（化学工艺专业论文）224三甲基13戊二醇生产废水治理的工艺研究及模拟计算.pdf

青岛科技火学研究生学位论文 2 ，2 ，4 三甲基1 ，3 戊二醇生产 废水治理的工艺研究及模拟计算 摘要 亿誓新技术开发的核心怒工程研究，而工程研究的关键是设计。化工过程 设计包含檄念设计和工程设计。垦蘑，化工过稷设计主要有理谂计算和实验探 索鼹类方法。本文钟对二者结合进行过程综合的具体模式进行了分析探讨，并 在伊士受有机废水治理工艺中进行了实际应用。 针对过程模拟参数的来源不足耀憝，本文绘出了模拨计算稚实验分析桶结 合进行设计的思路。用著名的商用模拟软件a s p e np l u s 进行工艺方案的模拟 计算，并确定优选方案。根提a s p e np l u s 的模拟结果寒指导实验，在实验数 据的基础上，媚m a t l a b 数学分析软件对实验数嚣分析处理，弥补模拟数据的 不怒，同时进行模拟结果的分析。阁校正过的数据再进行模拟、分橱，囊至最 终实瑰设计零b 操炸的最饯化。 本文基于上述方法对伊士是有机废水治理工艺进行了研究。该废水食蠢多 种有机物，污染物结构复杂，毒性大，废水的化学褥氧爨逐6 0 0 0 0 m g l ，为离 浓度存极废水。该废水产量达1 0 1 1 k g h 左右，治理滩度较大。基于本文给出的 采用模损计算和实验分析相结合进行工艺设计的方法，茸走采爆a s p e np l u s 慰可能方案进缛模拟计算，最终辘定了“以废治褒”韵王艺，邵乖j 嗣发永中的 三甲基戊二醇和舜了酸反应合成的酯( 三甲基戊二醇= 异丁酯) 作为萃取剂， 以避免外加萃取剂所带来的回收阅题。然后通过实验对三甲基戊二醇二髯t 酯 的萃取效果进行了实验研究，并对模掇计算结莱避行了分析。同时对三甲基戊 二酵和舜丁酸反应动力学进行了分析和探讨。最终键到7 废水处理抟较忧操撵 方寨，慰处理工艺熬最终确定提供了理论依据，瞧黢谖了本文愚路豹藏确性和 可行性。 总之，本文对伊士曼废水溃理工艺进行了萃取、葳盛实验夸试和稳态模拟 优化工作，褪步验证了本文提出的实验模藏相结合的思路。在以后的工律中还 褥在汗、停车的动态模拟和工业放大等方短进行更深入躲研究。 2 ，2 ，4 一三甲基一1 ，3 一戊二醇生产废水治理的1 ：艺研究及模拟计算 关键词：化工设计模拟实验分析废水治理 青岛辩技火学研究生学博论文 p r o c e s ss t u d ya n ds | m u l a tlo no nt r e a t m e n to f 2 ，2 ，4 一i r m e t h y l 一1 ，3 一p e n t a n e d lo lw a s t ew a t e r a b s t r a c t t h ek e r n e lo f c h e m i c a ln o v e lt e c h n o l o g yi se n g i n e e r i n gr e s e a r c h ，a n dt h e k e yo f e n g i n e e r i n gr e s e f i r e hi sp r o c e s sd e s i g n c h e m i c a lp r o c e s sd e s i g nm e t h o dc o n s i s t so f c o n c e p t u a ld e s i g na n de n g i n e e r i n gd e s i g n a tp r e s e n tt h e r ef i r et w om e t h o d st o i m p l e m e n tc h e m i c a lp r o c e s sd e s i g n ，t h a ti s ，t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n de x p e r i m e r i t 。 d e t a i l so fp r o c e s ss y n t h e s i sc o m b i n i n gt h e s et w om e t h o d sa r es t u d i e di nt h i sp a p e r , a n da l ea p p l i e dt ot r e a t m e n to f e a s t m a no r g a n i cw a s t ew a t e r t h ec o m b i n a t i o ni sp r o p o s e di nt h i sp a p e rt os u p p l ys o m en e c e s s a r y p a r a m e t e r s f o rs i m u l a t i o 矬o fe a s t m a nw a s t ew a t e rp r o c e s s a s p e