過程模擬優化在化工工藝設計中的應用

諸葛紹淵，周音(浙江工程設計有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

化工行業是我國重要的產業之一，隨著市場經濟的快速發展，化工企業所面臨的市場競爭也愈加激烈，在這種情況之下，化工企業必須要立足于現實，加快技術上的改革與創新，不斷優化生產工藝、提升技術水平，才能夠提高企業的核心競爭力，在激烈的市場競爭中凸顯出自身的優勢。在化工企業經歷了長時間的摸索之后，過程模擬優化技術在化工工藝設計中得到了廣泛的應用。過程模擬優化可以在化工生產工藝的設計、測試以及工藝流程的改造等方面發揮巨大的作用，依托于現代計算機技術，顯著提高化工工藝設計的效率，為推動化工工藝邁向更加自動化和規范化的方向提供助力。

1 過程模擬的內涵概述

化工領域所應用的過程模擬就是借助于利用過程模擬系統與化工裝置有關的數學模型，對化工工藝設計方程進行優化，從而達到優化化工工藝的目的。大部分化工工藝設計中所應用的過程模擬都可以分為范圍開式過程模擬和控制式過程模擬兩類。過程模擬依托于計算機技術而產生，目前已經被廣泛應用到了多個領域和行業當中，其中最具代表性的就是過程模擬在化工工藝設計中的應用。

在化工生產的過程當中，需要根據工藝要求獨立控制化工工藝的變量，在實際設置好每個單體內部參數變量后再串聯起來形成一個個穩定的工藝單元，最終實現控制整個裝置車間單元操作，確保整個化工工藝車間的順暢運行。在這個過程中會涉及到多個化工工藝環節，只有保障各個流程和環節的順暢銜接、有序配合以及對其穩定、精準的控制才能夠確保化工生產的質量，達到節能、降耗、安全生產的目標[1]。而如果可以借助過程模擬的技術對化工工藝進行設計，就可以及時發現化工工藝流程中存在的問題和漏洞，從而針對性地進行優化和修整，以此來降低在實際生產過程中的紕漏和安全隱患，減少化工生產過程中造成的經濟損失，維護化工企業的經濟效益，這也是過程模擬優化技術最為關鍵的價值。此外，通過在化工工藝設計中應用過程模擬，還可以對化工生產工藝流程中的不可控因素進行有效地把控，減少化工生產過程中的不利因素及干擾，通過流程的優化、參數和結構的調整提高化工生產的品質，為化工產品的品控提供支持。

2 化工過程模擬優化技術的應用

2.1 化工過程模擬技術

化工行業在市場經濟結構中占據著十分關鍵的地位，同時化工產品也被廣泛地應用在多個領域當中，發揮著十分關鍵的作用。科學技術與計算機技術的快速發展推動了化工生產工藝的不斷進步，大量的先進技術被廣泛地應用到了化工工藝設計當中，尤其是借助計算機技術對化工生產的整個過程進行模擬，已經逐漸取代了傳統的生產工藝，成為了化工企業轉型與升級的重要途徑，為化工企業的長遠發展提供了強大的技術支撐。而過程模擬優化技術就是計算機技術與化工生產工藝深入融合的典型技術代表。過程模擬優化技術借助于計算機技術的輔助，可以對化工工藝中的壓力平衡、相比平衡及其他重要數據參數進行獲取和分析，從而實現對化工生產全過程的技術模擬。過程模擬優化技術的應用涵蓋了化工生產中原材料處理、化學反應過程、產物處理等整個過程，根據過程模擬對操作難度進行控制，而后根據化工生產流程對生產工藝進行優化，及時發現生產工藝設計中存在的漏洞和安全隱患，并進行相應的技術調整及故障診斷，從而極大地減少了化工生產過程中的問題，降低了化工生產成本，為化工產品的研發和創新奠定了基礎[2]。

2.2 化工過程模擬優化軟件

在化工領域技術水平不斷提高的背景下，雖然優化了化工生產的工藝，但與此同時也暴露出了傳統化工工藝中的諸多問題和缺陷，使得化工工藝設計的創新和優化勢在必行。借助于過程模擬優化技術可以對整個化工生產統一進行更加科學化的調整，對提高產能和提升產品品質具有十分重要的作用。在過程模擬優化技術最初的應用中，主要是用于進行原材料數據的獲取和輸入，網絡信號的檢測和輸出等。隨著計算機技術的快速發展，其與化工生產之間的融合越加深入，通過將過程模擬優化應用到了單元模型當中，可以通過更加合理地進行單元模型的組合優化化工工藝，保障化工生產的品質、降低成本投入，從而提高經濟效益。

2.3 在化工工藝中的運用

過程模擬優化技術在化工工藝中的應用主要包括了優化等式約束、單元模型的操作、過程模擬系統的問題解答等。在此基礎上，為了實現過程模擬優化技術的功能，需要對與單元模型和工藝數據相關聯的問題進行解答，為了達到這一目的，可以借助于求解穩態模擬，并對化工工藝設計進行充分的創新和優化，最大限度地發揮出過程模擬優化技術的價值，為化工企業生產能力的提升做好充分準備。

