（化学工程专业论文）乙炔法氯乙烯装置模拟与优化研究.pdf

乞 ，“ 霉 t 、 、 _a 扩，；l挲，f_和。女：+，；0掌 l 11 唆 一 譬 ，； 等 + 气 ，j i 砖 3 静 学位论文数据集 l i i iiil ii iii i i iii iiiii y 1810 3 8 8 中图分类号t q 2 2 1 2 4 ：t q 3 4 2 5 1 学科分类号 5 3 0 2 7 2 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 0 7 0 0 3 1密级 学位授予单位代码 1 0 0 1 0学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名李书坡 学号 2 0 0 4 0 0 0 0 3l 获学位专业名称 化学工程获学位专业代码 0 8 1 7 0 1 课题来源其他项目 研究方向化工过程模型化及模拟 论文题目乙炔法氯乙烯装置模拟与优化研究 关键词乙炔，氯乙烯，动态模拟，优化 论文答辩日期 2 0 0 7 6 - 2论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名 职称工作单位学科专长 化工过程的数学模型化 指导教师张树增副教授 北京化工大学 及算法 评阅人1 张泽廷教授 北京化工大学 传质与分离工程 评阅人2 魏寿彭教授 北京化工大学 过程系统优化技术 评阅人3 评阅人4 评阅人5 撇员蝴张泽廷教授北京化工大学传质与分离工程 答辩委员1魏寿彭教授北京化工大学过程系统优化技术 研究生秘 答辩委员2潘晓帆 北京化工大学 书 答辩委员3 答辩委员4 答辩委员5 注：一 四 论文类型：1 。基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 中图分类号在中国图书资料分类法) ) 查询。 学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中 查询。 论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 侉 誉 ；， 簟 ， 峥 i ，u 气 夕j ： 羚 i 2 吵 中文摘要 乙炔法氯乙烯装置模拟与优化研究 摘要 聚氯乙稀( p v c ) 是我国当前用量最大的合成树脂，主要用于建材、 薄膜和仿革制品等，年均需求增长十分旺盛。从氯乙烯单体( v c m ) 到 p v c 的生产工艺主要有乙烯法和乙炔法，聚氯乙烯工业的发展具有广阔 1 l 目 刚景。 本文简要介绍了合成氯乙烯的工艺，着重介绍了乙炔法合成氯乙烯生 产工艺流程。对乙烯法和乙炔法两种不同工艺技术进行了比较，并指出日 后我国v c m 的发展重点将是乙炔法。 对乙炔法合成氯乙烯装置的动态模拟技术进行了研究。根据物料、能 量及动量守恒方程等，对系统中的基本单元设备分别建立了机理模型；结 合氯乙烯合成化学反应机理模型及对转化器结构的分析，建立了描述氯乙 烯转化器特性的一维动态机理模型，并根据模型形式和特点采用了适当的 数值计算方法。在模拟的基础上，对该转化器的操作状况进行分析，得出 了优化的操作条件。对整个系统采用动态序贯模块法，模拟计算结果表明， 达到稳态时的结果跟实际生产数据比较相吻合，动态过程跟生产的变化趋 势相一致。 开发了氯乙烯合成工艺动态模拟系统软件，这不仅具有理论意义而且 很有实用价值。该软件既是培训操作人员的有利平台，又是进行氯乙烯工 艺过程研究、设计、操作管理、控制优化和技术改造的有效工具，这对于 促进氯乙烯的工业生产会有重要意义。 关键词：乙炔，氯乙烯，动态模拟，优化 北京化工大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ns i m u l a t i o na n d o p t i m i z a t i o no fv i n y lc h l o r i d e e q u i p m e n tf r o ma c e t y l e n ep r o c e s s a b s t r a c t p o l y v i n y lc h l o r i d e ( p v c ) i st h em o s tl a r g e s td o s a g eo fs y n t h e t i cr e s i n c u r r e n t l yi nc h i n a p v ci sm a i n l yu s e di nt h ef i e l d so fa r c h i t e c t u r em a t e r i a l f i l ma n di m i t m i o nl e a t h e re t c i t s y e a r l ya v e r a g ed e m a n di n c r e a s e st e r r i b l y q u i c k l y t h ep r o d u c t i o nt e c h n i c sf r o mv i n y lc h l o r i d em o n o m e r ( v c m ) t op v c h a sb a s i c