（化学工艺专业论文）换热网络的模拟、优化与综合.pdf

摘要 y 6 35 7 87 我国的能源供应短缺，长期处于紧张状态，而且能源利用率与发达国家 相比差距很大，这些严重地束缚了国民经济的正常发展，节能降耗已是大势 所趋。过程综合与集成是当今工程节能中的主要手段。近二三十年来，世界 许多传统化工生产的能耗一直处于逐年下降的趋势。然而这些进步很少是由 于工艺或设备有什么革命性的改革或突破而导致，而主要是将已有的技术通 过过程集成、综合匹配等手段，使之产生整体的节能效果。所以在化工设计 中为了合理的、经济的利用资源、降低生产成本，设计人员己不仅着眼于单 个操作单元的节能，而越来越注重整个生产系统的能量的综合应用，这会带 来更显著的效果。 典型的过程工业，如石油、化工、化肥等工业部门都是耗能大户，降低 过程工业的能耗一直是发展生产技术，提高产品市场竞争能力的重要组成部 分。特别是能量密集程度很高的换热网络更是其中之最，因此，优化换热网 络结构，最大限度的回收热量，意义重大。 近年，由于经济发展的需要，过程工业的生产装置日趋大型化、复杂化。 降低系统过程用能的手段之一就是应用过程能量综合技术，对整个系统进行 用能的分析及调优，确定整个换热网络的最佳流程结构，在满足过程物流工 艺要求的基础上，使它具有最少的设备投资费用和操作费用。同时，由于单 位产品用能的降低，减少了废气物的排放。这必将为国民经济的发展带来巨 大的经济效益和社会效益。 本文围绕这一丰题，开展了如下研究工作和创新： 用夹点分析的方法对过程系统的用能状况做出诊断，找到过程系统的用 能“瓶颈”所在。根据夹点理论，在夹点上方引入冷却公用工程、在夹点下 方引入加热公用工程以及存在穿越夹点的换热流股，都会造成系统的加热和 冷却公用工程的双重损失。通过改善夹点附近的流股匹配，减少穿越夹点的 热流量，以减少系统的公用工程消耗量。 通过具体的工程实例证明，利用夹点分析技术，指导具体过程系统工程 的改造或设计，能降低公用工程消耗量和初期的投资费用，实施方法简单， 具有明显的优势，应用前景广阔。 通过具体问题的分析，对于在问题表格法中遇到的有相变问题做了特殊 的处理。 过程系统工程物系组成十分复杂，利用大型化工模拟软件s i m s c i h e x t r a n 对某大型合成氨厂氨合成工段进行模拟，发现传热温差较大，用 能状况有不尽合理之处，并提出改善建议，给出优化结果。 随着资源的日趋紧张，大型复杂过程系统的节能生产更成为社会关注的 重要课题。降低单位产品的用能，同时减少废气物的排放。这必将为国民经 济的发展带来巨大的经济效益和社会效益。 关键词：夹点技术换热网络优化模拟 l i a b s t r a c t t h e e n e r g yr e s o u r c e ss u p p l yi sh a r du p i no u rc o u n t r y o v e ral o n gp e r i o do f t i m e ，i ti si nal a c k i n gc o n d i t i o n t h ec o n s u m p t i o no fe n e r g yu t i l i z a t i o nf o rs i n g l e p r o d u c ti sg r e a t e rt h a nt h a ti nt h ed e v e l o p e dc o u n t r i e s ，w h i c hi st h eb a f f l ef o r t h e d e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m y s os a v i n ge n e r g ya n dc u t t i n gd o w nt h e c o n s u m p t i o no fe n e r g yi st h ec l e v e rb e h a v i o r t h es y n t h e s i sa n di n t e g r a t i o no f p r o c e s s i st h em a i nm e t h o do fr e d u c i n ge n e r g yc o n s u m p t i o ni nt h ec h e m i c a l e n g i n e e r i n g i nt h ep a s tf e wd e c a d e s ，t h ee n e r g yc o n s u m p t i o no ft h et r a d i t i o n c h e m i c a lp r o d u c t i o ni sd e c r e a s i n g i ti sn o tb e c a u s et h eb e n e re q u i p m e n ts om u c h a sb e c a u s et h ei n t e g r a t i o no ft o t a lp r o c e s s t h e r e f o r e ，i no r d e rt ou s i n ge n e r