过程模拟优化在化工工艺设计中的应用分析

（海湾工程有限公司保定分公司 河北 071052）

1.过程模拟优化设计概述

(1)过程模拟概述

过程模拟是一种常见的以更好表达与大型装置相关的数学式为目的的设计方程，其通过将各个装置相关联的数学模型与系统内部进行联系、运用与平衡、计算与调整，提升技术合理性与科学性。在此期间，所有过程模拟均是由系统内部的特性为表现形式而存在的。此外，过程模拟主要有两种类型，分别是控制式与开式。控制式主要通过联系装置相关的设计条件，由此达到指定状态，开式是指从过程输入的各种装置内部输出的状态。上述类型均可被运用在不同行业和领域，但最常见的还是化工工艺设计中[1]。

(2)化工工艺与过程模拟的结合

首先，将化工工艺与过程模拟进行结合，可以有效且及时的发现化工工艺中存在的内部问题，在具体生产中可以有效避免错误的发生和纰漏的产生，从而提高经济效益，降低产出损失。其次，在使用过程模拟技术模拟化工工艺生产的过程中，可以更好的掌握生产内部存在的诸多不确定因素与不可控风险，将内部风险的容错率降低。最后，通过对结构的改良与模拟生产，就可以在现实生产中生产出质量有保障的产品。

在化工工艺与过程模拟的结合中，首先我们应当明确一个大前提，即在实际生产时，应当先对化工工艺的变量及其数值进行控制，同时设置好顺序，这其中环节诸多，不同单独变量的有效结合才能发挥整体的最大作用。单独变量控制之后，再对整个单元进行把控，才能最终达到控制运行车间的目的。

2.化工过程模拟优化技术应用

(1)化工过程模拟技术

随着科技的进步与计算机技术的发展，化工反应被更多的运用在各个领域与技术当中，同时也伴随着更多更好的创新，正确有效的运用计算机技术来模拟化工生产的过程，逐渐成为工艺设计中的重要组成部分，为企业的经济与技术带来提升。我们将过程模拟用于计算化工工艺的数据，可以分析的数据包括压力平衡、相比平衡等其他方面的相关数据。纵观化工模拟技术的全过程，从原材料到原材料处理，再到化学反应与产物处理，确定好操作的难易程度后定下最佳的经济点，模拟技术就可以根据生产流程对生产过程进行模拟与故障诊断，从而减少支出实验成本，为产品研发与创新也开辟了顺畅的路[2]。

(2)化工过程模拟优化软件

技术进步不仅带来了更加优化的生产过程，同样也暴露出传统化工生产过程中的诸多缺点，此种态势下，运用合理的模拟技术可以提升化工生产整体效果与生产流程的科学性。过程模拟最初被运用于化工生产是在上个世纪改革开放时期前后，但是当时化工生产中的模拟技术更多的被用于采取原材料的数据、数据的输入、网络型号检测与信号输出等方面。现代化设备与技术的不断创新给工业模拟技术带来了更多的可能性，更多学者将目光投入单元模型中，在优化整个生产过程时，组建合理单元模型可以让模拟技术更好的发挥作用，同时也拓宽了模拟技术的运用范围，使其具有更好的性价比与经济效益。目前阶段，化工领域的模拟软件不断增加，其中大家较为认可和信任的是ASPEN与CAPES两个软件的组合，在化工过程模拟中，有专业的软件与数据进行支撑，可以让模型效益最大化，也可以规避风险、查漏补缺。

(3)在化工工艺中的运用

在化工工艺中运用模拟技术，主要内容有三大类，分别为优化等式约束、单元操作模型以及其他不可归类的内容，若确有必要，也可以采取最先进的技术对过程模拟系统中存在的内部问题进行解答。在上述三类内容中，针对优化约束方程，需要处理与模型、数据相关联的问题，此时可以通过求解稳态模拟来解答，此种方法也可以让上述技术得到充分发挥，以此提高企业的经济效益，为化工工艺技术更好的发展而奠定基础。

3.过程模拟优化技术在化工工艺设计中的应用

(1)生产设备的调整及优化

在化工工艺设计中，过程优化模拟技术起到关键作用的，首当其冲是生产设备的调整与优化。通过对化工工艺流程进行模拟，可以优化传统的优化方式，通过计算机化的方式对化工设备进行优化，得到最合理的参数，保障生产效率和经济效益，同时通过寻找最佳工艺条件，从而降低化工生产中产生的能耗，起到节能减排的作用。在目前阶段，处于基础位置的仍然是稳态模拟，通过稳态模拟进行参数确定后，即可运用更加先进的动态模拟进行实时优化。动态模拟已经在过程模拟优化技术中得到广泛的运用，将稳态模拟与动态模拟有机结合，各自适用，还可以对复杂装置进行调整及优化。