a l l yw a y so fe t h y l e n ea n da c e t y l e n e 1 1 1 ed e v e l o p m e n to f p o l y v i n y l c h l o r i d ei n d u s t r yt a k e so nc o n s i d e r a b l ep e r s p e c t i v e t h ep r o c e s s e so fv i n y lc h l o r i d es y n t h e s i sh a v eb e e ni n t r o d u c e db r i e f l y , a n dt h ep r o d u c t i o np r o c e s so f a c e t y l e n ei se m p h a s i z e de s p e c i a l l yi nt h i sp a p e r t h et w od i f f e r e n tt e c h n i c so f e t h y l e n ea n da c e t y l e n eh a v eb e e nc o m p a r e d i ti s p o i n t e do u tt h a tt h ed e v e l o p m e n te m p h a s i so fv c mi st h ew a yf r o ma c e t y l e n e p r o c e s sf o rt h ef u t u r ei nc h i n a t h ed y n a m i cs i m u l a t i o nt e c h n o l o g yo f p l a n t sf o rv i n y lc h l o r i d es y n t h e s i s f r o ma c e t y l e n e p r o c e s sh a sb e e ns t u d i e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt h e e q u i l i b r i u mo fm a s s ，e n e r g ya n dr e a c t i o nm e c h a n i s ma n dp r o d u c t i o nd a t a ，t h e m e c h a n i s mm o d e l so fb a s i cu n i tp l a n t si nv c m s y s t e mh a v eb e e nf o u n d e d b y a n a l y z i n gt h es t r u c t u r eo ft h er e a c t o r , ad y n a m i cm e c h a n i s mm o d e lo fv i n y l c h l o r i d e s y n t h e s i sc o n v e r t e rw a sf o u n d e d t h em o d e lm a yd e s c r i b et h e c h a r a c t e r i s t i c so fv i n y lc h l o r i d e c o n v e r t e r a c c o r d i n gt o t h ef o r ma n d c h a r a c t e r i s t i c so ft h em o d e l ，ap r o p e ra r i t h m e t i ci sc h o s e n o nt h eb a s i so f s i m u l a t i o n ，t h eo p e r a t i o ns t a t u sh a sb e e na n a l y z e da n do p t i m u mo p e r a t i o n c o n d i t i o n sh a v eb e e nf o u n d f o rt h ew h o l ep r o c e s s s y s t e m ，t h ed y n a m i c s e q u e n t i a lm o d u l a ra p p r o a c hi sa d o p t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e s i m u l a t i o nd a t ai sc o n s i s t e n tw i l t hp r o d u c t i o nd a t aw h i l er e a c h i n gt h es t e a d y s t a t ea n dt h ed y n a m i cp r o c e s sa c c o r dw i t ht h ea c t u a lc h a n g i n gt r e n d t h ed y n a m i cs i m u l a t i o n s y s t e ms o f t w a r eo