g y e c o n o m i c a l l y , t h ec h e m i c a le n g i n e e rd i dn o to n l yp u t a l le y eo nr e d u c i n ge n e r g y c o n s u m p t i o n o f s i n g l ee q u i p m e n t ，b u ta l s op a y m o r ea t t e n t i o nt oh o wt or e d u c i n g e n e r g yc o n s u m p t i o n o f t o t a lp r o c e s sw h i c hw i l ls a v ee n e r g yd r a m a t i c a l l y t h e t y p i c a lp r o c e s si n d u s t r y , s u c ha sp e t r o l e u m a n df e r t i l i z e r , u s e sm u c hm o r e e n e r g yt h a no t h e ri n d u s t r y r e d u c i n gt h ec o n s u m p t i o n o f e n e r g y c a r lp r o m o t et h e c o m p e t i t i v ea b i l i t yo f t h ep r o d u c t i o n t h ec h e m i c a lp r o c e s sp l a n t u s ee n e r g yw i t h ag r e a tq u a n l i t y , p a r t i c n l a r l y , t h eh e a te x c h a n g e rn e t w o r k si nw h i c he n e r g yi s c o n c e n t r a t e dm o s tc o n s u mt h eg r e a t e s tq u a n t i t y t h e r e f o r ，i ti sv e r yi m p o r t a n t t h a tw es h o u l d o p t i m i z et h eh e a te x c h a n g e r n e t w o r k sa n d r e c y c l ee n e r g y a sm u c h a s w ec a n i nt h ep a s tf e wy e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y ，t h ee q u i p m e n to f p r o c e s si n d u s t r y i s b e c o m i n gm o r ea n dm o r ec o m p l e s o n eo ft h e m e t h o dt o r e d u c i n gt h ee n e r g yc o n s u m p t i o n i st h et a t a lp r o c e s se n e r g y i n t e g r a t i o nw h i c h c a n a n a l y z e t h e p r o c e s se n e r g yc o n s u m p t i o nc o n d i t i o n a n dt o p r o d u c e t h eb e s t s t r u c t u r eo f p r o c e s s ，w h i c hu s e st h el e s te n e r g y a b o u tt h es u b j e c t ，s o m e t h i n gh a sb e e nd o n ei nt h i sa r t i c l ea sf o l l o w s ： p i n c ha n a l y s i si su s e df o rd i a g n o s i n gt h ee n e r g yc o n s u m p t i o nc o n d i t i o no f l l i p r o c e s ss y s t e ma n df i n dw h e r et h eb o t t l e n e c kl o a d e d a c c o r d i n gt ot h ep i n c h t h e o r y , i fc o o l i n gu t i l i t yi su s e du p t h ep i n c h p o i n t , h e a t i n gu t i l i t yi su s e dd o w n t h e p i n c hp o i n to rt h eh e a te x c h a n g es t r e a m sa c r o