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北京化工大学硕士生学位论文 p v c 聚合反应器及其控制系统动态仿真 摘要 本文针对悬浮法氯乙烯聚合生产装置的动态流程模拟进行了系统研 究，并重点研究了p v c 聚合反应器。根据物料、能量及动量守恒方程等 建立了生产装置的机理模型，根据模型形式和特点选择了适当的数值计算 方法并编制了动态模拟程序。实际应用效果证明了模型、算法和软件的正 确性与精确性。 聚合反应器采用间歇式全混反应器，用e h p 催化剂，循环水冷却。 氯乙烯和脱盐水在反应器内充分混合，在一定温度和压力下聚合成聚氯乙 烯。根据反应过程，建立了动态全混釜模型，应用合适的算法，筛选了适 当的动力学方程，并根据工业数据对动力学参数加以修正，从而使之满足 生产装置的需要。在动态模拟时，对整个系统采用动态序贯模块法，把各 个子系统模型模块依流程顺序连成整体模型，进行统调，构成整个装置的 数学模型。 该聚合工艺采用了批量处理工艺( 批量处理工艺：是工艺包中针对间 歇操作进行控制操作的工艺) ，整体自动化程度很高，对操作员和d c s 厂 家都提出了新的要求。控制系统实现了流程控制自动化；在应对突发问题 时，操作人员可以随时中断流程，来处理突发事件，从而实现了较强的入 北京化工大学硕士生学位论文 机交互；可人为的制造停水停电等事故，来考察系统面对突发事故的稳定 性；整套系统有2 0 个聚合釜，这2 0 个聚合釜在统一在调度室进行协调工 作，彼此之间既有联系又相对独立。为在p c 机上实现批量处理过程，控 制程序采用多线程，每条线程对应一个聚合釜。经过长时间的编程调试； 最终在仿真机上实现了工业自动化控制。 在上述工作基础上，开发了p v c 工艺动态模拟系统软件，该软件已 经用于p v c 工艺操作规程的优化编制和操作技术人员的操作技能培训， 同时，该软件对于p v c 聚合工艺的辅助优化设计也有相当的积极作用。 关键词：聚氯乙烯，动态模拟，批量处理 h 北京化工大学硕士生学位论文 t h ed y n a m i cs i m u l 蜩 i o no ft h er e a t o r a n dt h e co n t r o ls y s t e mo ft h ep v c a b s t r a c t t h es i m u l a t i o no ft h ep v c p r o c e s sh a sb e e ns t u d i e ds y s t e m i c a l l yi nt h i s w o r l d ，a n dt h ep o l y m e r i z er e a c t o ri st h em a i no b j e c to ft h es t u d y w e d e v e l o p e dt h em e c h a n i s mm o d e lo ft h eu n i ta c c o r d i n gt ot h ee q u i l i b r i u mo f m a s s ，e n e r g ya n dm o m e n t u m , a n dc h o s et h es u i t a b l en u m e r i c a lm e t h o da n d m a d ed y n a m i cs i m u l a t i o np r o g r a ma c c o r d i n gt h ef o r ma n dc h a r a c t e r i s t i c so f t h em o d e l t h er e a l l ya p p l i e dr e s u l t sp r o v e dt h a ta l lo ft h em o d e l ，a l g o r i t h m a n ds o f t w a r ea r ec o r r e c t t h ep o l y m e r i cr e a c t o ri sb a t c hc s t r , a n d u s i n ge h p a st h ec a t a l y z e ro f t h i sr e a c t o r , w e l lc h o o s i n gt h ew a t e ra st h er e f r i g e r a n t v c ma n dd m wm i x e d i nt h er e a c t o ra d e q u a t e l y , p o l y m e r i z i n gt ob ep v c o nt h eb a s eo ft h ep r o c e s s i nt h i ss y s t e m , w ed e v e l o p e dc s t rm o d e la n dc a l c u l a t e dt h e m , s