过程模拟优化在化工工艺设计中的应用

诸葛绍渊，周音(浙江工程设计有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

化工行业是我国重要的产业之一，随着市场经济的快速发展，化工企业所面临的市场竞争也愈加激烈，在这种情况之下，化工企业必须要立足于现实，加快技术上的改革与创新，不断优化生产工艺、提升技术水平，才能够提高企业的核心竞争力，在激烈的市场竞争中凸显出自身的优势。在化工企业经历了长时间的摸索之后，过程模拟优化技术在化工工艺设计中得到了广泛的应用。过程模拟优化可以在化工生产工艺的设计、测试以及工艺流程的改造等方面发挥巨大的作用，依托于现代计算机技术，显著提高化工工艺设计的效率，为推动化工工艺迈向更加自动化和规范化的方向提供助力。

1 过程模拟的内涵概述

化工领域所应用的过程模拟就是借助于利用过程模拟系统与化工装置有关的数学模型，对化工工艺设计方程进行优化，从而达到优化化工工艺的目的。大部分化工工艺设计中所应用的过程模拟都可以分为范围开式过程模拟和控制式过程模拟两类。过程模拟依托于计算机技术而产生，目前已经被广泛应用到了多个领域和行业当中，其中最具代表性的就是过程模拟在化工工艺设计中的应用。

在化工生产的过程当中，需要根据工艺要求独立控制化工工艺的变量，在实际设置好每个单体内部参数变量后再串联起来形成一个个稳定的工艺单元，最终实现控制整个装置车间单元操作，确保整个化工工艺车间的顺畅运行。在这个过程中会涉及到多个化工工艺环节，只有保障各个流程和环节的顺畅衔接、有序配合以及对其稳定、精准的控制才能够确保化工生产的质量，达到节能、降耗、安全生产的目标[1]。而如果可以借助过程模拟的技术对化工工艺进行设计，就可以及时发现化工工艺流程中存在的问题和漏洞，从而针对性地进行优化和修整，以此来降低在实际生产过程中的纰漏和安全隐患，减少化工生产过程中造成的经济损失，维护化工企业的经济效益，这也是过程模拟优化技术最为关键的价值。此外，通过在化工工艺设计中应用过程模拟，还可以对化工生产工艺流程中的不可控因素进行有效地把控，减少化工生产过程中的不利因素及干扰，通过流程的优化、参数和结构的调整提高化工生产的品质，为化工产品的品控提供支持。

2 化工过程模拟优化技术的应用

2.1 化工过程模拟技术

化工行业在市场经济结构中占据着十分关键的地位，同时化工产品也被广泛地应用在多个领域当中，发挥着十分关键的作用。科学技术与计算机技术的快速发展推动了化工生产工艺的不断进步，大量的先进技术被广泛地应用到了化工工艺设计当中，尤其是借助计算机技术对化工生产的整个过程进行模拟，已经逐渐取代了传统的生产工艺，成为了化工企业转型与升级的重要途径，为化工企业的长远发展提供了强大的技术支撑。而过程模拟优化技术就是计算机技术与化工生产工艺深入融合的典型技术代表。过程模拟优化技术借助于计算机技术的辅助，可以对化工工艺中的压力平衡、相比平衡及其他重要数据参数进行获取和分析，从而实现对化工生产全过程的技术模拟。过程模拟优化技术的应用涵盖了化工生产中原材料处理、化学反应过程、产物处理等整个过程，根据过程模拟对操作难度进行控制，而后根据化工生产流程对生产工艺进行优化，及时发现生产工艺设计中存在的漏洞和安全隐患，并进行相应的技术调整及故障诊断，从而极大地减少了化工生产过程中的问题，降低了化工生产成本，为化工产品的研发和创新奠定了基础[2]。

2.2 化工过程模拟优化软件

在化工领域技术水平不断提高的背景下，虽然优化了化工生产的工艺，但与此同时也暴露出了传统化工工艺中的诸多问题和缺陷，使得化工工艺设计的创新和优化势在必行。借助于过程模拟优化技术可以对整个化工生产统一进行更加科学化的调整，对提高产能和提升产品品质具有十分重要的作用。在过程模拟优化技术最初的应用中，主要是用于进行原材料数据的获取和输入，网络信号的检测和输出等。随着计算机技术的快速发展，其与化工生产之间的融合越加深入，通过将过程模拟优化应用到了单元模型当中，可以通过更加合理地进行单元模型的组合优化化工工艺，保障化工生产的品质、降低成本投入，从而提高经济效益。

2.3 在化工工艺中的运用

过程模拟优化技术在化工工艺中的应用主要包括了优化等式约束、单元模型的操作、过程模拟系统的问题解答等。在此基础上，为了实现过程模拟优化技术的功能，需要对与单元模型和工艺数据相关联的问题进行解答，为了达到这一目的，可以借助于求解稳态模拟，并对化工工艺设计进行充分的创新和优化，最大限度地发挥出过程模拟优化技术的价值，为化工企业生产能力的提升做好充分准备。

