過程模擬優(yōu)化在化工工藝設(shè)計中的應(yīng)用

馬家駒，金玉宏(浙江省天正設(shè)計工程有限公司，浙江 杭州 310012)

0 引言

為了保證整個化工企業(yè)的生產(chǎn)效益，企業(yè)需要按照特定的流程來進(jìn)行單元操作，從而提高整體的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。如果在進(jìn)行正式生產(chǎn)之前，化工企業(yè)可以對現(xiàn)有的化工工藝進(jìn)行模擬分析計算，就可以及時發(fā)現(xiàn)工藝設(shè)計中存在的不足，及時糾正，減少生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效益。因此，為了進(jìn)一步提高化工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，做好化工工藝的合理設(shè)計十分重要，技術(shù)人員要加強(qiáng)運(yùn)用過程模擬優(yōu)化技術(shù)來調(diào)整和優(yōu)化化工工藝，為企業(yè)提供最優(yōu)的工藝設(shè)計方案，保證整個生產(chǎn)的合理性。

1 過程模擬優(yōu)化的內(nèi)涵概述

1.1 化工過程模擬技術(shù)概述

隨著我國計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，在化工行業(yè)中也起著重要的作用，通過借助計算機(jī)技術(shù)，使得我國化工反應(yīng)的開發(fā)也得到了創(chuàng)新和優(yōu)化。技術(shù)人員借助計算機(jī)技術(shù)，可以模擬當(dāng)前化工生產(chǎn)的過程，因此過程模擬也成為當(dāng)前化工工藝設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。在生產(chǎn)化工產(chǎn)品過程中，工作人員需要控制好單個化工工藝變量的穩(wěn)定性，然后設(shè)置好相應(yīng)的順序和流程，依次對單元過程進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對整個生產(chǎn)車間的控制。在生產(chǎn)過程中，工作人員需要按照特定的流程來將幾十個生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行聯(lián)合。并借助過程模擬來及時發(fā)現(xiàn)單元模塊組合存在的問題，及時解決，保證化工產(chǎn)品的正常生產(chǎn)。要保證過程模擬的準(zhǔn)確性，技術(shù)人員需要掌握好整個化工過程所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)以及相關(guān)物質(zhì)的物理結(jié)構(gòu)，然后分析物質(zhì)的化學(xué)變化和物理變化，從而開展過程模擬和優(yōu)化。在進(jìn)行過程模擬中，需要對相關(guān)的化工工藝進(jìn)行計算，主要對壓力平衡、熱平衡、摩爾

比等進(jìn)行計算。此外，在模擬過程中，技術(shù)人員還需要對介質(zhì)進(jìn)行計算和調(diào)整[1]。技術(shù)人員借助過程模擬技術(shù)，不僅可以分析當(dāng)前的化工工藝設(shè)計，還可以判斷工藝的操作難度，進(jìn)而確定最佳的經(jīng)濟(jì)點(diǎn)。通過借助過程模擬技術(shù)分析當(dāng)前的化工工藝設(shè)計，技術(shù)人員還可以診斷出化工生產(chǎn)中存在的故障，及時解決故障，保證生產(chǎn)的正常開展，從而起到降低生產(chǎn)成本的作用。

1.2 化工過程模擬優(yōu)化概述

隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的化工生產(chǎn)會存在著許多不足，從而影響著化工工藝設(shè)計和生產(chǎn)質(zhì)量，因此完善不足十分重要。企業(yè)可以借助過程模擬優(yōu)化技術(shù)來對當(dāng)前的化工工藝進(jìn)行優(yōu)化，從而提高整個化工生產(chǎn)的科學(xué)性和合理性，提高化工生產(chǎn)的質(zhì)量。但是在進(jìn)行化工過程模擬優(yōu)化過程中，需要技術(shù)模型進(jìn)行支持，主要的技術(shù)模型包括有數(shù)學(xué)模型和物性模型，技術(shù)人員必須要保證模型的準(zhǔn)確性，才能發(fā)揮出最好的優(yōu)化效果，才能有效地改善傳統(tǒng)化工工藝設(shè)計和生產(chǎn)中存在的不足。因此，技術(shù)人員要加強(qiáng)對過程模擬優(yōu)化軟件的選擇和運(yùn)用，比如可以運(yùn)用CAPES或者PLUS軟件。關(guān)于過程模擬技術(shù)，在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)被應(yīng)用在化工行業(yè)中，也是化工行業(yè)應(yīng)用最早的技術(shù)之一，一般的化工模擬軟件的構(gòu)成內(nèi)容和網(wǎng)絡(luò)通訊構(gòu)成不同，主要包含有原料物資數(shù)據(jù)、操作單元數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)輸入等組成。在進(jìn)行化工工藝過程模擬和優(yōu)化過程中，可以通過單元模型組建的方式來發(fā)揮更好的作用[2]。