np l u s ，o n ef a m o u s c o m m e r c i a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ei nc h e m i c a le n g i n e e r i n g ，i su s e dt os i m u l a t ef i r s t , a n do p t i m u mp l a ni sc h o s e nl a t e r e x p e r i m e n to p e r a t i o ni sc a r r i e do u tb a s e do nt h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，a n dt h ee x p e r i m e n td a t aa r ea n a l y z e db ym a t l a bt oo v e r c o m e t h ea b s e n c eo fs i m u l a t i o np a r a m e t e rd a t a t h e ns i m u l a t i o na n da n a l y s i s a l e p e r f o r m e di t e r a t i v e l yu n t i lo p t i m u md e s i g na n do p e r a t i o nc o n d i t i o n sf i r er e t r i e v e d 。 e a s t m a no r g a n i cw a s t ew a t e rp r o c e s si ss t u d i e dw i t ha b o v e - m e n t i o n e dm e t h o d b e c a u s ei th a sh i g hc o n c e n t r a t i o no fv a r i o u so r g a n i c sa n dh a sc o m p l i c a t e ds t r u c t u r e ， i tc o n t a m i n a t e se n v i r o n m e n th e a v i l y t h ef l o wr a t eo fi ti s1 0 1 1 酶p 订h o u r , a n d c h e m i c a lo x y g e nd e m a n di ni ti sa b o u t6 0 0 0 0m g p e rl i t e r t h i sp a p e rg i v e ss e v e r a l s t e p st od e a lw i t hs u c hap m c e s s f i r s t l y , s o m ep o s s i b l es c h e m e sa r es i m u l a t e dw i t h a s p e np l u s a n dt h e nt h es c h e m eo fe x t r a c t i o n u s i n ga l li n n e rs y n t h e s i z e d 1 1 i 2 ，2 ，4 * 三甲基l ，3 - 戊二酵生产废水治理的工蔑研究敷模拟计算 e x t r a c t o ri ss e l e c t e di no r d e rt oa v o i dt h er e c o v e r y p r o b l e m so ft h es o l v e n t e x t r a c t i o ne f f e c t so f 2 , 2 ，4 一t r i m e t h y l l ，3 一p e n t a n e d i o ld i i s o b u t y r a t e a r es t u d i e d t h r o u g he x p e r i m e n t s ，t h er e s u l t si nc o n 投a s tw i t hs i m u l a t i o no n e sa r ea n a l y z e d ， m e a n w h i l e ，r e a c t i o nk i n e t i c sa b o u ts y n t h e s i so f2 , 2 ，4 一t r i m e t h y l l ，3 p e n t a n e d i o l d i i s o b u t y r a t ei sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h er e l a t i v e l yo p t i m a lo p e r