化工工艺设计中的过程模拟优化技术研究

陈志东，胡文勇

（潍坊滨海石油化工有限公司，山东潍坊 261061）

计算机在化工生产应用过程中是比较成熟的技术之一，化工过程模拟技术的应用也能按照特定流程组合的单元操作反应过程来模拟生产过程。由于化工过程与物料本身特性以及外部环境有关，涉及到能量、物质的改变，可通过在线优化方式实现工艺优化。因此，本文以气体处理工艺和复杂的分离过程为案例对过程模拟进行合理分析。

1 过程模拟优化技术的核心内涵

目前化工过程设计和控制技术的发展，基于严格计算机模型的计算技术和在线应用不断更新，化工装置之类的优化和模型预测有关技术对于模型的准确要求不断增加，过程的高纯度和不确定等特征也给过程模拟优化提供了新的发展方向。面向工程的复杂过程优化在多个方面得到了有效应用，无论是误差分析还是数据修正，都能够实现对于过程的建模、求解和优化计算。模型的准确性和过程参数之间存在着密切联系，利用现场的数据来标定模型确定参数后，再进行模型更新也是发展和完善的“必经之路”。在线优化和模型预测也离不开数据校正和数据调和过程。从20世纪60年代开始至今，化工过程模拟技术就已经被大量应用于化学工业生产过程当中，稳态过程模拟也是其中最完善与应用最为广泛的技术类型。目前的模拟软件当中包括计算管理系统、数据输入模块、数据输出模块、过程操作单元、网络通信单元等。从这一角度来看，过程模式实际上就是利用优化技术来确定模拟系统当中非线性规划问题的稳态模型。

按照机理建模方式，过程模拟优化的求解可以从序贯模块和联立方程两个方面进行评估。

1.1 序贯模块

序贯模块在过程模拟优化的基本思路上和装置组织比较接近，整个优化和模拟的过程由专门的单元模块所负责，按照一定的顺序单独地计算参数信息。在对没有循环回路的流程进行单纯模拟和计算时，序贯模块可以按照不同流程的组织方式对单元操作模块进行求解，让求解过程更加直观清晰。优化计算当中加入的控制变量信息和参数、约束优化问题也会被嵌入到优化命题环节。

1.2 联立方程

联立方程的求解时和序贯模块差异显著，其核心内容是将所有模型的特征方程进行联立求解，且涉及到模块计算的处理方法在执行程序方面具有明显优势，在过程模拟优化方面具备良好的处理机制。工业装置对于纯度、工况的要求非常高，方程和参数计算时要保障足够的精度，每次求导过程和全局收敛性问题研究工作要基于不同的优化算法进行参数对比。

2 化工工艺设计当中的过程模拟优化技术

2.1 石灰石湿法烟气脱硫

石灰石湿法烟气脱硫本质上是一个气体吸收过程，同时涉及到酸碱平衡，含有酸性气体硫氧化物的燃烧烟气通过和含有碱性石灰石的溶液进行反应后让硫元素从气相转入液相以发挥净化的作用。以二氧化硫脱除的基本化学原理来看，化学吸收当中的吸收质、吸收剂在化学反应当中与液相传质密切联系，溶质在组成和化学反应过程当中要考虑到化学反应的速率和反应产物扩散问题，即吸收速率和化学反应之间的关系判定[1]。

2.1.1 反应过程

反应过程的模拟优化还可以进行非稳态模拟来反映出过程的瞬间参数，并且以平衡级模拟作为基础，描述不同物料和参数之间的动态变化过程，然后引入变换变量的概念减少迭代变量并避免反应量计算，整个计算过程更加简便有效。

二氧化硫的脱除过程是在吸收塔内完成的工作，吸收剂分散成细小的液体后覆盖吸收塔的断面产生传质吸收反应，烟气当中的二氧化硫、三氧化硫等可以被吸收，氧化综合反应在底部的氧化区域完成而形成石膏。其中石灰石会被连续地加入吸收塔内部，并且吸收塔内的浆液在空气的作用下不断地运动，加快了石灰石在浆液当中的溶解过程，过量氧化空气会均匀地进入氧化区的底部。

从参数的角度来看，二氧化硫浓度的增加会加速液相当中的碱性组分消耗过程，加大液膜的吸收阻力从而降低脱硫效率。在整个脱硫工艺当中，可以按照如下公式进行表达：

其中u为烟气流速，G为饱和状态下的烟气体积流量，D是吸收塔体的直径。在其他条件不发生改变的前提之下，G越大，二氧化硫的脱硫效率下降，反之G越小，二氧化硫的脱硫效率明显提高。在过程模拟当中增加烟气流量或是烟气流速就可以增加二氧化硫的吸收量。从液气比的角度而言，单位时间内的再循环浆液和烟气体积比也是湿法烟气脱硫系统过程模拟优化时的主要参数信息，并且液气比能够反映出吸收速率和过程推动等参数，要想提升脱硫效率也可以在一定程度上增加液气比。但需注意的是过程模拟环节液气比的增加也要在阈值范围内进行，否则会让能耗提升，设备腐蚀可能性提高。停留时间参数方面固体物的停留时间指的是浆液固体物在浆液池当中的停留时间，而液体在吸收塔当中的接触时间是浆液循环停留时间，这两项参数都可以成为过程模拟的关键点。