s st h ep i n c h ，t h e r e w i l lb ed o u b l e l o s si nt h eu t i l i t y b ym e a n so fi m p r o v i n gt h es t r e a m sm a t c hp r o p e r l y ，w ec a n d e c r e a s et h ec o n s u m p t i o no f t h eu t i l i t yi nt h eh e a te x c h a n g e rn e t w o r k s t h ep r o j e c te x a m p l ep r o v et h a ti fw eu s ep i n c ha n a l y s i st e c h n i q u et og u i d e t h er e f o r m i n ga n dd e s i g n i n gi np a r t i c u l a rp r o c e s ss y s t e mp r o j e c t ，w ec a nc u td o w n t h e c o n s u m p t i o n a n di n v e s t e x p e n s e i n e a r l yd a y s ，a n d t h e s em e t h o d sa r e s i m p l e ，p r e p o n d e r a n c e i so b v i o u s l y , f o r e g r o u n di sp r o m i s i n g t oa n a l y z i n gs o m ep r o b l e m s ，i nt h ep r o b l e mt a b l ea l g o r i t h mw eh a n d l ei t p a r t i c u l a r l yf o rp h a s e t r a n s i t i o np r o b l e m t h ec o m p o n e n ti nt h ep r o c e s ss y s t e mp r o j e c ti sv e r yc o m p l e x u s i n gt h e l a r g ec h e m i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r es i m s c ih e x t r a n ，w e s i m u l a t e das e c t i o n o fac o n s t r u c t i o np r o j e c ti na l a r g es y n t h e s i s a m m o n i ap l a n t w ef o u n dt h e d i f f e r e n c eo fd e g r e ei nt h eh e a te x c h a n g e ri sm u c hl a r g e rt h a nn o r m a l ，a n dt h e c o n d i t i o no f e n e r g yu s i n g i sn o tr e a s o n a b l e w eg a v es o m ei m p r o v i n gp r o p o s a lt o a m e l i o r a t et h eh e a tn e t w o r k sa n db r o u g h ta b o u to p t i m i z i n gr e s u l t a st h e e n e r g y r e s o u r c e si sm o l ea n dm o l es e r i o u s ，t h e s a v i n ge n e r g y m a n u f a c t u r ei nl a r g ec o m p l e xp r o c e s ss y s t e mi sb e c o m i n gas i g i f c a n ts u b j e c t c o n c e m d e db ys o c i e t y c u t t i n gd o w nt h ee n e r g yc o n s u m p t i o nf o rs i n g l ep r o d u c t a n dd e c r e a s et h ew a s t eg a s ，w h i c hm u s tb r i n ga b o u tb e n e f i tf o rt h es o c i e t ya n d e c o n o m y k e yw o r d s ：p i n c ht e c h n o l o g y h e a t e x c h a n g e r n e t w o r k s s y n t h e s i s s i m u l a t i o n i v 郑州大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章文献综述 为了实现社会的可持续健康发展，近几十年来，能源问题越来 越引起人们的关注，能量的回收和合理利用有着极为重要的意义。 