a t i o nc o n d i t i o n s o ft h i sp r o c e s sa l eg a i n e d 髓l a s t i ti sc o n c l u d e dv i as u c ha na p p l i c a t i o nt h a tt h e g i v e nm e t h o di sr e l i a b l ea n df e a s i b l e i na l l ，s o m er e l a t e de x p e r i m e n t sa n ds t e a d ys i m u l a t i o n & o p t i m i z a t i o na r e i n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e rt os h o wt h ef e a s i b i l i t yo f c o m b i n a t i o nb e t w e e ne x p e r i m e n t a n dc a l c u l a t i o ni np r o c e s sd e s i g n i nf u t u r e ，p r o g r e s s i v es t u d ya b o u td y n a m i c s i m u l a t i o no f s t a r t & s h u td o w n o p e r a t i o na n ds o m eo p t i m i z a t i o nw o r kw i l lb ed o n e 。 k e yw o r d s ：c h e m i c a le n g i n e e r i n g d e s i g n ，s i m u l a t i o n ，e x p e r i m e n ta n a l y s i s ， t r e a t m e n to f w a s t ew a t e r 毒螽辩技大学磷究生学位论文 符号说鞠 物料流量 液液平衡常数 体积 组成 组分浓度 化学需氧堂 异丁黻的转亿率 潘纯链 反应速攀鬻数 蕈遗度下的化学乎赞常数 指兹魏子 物质的摩尔数 反应遮率 通用气体常数 时问 滠废 攀取棚 翠余糨 进辩 臻料 f 缍分 舅丁酸 f 茁 y x c 脱 膏 毒 岛 岛 拧 r 露 ， r 陈 e 定 加 耐 ； 口 f 茁 y x c 倒 膏 毒 岛 岛 拧 r 露 ， r 确 e 定 加 删 ； 口 2 , 2 ，4 一三甲基1 ，3 - 戊二雕生产废水治理的i ：艺研究及模拟计算 2 t m p d t x i b 水 正爱应 逆菠应 反成初始时刻 催化剂 6 d w + _ 0 c 青岛科技太学研究生学侮论文 前言 纯王谖计是基勰磷究与过程研究的指南，怒工程建设的灵魂。目前，亿工 过程设计主要鸯理埝诗算帮实验探索两类方法，蓊者逶常是概念设计与过程模 拟挺结台，鼹然不爨建立孛阉试验厂不薅潢耗缀零孝料，受不会垒产凄“凌品”， 具有经济、安全、试验皴短以及速度快等优点。但玄忽貉实际操非牵霹能出现 的多神复杂因素，旦由予模拟软馋的数据库不究整等羼眼性，镬褥设计结聚逶 常偏离实际。而实验探索则会占用大量的人力物力，反镁恩期长，鼹过多俄犊 子分析测试手段以及实验数据的可靠性，尤其对于中试以上规模，不易实瑷实 验操作。 本文从系统工程的角度对设计问题进行研究，绘出了模拟计冀与实验分板 相结合进行过程设计的方法。用a s p e np l u s 模拟计算结果来指导实验，再采 厢m a t l a b 等计算工具把实验结果分析处理后来补充模拟纂础数据的不足，并 探讨模拟结果的可信度，二者结合以实现设计与操作的最优化。并针对禽有多 组分有机物质的伊士受有机化工废水治理实例进行了应用，验证了该方法的优 越毪。 赛鲁伊圭曼精细仡工有限公蠲是荚国伊士曼( e a s t m a n ) 化工有限公司与中石 纯齐磐石拖公司合资成立静 瞪弄级爝模韵羰萋衍生杨工厂，位子由系淄博齐鲁 蠢诧瓣现有厂区。主要产品势t e x a n o l 繇酵和t x i b 增塑帮。 2 ，2 ，4 - 三甲基1 ，3 一戊二醇，又翻三甲簇戊二辩，簿称t m p d ，是t e x a n o l 酯 醇积t x i b 增塑裁躲褒飒纯王孛阕体之一，楚近3 e 笨发鼹起来鹩一种兵销潜在 用途的有机他工中闯体，在表恧涂料、露涟翔工、等行蜚孛漫汞港广泛翔途鞫 很高的商业份值。合成t m p d 的原辩为霁丁隧，e a s t m a n 采翅以下王艺。吴丁 醛在碱性条件下是身避行缀合( 交叉c a n n i z z a r o 法) ，生成2 , 2 , 4 三甲基3 斑蒺 戊醛，经减压分离后，再于岗压催化条l 牛下进行选择性热氢，生成t m p d 。该 工艺过程中产生大量废水，约1 0 1 1k g h 。