過程模擬優化在化工工藝設計中的應用

馬家駒，金玉宏(浙江省天正設計工程有限公司，浙江 杭州 310012)

0 引言

為了保證整個化工企業的生產效益，企業需要按照特定的流程來進行單元操作，從而提高整體的生產效率和質量。如果在進行正式生產之前，化工企業可以對現有的化工工藝進行模擬分析計算，就可以及時發現工藝設計中存在的不足，及時糾正，減少生產成本，提高生產效益。因此，為了進一步提高化工企業的經濟效益，做好化工工藝的合理設計十分重要，技術人員要加強運用過程模擬優化技術來調整和優化化工工藝，為企業提供最優的工藝設計方案，保證整個生產的合理性。

1 過程模擬優化的內涵概述

1.1 化工過程模擬技術概述

隨著我國計算機技術的發展和廣泛應用，在化工行業中也起著重要的作用，通過借助計算機技術，使得我國化工反應的開發也得到了創新和優化。技術人員借助計算機技術，可以模擬當前化工生產的過程，因此過程模擬也成為當前化工工藝設計的重要環節。在生產化工產品過程中，工作人員需要控制好單個化工工藝變量的穩定性，然后設置好相應的順序和流程，依次對單元過程進行控制，從而實現對整個生產車間的控制。在生產過程中，工作人員需要按照特定的流程來將幾十個生產環節進行聯合。并借助過程模擬來及時發現單元模塊組合存在的問題，及時解決，保證化工產品的正常生產。要保證過程模擬的準確性，技術人員需要掌握好整個化工過程所產生的化學反應以及相關物質的物理結構，然后分析物質的化學變化和物理變化，從而開展過程模擬和優化。在進行過程模擬中，需要對相關的化工工藝進行計算，主要對壓力平衡、熱平衡、摩爾

比等進行計算。此外，在模擬過程中，技術人員還需要對介質進行計算和調整[1]。技術人員借助過程模擬技術，不僅可以分析當前的化工工藝設計，還可以判斷工藝的操作難度，進而確定最佳的經濟點。通過借助過程模擬技術分析當前的化工工藝設計，技術人員還可以診斷出化工生產中存在的故障，及時解決故障，保證生產的正常開展，從而起到降低生產成本的作用。

1.2 化工過程模擬優化概述

隨著我國科學技術的發展，傳統的化工生產會存在著許多不足，從而影響著化工工藝設計和生產質量，因此完善不足十分重要。企業可以借助過程模擬優化技術來對當前的化工工藝進行優化，從而提高整個化工生產的科學性和合理性，提高化工生產的質量。但是在進行化工過程模擬優化過程中，需要技術模型進行支持，主要的技術模型包括有數學模型和物性模型，技術人員必須要保證模型的準確性，才能發揮出最好的優化效果，才能有效地改善傳統化工工藝設計和生產中存在的不足。因此，技術人員要加強對過程模擬優化軟件的選擇和運用，比如可以運用CAPES或者PLUS軟件。關于過程模擬技術，在20世紀60年代就已經被應用在化工行業中，也是化工行業應用最早的技術之一，一般的化工模擬軟件的構成內容和網絡通訊構成不同，主要包含有原料物資數據、操作單元數據庫、數據輸入等組成。在進行化工工藝過程模擬和優化過程中，可以通過單元模型組建的方式來發揮更好的作用[2]。

2 過程模擬優化在化工工藝設計中的作用

2.1 提高化工工藝的經濟效益

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

2.2 可以對化工工藝進行改造

在進行化工工藝設計時，往往是準備了多個方案進行選擇，通過借助過程模擬技術，可以對各個方案的數據進行精準的計算，經過對比，從而得出最優的設計方案。技術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的參數，還能指出工藝設計在模擬過程中存在的不足支出，幫助設計人員完善方案，提高整個化工工藝設計的質量[3]。