解决能源的合理利用，已成为我国推进现代化经济建设的战略重 点之一。我国在很多行业的能耗水平远高于发达国家的水平。究 其原因，能源未能充分合理地予以综合利用是其中一个重要的方 面。 我国的能源供应短缺，长期处于紧张状态，而且能源利用率与 发达国家相比差距很大，这些严重地束缚了国民经济的正常发展， 成为经济增长的“颈瓶之一。 为了国民经济的快速健康发展，必须采用节能技术。 过程综合与集成是当今工程节能中的主要手段。近二三十年 来，世界许多传统化工生产的能耗一直处于逐年下降的趋势。然 而这些进步很少是由于工艺或设备有什么革命性的改革或突破而 导致，而主要是将已有的技术通过过程集成、综合匹配等手段， 使之产生整体的节能效果。所以在化工设计中为了合理的、经济 的利用资源、降低生产成本，设计人员已不仅着眼于单个操作单 元的节能，而越来越注重整个生产系统的能量的综合应用，这会 带来更显著的效果。 所以，对化工过程的全局能量供求关系上进行分析，从全局观 点出发，改进现有的工艺及设备，达到合理有效利用能量的目标， 这就提出了全过程系统能量优化综合。 过程工业遍及几乎所有现代工业生产领域。典型的过程工业， 如石油、化工、化肥等工业部门都是耗能大户，降低过程工业的 1 郑i 大学顾士学位论文 能耗直是发展生产技术，提高产品市场竞争能力的重要组成部 分。近年，由于经济发展的需要，过程工业的生产装置曰趋大型 化、复杂化。降低系统过程用能的手段之一就是应用过程能量综 合技术，对整个系统进行用能的分析及调优，确定整个换热网络 的最佳流程结构，在满足过程物流工艺要求的基础上，使它具有 最少的设备投资费用和操作费用。同时，由于单位产品用能的降 低，减少了废气物的排放。这必将为国民经济的发展带来巨大的 经济效益和社会效益。 在文献综述的以下部分，首先对换热器单体设备特性参数及优 化做一- 个简单介绍，这将对换热网络优化时需要引用单体设备特 性的地方有一些帮助和启发。 由于它们相应的概念在后面的章节中将被引用，所以，需要较 详细地说明这些概念。 1 2 换热器 换热设备是一种通用的工艺设备，在化工、化肥、炼油、电力、 轻工等行业中得到了广泛的应用。换热设备占工厂投资比例高达 三分之一左右，且用于换热设备的能量消耗很大。换热设备不仅 是为了满足工艺的特定需要，而且也是回收能量、节约能源的有 效装置，在回收利用余、废热能方面发挥着重大作用。 1 2 1 换热器设备特性参数 换热器的设计计算中，采用传热效率一传热单位数法有一定的 优点，计算起来比较方便，对于一系列串联的换热器，传热单元 数n t u 可以累积起来表示该换热器的传热能力。 当传热面为圆筒壁时，如管壳式换热器，以管子外表面积为基 准，采用下式计算总传热系数k 。 郑州大学硕士学位论文 去2 净瓦1 竭 式中h i , h 。一管内、壳程传热膜系数，：k r ；，r 。一管内侧、外侧污垢热阻，m 2 丐钐 a ，a o 一管内壁、外壁表面积，m 2 换热器的传热效率e 定义为实际传热量q 同理论上最大可能 的传热量q 。，之比 一 其中：q 一实际传热量；q 。一最大可能的传热量。 传热单元数n t u 定义为 删2 磷篑 式中k 一总传热系数 a 一传热面积 传热单元数与传热系数、传热面积成比例，所以，其是换热器 传热能力的量度川。 1 2 2 换热器模拟计算与优化 通过关注单个换热器的模拟与优化，希望能够对换热网络的模 拟与优化有所启发，并把单体设备参数引入换热网络的优化当中 去。 对换热器进行数学模拟，主要包括三方面的工作，一是建立数 学模型，二是选择求解数学模型的方法，三是搜集、整理有关换 热介质的热力学及物理性质数据。s i m s c i 公司推出的p r o i i 不但 郑州大学硕士学位论文 能够提供简单的换热器模拟而且还可以进行精确的换热器模拟计 算。所谓简单模拟，就是不需要提供换热器的详细内部结构，可 以用来模拟计算加热或冷却一个单一的工艺物料流，在两个工艺 物料流之问换热，或在一个工艺物流与一个公用物流之间换热。 而精确模拟，必须定义设备的几何结构，并且这个设备通过估计 来确定负荷、出口温度以及压降，同时污垢热阻也要考虑。 所谓换热器的优化设计，就是采用优化方法使所设计的换热器 满足最优的目标函数和约束条件。和一般的设计相似，在换热器 设计中，这一最优目标函数通常是指包括设备费用和操作费用在 内的总费用为最小。最优化问题的数学形式可表述为： 目标函数：m i n j ( x l ，x 2 ，x 。) 约束条件：g i ( x l ，x 2 ，x 。) = 0 i 2 1 2 m h i ( x 1 ，k 2 ，x 。) s 0 j 2 1 ，2 ，k 1 3 换热网络 换热网络是化工过程系统的一个重要子系统，它的提出是要解 决轻工、化肥、炼油、电力、等行业生产过程中发生的如何更有 效地回收能量的问题，这一问题的解决对于生产中节能降耗具有 重要意义。