2 過程模擬優(yōu)化在化工工藝設(shè)計中的作用

2.1 提高化工工藝的經(jīng)濟(jì)效益

加強(qiáng)過程模擬優(yōu)化在化工工藝設(shè)計中的應(yīng)用，對于提高整個設(shè)計效果和生產(chǎn)質(zhì)量起著重要的作用。首先，過程模擬優(yōu)化，可以診斷化工工藝存在的故障。在進(jìn)行化工生產(chǎn)中，企業(yè)是十分注重生產(chǎn)效益的，但是使用傳統(tǒng)的設(shè)計方法，不僅需要較長的工藝檢測時間，也需要投入較高的成本，很難提升企業(yè)的生產(chǎn)效益。而通過加強(qiáng)過程模擬優(yōu)化在化工工藝中的應(yīng)用，不僅可以有效地縮短整個工藝的模擬時間，還能得出最優(yōu)的工藝方案，有效地提升整個化工工藝的設(shè)計和生產(chǎn)效益。

2.2 可以對化工工藝進(jìn)行改造

在進(jìn)行化工工藝設(shè)計時，往往是準(zhǔn)備了多個方案進(jìn)行選擇，通過借助過程模擬技術(shù)，可以對各個方案的數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)的計算，經(jīng)過對比，從而得出最優(yōu)的設(shè)計方案。技術(shù)人員可以借助過程模擬軟件的幫助，來為各個單元的操作提供相關(guān)的參數(shù)，還能指出工藝設(shè)計在模擬過程中存在的不足支出，幫助設(shè)計人員完善方案，提高整個化工工藝設(shè)計的質(zhì)量[3]。

2.3 實(shí)現(xiàn)了過程模擬的在線優(yōu)化

在進(jìn)行化工過程模擬過程中，就是運(yùn)用和優(yōu)化技術(shù)來解決化工工藝設(shè)計和生產(chǎn)中的各樣問題，主要是一些非線性規(guī)劃的問題。因此，技術(shù)人員可以運(yùn)用穩(wěn)態(tài)的模擬方法來進(jìn)行計算和求解等式約束方程，從而得出最優(yōu)的工藝設(shè)計方案。

3 化工工藝過程模擬優(yōu)化技術(shù)的核心內(nèi)涵

3.1 序貫?zāi)K

序貫?zāi)K，是指整個化工工藝工程過程模擬和優(yōu)化都是由專門的單元模塊進(jìn)行負(fù)責(zé)，并且需要一定的順序來計算相應(yīng)的參數(shù)信息。針對不同的流程組織方式，序貫?zāi)K都可以對單元模塊進(jìn)行求解，而且整個求解過程也比較直觀和清晰。在進(jìn)行過程模擬優(yōu)化計算時，技術(shù)人員需要加入相應(yīng)的控制變量和參數(shù)，并且需要將約束優(yōu)化問題納入到優(yōu)化內(nèi)容當(dāng)中。

3.2 聯(lián)立方程

在進(jìn)行求解時，聯(lián)立方程和序貫?zāi)K之間存在很明顯的差異，聯(lián)立方程的核心內(nèi)容是對所有模型進(jìn)行聯(lián)立求解，而序貫?zāi)K是可以對不同的流程組織方式進(jìn)行單獨(dú)計算求解。所以在進(jìn)行模塊計算時，聯(lián)立方程具有很強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢，并且具有良好的處理機(jī)制。在進(jìn)行化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，對生產(chǎn)裝備的參數(shù)要求較高，特別是純度和工況要求，要求具有足夠的精度來計算方程和參數(shù)，而且在進(jìn)行計算過程中需要結(jié)合不同的優(yōu)化算法來進(jìn)行對比，從而得出最優(yōu)的方案。

