化工分析过程与模拟.doc

宁夏大学硕士生（博士生）考试考查卷面纸2011 2012 学年度第二学期姓 名 学 号 院（所、部） 化学化工学院 年 级 11 级 专 业 化学工程 研究方向 课 程 化工分析过程与模拟 考试方式 论 文 主考教师评语成绩 主考教师签名： 200 年 月 日 浅谈化工过程模拟及相关高新技术摘要：化工过程模拟在化工界已经成为家喻户晓的先进工具，广泛应用于工业装置的研究、设计、改造等领域，并带来明显的经济效益。化工过程模拟与实验研究的结合是最有效和最廉价的化工过程研究方法。可以大大节约实验成本，加快新产品和新工艺的开发过程稳态模拟软件的应用也已成为一股不可抗拒的浪潮，席卷全球。关键词：化工模拟 稳态 装置化学工业正不断满足化学和相关的过程工业的需要，如石油化工、制药、食品、环境、冶金、材料、电子等1。工业的不断需求要求对现存的技术或设备进行不断地修改和改进，不断开发新技术方法。一个最有效和最廉价的方法是采用实验研究和计算机辅助模拟设计（化工模拟）相结合2。国外化工模拟软件起步很早3，上个世纪50年代中、后期，美国M.W.Kellogg公司就开发了第一个化工模拟程序Flexible Flowsheeting。到80年代，化工过程模拟软件的研发已经走向专业化、商品化。模拟计算的准确性、可靠性也大大增强.应用范围不断拓展。这一时期，美国ASPEN Tech公司的ASPEN PLUS，Simulation Sciences。公司的PRO/II，加拿大Hypro Tech公司的HYSIM等商业化软件正式走向市场。90年代后，化工模拟软件开始由德态过程向动态过程模拟和适时优化的方向发展，如Hysys，Aspen Plus等软件。国内化工过程模拟研究约起始于上世纪60年代末。70年代末化工部第五设计院在国内率先推出了大型烃类分离模拟系统，80年代由青岛化工学院韩方煌、丁惠华教授等人开发的ECSS模拟系统软件ECSS化工之星研究成功，并走向商业化4。下面就具体化工过程稳态模拟进行简单介绍。1、 化工过程稳态模拟 稳态模拟又称静态模拟或离线模拟5。流程模拟就是将一个由许多个单元过程组成的化工流程用数字模型进行描述，并且在计算机上通过改变各种有效条件得到所需要的结果，如操作条件等。通常所说的化工过程模拟或流程模拟多指稳态模拟。它是根据化工过程的稳态数据，诸如物料的压力、温度、流量、组成和有关的工艺操作条件、工艺规定、产品规格以及一定的设备参数，如蒸馏塔的板数、进料位置等，采用适当的模拟软件，用计算机模拟实际的稳态生产过程，得出详细的物料平衡和热量平衡。其中包括人们最为关心的原材料消耗、公用工程消耗和产品、副产品的产量和质量等重要数据。简言之，化工过程模拟就是在计算机上“再现”实际的生产过程。由于这一“再现”过程并不涉及到实际装置的任何管线、设备以及能源的变动，因而给了化工模拟人员最大的自由度。可以在计算机上“为所欲为”地进行不同方案和工艺条件的探讨、分析。并且化工过程模拟所需的成本以及完成一定研究任务所需的时间也是任何实验研究所无法比拟的，因而化工过程稳态模拟已成为研究、开发、设计、挖潜改造、节能增效、生产指导以至于企业管理等工作必不可少的工具，并且在科研和实际生产中发挥着愈来愈大的作用6。 当前化工过程稳态模拟主要应用于炼油，石油化工和化工领域，如常减压、加氢、催化裂化、气体分馏、芳烃分离、乙烯、环氧乙烷、天然气、油田气分离及合成氛等装置。在医药、农药、造纸和环保等行业也有一定应用。随着科学技术的进步，目前对于石油馏分和烃类物质的计算已经相当准确、可靠，达到了无需小试、中试，模拟结果可直接用于工业装置设计的程度。2、 化工稳态模拟系统的构成 稳态模拟系统的构成下图所示。 现代的模拟系统既可以用流程图，也可采用数据文件的方式输入。且这两种方式之间可以相互转换。输人之后便进行流程拓扑分析和数据检查7。调度系统相当于指挥中心，程序根据输人信息，进行物流、热力学方法、单元过程及其他过程模块的匹配和调度，动态地组织流程，进行计算，直至收敛。模拟系统的组成部分中，最为重要的当推热力学方法库和化工9单元过程库。有无适当的化工单元模块，决定了该化工过程是否能够进行计算。而有无适当的热力学方法，又决定了计算结果是否准确可靠。当前通过长期深人研究，大多数单元过程都有了准确、严格的算法。而热力学方法的研究，相对来说还不能完全满足实际工作的需要。尤其在处理极性物质方面，在相当大的程度上还取决于是否有足够的、准确的实验数据10。因而在进行化工过程模拟时，首先必须考虑的是应选择适合所计算物系的准确的热力学方法。往往热力学方法已成为模拟是否成功的决定性因。3、 稳态过程模拟的功能 化工稳态过程模拟的应用十分广泛，其主要应用场合及功能如下。新装置设计 化工稳态模拟的主要应用之一是新装置的设计。当前炼油、石化和化工装置的设计都要采用过程模拟来求得整个装置的物料平衡和能量平衡11。如前所述，随着科学技术的进步，过程模拟的结果已经可以直接用于某些工业装置的设计，而无需小试或中试的配合。尤其是对于乙烯装置、炼油工业中的常减压、催化裂化、气体分馏等装置。过程模拟已经可以提供十分准确的数据，以至于达到了可以用模拟结果作为标准，反过来检验现场的生产操作是否存在问题。国外从60年代末开始，已在工程设计中大量应用过程模拟技术。国内则相对较晚，70年代仅有少量应用，大量应用出现在80年代，而90年代已十分普及12。旧装置改造 化工稳态过程模拟已成为旧装置改造必不可少的工具13。由于旧装置的改造既涉及到已有设备的利用，又可能增添必须的新设备，其设计计算往往比新装置设计还要繁复。原有的塔、换热器、气压机、泵以及管线等设备是否仍旧适应，能否在原基础上改造还是必须更新等问题均在过程模拟的基础上得到了满意的解决。