许多化工生产过程中，一些物流需要加热，而另一些 物流则需要冷却，人们希望合理地把这些物流匹配在一起，充分 利用热物流去加热冷物流，或者利用冷物流去冷却热物流，进而 提高系统的热回收能力，以便尽可能地减少辅助加热和辅助冷却 公用工程。其中存在着如何确定物流间匹配换热的结构以及相应 的换热负荷分配的闻题。换热网络综合问题需要解决的就是，在 满足把每个工艺物流由初始温度冷却或加热到目标温度的基础 上，确定出具有最小设备投资费用与操作费用的换热网络。 换热网络可分解为两部分，一是内部网络，指过程工艺物流问 郑州大学硕士学位论文 的热交换部分；二是外部网络，指公用设施物流的加热和冷却部 分。 1 3 1 换热网络综合与优化 换热网络综合从6 0 年代起就作为过程设计综合的一个子问题 而引起重视，具有重要的理论意义和实用价值。所谓换热网络优 化综合就是确定出这样的换热网络，在满足把每一个工艺物流由 初始温度加热或冷却到所要求的目标温度的前提下，具有最少的 设备投资费用和操作费用。 在进行换热网络的综合优化过程中，为了综合出的换热网络更 接近实际情况，我们应该考虑诸多工程因素，如：物流间匹配换 热具有不同的适宜传热温差，不同物流具有不同传热膜系数，不 同换热器的材料费用相差很大，物流间匹配换热有限制，系统存 在多个夹点，等问题。 就像单个换热器的优化设计一样，我们进行换热网络的优化综 合也是以总费用最少为优化目标。总费用包括：操作费用、设备 投资费用。要达到这个目标必须兼顾多个目标：各个换热器面积 的总和最小，换热器数目最少，公用工程用量最小，以及其他具 体工程因素。 换热网络的综合优化一般需要进行如下步骤： 1 、选择工艺物流以及用来加热、冷却的公用工程及其等级。 2 、通过相关的方法确定所允许的最小传热温差，由此确定最 少加热公用工程用量和冷却公用工程用量。 3 、综合出若干个换热网络结构供选择。 4 、对以上步骤得出的换热网络进行优化处理，选出最优方案。 5 、对选出的方案进行详细设计，得到与工程实际相接近的换 郑卅i 大学硕上学位论文 热网络。 6 、对此换热网络进行模拟、经济评价、系统分析。 在工程实际中遇到换热网络的综合优化问题时，在众多综合优 化方法中选出最适合本地实际情况的综合优化方法，近而得出适 宜的换热网络。综合设计过程中，应当详细地考虑具体工程情况， 充分考虑生产运行中的操作性、安全性和可靠性，不能以牺牲安 全性和可靠性为代价而一味地追求最优化的目标。实际工程情况 中，没有最优只有更优，找到了更优的换热网络也就是达到了综 合优化的目的。 1 3 2 换热网络综合优化方法的研究现状 近3 0 年来，换热网络分析综合是一个十分活跃的研究领域， 许多研究者对换热网络综合优化问题进行了深入的研究，提出了 不少综合方法，并且用于工程实际，取得了显著的经济效益。 h w a 于1 9 6 5 年第一个考虑了有多种热物流和冷物流的最佳换 热结构问题，他把目标函数分段线性化，然后再用可分离规划求 解；k e s l e r 和p a s k e r 将热物流和冷物流分成小的热元，然后考虑 小换热体或小换热体组之间的热交换，由此，可采用线性规划求 解；m a s s o 和r u d d 于1 9 6 9 年提出用探试法建立换热网络阻1 。 l i n n h o f f 和u m e d a 于1 9 7 8 和1 9 7 9 年几乎同时分别提出了“夹点 技术”。他们首先叙述了换热网络中的温度夹点问题，该夹点限制 了换热网络可能达到的最大热回收量。充分掌握夹点处的特性， 可以有效地进行换热网络的最优设计，而且该综合优化方法便于 工程技术人员掌握，并可发挥工程设计和生产实践经验的作用， 更好地完成换热网络的综合优化工作。但是夹点分析缺乏用于工 程设计的严格模型，无法深入过程的详细设计阶段，并且夹点分 析分步的特点决定了它无法有效地考虑各层次的相互作用，而且 对于t 。i 。的依赖更决定了它无法得到过程的最优解。尽管它有 6 郑州大学硕士学位论文 一些局限性，但它的简单性、实用性以及在过程设计之前为过程 设定优化目标的思想使其在过程综合优化中具有重要的地位，已 经成为过程优化设计的基本方法。该技术于8 0 年代初成功地用于 换热网络的优化综合，而后扩大应用于包括公用工程、反应、分 离系统在内的整个过程系统，不仅用于节能，而且用于增产中解 除“瓶颈”，减少环境污染等。这一方法的特点是运用拓扑学的概 念和方法，对过程系统做出宏观、形象地描述与处理，并已成功 地用于上千个工程实际项目，获得了显著的经济效益。 随着计算机技术在工程上的应用和发展，在以上各种综合、优 化技术的基础上新的综合、优化方法不断涌现。 j a i m ec e r d a 等于1 9 8 3 年提出“转运模型”，该模型自动加 上强制约束条件，借助于计算机可以很方便地求出一个换热网络 的最小公用工程用量。并且只需要把该模型中的目标函数做一下 改变，就可以求出最小公用工程费用。e k o t j a b a s a k i s ( s t u d e n t ) a n d b l i n n h o f f 53 提出换热网络的操作弹性问题，由于产量要求的变 化、季节的不同、催化剂钝化等因素的影响，一个好的换热网络 应该具备良好的操作弹性。而操作弹性又与公用工程用量及操作 费用有关。