(2)新工艺研究

在初始研究化工工艺流程时，我们的研究人员和专家主要使用一种安全稳妥的方式，即实验，此种方法虽然踏实，但却耗时耗力。随着现代化步伐的不断加快，计算机技术得到高速发展，过程模拟技术逐渐进入研究领域并由此开始了它与技术创新与研究的旅程。目前阶段，我国研究化工新工艺的手段主要为模拟技术，同时配备一定的实验为辅助，过程模拟优化技术在新工艺研究中起到的作用不仅有效缩短研究时间与研究成本，同时因其特有的计算机技术，还增加了新工艺在化工工艺中的合理性与适用性，使新工艺与具体工艺更加契合，创新驱动优势更加凸显[3]。

(3)新装置设计

通过新装置设计进行化工过程的模拟，可以有效发挥模拟优化技术，不仅可以准确的计算出能量平衡和物料平衡，同时还可以对后续工艺的设备参数进行优化及调整，必要时可进行修改。在这其中，针对诸如气体分馏装置、乙烯装置等的设计，模拟过程可以得到更好的效果和数据，同时新装置设计还可以用于检验生产操作的规范合理与否。细化模拟软件的功能，可以分为以下六点：第一，针对实际生产中遇到的难易攻克的技术难关，可以通过模拟装置进行参数与结果的提供，从而反馈给技术人员进行瓶颈突破与技术改进；第二，可以由模拟软件判断各类装置是否处于正常或优化状态，使技术人员由此判断是否需要改进；第三，装置一旦异常，即可通过模拟发现异常点从而解决异常问题；第四，模拟技术并不要求企业有实际投入，仅依靠计算机模拟就可完成优化与调整，可有效降低能耗；第五，模拟软件对于技术人员的素质培养具有积极影响作用；第六，模拟软件可以为装置的技术改革与改造提供保障。

4.实际运用案例

(1)案例分析

综上所述，过程模拟优化对于化工工艺技术提升的积极意义，可以对化工工业设计进行有效的优化与改进，提升整体效率。本研究以某石化企业作为应用案例进行分析，主要针对过程模拟优化设计，在该企业优化精馏工艺的过程中，针对其中的乙二醇装置，企业运用模拟技术对其进行优化，模拟了整套环氧甲烷反应，使实际操作中装置的发挥空间更大。

(2)应用过程

应用过程分为假设、模拟和应用结果反馈三方面。首先，根据乙烯反应可以提出相应的假设，根据假设简化氧化过程，在对生产过程进行分析中，我们也应当注意计算化学工艺，其主要体现在以下两方面，首先根据乙烯反应的特定与条件，我们使用摩尔比进行计算，针对该反应中的原料为基础进行计算与分析；其次，针对可能以及应当影响氧化反应的因素进行计算，其中包括压力平衡和热平衡等因素。若确定实验中乙烯已发生反应，则可以通过分析等价的原则，根据反应得出与生产相关的过程，若无化学反应，此时可以不进行计算，避免出现计算难度过大的现象。此外，由于在现实生产中，物料传输会导致压力值降到最低，所以能耗问题本实验在所不记。

一旦乙烯发生化学反应，则可以对相应技术进行分析。过程模拟优化可以使整体操作过程在离线状态下进行，也可以优化物料加工中的一切环节，但若只在装置上采用在线分析的方法，参数与结果均会受到影响，只有获取更加标准的参数，才能构建更好的模型，同时使数据资源更好被转化。

(3)应用效果

综上所述，过程模拟优化技术的实际效果主要表现在以下两个方面：第一方面，过程模拟优化技术可以将化工工艺中存在的故障排查出来，并就整体故障进行诊断。运用传统的方式对生产环节中存在的故障进行实验与诊断，不仅会消耗更多的时间，同时会消耗更多成本。采用过程模拟优化技术，则可以用更快的速度确定优化方案；第二方面，过程模拟优化设计可以更加有效的对实际工艺进行优化和创新。我们在化工工艺技术的突破和创新上，往往会面临一些很实际的问题，比如优化方案太多，但实验成本较高，从而导致技术人员无从选择。若能借助模拟优化技术，可以使物质转为计算，使实验过程变为虚拟，过程与参数都更加精准了，也弥补了实验中无法避免的不足，提升了工艺技术以及工艺的科学性。

5.结束语

综上所述，化工模拟技术对于推动化工工艺技术的稳步推进与持续创新具有十分重要的影响作用，其深远的意义不仅使生产过程变得更加安全，还可以以化工技术为基础，推进行业与技术的创新与发展，实现了行业的可持续发展。同时，模拟优化技术也为企业发展指明了方向，使企业可以更好的融入科技与时代的进步，稳扎稳打持续进步。