新工艺、新流程的开发研究 60年代以前，炼油、石化工业新工艺新流程的开发研究，主要依各种不同规模的小试、中试。随着过程模拟技术的不断进展，已逐渐转变为完全或部分利用模拟技术，只在必要时辅以个别的试验研究14。尤其对于炼油和石油化工工业的各种分离系统更是如此。生产装置调优、疑难问题诊断 在生产装置调优、疑难问题诊断上，过程模拟更是起着不可替代的作用。通过流程模拟，寻求最佳工艺条件，从而达到节能、降耗、增效的例子已经比比皆是。更有通过全系统的总体调优，以经济效益为目标函数，求得关键工艺参数的最佳匹配，并革新了传统的观念。过程模拟技术当前已发展到动态模拟和实时优化，而这两者的基础均是稳态过程模拟。只有在稳态模拟的数值解基础上，才能运行动态模拟和实时优化，尤其对于复杂的装置更是如此。化工过程稳态模拟经历了许多年的发展历史，在化工界已经成为家喻户晓的先进工具，广泛应用于工业装置的研究、设计、改造等领域，并带来明显的经济效益15。稳态模拟软件的应用也已成为一股不可抗拒的浪潮，席卷全球。与国外相比，国内化工界模拟软件的应用还不十分普及，应用水准也不如国外高。正视问题、迎头赶上将是当前一项迫切的任务。随着计算机技术，数值计算方法与优化理论的发展，使得更复杂，更精确的计算模型不断涌现，模拟结果更加接近实验，工程过程模拟技术必将为化学工业带来更大的进步。4、Aspen Plus软件Aspen Plus化工模拟系统是美国麻省理工学院于1970年后研制开发的大型化工模拟软件。这套软件系统功能齐全、规模庞大，可用于石油化工、气体加工、煤炭、医药、冶金、环境保护、动力、节能、食品加工等许多工业领域，目前已在全世界范围内广泛使用。在Aspen Plus中关于精馏的模块有： 简捷法模型：包括DSTWU(简捷法精馏设计模型)、Distl(简捷法精馏核算模型)、SCFrae(简捷法多塔蒸馏模型)。严格法模型：MultiFra。(严格法多塔精馏模型)、PetroFra。(严格法分馏塔)、RateFrac(精馏的核算与设计模型)、Extract(严格萃取塔模型)。其中RateFrac是一个基于流率的非平衡的模型，用于模拟各种类型的多级气一液精馏操作，可用于一般精馏、吸收、再沸吸收、汽提、再沸汽提、萃取和共沸蒸馏。适用于两相系统、窄沸程和宽沸程系统以及液相具有强的非理想程度系统。其构成包括任意组输人、任意组侧线、任意组加热器(或热流)和任意组倾析器。对于精馏模拟必须确定以下条件：进料性质(包括进料的组成、温度、压力、进料量、相数等)和进料位置。出料性质(包括相数等)和出料位置。塔的性质，如塔板数、塔的压力分布、回流比、气相产品占塔顶总产品比率或塔顶出料、塔底出料、回流量等。其它如侧线出料、加热器和再沸器的热负荷、蒸气组分初值、塔板效率、回流温度、填料性质或塔板性质等，都可以由模拟者根据要求设定。对于一个模拟过程来说，准确无误地选择物性是模拟结果好坏的关键。Aspen Plus为单元操作计算提供了热力学性质和传递性质，在典型的Aspen Plus模拟中，常用的物理性质参数有逸度系数、密度、嫡和自由能。 经过本学期的学习，我对化工模拟过程有了初步的一个认识，简单学习了Aspen Plus 、Auto CAD等软件。主要的化工模拟软件及其应用发展状况十分良好，尤其是中国加入世贸以后，在国家的正确政策引导和政府的大力支持下，各种化工企业如雨后春笋般破土而出，呈现出蓬勃发展的态势。所以，化工模拟过程的应用会更加广泛，对化工生产过程的作用会越来越显著的。参考文献1Jean-Claude,Charpentier. Four main objectives.fort the future of chemical and process Engineering mainly concerned by the science and technologies of new materials production Chemical Engineering Journal,2005,107:3-17.2.Smith RL. Mata TM,Young DM,Cabezas H and Costa CAV.De-signing environmentally friendly chemical processes with fugitive and open emissions.Journal of Cleaner Production,2004,12:125-129.3Lu EX,Zhang HJ and Yin QH.Simulation of chemical engineering Process and technology. Chemical Industry and Engineering Progress,1999,18(4):63-64.4Xu JR.System of Chemical Engineering Simulation.Tianjin:Tian-jin Chemical Industry,2002，7:42.5Alirio ER and Mirjor M.Modelling and simulation in chemical engineering:Tools for process innovation. Computers and Chemical Engineering 2005,29:1167一1183.6 Briddell E T.Chem Eng,1994,81(3):607 Briddall E T.IBID,1994,81(5):1138杨友麒.化工进展,1993(3):l9雷行之,陆恩锡.石油化工,2008(1):210胡仰栋等.化工进展,2003(3)11“燕化乙烯装置改扩建工程建设投产情况的汇报”,内部资