2.3 實現了過程模擬的在線優化

在進行化工過程模擬過程中，就是運用和優化技術來解決化工工藝設計和生產中的各樣問題，主要是一些非線性規劃的問題。因此，技術人員可以運用穩態的模擬方法來進行計算和求解等式約束方程，從而得出最優的工藝設計方案。

3 化工工藝過程模擬優化技術的核心內涵

3.1 序貫模塊

序貫模塊，是指整個化工工藝工程過程模擬和優化都是由專門的單元模塊進行負責，并且需要一定的順序來計算相應的參數信息。針對不同的流程組織方式，序貫模塊都可以對單元模塊進行求解，而且整個求解過程也比較直觀和清晰。在進行過程模擬優化計算時，技術人員需要加入相應的控制變量和參數，并且需要將約束優化問題納入到優化內容當中。

3.2 聯立方程

在進行求解時，聯立方程和序貫模塊之間存在很明顯的差異，聯立方程的核心內容是對所有模型進行聯立求解，而序貫模塊是可以對不同的流程組織方式進行單獨計算求解。所以在進行模塊計算時，聯立方程具有很強的應用優勢，并且具有良好的處理機制。在進行化工產品生產過程中，對生產裝備的參數要求較高，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，而且在進行計算過程中需要結合不同的優化算法來進行對比，從而得出最優的方案。

4 過程模擬優化在化工工藝設計中的具體應用

4.1 乙烯裂解

加強過程模擬優化在化工工藝設計中的應用，可以對工藝的設計進行改進，從而得出最優的設計方案，提高整體的化工生產效率。關于過程模擬優化技術的應用，我國化工行業也有著比較經典的例子。比如：我國石油企業，借助過程模擬優化技術來模擬和優化了乙烯裂解過程；我國石油化工企業借助了模擬優化技術，來對乙烯裂解裝置設備進行了模擬和分析。在過程模擬過程中，技術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，進而起到增加乙烯生產量的作用。技術人員先對乙烯裂解爐的結構(如圖1所示)進行分析和研究，然后對整個乙烯裂解過程進行模擬和優化，實現了生產效益最大化的目標。在進行乙烯裂解過程模擬過程中，技術人員需要結合當前的生產過程來計算相應的化工工藝，比如要做好摩爾比計算，做好相關影響因素的計算、使用介質的計算等。在進行摩爾比計算，主要是分析和計算具有化學反應的原材料。進行相關影響因素的計算，比如熱平衡計算、壓力平衡計算。在對化工反應中的介質進行計算時，技術人員需要結合相應的等價原則，確保介質能夠處于連續操作的狀態來進行計算，從而得出化學生產的全過程。在進行乙烯裂解過程模擬計算中，針對一些特殊情況可以進行忽略，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，在進行固體組的氣液平衡計算時，如果沒有發生化學反應，也不需要進行計算[4]。乙烯在裂解過程中，其生產量會受到多種因素的影響，比如會熱負荷因素、反應壓力因素的影響，因此技術人員在過程模擬時，需要做好相關技術的分析工作，并且做好系統熱量的優化工作。在模擬乙烯裂解過程時，技術人員可以優化原材料的加工環節，并且確保可以在離線狀態下操作整個生產過程。通過對乙烯裂解進行過程模擬，石油化工企業可以從中獲取乙烯裂解的相關數據，為控制整個生產進度和質量提供了重要的數據保障。