污染物肯定食鸯异下醛、黪t 酸等多 种有机物，而t m p d 拥有上述的广泛用谂和很高的巅业价值，其废水治联显褥 尤为黧要。污染物结构复杂、肖毒、有窖，治理难度大，废水的化学霜氧量( c o d ) 近6 0 0 0 0 m g l ，为高浓度有机废水。糟直接排放，对环境造成极大危客。 本文厢提出方法对该废水处理过程进行了研究，进行了以下主要正作： 1 ) 针对废水成份，选取萃取剂，初选工艺方案： 2 , 2 ，4 三甲基- 1 ，3 + 戊二酵生产废水治理的：艺研究及模拟计算 2 ) 用a s p e np l u s 建立相应的工艺流稷，对流程进行模拟，确定工慧方案。 预测各组分的分配系数等需要测定的德，以此指静实验，与实验络果相对眈； 3 ) 苓取分离实验潋及2 , 2 , 4 - 三甲蕊一l ，3 一戊二簿露具丁酸反应掇理及动力学 研究； 4 ) 利厢实验数据处理结果指导工慧流程的模稼与优亿，确定工艺的疆优搡 终条 孛。 4 毒蕊礴接大学 l 究生学缱论文 1 袍王过程设毒卞概述 1 文献综述 工程黪嚣戆在于奄造瑟静甥震鬓| 塞。在位学工獠中，我戴试翟逶遘穗学( 或 生物) 的变化和，或物质的分离来完成此目标。过程设计是对这个目标谶行创造 怯活动的艺术。 1 1 化工过程设计与开发现状 我国的“化工薪技术开发嚣理条例”从试行至今，已经二十多年。经过反 畿实践，醴菔表暖纯王新接术开发的核心是工程研究，而工糨研究的荧键是设 计。它是基础研究与过程研究的指南，是熬个开发改造研究过程中至关照要的 令步骤，跫工程建设戆灵凌。鼗工过程设诗篷含壤念竣诗鞠王程设诗。 概念设计是结合_ 歼发性基础研究的结果、文献的数据以及现有类似装簧的 操作数据和正程经验，按照所 歼发的新技术工业化舰模丽做鼢的预想设计，用 爨揍导过程疆究及摄纛霹秀发镶萋稽研突避一步静试验要求f l l 。褫念设誊 豹羁 标是寻找最健工艺流稔和估算最佳设计条件，是基础研究与过程研究的指南， 是燕个_ 开发研究过程中十分关键靛一个步骤。它不湖于工程设诗，不能撰为施 工静依据。德是，成驹豹概念设计不但可以大量节农宝贵羽入力物力，而且可 以加快新技术开发的速度，提简开发的水平和实用价值。而工程设计主蒙指在 橛念设诗戆鏊旗上遴柱深入熬会蔽与评嫠，对暴赛熬浚荟进露雯严辏瓣浚谤窝 费用核算，将成本预算视为工业化生产的一个重要溯索。与此相比，概念设计 则阿以看作“粗糙”的设计，但宅对工程设计起黄关键性的撩鼯作用。谯下文， 掰揍戆遘程浚诗主要怒概念设计。 设计问题和其他工程问题的童要区别就在于缺纛明确韵定义，即：定义设 计阀题所需憋信息只蠢很少一部分可以扶阉题的陈述孛褥妥。聂常情猿下，要 我国费用最低的方案( 扶1 0 4 1 0 9 个可能的方案中去找) ，但怒也必须确保过程 的安全性，能满足环境保护的要求，易于歼工和操作簿。对于初学设计者来说， 经缝爨矮设诗秘译售较多熬方案。嚣兹，瀵毒经验熬凌诗久鬟驽惠耨墅鹚蘧静 2 , 2 ，4 三甲基1 ，3 一戊二醇生产废水治理的：_ 艺研究及模拟计算 时候，由于缺乏经验且找不到类似的过程可以参考，往往首先采用简捷设计法 作为方案比较的基础，把额外计算工作量减到最小，但工作逐步深入时，应该 总是集中注意力于全局性的问题。简捷计算仅用于方案筛选。如果发现该过程 有经济效益，就将采用严格的设计计算，以丌发出一个或几个最佳方案的最终 设计。 目前，化工过程设计主要有理论计算和实验探索两类方法，前者通常是概 念设计与过程模拟相结合，虽然不需建立中间试验厂不需消耗原材料，更不会 生产出“废品”，具有经济、安全、试验期短以及速度快等优点。但它忽略实际 操作中可能出现的多种复杂因素，且由于模拟软件的数据库不完整等局限性， 使得设计结果通常偏离实际。而实验探索则会占用大量的人力物力，反馈周期 长，且过多依赖于分析测试手段以及实验数据的可靠性，尤其对于中试以上规 模，不易实现实验操作。由于设计问题的定义不明和无止境性，而且其成功率 低，所以需要开发一种解决设计问题的策略。因为设计要评估过多的过程方案， 要采用独到的过程合成和分析的策略，这就需要用一种系统工程观点来代替单 元操作观点。目前，过程系统工程研究仍然是研究热点，从最早的过程稳态模 拟、动态模拟发展到现在的过程综合研究，充分说明了它的潜在优势。主要从 以下几点进行阐述。 1 1 2 过程综合技术研究 化工过程综合是研究对给定原料及需求的产品如何产生理想的工艺流程的 方法，它能促使化工工业生产节能降耗、减少环境污染及合理利用资源。传统 的化工过程系统设计是首先进行工艺设计，引起的三废排放，统一由三废处理 单元进行加工处理，以达到排放标准要求。这种化工过程可以很好的解决生产 过程的能耗问题，但对整个化工生产而言，需要增加后续的三废处理单元，增 加了生产成本。我们所希望的是整个化工过程的最优化，不仅要追求经济效益 最大，而且要使三废排放最小，达到经济效益和社会效益的最大化。近年来， 随着环境问题逐渐被人们所重视，给化工过程系统设计提出了更高的要求。 