3 过程模拟优化技术在化工工艺设计中的应用

3.1 生产设备的改造及优化

过程模拟优化技术在化工工艺设计中最为关键的应用体现在对化工生产设备进行改造及优化方面。通过在化工工艺设计中应用过程模拟优化技术，可以在传统的化工工艺设计方式的基础上利用计算机技术对化工生产设备进行改造，优化各项参数，从而达到最佳的工艺条件，借助于此达到节能减排、控制成本、提高效益的目标。在目前大部分化工工艺设计当中，最为常用的过程优化模拟就是稳态模拟技术，借助于这一手段可以首先通过稳态模拟技术获取并分析化工工艺参数，再利用动态模拟手段进行实时的检测和调整，达到优化化工工艺的目的。通过将稳态模拟与动态模拟相结合，发挥各自的价值，可以对复杂的化工生产装置进行操控，达到设备改造和优化的目的。

3.2 新工艺研究

在以往的化工工艺设计当中，研究人员一般需要借助于实验的方式对化工工艺设计进行测试，这种方式虽然可以取得比较可靠的结果，但所需的时间和资金成本较大，往往需要反复进行实验才可以获得比较准确的结论。而借助于过程模拟优化技术，可以通过过程模拟优化技术与传统的实验方式的配合，缩短实验的时间、控制实验的成本，利用计算机对实验过程进行模拟，在新工艺的测试方面发挥出极大的优势。

3.3 新装置设计

通过将过程模拟优化技术应用于化工新装置的设计当中，可以对能量平衡和物料平衡进行精准的计算，同时还还可以进行后续工艺的参数调整，减少新装置设计中的错漏，从而提高设计效率。例如，在气体分馏装置、乙烯装置的设计当中，利用过程模拟优化可以得到比较准确的数据，对新装置的设计进行调整和优化，还可以同时用于新装置的质检环节[3]。具体而言，过程模拟优化在新装置设计中的应用优势主要体现为以下方面：第一，借助过程模拟优化获得全面的数据参数，通过将其反馈给技术人员，便于技术人员攻克技术难关，进行技术改造；第二，借助过程模拟优化对化工装置的运行状态进行检测，为技术改造提供依据；第三，当化工装置发生异常时，过程模拟优化可以根据异常情况提出相应的解决方案；第四，过程模拟优化只需要借助计算机技术就可以对化工装置的设计过程进行模拟，而不需投入实际的设计和制造成本。

4 过程模拟优化在化工工艺设计中的应用案例

本文以某石化企业应用过程模拟优化技术对精馏工艺进行设计和优化的过程为案例阐述过程模拟优化在化工工艺设计中的具体应用。

4.1 应用过程

首先，通过乙烯实验反应提出假设，对氧化过程进行简化，根据乙烯实验反应的条件，通过摩尔计算对发生乙烯反应的原料进行测算；其次，通过对可能影响氧化反应的因素，如压力平衡参数、热平衡参数等进行分析和计算，假定实验中的乙烯已经发生了反应，则利用等价原则对生产过程进行还原。如果没有发生化学反应，则不进行具体计算；再次，考虑到实际生产中物料的传输会对压力值造成影响，所以此次实验不考虑能耗的问题。实验中通过过程模拟优化可以进行操作过程的模拟，也可以对物料进行优化；但如果脱离了过程模拟优化而进在装置上进行分析，则可能对参数及结果的准确性造成不良影响。只有通过过程模拟对实验过程加以还原，才能够基于实验结果进行模型构建，从而对化工工艺进行设计和优化。

4.2 应用效果

第一，在上述案例中，通过过程模拟优化可以及时发现化工工艺设计中存在的问题和漏洞，对化工生产潜在的安全风险进行分析，并且过程模拟优化与传统实验方式相比，在时间、资金和成本的投入上都具有更大的优势，可以以最小的消耗得到最为合理的化工工艺设计方案；

第二，通过将过程模拟优化应用于化工工艺设计当中，可以突破技术上的难点和瓶颈，将一些通过传统实验方式难以攻克的技术难关或难以解决的实际困难进行化解，将实际的成本及物料投入转变为模拟的过程操作，在降低了实验难度和成本的同时获取了更加准确的实验数据，确保了化工工艺设计的科学合理性。

5 结语

过程模拟优化是目前被广泛应用与化工工艺设计领域的重要技术手段，过程模拟优化在化工工艺设计中的应用可以借助于计算机模拟技术提高化工工艺设计的可靠性，对化工生产工艺进行优化，降低化工工艺设计的成本，从而达到节能降耗、提升效益的目的，为化工企业的长远发展提供了巨大的技术支持。