e l e c t e d s u i t a b l ed y n a m i c se q u a t i o n sa n di m p r o v e dt h e i rp a r a m e t e ri no r d e rt om e e tt h e r e q u i r e m e n to ft h ep v cp r o c e s s f o rt h ed y n a m i cs i m u l a t i o ns y s t e m , a l l m o d u l e sa r ec o n n e c t e dt o g e t h e ra n db e c o m eaw h o l em a t h e m a t i c sm o d u l eb y s e q u e n t i a lm o d e lm e t h o d t h ep o l y m e r i ct e c h n i c sa d o p tt h et e c h n i c sn a m e da s b a t c hc o n t r o l ( b a t c hc o n t r o li st h ep r o g r a m m et h a ta i mt ot h ec h e m i c a le n g i n e e rb a t c h o p e r a t i o n ) ，t h eh o l i s t i ca u t o m a t i z a t i o ni sa d v a n c e d ，s oi t w i l la d v a n c et h e d c s o p e r a t i o na n dt h eo p e r a t o r s a b i l i t y t h ec o n t r o ls y s t e mw eh a v em a d e m 北京化工大学硕士生学位论文 c a na c h i e v et h ep r o c e s s a u t o m a t i z a t i o n ，a n dt h eo p e r a t o rc a ni n t e r r u p tt h e p r o c e s s w h e n e v e rs o m es u d d e n n e s s h a p p e n s a n d t h em a n m a c h i n e c o n v e r s a t i o ni nt h i ss y s t e mc a nb er e a l i z e dv e r yw e l l t h ew h o l es y s t e mh a s 2 0p o l y m e r i ck e t t l e s ，a n dt h e ya r ea l ls u b m i tt oo n ec o n t r o lc e n t e r , a n dm e y a r en o to n l yi n d e p e n d e n tb u ta l s oc o n t a c t e dw i t he a c ho t h e r t om e a tw i t ht h i s r e q u e s t ，w ei m p o r t t h e “b a t c hc o n t r o l p r o g r a m m e ，w h i c ha d o p t s t h r e a d s - p r o g r a m m e a n do n et h r e a da n do n ek e t t l ea r ec o r r e s p o n d i n g w e h a v ed e b u g g e df o ral o n gt i m e ，a n dr e a l i z e dt h ea u t o m a t i z a t i o no nt h e e m l u a t o r w eh a v ed e v e l o p e dt h ed y n a m i cs i m u l a t i o ns y s t e ms o f t w a r eo fp v c p r o c e s so nt h eb a s eo ft h ew o r ku p o n a n di th a v eb e e nu s e dt ot r a i nt h e o p e r a t o r s w ea l s od i dm a n yo p t i m i z a t i o nw o r k sf o rb o t ht h ep r o c e s sa n dt h e c o n t r o ls y s t e mu s i n gt h es y s t e ms o f t w a r e k e yw o r d s ：p