fv i n y lc h l o r i d es y n t h e s i s p r o c e s sw a sd e v e l o p e d ，w h i c hh a st h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n da p p l i e dv a l u e t h es o f t w a r ei sn o t o n l yt h ep l a t f o r mf o rt r a i n i n go p e r a t i o nw o r k e r s ，b u ta l s o i l m a n a g e m e n t ，c o n t r o lo p t i m i z a t i o n a n dt e c h n o l o g yi m p r o v e m e n to fv 1 n y l c h l o r i es y n t h e s i sp r o c e s s m a n yo p t i m i z a t i o nw o r k s w e r ea l s od o n ef o rb o t h t h ep r o c e s sa n dt h ec o n t r o ls y s t e mb yu s i n gt h es y s t e ms o f t w a r e t h i sh a s e x t r a o r d i n a r ys i g n i f i c a n c ef o rp r o m o t i n gv i n y l c h l o r i d ei n d u s t r yp r o d u c t l o n k e yw o r d s ：a c e t y l e n e ，v i n y lc h l o r i d e ，d y n a m i cs i m u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o n i i i 北京化工大学硕士学位论文 目录 第一章绪论 1 1 1化工过程系统工程l 1 2化工过程流程模拟2 1 2 1流程模拟技术概述 2 1 2 2流程模拟系统的组成 4 1 2 3流程模拟的基本方法 5 1 2 4流程模拟的优化方法6 1 2 5d s o 动态流程模拟系统简介8 1 3氯乙烯合成技术及其发展状况1 0 1 3 1氯乙烯( v c m ) 和聚氯乙稀( p v c ) 概述1 0 1 3 2v c m 装置的生产工艺比较1 1 1 3 3氯乙烯的发展趋势 1 3 1 4 论文研究的工业背景 1 4 1 5论文研究的目的和意义1 6 第二章流程模拟的基本单元模型1 7 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 6 1 2 6 2 2 6 3 2 7 第三章氯乙烯转化器数学模型建立2 6 3 1氯乙烯合成反应2 6 3 2独立化学反应数分析2 8 i v 7 8 9 o l 2 2 3 3 4 1 l 1 2 2 2 2 2 2 2 苤 概 一 程算算 型 型方换计算模型型型模机备能艺计元模模模蒸缩设性工量单器器器闪压泵泵机流程合流热衡与心心缩网过混分换平泵离离压管 中文目录 3 3 3 4 3 4 1 3 4 2 第四章 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 4 7 4 7 1 4 7 2 4 7 3 4 7 4 4 8 4 8 1 4 8 2 4 8 3 模型求解及应用3 4 动态模拟序贯模块法的原理 3 4 动态序贯模块法的数学描述 3 5 动态序贯模块法中单元模块的设计 3 6 全流程动态模拟计算步骤 3 7 动态数学模型的求解 3 9 稳态数学模型的求解4 5 模拟结果分析4 7 轴向温度分布4 7 乙炔出口转化率 4 8 操作工况 4 8 操作状态分析4 9 模型应用 5 3 在优化操作条件中的应用 5 3 在优化控制系统中的应用 5 3 在仿真培训系统中的应用 5 3 第五章结论与展望5 4 参考文献5 5 附录5 9 致谢6 0 攻读硕士学位期间发表的论文6 l v 9 1 2 2 ，厶1 r 、 3 1 j 学 力 一 一 动立 及建 理型算算机模衡衡 应学量量反数质热 北京化工人学硕士学位论文 c h a p t e r 1 1 1 1 2 1 2 1 1 2 2 1 2 3 1 2 4 1 2 5 1 3 1 3 1 1 3 2 1 3 3 1 4 1 5 c h a p t e r2 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 6 1 2 6 2 2 6 3 2 7 c o n t e n t s i n t r o d u c t i o n c h e m i c a lp r o c e s ss y s t e me n g i n e e r i n g c h e m i c a lp r o c e s sf l o ws i m u l a t i o n s u m m a r yo ff l o ws i m u l a t i o nt e c h n o l o g y c o m p o s eo fp r o c e s ss i m u l a t i o ns y s t e m b a s i ct e c h n i q u ei nt h ec h e m i c a lp r o c e s ss i m u l a t i o n o p t i m i z a t i o na p p r o a c h e so fc h e m i c a lp r o c e s ss i m u l a t i o n 。 