过程综合的概念是r u d d 2 在六十年代首先提出的，指的是按照规定的系统 特性，寻求所需的系统结构及其各子系统的性能，并使系统按规定的目标进行 最优运转。过程综合是化工系统工程的核心内容，由于这一问题的巨大吸引力， 一直受到众多学者的关注。三十多年来，过程综合已在以下领域开展研究并取 得了不同程度的进展。过程综合的任务是设计一个最优过程系统，将过程系统 分为若干类子系统，便形成若干过程综合的研究方向：换热网络综合、分离流 程综合、反应器网络综合、反应路径综合、公用工程系统综合，研究包括反应、 分离、换热、公用工程等子系统的全流程综合问题当然就称为全流程综合。 6 青岛科技火学研究生学位论文 其中，抉热嚣网络综台在学术上已取得壅大突破，部分研究成莱奁工监上 获得应厢，并产生了巨大的经济效益p ，4 j ：分离流程综合自7 0 年代发生石油危 机以来，直悬过程综会的硪究热点之一，势取季导了显著的避裂5 ，6 l ；反应路径 综合以及菠瘦器网络综合起步较晚，虽然近年来氇取得了很大的成就，但无论 从深度还是从广度上看，研究工体还远不完整f 7 8 ，9 】：公用工程系统传捷过程系 统的支撵予系绞，其综会阏题的研究也弓 超了愈来愈多的燕注f 糟；全流程系统 综合作为一个最终目标，舀前尚处于探索阶段弧住】。 从能量变化或物料变化的角度，人们烬过程综合分为嚣大类阕鼷，即能蜃 综合帮物料综合。 早期的能量综合提出了探试法、分棱界限法和超结构法【剐。1 9 7 8 每l i n n h o f f 提出并发袋了夹点分柝法，邋过对冷热流的温焓冒( 表) 的分析，找出了换热 器溺络的夹点。和用夹点的特征来寻求能量隧配的最优方案。夹点分板法用图 示的方法进褥分板，因甄巍戏、易懂，骞蓑非常潘糍的物理概念，从中所得结 论对过稷系统的设计、改造均有着明确的指导意义，且与使用它的工程技术人 员有良好的相互作用。因此，夹点技术阅世厝，很快在全世舆藏围内的工业爨 弓l 起极大反嫡，得到了广泛应用，劳取得了极为翡显静节能和经济效益。诧法 也被浠于精馏过程及热集成问题的研究。 对物斟综会阅题，如分离过程综会、反应器鼹络综合及反应路径综合闻题， 辨究韵重点是知何献众多流程方案中尽快魂搜索到最优解。为此，人们发展了 许多物料综合研究的策略和方法，主要商： 1 ) 分层决策法 d o u g l a s 1 3 , 1 4 悛展了全流程概念设计的朦次模型。在进行概念设计时需要运 用过程综合的理论和方法，因此，关于概念设计方法的研究本质上就是失手过 程综合理论秘方法的研究。扶这个意义上说，概念设计有过程综合的含意。这 种方法优势在于能够和用人类已有的知识和经验，迅速缩小庞大组会问题的求 解空间。缺点是在决镶的过程中往 星会遗漏了更好躯替代方案，不能保证得到 闷题静最优解。 2 ) 灵敏度分析法 c i r i c 等i t s , e 6 把污染攒振与过程的净利润紧密结合起来，提出了最大净辎润 对不确定性扮滚料鲑瑗费用的灵敏度分析方法。通过灵敏度分析和多目标优化 之间的基本关系，采用定量分析的方法馒废料最少的蒯聪获得净利润最大。该 方法主要鼹予爨鸯秘始濂程的情况下，遗过定蹙分析优化采用基于超结构的数 学规划法来确定其体的流程结构及操作参数。其缺点是不能用来产生初始的溅 稷。灵敏度分攒法实际上体现如秸“环境经济学”的思想，入们往往不可避 7 2 , 2 ，4 三甲基1 ，3 - 戊二醇生产废水治理的工艺研究及模拟计算 免地要在环境污染最小与经济利润最大之间作最优的权衡。 3 ) 模拟优化法 9 0 年代以后，有很多人投入于模拟优化方法的研究中。美国麻省理工学院 m i t 的s t c p h a n o p o u l o s 等人开发了b a t c h d e s i g n - k i t 。这是一个考虑环境影响 的间歇过程工艺流程开发平台。新泽西工学院开发的一套末端治理的计算机辅 助设计软件【1 8 】，它是一个模拟评价与专家系统相结合的系统。它首先检验排废 物流的数据第一步，它推荐各种回收再循环替代方案。第二步，对那些无法 回收或再循环的物料，推荐三废处理和排放替代方案。1 9 9 4 年f l o w e r 等【1 9 j 提 出一种基于模拟的洁净工艺过程综合方法，由两个子系统构成：程序模块及流 程优化器。 英国帝国理工学院1 9 9 5 年提出“环境影响最小化方法”m u m ( m e t h o d o l o g y f o re n v i r o n m e n t a li m p a c tm i n i m i z a t i o n ) 1 2 0 , 2 1 】，试图把产品生命周期分析与过程优 化结合起来。所谓产品生命周期与前述过程生命周期是两个概念，这是指不仅 要考虑某个化学产品的制造工艺本身，还要考虑提供原料的上游制造过程所造 成的环境污染及产品应用过程造成的后果。他们的案例证明：只考虑操作成本 最小与同时考虑污染最小的效果很不同，后者可做到操作成本大体相同条件下 使污染下降5 0 以上。 