v c , d y n a m i c s i m u l a t i o n , b a t c h - c o n t r o l i v 北京化工大学硕士生学位论文 符号说明 意义 传热面积m 2 是基团对正常沸点的贡献值 反应器中j 组分的浓度，k m o l m 3 反应器中物料的摩尔比容，k j ( k m o lk ) 组分液相热容计算公式参数 组分汽相热容计算公式参数 为积分步长，亦称为时间因子，h r 汽化分率 表观反应活化能，k j k m o l 化学反应活化能 质量流率；进料量 反应器总进料流量，总出料流量，k m o l h r 反应器进料量，k m o l h r 反应器中的总摩尔焓，k j k m o l 传热系数 表观反应速度常数 反应速度常数 频率因子 指前因子 流量计算系数 速率常数 组分的摩尔质量( k g k m 0 1 ) 反应物中第i 组分的分压 产物中第组分的分压 反应器中的物料密度，k g m 3 v n 品g 吡 特a的g劲册 p日历尸附口膨缸屁肛脚丹彤尸 北京化工大学硕士生学位论文 意义 临界压力，k p a 对环境的传热量，k j h r 反应速率；第i 个反应的反应速率 反应器中a 组分的消耗速率，k m o l ( m 3s ) 气体常数 为总反应量和组分反应量( 生成为正，消耗为负) ，k m o l h r 分别为反应器温度和环境温度，k 反应器中的床层温度，k 临界温度 正常沸点 汽相物料量 临界体积 正常沸点下的液体摩尔体积 偏向因子 气相摩尔组成 临界体积c m 3 m o l 反应器的轴向高度，l o 2 m 时间，分 压缩因子 i i 号 乃尼 尼瓦 符 尼 9 乃卜 刀 砒l 丁 乃 乃 矿 圪 虼 矿 彤 比 z 协 z 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：垂坠塑日期：。! ! z ! 生：! 皇 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：墨垫鱼 翩签名：3 础兰荔 e t 期： 竺1 2 ：! ! ：竺 日期：珥一止业一 北京化工大学硕士生学位论文 第一章文献综述 1 1 化工流程模拟及其发展概况 1 1 1 化工流程模拟概述 现代化的化工生产日益朝着综合化方向发展，对一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适应要求，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动态数学模型，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【l 】。正是基于诸上因素，促使人们在化工企业的 组织管理、生产过程的开发研究、设计中采用新的概念，于是在化学工程学、运筹学、 控制论和计算技术等学科的边缘产生了化工系统工程这一新兴的学科。化工系统工程 是研究如何制定复杂化工系统的最优决策最优规划、最优设计、最优操作、最优 控制和最优管理一的工程学科【2 l 。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；可将企业组织管理系统和技术经营中 的各项有限资源合理地组织，有效地利用，最大限度地发挥各自的作用，并不断调整 企业内部活动以适应系统内在和外部环境因素的变化，以最优地达到预定目标【3 1 。化 9 北京化工大学硕士生学位论文 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。化 工系统的最优设计是化工系统工程重要的核心一环。不论系统过程的综合、分析还是 优化，都是以流程模拟为基础的。其实，优化程度最高，不论从学科发展还是从对国 民经济发展的角度看，都占有重要的地位。 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【3 1 。 电子计算机进入化工领域是在五十年代初。最初使用的是模拟计算机。开始使用数字 计算机大约在五十年代中期。当时许多企化工企业购买计算机的主要目的是用于财务 管理，但工程技术人员利用空余机时作科学计算。许多化工单元操作的严格算法，如 基于平衡级概念的精馏算法虽然早在三十年代就以提出，但由于工作量太大，以前很 少有人实际使用。而依靠电子计算机的帮助，计算工作量的障碍不存在了。到五十年 代后期，一些主要化工设备，如换热器、精馏塔、简单反应器的计算程序均已建立。 在此基础上产生将计算程序串联起来，对整个化工过程进行模拟。1 9 5 8 年凯洛格公司 开发了第一个流程模拟系统。但由于当时f o r t r a n 、c 等高级语言尚未产生，程序用 汇编语言编写，使得程序的开发者往往是唯一能使用这些程序解决实际问题的人。因 当时准确的物性数据十分缺乏，模拟计算的结果和实际的情况往往出入颇大。但许多 企业认识到化工过程数学模拟一旦成功，会带来巨大经济效益，因而继续支持这方面 的研究。 