b r i e fi n t r o d u c t i o no fac h e m i c a lp r o c e s sd y n a m i cs i m u l a t i o n s y s t e m ( d s o ) t e c h n o l o g ya n dp r o g r e s ss t a t u so fv i n y lc h l o r i d es y n t h e s i s s u m m a r yo fv i n y lc h l o r i d e ( v c m ) a n dp o l y v i n y lc h l o r i d e ( p v c ) c o m p a r i s o no fd i f f e r e n tp r o d u c t i o nt e c h n i c sf o rv c mp l a n t s d e v e l o p m e n tt r e n do fv i n y lc h l o r i d e i n d u s t r i a lb a c k g r o u n do ft h i sp a p e rr e s e a r c h t h ep u r p o s ea n dm e a n i n go ft h i s p a p e rr e s e a r c h m a t h e m a t i c a lm o d e l sr e s e a r c ho fb a s i cu n i tp l a n t si nc h e m i c a l p r o c e s ss i m u l a t i o n s u m m a r yo fp r o c e s su n i tm o d e l s m a t h e m a t i c a lm o d e lo fc o m m i x t u r ep l a n t m a t h e m a t i c a lm o d e lo fd i s t r i b u t a r yp l a n t m a t h e m a t i c a lm o d e lo fe x c h a n g e r m a t h e m a t i c a lm o d e lo fb a l a n c ef l a s he v a p o r a t i o n m o d e l so fp u m pa n dc o m p r e s s o r e q u a t i o no fc e n t r i f u g a lp u m pp l a n t c h a r a c t e r i s t i cc o n v e r s i o no fc e n t r i f u g a lp u m pp l a n t m a t h e m a t i c a lc a l c u l a t i o no fc o m p r e s s o r m a t h e m a t i c a lc a l c u l a t i o no fp i p en e tf l u x c h a p t e r3 m a t h e m a t i c a lm o d e lr e s e a r c ho fv i n y lc h l o r i d ec o n v e r t e r 2 6 3 1 c h e m i c a lr e a c t i o n so fv i n y lc h l o r i d es y n t h e s i s 2 6 v l 1 l 2 2 4 5 6 8 m m n b h m 7 7 8 9 o 1 2 2 3 3 4 1 1 l l 2 2 2 2 2 2 2 英文目录 3 2 3 3 3 4 3 4 1 3 4 2 c h a p t e r 4 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 4 7 4 7 1 4 7 2 4 7 3 4 7 4 4 8 4 8 1 4 8 2 4 8 3 a n a l y s i so fi n d e p e n d e n tc h e m i c a lr e a c t i o nn u m b e r 。 