4 過程模擬優(yōu)化在化工工藝設(shè)計中的具體應(yīng)用

4.1 乙烯裂解

加強(qiáng)過程模擬優(yōu)化在化工工藝設(shè)計中的應(yīng)用，可以對工藝的設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)，從而得出最優(yōu)的設(shè)計方案，提高整體的化工生產(chǎn)效率。關(guān)于過程模擬優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用，我國化工行業(yè)也有著比較經(jīng)典的例子。比如：我國石油企業(yè)，借助過程模擬優(yōu)化技術(shù)來模擬和優(yōu)化了乙烯裂解過程；我國石油化工企業(yè)借助了模擬優(yōu)化技術(shù)，來對乙烯裂解裝置設(shè)備進(jìn)行了模擬和分析。在過程模擬過程中，技術(shù)人員控制了出口的溫度，將原來的乙烯裂解爐的溫度提升了4 ℃，通過提升溫度來加深裂解的程度，進(jìn)而起到增加乙烯生產(chǎn)量的作用。技術(shù)人員先對乙烯裂解爐的結(jié)構(gòu)(如圖1所示)進(jìn)行分析和研究，然后對整個乙烯裂解過程進(jìn)行模擬和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)效益最大化的目標(biāo)。在進(jìn)行乙烯裂解過程模擬過程中，技術(shù)人員需要結(jié)合當(dāng)前的生產(chǎn)過程來計算相應(yīng)的化工工藝，比如要做好摩爾比計算，做好相關(guān)影響因素的計算、使用介質(zhì)的計算等。在進(jìn)行摩爾比計算，主要是分析和計算具有化學(xué)反應(yīng)的原材料。進(jìn)行相關(guān)影響因素的計算，比如熱平衡計算、壓力平衡計算。在對化工反應(yīng)中的介質(zhì)進(jìn)行計算時，技術(shù)人員需要結(jié)合相應(yīng)的等價原則，確保介質(zhì)能夠處于連續(xù)操作的狀態(tài)來進(jìn)行計算，從而得出化學(xué)生產(chǎn)的全過程。在進(jìn)行乙烯裂解過程模擬計算中，針對一些特殊情況可以進(jìn)行忽略，比如開車情況、停車情況等。為了降低整個工程模擬計算的難度，在進(jìn)行固體組的氣液平衡計算時，如果沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也不需要進(jìn)行計算[4]。乙烯在裂解過程中，其生產(chǎn)量會受到多種因素的影響，比如會熱負(fù)荷因素、反應(yīng)壓力因素的影響，因此技術(shù)人員在過程模擬時，需要做好相關(guān)技術(shù)的分析工作，并且做好系統(tǒng)熱量的優(yōu)化工作。在模擬乙烯裂解過程時，技術(shù)人員可以優(yōu)化原材料的加工環(huán)節(jié)，并且確保可以在離線狀態(tài)下操作整個生產(chǎn)過程。通過對乙烯裂解進(jìn)行過程模擬，石油化工企業(yè)可以從中獲取乙烯裂解的相關(guān)數(shù)據(jù)，為控制整個生產(chǎn)進(jìn)度和質(zhì)量提供了重要的數(shù)據(jù)保障。

圖1 乙烯裂解爐結(jié)構(gòu)圖

4.2 石灰石濕法煙氣脫硫

石灰石濕法煙氣脫硫，就是一個氣體的吸收過程，通過吸收相應(yīng)的酸性氣體從而達(dá)到酸堿平衡。通過將堿性的石灰石溶液和含有酸性氣體的硫氧化物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而將硫氧化物中的硫元素轉(zhuǎn)入到溶液當(dāng)中，從而對氣體起到凈化的作用。通過對整個脫硫反應(yīng)過程進(jìn)行模擬和優(yōu)化，可以進(jìn)行非穩(wěn)定模擬來將整個脫硫工程的瞬間參數(shù)反映出來，并借助平衡級模擬來對不同物料和參數(shù)之間的動態(tài)變化進(jìn)行描述，然后通過引入變換變量的概念來減少迭代變量，使得整個化學(xué)反應(yīng)過程計算變得更加簡單。二氧化硫的脫硫一般是在吸收塔內(nèi)進(jìn)行，在吸收塔內(nèi)吸收劑會分散變成細(xì)小的液體，從而覆蓋在吸收塔的斷面，從而起到吸收的反應(yīng)，進(jìn)而將吸收塔內(nèi)氣體中的硫元素進(jìn)行吸收，然后在吸收塔的底部形成石膏，實(shí)現(xiàn)了脫硫的目的。在吸收過程中，石灰石需要不斷地添加到吸收塔內(nèi)，并借助塔內(nèi)的空氣作用來不斷地運(yùn)動，從而起到加快化學(xué)反應(yīng)的作用。隨著吸收塔內(nèi)二氧化硫濃度的增加，所消耗的石灰石數(shù)量也會增加，石灰石內(nèi)的堿性組分會消耗，從而使得整個液膜的吸收阻力增加，進(jìn)而降低了整個脫硫效率。所以，在進(jìn)行脫硫過程模擬計算時，需要參照公式(1)進(jìn)行計算，并獲得最佳的脫硫效率。根據(jù)公式，可以得出：當(dāng)其他條件都處于不變的前提，當(dāng)G的數(shù)值越大，脫硫效率就會下降，而當(dāng)G的數(shù)值減少，脫硫的效率就會提升。所以技術(shù)人員在進(jìn)行脫硫過程模擬時，需要對吸收塔內(nèi)增加煙氣的流量或者提高煙氣的流速，借此來增加脫硫量。使用石灰石濕法煙氣脫硫的方法，技術(shù)人員在模擬過程時，需要做好單位時間內(nèi)再循環(huán)漿液和煙氣體積比的參數(shù)控制，也就是液氣比，因為液氣比可以將硫元素的吸收速率和過程推動參數(shù)反映出來，所以由此可見，要提高脫硫效率，也可以采用提高液氣比的方式。技術(shù)人員在模擬增大液氣比時，要將液氣比的數(shù)值控制在閾值范圍之內(nèi)，否則會出現(xiàn)能耗過高的現(xiàn)象，甚至?xí)υO(shè)備造成腐蝕的現(xiàn)象[5]。在進(jìn)行石灰石濕法煙氣脫硫過程模擬時，需要做好整個過程的控制，特別是做好變量的分析和變量的操縱，技術(shù)人員可以借助靈敏度分析工具來優(yōu)化過程，從而實(shí)現(xiàn)對相關(guān)參數(shù)的控制。比如當(dāng)液氣比數(shù)值影響吸收塔內(nèi)的分配比預(yù)警傳質(zhì)情況時，技術(shù)人員在確定反應(yīng)速度和反應(yīng)程度的前提下，可以將漿液中的水含量設(shè)定為操縱變量，將二氧化硫的流量設(shè)定為分析變量，從而進(jìn)行相應(yīng)曲線的計算。在過程模擬和優(yōu)化過程中，技術(shù)人員也可以使用Fluent軟件來進(jìn)行建模，在建模過程中，需要嚴(yán)格按照脫硫的吸收特點(diǎn)來進(jìn)行數(shù)值的模擬，然后在計算時應(yīng)當(dāng)忽略化學(xué)反應(yīng)的特殊情況，降低計算難度。