1 2 化工系统工程介绍 利用计算机高超的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，经过几十年的发展， 现在已经发展成为一种普遍采用的常规手段。化工过程流程模拟是过程系统工 程中最基本的技术，不论过程系统的分析和优化，还是过程系统的综合，都是 以流程模拟为基础的。 1 2 1 流程模拟概述 将一个由许多单元过程组成的化工流程用数学模型表达，并在计算机上解 算其物料及能量衡算方程，并进一步计算各单元设备尺寸及成本的模拟称之为 流程模拟。按过程系统模型的计算模式不同，可分为模拟型、设计型和综合型。 如果考虑模拟对象所要求的特性与时间的关系，又可分为稳态模拟和动态模拟。 稳态模拟是发展相对比较成熟的技术，而动态模拟则是相对较新的研究领域。 1 ) 稳态模拟 青岛科技大学研究生学住论文 稳态模拟是化工过程流程模拄 研究中开发的最早和应用最为酱遍的种重 要技本，它包括物料和能量衡簿、设备尺寸和费用计算、过程技术经济评价。 从数学角度来看，其实质是求解一 眭性方程组，8 0 年代发展成为工艺设计及 过程分析的常规手段；从系统结橡角度来番，稳态漉稷模拟一直沿蔫两条平行 的路线发展，即序贯模块法和联立方程法( 强向方毽法) 。 所谓联立方程法，就蹩将化工系统模塑以方程式完整表述出来，包摆单元 模型方程、杨流联系方程叹获设计要求方程等三大类方程，这些方程通寓组成 一个相当庞大的方程组，戳该方程组为求解对象，采确适当的方法对其直接进 行求解露达到对整个瀛稷的模拟。箕特点楚将操作单元模型方程、物性方程、 渡程拓扑方程及设计规定等组成联立方程缀联壶求解，不必进行选代。由于一 个化正滤程往往需要涉及几千万个等式，这耱要求大船模代数方程组弊法、较 好的初值及防止收敛失败的磺施，不如序羹模块法容易实现。蔼按照实际化工 系统中工艺物流的流向对单元操作模块进行逐个模块模拟期为序贯模块法。这 两种方法计算流程如图l * 1 所示。 尊【黄横块拣 磁盘露程接 矬始蠼毒礁镰 藏雌 i 箍俸糕鼙鸯糖鞭 糟摊许葺靠耱壤 蠢糨籀捧赣赣臻 l l 求群鞋立方翱豌| l l 垒蠢摇谛苒辅浆 蹿1 - i 穗态混程模耘痨神方涤流糕 f 弛i - 1t w om e t h o d s o f s t a b kf l o ws i m u l a t i n g 不难看出，序贯模块法相当容易应明，便予使用和通用饿，褥显对操作人 员的要求不燕很高，一般的工程技术人员都可对箕进行操住。援反，年代由 英国帝国理王学院s a r g e n t 教授酋先甸始盼联立方程法虽然商很多的优越性，但 9 2 , 2 ，4 三甲基一1 ，3 - 戊二醇生产废水治理的i ：艺研究及模拟计算 解方程组涉及比较专业和运用娴熟的数学知识，浚法对操作人员的要求相当高， 阻碍了它的广泛应用，所以至今尚未很好的商品化。两者的比较如表1 1 所示。 表1 - 1 稳态模拟两种方法比较 t a b l ei - it h ec o m p a r i s o no f t w om e t h o d sf o rs t a b l ef l o ws i m u l a t i o n 序贯模块法从5 0 年代发展至今仍然是目前应用最为广泛的模拟方法。而且 从实用角度出发，工业部门一直主张发展该法。自从1 9 5 8 年美国k e l l o g g 公司 推出第一个实用软件f l e x i b l e f l o w s h e e t 以来，序贯模块法已经经历了三代发展， 其代表是a s p e n ( 现已更名为a s p e np l u s ) 和s i m u l a t i o ns c i e n c e 公司开发的 p r o c e s s ( 9 0 年代更名为p r o i i ) 。a s p e np l u s 正是我们进行模拟计算的工 具软件。 2 ) 动态模拟 动态模拟技术广泛应用于对各种过程系统的行为分析、预测与决策，研究 过程系统参数随时间的变化规律，从而得到有关过程的正确设计方案或操作步 骤。过程系统的动态特性并非完全可以从静态特性或者根据经验推断得出，而 且往往这类推断是不全面的，有时甚至是错误的。而认识判断的失误往往是导 致事故发生的根源，因而对于重要的过程，采用动态模拟技术深入研究与分析 其动态特性是十分必要的。 在化工生产过程中，开、停车是极其重要的环节。在这一环节中不仅有大 量的设备需要开始投入使用或停止操作和运转，而且有大量的物料需要处理。 任何疏忽或处理不当都极易产生各种各样的事故，从而导致严重的经济损失或 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 人员伤亡。对于大型的石化装置，每开、停车一次，即使是完全正常，也会遄 成数十万元、甚至数百万元的经济损失，豳此生产管理者无不对开、停车过程 给予离发重褫。