m e c h a n i s ma n dk i n e t i c so fv i n y lc h l o r i d es y n t h e s i sr e a c t i o n m a t h e m a t i c a lm o d e le s t a b l i s h m e n to fv i n y lc h l o r i d es y n t h e s i s c o n v e r t e r 。 m a t e r i e lb a l a n c ee q u a t i o nc a l c u l a t i o no fi n f i n i t e s i m a lp a r ti ns i n g l e t u b e 。 h e a tb a l a n c ee q u a t i o nc a l c u l a t i o no fi n f i n i t e s i m a lp a r ti ns i n g l e 7 i u b e 。 s o l u t i o nm e a n sa n da p p l i c a t i o no fm o d e l p r i n c i p l eo fs e q u e n t i a lm o d u l a ra p p r o a c hu s e di nt h ed y n a m i c s i m u l a t i o n m a t h e m a t i c a ld e s c r i p t i o no fd y n a m i cs e q u e n t i a lm o d u l a r a p p r o a c h t h ed e s i g no fu n i tm o d e l si nd y n a m i cs e q u e n t i a lm o d u l a r a p p r o a c h c a l c u l a t i o np r o c e d u r eo fd y n a m i cs i m u l a t i o nf o rt h ew h o l e p r o c e s s s o l u t i o nm e t h o do fd y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e l s o l u t i o nm e t h o do fs t e a d ym a t h e m a t i c a lm o d e l r e s u l t so fs i m u l a t i o na n dt h ea n a l y s i so fr e s u l t s d i s t r i b u t i o no fa x i a lt e m p e r a t u r ei nc o n v e n e r a c e t y l e n et r a n s l a t i o nr a t i oi nt h ec o n v e r t e re x i t 。 o p e r a t i o ns t a t u so fv i n y lc h l o r i d es y n t h e s i sp l a n t s 。 a n a l y s i so fo p e r a t i o ns t a t u so fv i n y lc h l o r i d ec o n v e r t e r a p p l i c a t i o no ft h em o d e l so fv i n y lc h l o r i d ec o n v e n e r a p p l i c a t i o ni no p e r a t i o nc o n d i t i o n so p t i m i z a t i o n a p p l i c a t i o ni nc o n t r o ls y s t e mo p t i m i z a t i o n a p p l i c a t i o ni ns i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e m c h a p t e r 5 c o n c l u s i o na n de x p e c t a t i o n r e f e r e n c s a p p e n d i x t h a n k s p u b l i s h e da c a d e m i cp a p e r s v i i 2 8 2 9 3 1 3 2 3 2 4 4 5 6 7 9 5 7 7 0 9 0 9 9 8 3 8 8 蚤 孓 至 翔 3 3 4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 4 5 9 o 1 5 5 5 6 6 北京化工大学硕士学位论文 符号说明 组分f 的摩尔浓度m o l m 3 组分f 的入口浓度m o l m 3 催化剂颗粒中组分f 的浓度m o l m 3 组分i 的扩散系数m 2 s 气体混合物的恒压热容j ( k g k ) 催化剂床层的平均热容j ( k g k ) 组分i 在催化剂中的浓度，m o l m 。