过程模拟优化在化工工艺设计中的应用研究

张新娇，王超，王芳，陈宗院

（1.五莲县行政审批服务局政务服务中心，山东 日照 262300；2.山东五征集团有限公司农用车技术部，山东 日照 262300）

0 引言

化学中的过程模拟技术是在更方便研究和优化化学过程反应的基础上发展起来的。它根据化工过程的数据，利用合适的模拟软件，用数学模型对多个单元操作构成的化工过程进行描述，模拟实际的生产过程，再通过计算机去改变不同的有效条件，最终得到需要的结论。化学过程模拟的本质是用计算机程序定量计算化学过程的特征方程。

1 过程模拟概述

1.1 过程模拟的概念

过程模拟是指使用与系统中每个设备相关的数字学习模型以更好地平衡不同的设计方程。为了更好地表达与主元件相关的数学表达式，所有流程模拟流程都代表流程系统的内部特征[1]。

大多数流程模拟主要分为开放模型和受控模型。前者表示流程中各种导入设备的内部输出状态，后者达到主要设备的设计条件所要求的状态。大多数流程模拟概念可以应用于不同的行业，但通常应用于化学流程设计。

1.2 过程模拟与化学技术的结合

在实际的化工生产中，首先需要控制单个的化工过程变量系统，在实际中设定相应的顺序然后控制整个单元流程，最后控制整个操作车间。这个过程涉及到很多环节，需要结合不同的环节优化参数，以使整个过程更好地运行。在实践中，如果能利用化学过程模拟技术，就能及早发现内部问题。根据问题不断优化过程参数，使化工过程避免在生产中产生大的失误，从而减少企业生产的亏损。

此外，通过模拟化学过程本身，可以有效地控制内部不可控制的因素，并尽量减少内部不可控制的因素。通过一系列良好的模拟结构参数，可以生产出质量更好的化学品。因此，在进行大规模化学生产之前，有必要模拟整个化学过程。

2 化学过程模拟优化技术

2.1 化学过程模拟技术

随着计算机技术的不断发展，该技术在化学生产中得到了有效的应用和创新，有效利用信息技术使人们能够对化学生产过程进行实际模拟，并最终成为该过程设计的重要组成部分。大部分化学反应被应用于大型化工企业，虽然可以在实际应用模拟中有效地计算化学过程数据，但有可能更好地分析有关不同方面的数据，例如相平衡、压力平衡，并酌情分析不同化学生产环境的适应情况。

在确定最佳经济点之前，有必要确定业务困难。此外，利用这一技术，可以从一开始就诊断出生产过程中的大量缺陷，从而不仅降低了试验成本，而且为产品研发奠定了基础[2]。

2.2 化学过程模拟优化软件

事实上，传统的化学品制造工艺可能会有许多不利之处，因此企业必须使用健全的化学模拟技术来优化工艺，从而提高化学生产的科学质量和总体效率。但是，在化学系统的实际仿真和优化中，需要使用相应的技术来支持和改进仿真模型的运行，在优化生产过程中可以避免许多问题。

自1960年代和1970年代以来，化学过程模拟技术一直广泛用于化学生产，但这些技术是主要研究机构使用的第一种也是最好的技术。大多数化学模拟软件主要由不同的原材料数据、操作单元模块库、数据输入、信号输出和网络通信组成。

此外，当优化化学过程时，可以通过创建适当的单元模型来提高其效率。目前有许多常用的化学过程模拟软件，主要是CAPES和ASPEN软件。此外，如果在现有模块的基础上灵活应用SIMMOD技术，就可以更好地模拟化学过程。在实践中，只有有效使用模拟优化软件，才能更好地应用不同的化学技术。

2.3 化学技术的应用

经过持续的研究，大多数工艺模拟技术可广泛应用于化学技术。如果需要，可以使用最先进的技术来解决流程模拟系统的内部问题，重点是不同类型的内容，例如优化的单元操作模型和相等限制。通过优化应力方程，可以通过求解稳定模型来解决数据和模型问题，从而使这些技术能够展示其独特的优势。相关证据表明，这些技术能够有效地提高企业的经济效率，并为今后的化学技术发展提供更好的保护，从而发挥更大的作用。

3 化学过程模拟优化在化工设计中的作用

3.1 流程模拟优化技术的重要作用

第一，可以在短时间内诊断出适当的程序。在实践中，使用传统生产方法进行试验往往需要很长时间，不可避免地会增加费用。在实验中有效地使用模拟优化措施，则可以确定最佳优化解决方案，并通过优化业务成本节省时间。

第二，技术设计过程中一般有很多情景，使用模拟优化技术，则可以更快地获得最佳解决方案。在此基础上，如果能够不断改进流程设计过程，就会明显提高生产率。

第三，在生产中遇到问题时，可以采用仿真技术寻找影响因素，并使用仿真软件迅速得到最佳解决措施。过程模拟不仅可以查找问题原因，还可以提高解决问题的效率[3]。

3.2 过程模拟在线优化

程序模拟的实际最佳化程序是使用各种最佳化技术来完成的，这些技术可有效地解决模拟系统中的非线性规划问题，并提供相对稳定的最佳化模型。

最小f(u，s)s，tf(u，s，z)=0(机组运行模型方程)h(u，s)=0(流量-存量连接方程)