操作弹性、能量消耗及操作费用该三个变量之间本身 也有一个优化问题，如下图示： 图1 1操作弹性、能量消耗及操作费用三者的关系 郑州大学硕士学位论文 然而，以上综合、优化方法对于如何在得出的众多候选方案中 选出合适的网络并没有给出明确的答案。x x z h u 等于1 9 9 5 年提出综合换热网络的新方法，该方法以总费用为目标，在初始 设计网络以前，先确定出最佳h r a t ( n e t w o r ka p p r o a c h t e m p e r a t u r e ) 即换热网络的最小传热温差，它决定着网络的夹点 位置和所需的最小热冷公用工程负荷。这种方法是换热网络综合 中的一种比较成熟的方法。但该方法设计出来的换热网络不仅单 元数较多，而且网络的分枝、旁路及混合等流股数也很多。所以， 得出的网络结构较复杂。以此基础上，有人提出双温差法，即以 h r a t 决定网络的夹点位置及公用工程用量，但以t l a t ( 划分温 度段温差，它控制着各温度段的剩余能量及过夹点的最大能量值， 并决定着网络的温度段划分) 划分温度段，后将其分为夹点上下 二部分分别设计或作为一个整体设计。在单温差法和双温差法的 基础上，又有人提出三温差法，该方法以热力学原理一能量补偿 原理为依据，在达到最大能量回收前提下，允许一定的能量流过 夹点，从而增加了网络的匹配自由度，最终达到优化网络的目的。 该方法考虑了单个热交换器内的虽小传热温差即e m a t ，即同一 换热器内换热的二流股间的最小传热温差。此时，有 h r a t t l a t e m a t 。 通常，大多数换热网络综合设计方法都没有考虑压力降的影 响。尽管有些方法能够决定换热面积如何在网络内分配，由于它 们把换热器单元作为换热网络的最小设计单位，并不强调单元内 部结构的细节及面积分配。然而，在工程实际中，一个基本的换 热单元内部的结构安排及面积分配对压力降及传热系数都有很大 的影响。由图1 2 可以看出，一个换热单元内部的结构安排对压 力降及传热系数的影响。图中a 所示的换热单元中p l = l b a r 、 h l = 1 0 0 0 w m 2 ；当采用平行结构时p 2 = 0 2 5 b a r 、 h z = 5 7 4 w m 2 。因此，如何经济合理地统筹传热系数及压力降 之间的关系是一个复杂的过程，x r n i e 等于1 9 9 9 年在文献“明 8 郑州人学硕士学位论文 中有较详细的介绍。 图1 2不同的排列结构对压降及传热系数的影响 从以上综合方法可以看出，大多数方法都是从较宏观的角度进 行换热网络的综合优化设计，只有较少的文献对换热器单体设备 和换热网络进行了综合研究与介绍。 1 3 3 换热网络模拟 化工生产过程中，根据工艺过程的需要，设置了各种不同类型 的换热设备，通过物流把这些换热设备相互联结起来，就构成了 换热网络。所谓换热网络的数学模拟是指解决这样的一类问题： 建立换热网络的数学模型或描述模型并在计算机上加以体现和实 验；已知输入该网络的物流数据和该系统的流程结构以及各换热 设备的结构参数，求算换热系统中各换热设备输出物流的有关数 据以及各换热设备的热负荷、传热系数、流动阻力等信息【2 】。利 用计算机高超的计算能力解算化工过程的数学模型，以模拟化工 过程系统的性能，这种技术早在5 0 年代就已经开始在化学工业中 应用。现在已发展成为一种普遍采用的常规手段。化工过程模拟 9 郑州大学硕士学位论文 是过程系统工程中最基本的技术，不论是过程系统的分析和优化， 还是过程系统综合，都是以流程模拟为基础的陀”。按模拟对象所 要求的特性与时间的关系来区分，过程系统模拟可分为稳态模拟 与非稳态模拟。其中稳态模拟技术发展的早且相当成熟，现在已 经成为工艺设计及过程分析的常规手段。而非稳态模拟发展较晚， 真正的通用普及型软件还少见报到。 目前，大型且实用的稳态流程模拟软件已成功地应用于实际工 艺设计及改造中，麻省理工学院开发的规模较大、功能齐全的 a s p e np l u s 软件，s i m s c i 公司开发的p r o i i 软件，英国帝国理 工学院的s p e e d u p ，国内如青岛化工学院开发的e c s s 模拟系统 等便是其中的典型代表。而针对具体工艺过程的各类专用型模拟 软件包也不断被开发出来且得到很好的应用。所有这些，对过程 工业的生产起到了重要的指导意义。 1 3 3 1 稳态模拟 稳态模拟技术是指应用计算机辅助手段，对化工过程进行稳 态的热量和物料衡算、尺寸计算和费用计算以及过程的经济技术 评价。通过过程模拟，定量地把握各种变量及其产生的影响，进 而预测和掌握化工过程的趋势。从数学角度来看，其实质是求解 一个非线性方程组，该方程组是由单元模块方程、流程联结方程 和规定方程( 如原料组成、流量、规定产品纯度等) 构成2 9 。 序贯模块法和联立方程法是已经发展得比较好的两种数学模 型的表达方式和解算方法。序贯模块法从5 0 年代开始发展，至今 仍然是适用的主要方法，而联立方程法同样有很多优越性，6 0 年 代由英国s a r g e n t 教授首先创立，这两种方法的比较如表1 1 所示 陀引。序贯模块法是目前商业模拟软件采用最多的方法，其运算过 程直观、清晰，同实际生产过程的物质流动相似，容易理解，易 于进行错误诊断。