圖1 乙烯裂解爐結構圖

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，通過吸收相應的酸性氣體從而達到酸堿平衡。通過將堿性的石灰石溶液和含有酸性氣體的硫氧化物進行化學反應，從而將硫氧化物中的硫元素轉入到溶液當中，從而對氣體起到凈化的作用。通過對整個脫硫反應過程進行模擬和優化，可以進行非穩定模擬來將整個脫硫工程的瞬間參數反映出來，并借助平衡級模擬來對不同物料和參數之間的動態變化進行描述，然后通過引入變換變量的概念來減少迭代變量，使得整個化學反應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進行，在吸收塔內吸收劑會分散變成細小的液體，從而覆蓋在吸收塔的斷面，從而起到吸收的反應，進而將吸收塔內氣體中的硫元素進行吸收，然后在吸收塔的底部形成石膏，實現了脫硫的目的。在吸收過程中，石灰石需要不斷地添加到吸收塔內，并借助塔內的空氣作用來不斷地運動，從而起到加快化學反應的作用。隨著吸收塔內二氧化硫濃度的增加，所消耗的石灰石數量也會增加，石灰石內的堿性組分會消耗，從而使得整個液膜的吸收阻力增加，進而降低了整個脫硫效率。所以，在進行脫硫過程模擬計算時，需要參照公式(1)進行計算，并獲得最佳的脫硫效率。根據公式，可以得出：當其他條件都處于不變的前提，當G的數值越大，脫硫效率就會下降，而當G的數值減少，脫硫的效率就會提升。所以技術人員在進行脫硫過程模擬時，需要對吸收塔內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，技術人員在模擬過程時，需要做好單位時間內再循環漿液和煙氣體積比的參數控制，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。技術人員在模擬增大液氣比時，要將液氣比的數值控制在閾值范圍之內，否則會出現能耗過高的現象，甚至會對設備造成腐蝕的現象[5]。在進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，技術人員可以借助靈敏度分析工具來優化過程，從而實現對相關參數的控制。比如當液氣比數值影響吸收塔內的分配比預警傳質情況時，技術人員在確定反應速度和反應程度的前提下，可以將漿液中的水含量設定為操縱變量，將二氧化硫的流量設定為分析變量，從而進行相應曲線的計算。在過程模擬和優化過程中，技術人員也可以使用Fluent軟件來進行建模，在建模過程中，需要嚴格按照脫硫的吸收特點來進行數值的模擬，然后在計算時應當忽略化學反應的特殊情況，降低計算難度。

式中：u為煙氣流速； G為飽和狀態下的煙氣體積流量；D為吸收塔體的直徑。

4.3 乙醇連續發酵

在進行乙醇的連續發酵過程中，技術人員需要結合相關的數據來進行合理的假設，從而進行過程優化，提高乙醇的發酵質量。在優化乙醇的連續發酵過程中，技術人員同樣需要做好相關數據的計算，比如做好摩爾比的計算，做好壓力平衡、相平衡的計算等。通過對乙醇連續發酵過程進行模擬分析計算，可以進行工藝設計的優化。比如，在過程模擬中可以發現乙醇的預發酵、反應壓力、發酵效果等都會受到葡萄糖的進料量影響，所以在進行工藝優化時，可以對整個系統的熱量進行優化，比如技術人員需要對進料的成分、吸收塔的操作條件等進行控制，減少乙醇在發酵過程中受到的影響。此外，技術人員可以使用化工流程模擬系統來進行原料加工處理，但是該操作只能在離線的狀態下進行，很難在在線的狀態下進行模擬。通過對乙醇的發酵過程進行模擬，技術人員可以從中得到大量的生產數據，對于優化當前的生產過程、控制生產質量都起到了重要的作用。相關人員可以結合模擬數據來進行預估模型的建立，從而實現數據資源的效益轉化。

5 結語

總而言之，在進行化工工藝設計時，必須要符合國家的政策要求，符合行業的安全環保要求，避免在化工生產中存在安全隱患，威脅工作人員的人身安全。通過采用過程模擬和優化，實現了對化工行業生產流程和單元流程的優化，并實現了集成化和自動化的控制，有效地提升了生產效益。所以，技術人員在研究化工工藝過程模擬技術時，應當將實際的工況變化和操作優化進行結合，然后借助計算機技術來進行建模和過程模擬計算，從中得出最佳的設計方案，完善傳統化工生產的不足，提高企業整體的生產效益。