六十年代是化工过程模拟的地位逐渐确立的十年。六十年代初f o r t r a n 、a l g o l 、 c o b o l 等高级语言相继问世，计算机价格功能比逐渐下降，为化工过程模拟的普遍应 用提供了物质条件。经过五十年代的摸索，对开发一个能被广泛接受的模拟系统应遵 循的原则也有了比较明确的认识：即( 1 ) 程序采用模块结构，用高级语言编写：( 2 ) 物性数据的关联应尽可能准确；( 3 ) 对程序的接口应给予充分的注意，以便于应用。 这一时期模拟系统的应用逐渐成为一种商品进入市场。到六十年代末，化工流程模拟 的概念被普遍接受。但这一时期开发的各种模拟系统大多是为满足开发单位的自身需 要。即使是商业性的流程模拟系统，由于缺乏开发经验，还没有接受过大量计算实例 的考验，而开发单位以外的用户大都没有接受过化工过程数学模拟的专业训练。对这 些新用户面临着培训操作人员的问题，特别是发生模拟系统在运算过程中不能收敛， l o 北京化工大学硕士生学位论文 或计算结果无法从物理意义上进行解释等情况时，用户往往没有能力处理，仍得求助 于程序开发者。诸上因素都影响了流程模拟的普遍应用d i 。 进入七十年代以后，流程模拟的可靠性不断提高，应用范围不断扩大，开始成为 化学工程师的常规工具。商用模拟系统的规模日益扩大，功能不断增强。如科学模拟 公司在1 9 7 9 年推出的p r o c e s s 系统和麻省理工学院在美国能源部的资助下，由1 9 7 6 年开始开发的a s p e n 系统都包括上千个子程序，几十万条f o r t r a n 语句。 随着计算机的应用日益广泛，软件开发已经发展成一种新的产业。进入八十年代 以后，化工流程模拟软件的商业化进程大大加速。化工软件公司为提高流程模拟的可 靠性，一方面花费相当的力量致力于开发更精确的物性计算方法，特别是电解质溶液、 石油馏分和固体物料的物性计算，以扩展通用模拟系统的功能：另一方面又和化工企 业合作开发各种专用流程模拟系统，以指导现有装置的操作和新装置的设计。 1 1 2 化工流程模拟系统 对一化工生产过程进行流程模拟，需要建立流程的物理模型和数学模型、开发数 学模型的求解方法、编制和调试计算机程序、利用计算机进行计算以及对计算结果进 行分析等一系列步骤1 3 1 。如果每处理一个具体的流程模拟问题都要经历上述各步，必 将造成大量重复劳动。因此，在流程模拟技术发展之初，就提出了开发能适用于多种 化工过程的流程模拟程序的设想。流程模拟系统是一种计算机程序系统，它能接受由 用户提供的有关化工生产流程的信息，进行对化工过程开发、装置设计和操作有用的 分析计算。从应用范围来看，化工流程模拟系统可分为两大类，即通用流程模拟系统 和专用流程模拟系统。 1 1 2 1 通用化工流程模拟系统 通用化工流程模拟系统是指并非针对特定流程开发的、对不同流程均可适用的、 带有通用性的化工流程模拟系统。所谓通用性，多数是指在用来模拟涉及汽液物流的 流程范围内通用。它备有通用的、可供用户选择的各种单元操作的计算方法，各种物 理性质和热力学性质的计算方法，系统分解和收敛方法。工程费用和操作费用的资料 以及数值方法程序库等。目前的通用流程模拟系统主要是按照处理模拟型问题的要求 北京化工大学硕士生学位论文 开发编制的，多数也兼具有处理某些设计型问题的能力。系统中的计算机程序，通常 是采用标准的高级程序设计语言( 如f o r t r a n 、c 、c + + 语言) 编写的。自1 9 5 8 年凯洛 格公司开发的第一个通用流程模拟系统问世以来，各化工公司、软件公司和大学已开 发出多种通用流程模拟系统，如孟山都公司的f l o w t r a n 系统、a s p e n 公司的a s p e n p l u s 系统、美国科学模拟公司的p r o c e s s 系统、c o a d e 公司的m i c r oc h e s s 系统等。 这些通用流程模拟系统主要用于化工过程开发和设计中对不同流程方案进行快速评 价和分析。 1 1 2 2 专用化工流程模拟系统 由于通用流程模拟系统所能达到的精确程度，不能满足现有生产装置的操作优化 要求，往往需要利用能提供更精确可靠的计算结果的专用流程模拟系统。专用化工流 程模拟系统是针对某特定流程专门开发的，只用于对该流程进行模拟的目的、不具有 通用性。与通用流程模拟系统相比，其具有如下特点【1 3 l 【1 4 】【1 5 1 6 】： ( 1 ) 具有更准确可靠的物性数据。 利用通用流程模拟系统对流程进行初步评价时，一般不要求将物性估算系 统提供的物性数据和设计数据进行比较。专用流程模拟系统要求有一定数量的设计数 据，以便对估算物性的精度做出评价，并根据设计数据回归比较可靠的模型参数，或 对物性估算方法作某些修正，以保证估算物性的精度和可靠性。 ( 2 ) 要提供尽可能准确的反应器模型 反应器模块可能是流程模拟中最难通用化的部分，通用反应器模型往往十分简 单。