的著名商品化软件。
需要指出的是，当前国外推出的各种动态模拟软件均是基于严格的机理模型，因而它可以较准确地模拟各种化工过程，进行先进系统控制设计、开发动态仿真软件、模拟开停车过程、进行事故状态分析研究等等。
3 稳态模拟和动态模拟的异同稳态模拟是在装置的所有工艺条件都不随时间而变化的情况下进行的模拟，而动态模拟是用来预测当某个干扰出现时，系统的各工艺参数如何随时间而变化。
就模拟系统构成而言，它们之间的比较如表1所示。
表 1对于稳态模拟，尽管从理论上讲，存在多种流程计算的方法，但几乎所有的商业化的稳态模拟软件都采用序贯法(sequential method)来进行流程计算。
序贯法要求每一单元过程的模型(model)和算法(algorithm)组合在一起，构成所谓的模块(module)。
计算过程按模块逐一进行。
每次只能解算一个模块。
处于后面的模块必须待前面的模块解算完毕才能进行计算。
如果流程中存在返回物料，就需要通过多次迭代，才能获得收敛解。
对于动态模拟，其单元过程的模型则仅仅是描述该过程的一组方程组。
每一单元过程中并不包括该方程组的任何解法。
模型的组集方式称之为开放型式的方程或面向方程的型式(open form equation, equation-oriented form)。