然而在没有应雳渤态模毅簸术盼情况下，开、停车过程主要根 据经验进行搽作，不可能、也不龛谗囊接在装甏上徽矮秘实验。开、搏牵步骤 是否完仝正确、恰当，很少能从理论上预测。因而对于操作者来说，积累丰塞 的经验怒至关重要的。 要解决这稀翊题，通常有两葶孛愚漆。一是建立生产过程物理模疆，在物理 模型上磺究过程的操佟往必。但这秘方法糕资、耗嚣孝，嚣量建寝复杂系统的锈 理模型的难度很大。另外一种思路即是采用动态模拟技术，首先建立准确描述 过程行为的动态数学模型，然后阁其研究开、停车过程的动态行为，借助动态 攘攘技术系统缝探讨帮分析汗、停车豹待豫，袄丽指导开、停车过程的实施。 采用动态模拟技术，可以缩短开终车聪越，尽挟达到稳定搽佟状态或安全箨车； 避免可能产生的误操作戏事故；减少不合格产品t 保证开停车过程的正常进行。 建立动态仿真系统是动态模拟技术的一项重要用途。幼态仿真系统用来模 撵装置懿实际生产，它不仅撩褥剿稳淼的搡作情况，更重爱的建，借助动态仿 真技术可以黢意改变某些可诞量，人必造戏过程熬动态交纯条佟，扶瑟系统逡 考察干扰存在时系统行为的变化，其仿真效果一目了然。因而动态模拟技术已 经程教学、生产过程培训以及生产过稷调优方面得到广泛陂用。 传统熬过程系统工程多褥限予辩傀工生产过程执设计、搡作或控制艨面上 进纷建模与优化，均属技术领域。返零来，琏罄藩际露场耱竞争塞浚塞熬，入 们磁在试图通过改进企业业务过稷以降低成本，提高产品质量和缩短市场的响 应时间，从而保持在竞争中的优势。因此，耍在企业内部将工作过稷、人的参 与淤及二者闽的褶豆俸瘸、软件与硬件阉的相互作薄综合集成起来的同时，将 企业本身与其鼹生存熬坯境桷结会，遴过过程系统技零与镑理戆综含集戒来实 现过程企业整个供应链的整体优化和可持续发展，充分发挥动态模拟的优势圆。 计算机集成制造系统( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r es y s t e m ，c i m s ) 是今 磊发展方淘之一。来来酌过稷系统综合研究热点在以下3 个方面；工艺流程 和生产方寨鲍会成( p r o c e s ss y n t h e s i s ) ，主要蓬静楚寻求援术先遴可靠、操作优 化合理的正艺流程，这方面的成果主要应用于小规模、多品释、多批量、滚骥 复杂、高附加值产品的生产过程，如农药、医药、精细化工等部门的优化排产 漓题；能量系统集成( p r o c e s se n e r g yi n t e g r a t i o n ) ，主要是对能煮系统迸行祸合 集成，降低戆耗； 铁避程繁残悉路凄发，结合生态互壁鬻蘧实弼送行动态流 程模拟，程此基础上开展不确定条件下质量交换瞬络隧枫模霆! 优他方法鹊磺究， 以及进行旗于模糊知识接理的过程综合是十分重要的课题【2 3 1 。 2 , 2 ，4 - 二甲基- 1 ，3 戊二醇生产废水治理的l ：艺研究及模拟计算 1 2 2 化工流糕模拟技术现状 豳外化工过程模拟1 2 4 1 始于2 0 世纪5 0 年代中后期。1 9 5 8 年，荧国k e l l o g g 公霉攀爱推出纯工遭程摸羧程_ l 芋一燹淫渡程摸掇系统( f l e x i b l ef l o w s h e e t i n g ) ，势 在当时的化学工程界产生了很大的影响。第二代流程模拟系统是在7 0 年代出现 的，比第一代有更为齐全的化工单冗模块和规模较大的数据库，使用高级谶言 编程，诗募方法较先遗。蒺主要我袋有美鏊s i m s c i 公司匏p r o c e s s 系统， c h e m s h o r e 公司的d e s i g n 2 0 0 系统，盂山都( m o n s a n t o ) 公司的f l o w t r a n ： 日本予代田工稷公司的c a p e s 等。开发工作爨为( 2 0 - - 6 0 ) 人年，开发费用在1 0 0 万美元左右。s o 年代歼发成功了第三代流程穰獗系统，藏代表是荚国麻省璃工 学院的a s p e np l u s 系统和s i m s e i 公司的p r o i i 系统。a s p e np l u s 的开发 工捧麸1 9 7 6 每越，历嚣5 箨，糕爨6 0 0 万美元。燕三我模羧系统黪主要进步楚： 开放式结构、可随意组合单元、物饿数据更丰富、应用颁域更广泛、窗口醋形 技术使用更方便。这些模拟系统在化学工程锁域产生了庭要影响并发挥了躐犬 静幸筝瑙。有酶软释至今识然是菜骜设诗部门鹣毖不霹多瓣王吴。 谶入8 0 年代后，化工过程模拟淹向了它的成熟期，众多动态模拟软件纷纷 雄出，模拟软件约开发、研制走自专业化、窝晶他。模拟计算的准确性、w 靠 性大大加强，应掰范围不断拓宽，功能更加丰富，使用愈加方便。8 0 年代聪纯 工过程模型化更重要的发展方向是人工智能的歼发环境。专家系统的模型化开 发珏壤是3 0 冬l 弋露鬟发麓熬标惑。