专用流程模拟系统要求提供尽可能准确的反应器模型，希望利用反应动力学方程， 并将它和反应器的流动模型、传热、传质模型相结合，以准确地模拟不同操作条件下 的反应结果。 ( 3 ) 采用更详尽的单元操作模型。 通用流程模拟系统的单元操作模型，是按实现该类设备的最通用的结构建立的， 不能充分反映实际设备的特性。通用流程模拟系统则要求每个单元设备的模型，都能 以足够的深度考虑其中进行的物理化学过程。对过程进行的合理简化必须满足要求的 1 2 北京化工大学硕士生学位论文 精度和主要研究目的。 ( 4 ) 采用根据装置操作数据确定的校正因子 由于化工过程中组分和流动状况的复杂性，依然存在各种难以用数学关系式精确 描述的因素。专用流程模拟系统的数学模型中，往往包含一些纯经验性质的参数，即 校正因子来反映诸上因素的影响，其数值根据某一特定装置的操作数据采用适当的回 归程序来确定。 由于专用流程模拟系统只具有专用性，故该类系统主要由化工生产公司或工程公 司开发。随着化工软件产业的兴起和发展，也出现了由化工软件公司和化工生产公司 或工程公司合作开发的专用流程模拟系统，如a s p e n 技术公司和凯洛格公司合作开发 的聚合氨专用流程模拟系统【2 1 1 1 2 2 1 。 根据模拟对象所要求的特性与时间的关系，化工流程模拟可分为稳态流程模拟和 动态流程模拟。 1 1 2 8 稳态流程模拟 稳态流程模拟是化工过程流程模拟研究中开发得最早、应用最为普遍和发展 的比较成熟的一种重要技术【6 】。稳态模拟的目的就是用适宜的系统数学模型来预测过 程的稳态性能。它包括物料衡算和能量衡算、设备尺寸和费用计算以及过程的技术经 济评价【1 8 】【1 9 】【2 0 】。 自1 9 5 8 年，美国k e l l o g g 工程公司研制成第一个通用流程模拟软件f l e x i b l e f l o w s h e e t 至今，稳态流程模拟经历了三个发展阶段【2 3 2 4 1 ： 第一代模拟系统：除上述f l e x i b l ef l o w s h e e t 外，还有i b m 公司开发的通用集 成流程模拟系统( g i f s ) ；美国科学模拟公司( s c i s i m ) 于1 9 6 8 年推出的第一个商业 性流程模拟系统s p _ - 0 5 及m c m a s t e r 大学开发的p a c e r 。模拟对象以烃加工为主，其 特点为：有限单元操作模型及物性数据；只能用于模拟，不能用于设计；使用者不能 随意增加新模块：采用直接迭代来实现再循环流的收敛。由于开发初期缺乏经验等诸 多因素，使得模拟系统的应用受到限制，因此在工业上并未广泛应用。 第二代模拟系统：为七十年代开发的实用化模拟系统。模拟对象扩大到气、液相 北京化工大学硕士生学位论文 的化工过程，成为化工及石油公司实用的开发及设计手段。典型代表如美国 s i m u l a t i o ns c i e n c e 公司的p r o c e s s ，m o n s a n t o 公司的f l o w t r a n ，英国帝国化学公 司的f l o w p a c k ，c h e ms h a r e 公司的d e s i g n 2 0 0 0 0 ，日本千代田公司的c a p e s 等。这 些模拟系统的共同特点是：随流体相平衡性质的深入和数据库技术的发展，建立了大 型物性数据库，并成为流程模拟系统的一个子系统，不仅能够为单元设备模块的运行 提供物性数据支持，而且具有对物性数据进行校验、校核和关联的功能；具有较多的 单元操作模块；用户可以增加单元操作模块；能实现设计型计算；采用高级的循环收 敛方法。缺点是：只能处理有限的过程模型；只能处理含汽一液相流体的物流，对含 固体的物流无法处理；缺乏重要的固体物料单元操作模型( 如离心机、过滤机、旋风 分离器) 等；物性数据库只有有机化合物的物性数据，缺乏重要的无机化合物的数据， 且温度和压力的范围不够宽；因组份数和物料流股数已有固定限制，所以只能处理不 太大的流程。到七十年代末，流程模拟已取得普遍信任，与此同时，这一领域的第一 批专著，如a w w e s l e r b e r g 等所著“过程流程模拟和倍涅狄克等所著“化工装置 稳态流程模拟 先后于1 9 7 9 年和1 9 8 0 年问世。 第三代模拟系统：八十年代后，化工流程模拟软件的商品化进程大大加快。麻省 理工学院在美国能源部资助下开发出a s p e n 系统，a s p e n 技术公司和凯尔谢姆公司及 考德公司分别推出了a s p e np l u s ，d e s i g ni i ，m i c r oc h e s s 等通用流程模拟系统。模 拟对象涉及气、液、固三相，在系统分解的技术方面有所改进，并在流程拓补、循环 物流切断和收敛方法选择等方面为用户提供了方便。 我国于七十年代中期首先引进丹麦t o p s e 公司的用于模拟聚合氨流程的g i p s 专 用流程模拟系统。七十年代末，曾组织研究院、高校等单位研制成第一代流程模拟系 统p f s 软件，后有寰球化学工程公司改编，形成p f s - 8 4 软件，并以应用到乙烯装置 中压缩、分离流程，乙二醇蒸发流程等设计计算。