C (u，s)=0优化等式约束

g (u，s) ＜0的最优化不等式约束

通过利用稳态仿真的方法，可以解决OPT11中的优化等式约束方程。经过有效地处理数据、模型和操作，我们可以了解优化在处理大规模非线性系统优化技术方面的优势和明显影响。

4 Aspen中化学模拟的对应模块

4.1 热力模型

根据工艺流程的物理性质，选择合适的热力学模型作为整个工艺流程的模拟方法，涉及化工热力学中学习的状态方程法和活度系数法。只有充分了解热力学模型，才能快速准确地选择合适的热力学模型，实现对整个工艺流程的准确模拟。

4.2 反应过程

反应是工艺过程的核心，无论在模拟过程中使用基于物料平衡的反应器、基于化学平衡的反应器还是动力学反应器，都需要化学反应工程的知识作为支撑。值得注意的是，在Aspen Plus中，反应器模拟主要通过反应器单元获得物料平衡和热量平衡，而无法获得反应器结构、反应器内流量和反应器内催化剂装填量的信息，这是工艺模拟初学者的常见误区。

4.3 运输和热交换过程

过程模拟还需要模拟流体输送过程、换热过程和分离过程，这部分知识涉及《化工原理》第一、二卷的内容。虽然反应是工艺过程的核心，但流体输送、换热和分离也是过程模拟不可缺少的一部分。这部分模拟需要操作者掌握化工原理的相关知识[4]。

用Aspen模拟流体输送过程时，不需要考虑管道输送过程，只需要考虑流体压力变化的过程，其中用泵模拟液体加压过程，用压缩机模拟气体加压过程，用阀门模拟流体减压过程。泵、压缩机和值模块分别对应于泵、压缩机和阀门。

在流体传热过程的模拟中，不需要考虑流体与哪个流或哪个设施进行热交换，也不需要考虑热交换器的压降，只需要考虑流升温或降温，也就是说，在Aspen中只需要对加热器模块进行模拟。

4.4 分离过程

在分离过程的模拟中，当物质的沸点相差较大时，如(氢和水)，或者物质之间存在明显的相，如(苯和水)，前者可以通过两相闪蒸分离，对应于Aspen中的闪蒸模块，后者可以通过相分离器分离，对应于Aspen中的滗水器模块。Sep为强制分离模块，可以将物料分离成你需要的任意比例和成分。但是使用该模块需要其他文献数据或软件模拟结果来支持设置的分离结果，这些结果通常可用于分子筛脱水等，所以不推荐使用[5]。

当分离工艺系统变得越来越复杂时，就需要考虑用精馏、吸收、萃取等方法来分离物质。精馏过程对应Aspen中的DSTWU(简单法)和Radfrac(严格法)模块。作为化工设计中广泛使用的分离方法，精馏模拟的一般步骤大致为DSTWU简单塔模拟、Radfrac严格塔模拟和塔设备优化。Radfrac模块直接用于模拟吸收过程。提取模块用于模拟提取过程。后面的模块可以模拟复杂的蒸馏，如分隔壁塔和侧线提取，以及石油蒸馏[6]。

5 实例建模

5.1 假设

为了简化乙醇连续发酵过程，可以在分析相关数据后作出合理的假设。在实际反应中，还需要计算类似的摩尔比，重点是根据对不同化学反应的分析计算反应条件。乙醇连续发酵的整个过程如下：根据等效性原则分析连续发酵的所有条件；注意不要考虑稳定状态以外的特殊状态；注意直接降低材料运输过程中的压力，直接忽略运输过程中产生的能源消耗；如果在计算固体成分时没有观察到其他化学反应，则无需进一步计算。

5.2 分析和优化仿真结果

大部分葡萄糖的摄入量受预发酵和反应压力等发酵结果差异的影响，必须由专业人士根据实际情况加以考虑。只有通过对相应的条件进行分析，才能得到更贴近实际的结果。此外，在蒸汽补充过程中，动物饲料的成分，生产负荷等，可能会受到其他内部和外部因素的影响。在实践中，化学工艺只能在原材料加工中发挥重要作用，但整个工艺只能脱机工作。在生产过程中，即使设备是在线仿真的，也很难超过实际的分析数据。只有通过不同的模拟过程，企业才能在短时间内获得大量适当的数据，并最终更好地控制总体质量。

5.3 执行效果

一般来说，模拟优化技术的效果如下:

首先，有效诊断流程故障。在传统生产过程中试验一种工艺可能需要很长时间，甚至花费很多钱。但是，如果这是模拟过程，通常可以首先确定优化方案。这种实际做法不仅节省了处理时间，而且直接提高了企业的内部经济效率。

其次，有效地改造实际过程。流程设计包含许多方案，如果通过模拟进行优化，这些方案自然可以使计算过程更加精确，从而通过加快流程设计过程来填补空白并最终改进流程的科学方面。

6 结语

综上所述，大部分化学模拟技术主要是对整个生产过程进行分析，然后才能使整个过程更加的安全。把化工技术作为基础，可以促进建模技术的进步和发展，并在实际的应用过程中获得良好的效果。由此可以看出，大部分化工过程模拟技术不仅能够提高实际化工过程水平，还可以优化企业在实际生产中的化工工艺，使企业更好生产出更高品质的化工产品。目前，常用的过程模拟优化技术是化工生产中的一项重要技术，得到了广泛应用。