3 气体混合物的恒压热容，j k g k 1 催化剂床层的热容，j - 蚝k - 1 液相庚烷的热容j ( k g k ) 汽相庚烷的热容j ( k g k ) 冷剂庚烷的质量流量k g s 反应温度k 催化剂温度k 冷剂庚烷温度k 床层入口温度k 冷剂入口温度k 列管的内径m 列管的外径m 转化器壳体的内径m 列管的长度m 列管的总数 列管壁的传热系数w ( m 2 k 1 流体与催化剂的换热系数w ( m 2 k ) 气固对流传质系数m s 催化剂床层的比表面积m 2 m 3 催化剂的活性系数 组分f 的表观反应速率m o l ( k g c a t s ) 时间s 气体混合物的流度m s v l g o g协q印吼吼g丁瓦乃研见d三吩砧吼口 n ， 甜 符合说明 与床层顶端的距离m 床层导热系数w ( m k ) 气相混合物的导热系数w ( m k ) 床层空隙率 催化剂颗粒孔隙率 气体混合物密度k g m 3 床层质量密度k g m 3 冷剂庚烷的密度k g m 3 组分j 的摩尔反应焓变j m 0 1 取值0 5 ，分别代表组份c 2 h 2 、h c l 、c 2 h 3 c 1 、h 2 0 、 c h 3 c h o 和c 2 h 4 c 1 2 排气压力，k p a 进气压力，k p a 排气温度，k 被压缩气体的绝热指数 被压缩气体的多变指数 压缩机的轴功率，k w 气体的进气温度，k 进口管嘴相对于基点的高度，m 出口管嘴相对于基点的高度，m 进口压力，k p a 出口压力，k p a 进口流速，m s 出口流速，m s 总设备压头，m 泵的运行转速，r m i n 泵的规定转速，r m i n 泵在运行转速下的流量，m 3 1 1 泵在规定转速下的流量，1 3 i l 泵在运行转速下的扬程，m 泵在规定转速下的扬程，m 输送粘性液体时的扬程，m 输送粘性液体时的流量，m 3 m i n 输送2 0 清水时的扬程，m 输送2 0 清水时的流量，m 3 m i n i x ， 膨九 s 矗p肋肌遍， 既b 乃七 m m五乙只匕日 m9鳊凰凰9风鳊 北京化工大学硕士学位论文 扬程换算系数 流量换算系数 反应器总持料量，k m o l 反应器组分持料量，k m o l 反应器总进料流量，k m o l h r 反应器总出料流量，k m o l h r 组分总进料流量，k m o l h r 组分总出料流量，k m o l h r 总反应量，k m o l h r 组分反应量( 生成为正，消耗为负) ，k m o l h r 为积分步长，亦称为时间因子，h r 入口物流的焓值，k j k m o l 出口物流的焓值，k j k m o l 反应热，k j k m o l 为对夹套的传热量，k j h r ，可由下式计算： q _ k a ( t 一乃) 传热面积，m 2 反应器对应的夹套温度，k 逆流校正系数 表示反应器内气相所占的有效空间，m 3 气体常数，其值为8 3 1 4 k j k m o l k x 肠砀u p pp矿r置办矿础g 么乃厂矿厅 j i 第一章绪论 1 1 化工过程系统工程 第一章绪论 系统工程是当前正在迅速发展的一门综合性基础学科，内容涉及系统建模、系统 分析、系统设计、系统仿真、系统预测、系统评价和系统决策诸方面，是系统研究和 系统应用的桥梁【l j 。 一般认为，用定量和定性相结合的系统思想和系统方法处理大型复杂系统的问 题，无论是系统的设计或组织建立，还是系统的经营管理，都可以看成是一种工程实 践，都可以统称为系统工程u 2 】。 化工过程系统工程简称化工系统工程( c h e m i c a ls y s t e m se n g i n e e r i n g ，p s e ) 。 化工系统工程是二十世纪五、六十年代发展起来的一门新兴的交叉学科，其产生、发 展与现代化学工业趋于复杂化、大型化密切相关。该学科的研究对象为化工系统或化 工生产过程，其任务是要解决化工生产领域内技术经济方面的决策问题。化工系统工 程是研究化工生产在规划设计、操作运行、控制管理诸环节中，如何提高工作效率、 降低投资费用和维护运行费用、提高系统可靠性安全性、增加总经济效益的- 1 7 技术 科学3 1 。 运用化工系统工程的方法，可以定性和定量地预测化工技术未来的发展趋势，对 化学工业的发展制定科学的决策：可按照化工系统的要求，根据给定的输入和输出条 件，确定系统的结构，寻求在满足一定约束条件下，使系统的目标函数取极大值或极 小值时各个单元过程和设备的最优操作条件；可设计一个控制系统，保证系统稳定在 最优条件下运行【4 1 。化工系统工程从系统的整体出发，不仅研究整个系统的定态特性 和动态特性，而且研究组成系统的各个子系统之间的相互影响，对系统的最优化问题 作定量的计算，采用数学模拟和物理模拟相结合的方法，对化工系统进行最优设计并 确定最优控制方案。不论是对系统过程的综合、分析，还是优化，都是以流程模拟为 基础的。 化工系统工程的主要技术工作内容为系统分析、系统综合、系统优化【5 1 。系统分 析的任务在于描述或预测系统的特性，系统综合是指确定化工系统结构的过程，而系 统优化是为了以最佳的方式实现系统的目标或功能，是全部工作的最终目的。在系统 分析、系统综合、系统优化三者之中，系统分析是所有工作的基础。在进行系统综合 和系统优化时，往往需要反复地进行系统分析工作，通过比较系统分析的结果，评价 判断设计方案和决策的合理性、优越性，最终作出满意的选择。 