2.1.2 过程模拟

在进行过程模拟优化时，要注意分析变量和操纵变量，利用灵敏度分析工具将这一复杂的系统化过程进行整体优化，实现对于关键参数的控制。

例如液气比影响到塔内组分配比预警传质状况，确定反应速度和反应程度，如果将浆液当中的水含量设定为操纵变量，将二氧化硫的流量设置为分析变量，则可以在计算后设置响应曲线；在烟气流速方面，烟气流速与压力因素等多个方面有关，烟气流量作为液气比的主要影响参数，可以在自定义模型当中将烟气流速展开分析，将其作为操纵变量，仍然将二氧化硫的流量设置为分析变量，此时仍然可以获得响应曲线。

按照灵敏度的分析结果可以确定与目标变量影响相关的关键参数，并且认为这一参数可以对目标变量的影响达到一个“期望值”。按照专门的ASPENPLUS软件设计要求进行范围确定之后，就可以分别地将液气烟气流速等作为操纵变量并经过迭代计算后得出具体的结果，将模拟计算数据和实际数据进行对比。模型的计算数据和石灰石湿法烟气脱硫的具体工艺如果比较接近，则说明误差在工况允许的范围之内，也说明工业设计可以采取这种工艺方案。从实际的模拟结果来看，吸收塔的直径、高度、循环、烟气入口角度、挡板位置等都可以成为主要的影响因素[2]。

可以利用Fluent进行建模，其内部灵活的非结构网格生成程序可以按照实际需求在加密的流动区域当中实施建模过程。为了确保实际的结果精确性，建模过程可以按照脱硫吸收的工艺特点来建立模型展开数值模拟，且整个计算过程不考虑化学反应的特殊情况，将物理模型进行简化。这样一来某些对脱硫率影响程度不大的因素可以被去除避免计算量过大，例如在不考虑其他构造因素的影响之下，回流区内的烟气量可以在烟气入口角度优化后明显增加，此时回流区面积增大，有利于进行传质、传热，工艺运行过程更加稳定，塔内的压力分布也比较均匀，说明过程模拟优化的结果具有参考意义[3]。

2.2 过程数据支持的热力学参数分析

化工生产工艺流程复杂，操作状态变化程度较大，并具有危险性。热力学计算作为过程模拟的主要环节，涉及到很多单元装置的计算过程都离不开热力学模型的计算，如吸收、精馏等传质分离过程。由于某些工程设备的效率确定难度较大可能会因此影响到热力学参数预测结果，所以在多级分离设备的估算结果和实际情况存在明显差异时，就应该考虑到将效率作为预测参数进行模拟优化，不过此时热力学模型和过程模型进行同步计算时的工作量会明显增加，收敛难度较大。

常规的气液平衡实验在普通浓度条件下进行，其最终获得的结果会相对准确，但外推于高纯度体系时就可能产生较大程度的误差。对于同时包含过程参数和热力学参数的数学模型而言，调节工作如果不能获得科学的模拟效果，就需要对热力学参数作出调整，按照灵敏度判断的结果进行划分，然后采取序贯搜索的方式获得部分参数信息。

精馏控制的主要目的是达到规定的分离要求，并且确定温度、操作压力和加热介质，选择更加先进的反应器和反应流程，减少副反应产生，优化操作条件。以精馏塔的工作过程为例，通常情况下的精馏塔是在预先设计好的工况条件下运行，但如果存在不同类型的影响因素，那么精馏塔的热状态、流量等参数都会发生改变，因此对于进料信息的获取意义显著。假设将进料状态当中的状态变量和输出变量情况作为参考，那么将在机理模型的基础之上研究不同的可测试信息以确定状态变化，从理论角度分析某些方法的应用条件，再经过仿真计算过程确定过程模拟优化措施[4]。

具体来看，其中的回流量、进料量、采出量等各项参数等都可以被认为是不同的影响因素，在所有参数都可以测试的前提之下对温度分布预测进行可行性分析后，通过仿真实验来讨论进料状态的变化与精馏塔温度之间的联系。尽管现场测试可能会出现误差，但基于多个变量对观测结果进行评估后，就可以确定单进料多变量的灵敏度分析结果、变量预测结果等。面向化工过程进行的模拟和优化是过程系统领域的主要研究方向，此类分离过程的热力学模型具有非线性特征，利用常规实验数据展开外推难度较大，但通过工程数据进行参数估计后就可以确定某些参数与工艺结果之间的联系。

3 结束语

化工设计要注重几个基本原则，不仅要符合国家的经济政策和技术政策，而且在具体的工艺方面也需保持合理，要符合安全环保以及职业卫生要求，不能存在重大安全隐患、环境污染、职业健康危害等。过程模拟优化可以针对工艺需求优化生产流程和单元流程，实现集成化和自动化的控制，满足调度决策等多个方面的具体要求。在后续的工程实践环节，还可以将研究内容集中于某些新工况条件下的优化问题，将工况变化和操作优化进行结合，从而展开建模和模拟，研究在不同工艺需求下的模型优化措施，并且改变传统的生产工艺以提升整体效率。