3 過程模擬優化技術在化工工藝設計中的應用

3.1 生產設備的改造及優化

過程模擬優化技術在化工工藝設計中最為關鍵的應用體現在對化工生產設備進行改造及優化方面。通過在化工工藝設計中應用過程模擬優化技術，可以在傳統的化工工藝設計方式的基礎上利用計算機技術對化工生產設備進行改造，優化各項參數，從而達到最佳的工藝條件，借助于此達到節能減排、控制成本、提高效益的目標。在目前大部分化工工藝設計當中，最為常用的過程優化模擬就是穩態模擬技術，借助于這一手段可以首先通過穩態模擬技術獲取并分析化工工藝參數，再利用動態模擬手段進行實時的檢測和調整，達到優化化工工藝的目的。通過將穩態模擬與動態模擬相結合，發揮各自的價值，可以對復雜的化工生產裝置進行操控，達到設備改造和優化的目的。

3.2 新工藝研究

在以往的化工工藝設計當中，研究人員一般需要借助于實驗的方式對化工工藝設計進行測試，這種方式雖然可以取得比較可靠的結果，但所需的時間和資金成本較大，往往需要反復進行實驗才可以獲得比較準確的結論。而借助于過程模擬優化技術，可以通過過程模擬優化技術與傳統的實驗方式的配合，縮短實驗的時間、控制實驗的成本，利用計算機對實驗過程進行模擬，在新工藝的測試方面發揮出極大的優勢。

3.3 新裝置設計

通過將過程模擬優化技術應用于化工新裝置的設計當中，可以對能量平衡和物料平衡進行精準的計算，同時還還可以進行后續工藝的參數調整，減少新裝置設計中的錯漏，從而提高設計效率。例如，在氣體分餾裝置、乙烯裝置的設計當中，利用過程模擬優化可以得到比較準確的數據，對新裝置的設計進行調整和優化，還可以同時用于新裝置的質檢環節[3]。具體而言，過程模擬優化在新裝置設計中的應用優勢主要體現為以下方面：第一，借助過程模擬優化獲得全面的數據參數，通過將其反饋給技術人員，便于技術人員攻克技術難關，進行技術改造；第二，借助過程模擬優化對化工裝置的運行狀態進行檢測，為技術改造提供依據；第三，當化工裝置發生異常時，過程模擬優化可以根據異常情況提出相應的解決方案；第四，過程模擬優化只需要借助計算機技術就可以對化工裝置的設計過程進行模擬，而不需投入實際的設計和制造成本。

4 過程模擬優化在化工工藝設計中的應用案例

本文以某石化企業應用過程模擬優化技術對精餾工藝進行設計和優化的過程為案例闡述過程模擬優化在化工工藝設計中的具體應用。

4.1 應用過程

首先，通過乙烯實驗反應提出假設，對氧化過程進行簡化，根據乙烯實驗反應的條件，通過摩爾計算對發生乙烯反應的原料進行測算；其次，通過對可能影響氧化反應的因素，如壓力平衡參數、熱平衡參數等進行分析和計算，假定實驗中的乙烯已經發生了反應，則利用等價原則對生產過程進行還原。如果沒有發生化學反應，則不進行具體計算；再次，考慮到實際生產中物料的傳輸會對壓力值造成影響，所以此次實驗不考慮能耗的問題。實驗中通過過程模擬優化可以進行操作過程的模擬，也可以對物料進行優化；但如果脫離了過程模擬優化而進在裝置上進行分析，則可能對參數及結果的準確性造成不良影響。只有通過過程模擬對實驗過程加以還原，才能夠基于實驗結果進行模型構建，從而對化工工藝進行設計和優化。

4.2 應用效果

第一，在上述案例中，通過過程模擬優化可以及時發現化工工藝設計中存在的問題和漏洞，對化工生產潛在的安全風險進行分析，并且過程模擬優化與傳統實驗方式相比，在時間、資金和成本的投入上都具有更大的優勢，可以以最小的消耗得到最為合理的化工工藝設計方案；

第二，通過將過程模擬優化應用于化工工藝設計當中，可以突破技術上的難點和瓶頸，將一些通過傳統實驗方式難以攻克的技術難關或難以解決的實際困難進行化解，將實際的成本及物料投入轉變為模擬的過程操作，在降低了實驗難度和成本的同時獲取了更加準確的實驗數據，確保了化工工藝設計的科學合理性。

5 結語

過程模擬優化是目前被廣泛應用與化工工藝設計領域的重要技術手段，過程模擬優化在化工工藝設計中的應用可以借助于計算機模擬技術提高化工工藝設計的可靠性，對化工生產工藝進行優化，降低化工工藝設計的成本，從而達到節能降耗、提升效益的目的，為化工企業的長遠發展提供了巨大的技術支持。