八十年代引进了国际上先进的大型 通用流程模拟软件a s p e n ，p r o c e s s 和微机上用的m i c r oc h e s s ，1 9 8 7 年由青岛化工 学院开发出微机上应用的第二代国产流程模拟软件e c s s ，以及针对其它具体工艺过程 的专用流程模拟系统，在实用化方面与国际水平缩小了差距，但在基础理论与新方法 ( 如联立方程法和联立模块法等) 研究方面起步较晚。 1 4 北京化工大学硕士生学位论文 1 1 2 4 动态流程模拟 由于化工稳态过程只是相对的、暂时的，实际生产过程中总是存在各种各样的波 动、干扰以及条件的变化。因而化工过程的动态变化是必然的、经常发生的。如意外 事故、设备故障、人为的误操作以及装置的开停车等种种波动和干扰，都会引起原有 的稳态过程和平衡发生破坏，而使系统向着新的平衡发展【4 】。这些问题不是稳态模拟 所能解决的，必须由化工动态模拟来回答。动态模拟广泛地应用于各种过程动态特性 的研究。研究过程参数随时间变化的规律，从而得到有关过程的正确的设计方案或操 作步骤。动态流程模拟系统的发展比稳态流程模拟要晚十年。国外有关动态模拟的研 究成果的报道出现于七十年代初期，如b o b r o w 、p o n t o n 等人提出的d y n s y s 系统，应 用于指导丁二烯抽提装置的开车。其中r o g e rg e f r a n k 的成果在国际上有一定的 影响，其与n u t t a l 、及h i m e l b l a n 等人开发的d y f l o 软件对数学模型进行了合理的 简化，模块之间具有关联接口，设有控制器模块及积分和非线性代数方程解法模块， 并引入物流数组的概念【5 】【6 】，可用于c s t r 反应器。1 9 7 4 年l u i sa l f o n s ol o p e z 推出 d y s c o 系统，他在d y f l o 分离模块基础上引进软件管理调度功能，用户可通过人一机 会话同正在执行的程序沟通信息，指挥软件的运行。可商品化的化工过程动态模拟软 件是由日本科学家工程师协会( j y s e ) 及美国c a d 中心( c a d c ) 联合开发的d p s 系统。 它具有较丰富的单元操作模块，加强了软件对于用户问题的描述能力，设计了专用语 言，可与c s s l 通用连续系统仿真语言兼容。动态模拟软件自此从教学研究阶段进入 设计应用阶段。 七十年代后期至八十年代，化工过程动态模拟技术在美、日、西欧进入大规模应 用阶段。如美国普度大学的b o s s 、英国剑桥大学的o u a s l i n 、美国威斯康星大学的 p o l y r e d 、德国b a s f 公司的c h e m s i m 、l i n d e 公司的o p t s i m 等f 7 】。八十年代后期美国 a s p e nt e c h 公司推出了著名的通用动态模拟软件s p e e du p ，美国a b bs i m c o n 公司推 出了s i m c o n 系统，并成功地将其应用于大型乙烯装置的动态模拟，在工业界有较大 影响。九十年代中期，加拿大h y p r o t e c h 公司在其稳态模拟软件h y s i m 的基础上，又 推出了动态模拟软件h y s i s 6 1 。h y s i s 同时兼有稳态模拟和动态模拟的功能，用户可以 很方便地在稳态和动态模拟之间切换。a s p e nt e c h 公司则综合了其稳态模拟软件 a s p e np l u s 和动态模拟软件s p e e d 的特点，于1 9 9 7 年推出了同时具有稳态和动态模 拟功能的软件d y n a m i c s 。d y n a m i c s 和h y s i s 是到目前为止仅有的两个通用的、功能 北京化工大学硕士生学位论文 强大的、使用方便、用户界面十分友好的将稳态和动态模拟合二为一的著名商业化软 件【2 7 】【2 8 】【2 9 】。 动态过程模拟主要应用于： l 、了解单元操作设备经受动态负荷变化的能力及可操作性。 2 、分析开停车及外部干扰作用下的动态性能，为装置及其控制系统的设计提供依据， 加速开停车过程，节省能量，使系统对外界干扰的灵敏度减至最小。 3 、在多种控制方案中通过仿真计算进行优选，进而设计先进控制系统。 4 、用动态模拟手段代替实际装置对操作做出动态响应，开发训练操作人员的培训器， 高效率培训操作工人。 5 、以动态模拟手段代替教学实验设备，培养学生实验能力。 对前三种用途而言，需要开发的是设计型动态模拟系统，对后两种用途而言，需 要操作型动态模拟系统【3 l 】【3 2 】f 3 3 】。 1 、设计型动态模拟系统的实现方法有两类： ( 1 ) 连续系统模拟语言c s l l ：要求用户提供模型的数学方程，系统只能提供数值解 法，控制输入输出。如早期i b m 公司的c s m p 和后来的a c s l 。 ( 2 ) 序贯模块法：系统具有标准单元操作动态模型库，用户不必提供数学方程式， 如美国的d y n s y s ，d y f l o wi i 和我国八十年代开发的d y s p e n 等。 由于动态模拟方程组具有如下特尉7 】： 高维数微分方程与代数方程混合方程组 稀疏性强 常常是非线形方程 常遇到刚性方程问题 可能遇到不连续问题 由此设计型动态模拟系统尚处于不成熟阶段，应用上有局限性。目前发展趋势是 对稳态流程模拟系统改进，使之具有动态模拟的能力。p r o t i s s 就是将稳态模拟系统 1 6 北京化工大学硕士生学位论文 p r oi i 和动态模拟方法o t i s s 结合在一起用于工厂的设计和操作。p r oi i 可以产生一个 过程模型定义，并为动态模拟提供初始化条件，p r o t i s s 运用高度精确的模型实时解 决复杂的过程结构 3 4 1 1 3 5 1 。 2 、操作型动态模拟系统嗍： 以计算机为基础的模拟培训系统六十年代开始用于化工厂操作培训，七十年代商 品化，八十年代得到广泛应用。动态仿真系统用来模拟装置的实际生产，不仅能得到 稳态的操作情况，更重要的是当有波动或干扰出现时，系统会发生什么变化，通过动 态仿真便可一目了然。以往新装置开车前，操作员必须在同类装置进行培训、实习， 以便取得第一手的实际经验。这样做不但费时，费用高昂，更重要的是难以在实际装 置上进行事故状态及异常情况的操作培训，也难以保证能够进行开、停车的训练。而 这一切都可以在动态仿真系统上轻易实现。操作人员可以应用计算机仿真系统反复进 行实践，练习调整生产、保持操作稳定和训练开停车的能力；教员可通过设置故障， 培养操作人员分析事故原因、处理故障的能力；通过模拟不同控制方案下装置的动态 行为，研究控制回路的最优设计。因而动态仿真系统的出现，已使计算机培训逐渐取 代了传统的实际装置培训。 这种动态模拟系统要求实时计算，不可能采用复杂的严格数学模型，精确度不高， 感觉逼真即可，系统中计算的变量多。目前国际上较有名的动态仿真系统有美国的a b b s i m c o ni n c s i m c o n 动态模拟器，它提供用户统一的平台及智能化工具用来开发用户 自己的工程和培训模型。这类模拟器的发展方向是实时集成模拟系统，对涉及系统本 身及周围环境的各种因素进行定量的数学描述，根据某种目标要求，做出最优化决策 和最优控制，产生最佳的管理和控制效果。国内北京化工大学过程模拟优化中心开发 的d s o 通用动态流程模拟软件平台，不仅可对装置进行精确的动态仿真，而且可通过 良好的人机界面再现实际生产环境，因此输入数据、提出问题和输出数据解决问题均 可使用实际的、可操作的、工程化的实时在线方式完成。它是利用面向对象的思想 ( o o p ) ，采用标准c c + + 语言编写的基于w i n d o w s n t 的全3 2 位软件平台。平台内部 运用流程拓补结构、自动识别程序包等处理各独立对象之间的关系，使得开发者可以 轻松高效地进行运用。针对某一具体流程，开发人员可将自行开发的专用模块与平台 中的通用模块通过一定方式正确地搭接起来，经过调试工作完成整个流程的动态模拟 工作。 1 7 北京化工大学硕士生学位论文 国外控制工程界广泛使用的m a t l a b 软件中的通用数学模型和动态模拟软件 s i m u l i n k ，包括了目前最新的数值计算技术和软件开发工程技术，特别是在面向图形 对象编程和图形用户界面( g u i ) 技术方面。该软件中并不包括化工流程和单元设备 的内容，值得我们在开发流程模拟软件时参考和使用。 1 1 2 5 稳态模拟和动态模拟的比较 稳态模拟是在装置的所有工艺条件都不随时间而变化的情况下进行的模拟，而动 态模拟是用来预测当某个干扰出现时，系统的各工艺参数如何随时间而变化【9 1 。 对于稳态模拟，尽管从理论上讲，存在多种流程计算的方法，但几乎所有的商业 化稳态模拟软件都采用序贯模块法进行流程计算，该方法将在后面加以详细论述。对 于动态模拟，其单元过程的模型是描述该过程的一组如下形式的具有初值问题的微分 方程和代数方程组： 伊胁力 矽( x ，y ) = 0 、 i y ( t o ) = y o i - 由于动态模拟是联立解所有的方程，它的计算速度很快，因此必须要有较好的算 法才能满足整个过程实时性和稳定性的要求。 1 1 3 流程模拟系统的组成 无论哪一种流程模拟系统都由系统模型、物性数据和解算方法三部分组成，称之 为模拟三要素【3 6 】【3 7 1 。 1 1 3 1 系统模型 系统模型即描述化工系统性能的数学模型，不仅包括组成系统的各个单元的模 型，而且还包括能对系统结构给予明确表述的部分。数学模型是流程模拟的基本依据， 模拟结果的可靠性与准确程度和数学模型有极大的关系。通常数学模型是一组代数方 北京化工大学硕士生学位论文 程或微分方程，是实际过程系统在数学本质上的抽象。数学模型由过程的本质决定， 要准确定量地对过程进行描述，重要的是要根据有关的基本定律，对过程进行分析， 按照模拟的要求，建立起相应的模型。