但该方法由于需要多次切断流股，对于因回路 1 0 郑州大学硕士学位论文 多且系统复杂的体系迭代计算较为困难。联立方程法中，单元模 块、流程连接方程和规定方程收集在一起，组成需要联立求解的 大型非线性代数方程组，不存在嵌套问题，设计规定只是一些方 程，对于设计、优化问题，非线性方程组可以看作非线性规划中 的结束条件。此外，由于联立方程法存在稳定性差、存储空间需 求较大，以及难于进行错误诊断等缺陷，在工程实际中，其实用 性远不如序贯模块法普及。 表1 一l两种流程模拟方法的比较 从化工系统工程的发展来看，稳态模拟技术相对来说已相当成 熟，该领域的研究热点正向动态模拟、自动控制等研究方向转移。 但稳态模拟及模型化仍然是该领域研究的基础。 1 3 3 2 非稳态模拟 相对于稳态模拟，非稳态模拟发展得较晚。2 0 世纪9 0 年代以 来，由于计算机技术的快速发展和计算机辅助过程操作的发展要 求，非稳态模拟技术的发展和应用呈迅速上升趋势。非稳态模拟 的方程组有以下一些特点： 高维数微分方程与代数混合方程组，往往大于1 0 0 0 个方程； 稀疏性强( 只有1 的矩阵元素非零) ； 郑州1人学硕上学位论文 往往是非线性的方程； 常常遇到不连续问题； 目前尚没有一个满意的商品化软件为工程公司所广泛接受。要 开发出通用性强、解算可靠而方便的软件十分困难。现行的非稳 态模拟软件，大多数既是非稳态模拟软件又可作稳态模拟软件使 用。 从模拟技术的应用角度来说，当前世界各种模拟软件的版本不 断升级，物性数据库不断扩大，功能不断增强，但开发成本及使 用成本又相对有所下降，因此其应用领域越来越大，实用性也越 来越强。随着激烈的市场竞争，各大企业不得不采用新技术，以 降低生产成本获得更大的经济效益。由此，模拟技术也由技术企 业转向生产企业，直接应用于实际生产过程的改造、节能、提高 产品质量、分析装置“瓶颈”所在。越来越多的生产企业把计算 机技术应用到实际工程当中去。因此，就模拟技术来说，其发展 与研究仍有很大的空间。主要发展趋势表现在以下几个方面： 有更多的模拟软件允许用户在其中进行二次开发一些常用 的专用软件；或独立开发一些专用软件。 特殊反应过程的模拟与分析，相关专用模拟软件的开发。 物性数据库进一步扩大。 有更多的操作单元模型。 随着计算机技术的进一步发展，更多、更完善的通用模拟软件 将不断涌现，工程应用也会越来越普及。 1 3 3 3 模拟软件p r o i i i 、h e x t r a n 的简介3 0 3 p r o i i 简介： 工艺流程模拟工具p r o i i 软件，是英国i n v e n s y s 集团下属 1 2 郑州大学硕士学位论文 公司s i m s c i 的个核心产品。其能够应用于炼油、化工、石化、 电子、食品、半导体及电力等行业，除了产品独特的性能解决方 案，还能提供用户专业知识与经验，能方便和有效地完成简单或 复杂过程的设计，包括任意数目的单元操作、组分、物流或循环 回路。 - 它能使设计最优化，从而提高设计效率，结果得到效率较高的 工厂，能较快地投产，而且生产成本较低。 它对寻找故障，消除“瓶颈”和优化现有装置的操作提供必 要的信息。 它增加您对过程的理解。设备是如何工作的? 如何能工作的 更好? 什么时候应该停车? 修改过程和实施改造? 它拥有它的前身p r o c e s s 中最精华的功能。世界上数百家大 的工程公司和生产厂家仍在使用p r o c e s s 。它是迄今为止开发出 来的较完善的流程模拟软件。此外，由于结合了原先在麻省理工 学院开发出来的a s p e n 技术，p r o c e s s 的功能得到进一步的增 强。基于开发这二个软件( p r o c e s s 和a s p e n ) 中所得到的经 验和知识，p r o i i 成为自9 0 年代以来工艺流程模拟软件的世界 标准。 p r o i i 具有开放式的程序结构，可以连接直接插入式用户模 块、用户专有的工艺模块、第三者的软件、可修改输入输出文件， 以及具有其他许多方便模拟工作的功能。其核一t l , 部分是一个专有 的模拟数据库，可以毫无障碍地与其他软件，例如电子数据程序， 计算机辅助设计( c a d ) 软件包，专家系统等等分享工艺数据，这 个功能强大的数据库对设计工作提供了方便。其流程模拟程序广 泛地应用于化工过程的严格的质量和能量平衡。从油气分离到反 应精馏，p r o i i 提供了最广泛的、最容易使用的有效模拟工具。 产品的图形用户界面( g u l l ，如图1 3 所示， 提供了一个完全交 互的、基于w i n d o w s 的环境，无论是对于建立简单的，还是复杂 i3 郑州大学硕士学位论文 的p r o i i 模型，它都是较为理想的环境。 圉1 3 交互界面图 其能够提供各种热力学模型、组分数据、混合物数据和表征方 法。从简单的理想体系到高度复杂的非理想体系，而且适用温度、 压力和组成范围较宽。除此之外，对单元操作、物流、组分和循 环回路数目均没有限制。任何规模和复杂的流程都能有效地解决 和优化。