北京化工大学硕上学位论文 系统分析工作的主要内容与建模和模拟紧密相关睁引。因此，建模和模拟是化工 系统工程最重要、最常用的技术手段。由于该学科的主要技术手段为数学模拟，即建 立描述过程特性的数学模型并求解计算。通常不能求得数学模型的解析解，故必需以 电子计算机为工具求出其数值解【9 ，1 0 1 。与该学科相关的学科大致有化学工程学、应用 数学、计算机科学及系统科学、信息科学、控制理论等等。 建模和模拟工作的重要性，有关专家学者对此进行了大量卓有成效的研究工作。 化工流程模拟系统( 或流程模拟系统) 作为建模和模拟的有力工具就是这些研究工作 的重要成果j 。同时，化工系统工程学科技术人员的大部分工作也是力图建立各式各 样的流程模拟系统，以适合不同的实际需要。 除系统模拟技术外，运筹学方法，过程控制技术，人工智能技术等也是化工系统 工程领域内经常涉及的重要技术。化工系统工程技术可在如下诸方面得到应用：生产 装置调优( 操作优化) 、装置优化设计( 设计优化) 、工艺装置改造、过程诊断与瓶颈 分析、化工装置仿真机、生产计划优化、过程高级控制【1 2 , 1 3 j 。 1 2 化工过程流程模拟 1 2 1 流程模拟技术概述 流程模拟技术是近几十年来发展起来的- i - j 综合学科，它是设计新的或应用己有 的过程模型，利用软件技术形成单元模块，在数据库、网络和实时仿真技术的支持下， 对生产过程进行模拟的过程【l4 1 。因此可以将流程模拟系统定义为应用过程工程理论、 系统工程理论、计算数学理论同计算机系统软件相结合而建立起来的一种计算机综合 软件系统，专用于模拟过程工程的过程和设备以及整个流程系统。 应用这一技术，可以模拟不同工艺条件下的生产结果。调度人员可利用这些产生 的数据进行分析，在流程工艺的基础上确定最佳方案。也可以将这些数据作为理论研 究的基础数据使用，而无需破坏生产的连续性，节省了大量的人力、物力和财力。流 程模拟技术已成为化工流程设计、工程理论研究的重要工具【l5 1 。 任何一种化工过程都是由若干单元过程( 设备) 按一定流程组合而成的，单元过程 又可以分为反应过程、传质过程、传热过程、输送过程、机械过程等。用物理或数学 的方法对真实过程中发生的现象所进行的描述称为模型学。化工过程流程模拟就是借 助电子计算机求解描述整个化工生产过程的数学模型，得到有关化工过程性能的信息 【1 6 ，1 7 】 o 流程模拟的基本内容为输入有关化工过程流程水平上的信息，并进行有益于化工 2 第一章绪论 过程开发、设计和操作的分析。流程水平上的信息包括：对确定流程足够详尽的所 有单元设备的规定。这些规定可以是单元设备的结构和操作参数( 如精馏塔的理论级 数、反应器的体积) ，也可以是关于设备功能的要求( 如分离过程中某些组分的回收率、 反应器的转化率) ；有关流程拓扑的规定，即各单元设备之间的连接方式，包括所 有物料流、能量流和其它相互作用( 例如由控制系统执行的相互作用) ；流程所处理 的物质的性质，包括热力学性质、传递性质和化学反应性质。 化工过程流程模拟就是将一个由许多单元过程组成的化工流程用数学模型表现， 用计算机求解描述整个化工生产过程的数学模型，得到有关该化工过程性能的信息。 现代化的化工生产日益朝着综合化方向发展，对个装置或一个单元过程和设备 孤立地进行研究、设计、操作管理的传统作法已不能满足要求，必须将其作为一个整 体系统来研究；随着石油化工装置日趋大型化，要求实现最优设计、最优控制和最优 管理，以达到节省装置投资、降低生产操作费用和成本费用以及符合环保要求的目的； 生产过程的连续化和为节省能源而集成度不断提高的装置使设备的操作条件愈来愈 苛刻，对过程的自动化提出了更高的要求，过去只是对个别回路进行p i d 调节的方法 已不能满足要求，必须结合过程的动态和定态数学模型，将整个控制对象当作一个整 体进行研究，采用电子计算机根据数学模型进行系统优化控制；化工产品的不断更新 与工业逐级放大技术落后间的矛盾，要求将过去的相似模拟、逐级放大的方法改为数 学模拟方法指导放大和设计以缩短工业化周期，减少人力物力的消耗；电子计算机技 术的迅猛发展和现代应用数学方法及现代控制论方法在化学工程中的应用，使解决复 杂的设计计算和过程控制问题得以实现【1 眦。 化工流程模拟技术能为工程设计、流程剖析、新工艺的开发提供强有力的工具， 不仅使我们具备从整个系统的角度来分析、判断一个装置优劣的手段，而且还可以对 开发新的工艺过程提供可靠的预测，这些都有助于人们提高工作效率和决策的科学 性。具体地说，化工流程模拟技术在生产领域中的应用主要有以下几个方面： ( 1 ) 是工艺设计的基础； 流程模拟可以利用热力学状态方程和反映过程特性的微分方程，进行各个设备的 物料及能量衡算，进而进一步确定设备尺寸及设计参数。 ( 2 ) 为工厂技术改造提供依据： 通过流程模拟找到“瓶颈 部位，并可计算出消除“瓶颈”的各种方案的结果。 ( 3 ) 是操作优化的基础。 北京化工大学硕士学位论文 只有模拟出装置的特性，才有可能找到优化的方向，从而使得整体设备的性能达 到最优。 1 2 2 流程模拟系统的组成 化工模拟系统亦称过程模拟系统，一般指用于描述实际化工过程特性的计算机软 件系统。它是实现数学模拟的软件工具，可用于化工过程的可行性研究、工艺设计、 操作优化、自动