式中：u為煙氣流速； G為飽和狀態(tài)下的煙氣體積流量；D為吸收塔體的直徑。

4.3 乙醇連續(xù)發(fā)酵

在進(jìn)行乙醇的連續(xù)發(fā)酵過程中，技術(shù)人員需要結(jié)合相關(guān)的數(shù)據(jù)來進(jìn)行合理的假設(shè)，從而進(jìn)行過程優(yōu)化，提高乙醇的發(fā)酵質(zhì)量。在優(yōu)化乙醇的連續(xù)發(fā)酵過程中，技術(shù)人員同樣需要做好相關(guān)數(shù)據(jù)的計算，比如做好摩爾比的計算，做好壓力平衡、相平衡的計算等。通過對乙醇連續(xù)發(fā)酵過程進(jìn)行模擬分析計算，可以進(jìn)行工藝設(shè)計的優(yōu)化。比如，在過程模擬中可以發(fā)現(xiàn)乙醇的預(yù)發(fā)酵、反應(yīng)壓力、發(fā)酵效果等都會受到葡萄糖的進(jìn)料量影響，所以在進(jìn)行工藝優(yōu)化時，可以對整個系統(tǒng)的熱量進(jìn)行優(yōu)化，比如技術(shù)人員需要對進(jìn)料的成分、吸收塔的操作條件等進(jìn)行控制，減少乙醇在發(fā)酵過程中受到的影響。此外，技術(shù)人員可以使用化工流程模擬系統(tǒng)來進(jìn)行原料加工處理，但是該操作只能在離線的狀態(tài)下進(jìn)行，很難在在線的狀態(tài)下進(jìn)行模擬。通過對乙醇的發(fā)酵過程進(jìn)行模擬，技術(shù)人員可以從中得到大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對于優(yōu)化當(dāng)前的生產(chǎn)過程、控制生產(chǎn)質(zhì)量都起到了重要的作用。相關(guān)人員可以結(jié)合模擬數(shù)據(jù)來進(jìn)行預(yù)估模型的建立，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的效益轉(zhuǎn)化。

5 結(jié)語

總而言之，在進(jìn)行化工工藝設(shè)計時，必須要符合國家的政策要求，符合行業(yè)的安全環(huán)保要求，避免在化工生產(chǎn)中存在安全隱患，威脅工作人員的人身安全。通過采用過程模擬和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了對化工行業(yè)生產(chǎn)流程和單元流程的優(yōu)化，并實(shí)現(xiàn)了集成化和自動化的控制，有效地提升了生產(chǎn)效益。所以，技術(shù)人員在研究化工工藝過程模擬技術(shù)時，應(yīng)當(dāng)將實(shí)際的工況變化和操作優(yōu)化進(jìn)行結(jié)合，然后借助計算機(jī)技術(shù)來進(jìn)行建模和過程模擬計算，從中得出最佳的設(shè)計方案，完善傳統(tǒng)化工生產(chǎn)的不足，提高企業(yè)整體的生產(chǎn)效益。