该系统提供了众多的单元操作模块，大致分类如下： 典型化学工艺模型： 共沸精馏和萃取精馏 结晶 脱水工艺 无机工艺 液液抽提 苯酚精馏 炼油模型： 常压蒸馏 焦碳塔 1 4 郑卅i 大学硕十学位论文 气体装置 汽油稳定 石脑油分离和气提 反应精馏 变换和甲烷化反应器 酸水分离器 换热器模型： 加热冷却曲线 区域分析 反应器模型： 变换和甲烷化反应器 沸腾釜式反应器 p r o f i m a t i c s 重整和加氯器模型界面 吉布斯自由能最小 间歇反应器 此外还有聚合物模型、固体模型、精馏模型、闪蒸模型、气体加工模 型等单元操作模块。 并且，该系统能够提供数据的准备、确认和回归，回归纯组分 物性数据、回归混合物相平衡数据等功能。 为了满足选择参数的需要，在许多区域操作者能够很容易地配 置环境，如度量单位、热力学性质和单元图标类型。另外，能够 选择交互式的或批处理式的计算控制，并利用根据要求制定的报 告、图表和表格快速预览模拟结果。交互式的数据输入和确认系 统颜色指示标记指导操作人员建立模拟和执行模拟。p r o i i 不仅 使用方便，还能开放地向其它工程程序传送重要数据。这样，工 程工作组能有效地改善生产能力，p r o i i 数据库服务器能存取模 拟数据库中的任何块数据。然后，操作人员能够方便地在p r o i i 和m i c r o s o f te x c e l 或其它w i n d o w s 应用程序之间通过服务器界 面移动数据。这个有力的服务器实际上支持任何工程的工艺流程。 郑卅l 大学硕士学位论文 使用标准工艺工程计算环境减少了学习软件的弯路，在应用程序 之间数据传送灵活，并增加了软件的使用性。其提供了关于物流、 单元操作以及量纲单位的多种输出选项，在重新运行模拟之前， 可以改变计算结果报告的输出格式。输出结果形式多样，即有表 格输出格式，也可以采用较为直观的线图输出，如图1 4 所示。 图1 4线图格式显示输出模拟结果 p r o i i 提供给工程师一个工具，利用较少时间就能模拟工艺 问题，更好地改进工艺。 h e x t r a n 简介： h e x t r a n 软件是有力的稳态模拟程序，可以提供一个精确可 靠的传热系统浏览。它帮助设计新系统、监视当前系统、解决或 防止传热问题，能够把已经证明的传热模拟技术和工业中最关注 的特性数据结合在一起。h e x t r a n 程序严格模拟高度集中的系 统，用户能从全局浏览检查和监视换热网络性能，或检查每个换 热器的各自性能。全局采用建立在p r o i i 基础上的s i m s c i 热物 理学数据，支持p r o i i 的度量单位，有与p r o i i 中所使用的相 同的物流报告，p r o i i 的关键词句法无论在哪都仍保留可用，物 流输入数据支持p r o i i 中的当前句法，不需要任何修改或其它数 1 6 郑卅l 大学硕士学位论文 据，它提供了与点访问热力学的兼容性。 h e x t r a n 能严格计算换热网络中每个换热器最优的清洁周 期，网络的公用工程用量。如果有非预期的停车，在任何操作条 件下用户将确切地知道清扫哪一台换热器可使返还期最快。分流 优化功能将严格计算什么样的分流比会使在分流网络中的公用工 程用量最小。h e x t r a n 程序综合的夹点技术功能可使用户设计 基础网络，使其达到最大效益。目标功能显示出如何操作封闭网 络以便使其达到最大热回收，综合功能将提供建立在用户设计标 准基础上的优化网络配置。系统设计有友好的图形用户界面，具 有快速、方便的输入方式，可以便捷地根据用户定制的要求输出 图形和报告。并且在p c 上生成的输入文件能传送到其它平台进 行执行。 1 4 化工过程系统工程 化学工业的过程系统是一种将原料进行加工、分离处理以得到 所需产品的系统，能量是完成这种转化必不可少的推动力，其用 能状况不仅在整个化学工业界占有重要位置，而且还体现了科学 技术发展的水平1 。一个典型的化工过程系统包括以下3 个组成 部分：反应分离部分、换热部分和公用工程部分，其设计过程可 用“洋葱模型”( 如图1 5 示) 来表示。它是将系统工程学的理论 和方法应用于过程工业领域的一门边缘学科，是化学工程学的一 个分支。化工系统工程是从化工系统的整体目标出发，根据系统 内部各个组成部分的特性及其相互关系，确定化工系统在规划、 设计、控制和管理等方面的最优策略。 过程综合是过程系统工程学科的核心内容，是过程优化设计中 最具创造性和挑战性的阶段。它是在过程设计的概念设计阶段， 根据不完备的信息产生各种可能的流程方案，并选择最优的系统 结构和操作参数。目前，过程系统综合已在以下领域开展了研 1 7 郑州大学硕士学位论文 图1 5 过程设计的“洋葱模型” 究，并取得了不同程度的进展 分离过程的综合 换热网络的综合 反应器网络的综合 公用工程系统的综合 全流程系统的综合 这些领域的研究进展不一，其中换热网络的综合相对简单但效 益显著，研究得也相对成熟。全流程系统的综合作为过程系统综 合的最终目标，取得了一定的进展。 1 5 过程系统能量集成 从本质上说，过程系统的能量集成就是以合理利用能量为目的 的全过程系统综合问题，它从总体上考虑过程系统中能量的供求 关系以及过程结构、操作参数的调优处理，达到全过程系统能量 的优化综合1 。对于一个没有考虑热集成的过程，其所需的加热 负荷、冷却负荷均由公用工程提供，显然，从能量利用