数学模型建立过程中要依据质量守恒定律、能 量守恒定律、传递速率方程、状态方程、相平衡方程及化学反应动力学等基本定律。 数学模型由描述过程的数学方程及限制条件所组成，根据不同的分类方法，可分 为如下几种基本类型t l o 】【1 1 】： 1 、机理模型和经验模型 依据模型建立的方法划分。机理模型就是通过分析过程的物理一化学本质和机 理，利用化学工程的基本理论来建立一组描述过程特性的数学方程式及边界条件。这 类数学方程组往往比较复杂，但具有明确的物理意义。经验模型是指直接以小型实验、 中间试验或生产装置的设计数据为依据，模型方程完全依靠回归实验数据得到，只着 眼于输入一输出关系，对过程的本质不管，没有任何理论依据。只有那些过程十分简 单，关系极其明确的少数操作，如只需做物料衡算的混合、分流等的模型属于此类。 该种模型的数学函数关系通常比较简单，但只能表达有限范围内的关系，不能外推。 2 、稳态模型和动态模型 依据对象的时态本质划分。稳态模型所描述的系统内部各处工作状态参数都不随 时间而变，从数学上看，这种模型常常是代数方程组。连续输出装置在正常条件下的 运行可用稳态模型描述。动态模型考虑过程对象的参数随时间变化的关系，反映过程 在外部干扰作用下，不稳定的开、停车过程，从数学上看，模型常常是微分方程组。 3 、集中参数模型与分布参数模型 依据过程对象的数学描述方法划分。在集中参数模型中，忽略过程变量随空间位 置的变化，即与过程有关的性质在所研究的范围内可以看作是均一的，如全混流反应 器模型。数学上表现为代数方程组( 稳态) 或常微分方程组( 动态) 。在分布参数模 型中，过程变量随空间位置的不同而变化，如平推流反应器模型。数学上表现为常微 分方程( 稳态) 或偏微分方程( 动态) 。 4 、确定性模型与随机模型 依据对象的属性划分。确定性模型是指每个变量和参数均对任意一组给定的条件 有一个或一系列的确定值。过程状态变量的变化是由输入变量本身决定的，如物质的 p ”状态方程。随机模型是描述不确定性的随机过程，一个输入变量不能产生一个确 1 9 北京化工大学硕士生学位论文 定的输出变量，输出变量的值服从统计概率规律，需根据一个具体的概率分布的期望 值而求得。如聚合反应器中高分子聚合物的生成。 1 1 3 2 物性数据 用于流程模拟的物性数据可分为两类【1 2 1 ：热力学物性数据和传递过程物性数据。 前者反映了过程在平衡方面的特性，如密度、压缩因子、焓、熵、自由能、生成热、 i 反应热及进行气液平衡常数计算所需的逸度系数、活度系数等；后者反映了过程在速 率方面的特性，如导热系数，粘度、扩散系数等。流程模拟的质量在相当程度上依赖 于物性数据的准确和可靠，在流程模拟的有关计算中，调用有关物性数据模块进行物 性数据估算的次数和占用计算量的比例也十分庞大。因此，向流程模拟提供可靠、有 效的物性数据服务受到高度的重视，从计算机存储、管理、加工数据的角度看，提供 物性支持的方式经历了无管理、文件系统管理和数据库系统三个阶段。目前，许多化 工模拟系统都装备有自己的数据库，以供用户使用。 1 1 3 3 求解方法 以化工流程的物料衡算和热量衡算为基础的化工过程系统模型，从数学角度看， 最后归结为数学方程的求解问题。但对于复杂的方程或方程组，解析解的求取非常困 难或不可能实现，因此数值解法就成为一种十分重要的手段。对于线性代数方程组， 常用的解法有消去法、迭代法、l u 分解法；非线性方程组常用解法有牛顿一拉夫森法、 韦格施坦法、布洛伊顿法、优势特征值法等；微分方程常用显式欧拉法、隐式欧拉法、 龙格库塔法等。 1 1 4 化工流程模拟基本方法 从数学上看，化工流程模拟实质上就是对整个化工系统的模型进行求解。到目前 为止，典型化工流程模拟方法有以下三种： 1 ) 序贯模块法 序贯模块法( s e q u e n t i a l m o d u l a rm e t h o d ) 一直是最常用的流程模拟算法， 特别是在工程应用方面。其基本思想是：从系统入口物流开始，经过接受该物流的单 元模块计算得到输出流股变量，依次进行计算，经过过程系统的各个单元，最终达到 2 0 北京化工大学硕士生学位论文 系统的输出流，从而可以解得系统中所有流股的变量值。对于单元模块而言，信息的 流动方向是固定的，只能根据模块的输入流股信息计算输出流股信息。若有再循环流 存在，则需要切断再循环流股，确定断裂的流股集与运算顺序，然后给定全部设备参 数向量，安排定的顺序逐个单元进行模拟计算，各单元的输出流股向量就作为下一个 单元模块的输入，逐个单元计算并迭代使各断裂的流股收敛。其优点是：在模块水平 上，可以使用一种或多种专门的算法去求解描述某种单元设备的模型方程，模块计算 可以达到很高的效率；在水平流程上，无论直接迭代还是加速迭代，一般都能稳定收 敛；程序中的信息流和生产过程中的物流或能流能互相对应，易于为工程师理解；当 计算不收敛或出现错误时，便于进行诊断。缺点是：再循环引起的收敛迭代及进行设 计型计算和解决过程优化问题时很费机时，严重影响其计算效率。 2 ) 联立方程法