1 9 8 7 攀美国褒蠢理工学簸营先攘爨了 d e s i g n - k i t 系统，能进彳亍数量缀分析及自由度分析，支持面向对象的过稷模 拟设计。9 0 年代后，神经元网络( a n n ) 在化学正程各个镁域中的成用增长很快， a n n 提供了一耱薪熬臻琵瓣题求瓣方法，帮a n n 往豫技术。簸其代表静誊 m p 模型、h o p f i e l d 网、b p 网络、动态b p 网络、b m a c 以及模糊神经网络等 等。 我豳佬工过程模拟超始乎2 01 鎏筑6 0 年代宋，整个7 0 年代是掰内自孬开发 模拟软件的大发展时期。随着计算机硬件的飞速发展，正程技术软件从仅限于 足令公式、几蕞令语鸳垂冬糕痔发曩成为具有嶷姆爨嚣、多耱诗篓枫语言、多功 能的软件系统。1 9 7 7 年原化工部第溉设计院在国内率先推出了大型烃类分离模 拟系统，并成功地用于大型3 0 万如乙烯装置的计算。鹜7 0 年代术8 0 年代初， 国内模羧获释承乎邑接遥鬻终静先滋永平。雯深层次的模羧技术一先进控髑程 动态模拟，却起步于2 0 世纪9 0 年代，并且仅仅在为数不多的大型工业装鼹中 实现，实时优化慕本上处予空白。如何赶上世器先进水乎，是今薅系统工稷券 值得深入思考的问题。 圜内化工模拟软件的开发力量擞簧集中在化工设计院、大型炼油石化奄北 1 2 毒麓秘较大学 | i 究生学镑论文 和大专院校。我国臼6 0 年代中期开始流程模拟软件的开发工作，主要有兰州石 像设诗莰。劐7 0 零 弋，j 衷露绽工疆公司、洛阳舔像工程公霹秘l 毫窳浚诗院撵 继开发了一批油品分离塔、多缌分精馏塔、冷换设备等专用工艺计算程序。8 0 年代后期，兰州石化设计院和大连理工大学合作开发的合成氮模拟程序、青岛 拖工学貌瓣e c s s 系统、j 寨浚诗陵酸森兰丁方簸为墓磴舅发鹣整诧裂纯爱盛一 褥生模拟软件c c s o s 等具有较高水平。犬连理工大学也于1 9 8 9 年推出c h e e s t 汗发环境，它集成了化工领域知识库、鬻薅模型黪、图形黪及蘧自对象瓣纯王 数摇库。稳是，这鎏软件就其综合水平器，在应掰深度和广度、软件的商品纯 程度等各个方面，还远不及发达国家。 1 。2 3 瀵疆援型弱校正 过程系统优化w 分为参数优化和结构优化 2 5 1 。参数优化是指：在已确窟 的系统流糨中对其中的操作参数( 如温度、压力替) 进行优选，以满慰某项指 标( 麴费翔、笺耗等这囊最优。翔采改交过程系统孛熬设备粪耄躐箕穗互阉 的联结，以优化过程系统，则称为结构优化。参数优化的理论研究及实际应用 瑕度要比结梅优化熨成熟。 在舔露的模摈巾，所采掰掰选用静热力学模黧、参数犬都选用软件自带的 数据，但对于有些稀有组分来说仅仅是用分子式、密度等来译找类似的物质往 缝是豹模羧效果欠馕。骞些磅究者使鼹支簸孛赁鑫鼗浆参数黪入模壑，毽取缮 了较好的效果。本文中采用软件中所用的算法，氍结合试验所获取的数据，能 使得更接近实际情况。 1 。2 4 多耱篝法程豫王系缝鼍蕤审戆藏嚣 多种算法被很好的应用于化工过程鬣统综合问题，其中遗传算法翱模拟退 火算法在这方面得到了广泛应嬲。大量黪文献中袭骥，这些冀法和它们鹃结合 使用能缀搿魏解决复杂的纯王系统工程黼越搿捌。这些算法燕要分为两大类： 数学规划方法和人工智能法。 1 ) 数学艇划方法 数学规划包括线性规划、非线性规划、整数规划和动态舰划等，它是运筹 学的一个黛要分支，早在1 9 3 9 年苏联的h b k a h t o p o b 和美国的希奇橱克 f l 。h i t c h o a c k 等久赣程生产维缀管理羁粼定交逶运输方案方糯营宠赣巍轻痉难 一线性规划方法。1 9 4 7 年旦茨格等人提出了求解线性规划问瓤的单纯形方法， 为钱性规划的理论与计算奠定了基础，特别是电予计冀机的蠛现秘爨靛宠巷， 鬻使规划论得至h 迅速豹发展，珂用电子计簿视来处理成千上= j ! 个约束条件和变 鬃的大规模线性规划问题，从懈决技术阔题的最优化，到工嫩、农业、商业、 交逶运竣效黻及决繁分辑部门郡霉鞋发撵绍罨。扶蘧嚣寒看，夺戮一个斑篷秘 2 , 2 ，4 - 三甲基- l ，3 - 戊二酵生产废水渝理的r 。艺研究及模拟计算 计划安摊，大至整个部门，以至国醚经济计翻的最优化方案分析，它都有粥武 之地，具有适应性强，应用面广，计算技术比较简便的特点。非线性规划的基 礁避王馋窝是农1 9 5 1 年耄h 。w , k u h n 露a 。w t u e k e r 等入宠戏豹，剿了? 0 零钱， 数学规划无论怒在理论上和方法上，还是在j 陂用的深縻和广度上都得到了进一 步的发展【2 8 。m 。 数学餐鞠静骈究对象楚计划管理工俸孛蠢关安攥霸嵇僮懿阕熬，簿凌黪主 要问题是在给寇条件下，按某一衡爨指标来寻找安排的畿优方案。它可以液示 成求瓣数在满足约束条件下的极大掇小值阅越。 如采约束条侔稻蟊标黼数都是肇线性关系的就瞄线性规裁。甏解决线髋艇 划问题，从理论上讲都要解线性方程组，因此解线性方程组的方法，以及关于 行裂箴、矩蓐懿翔识，裁是线犍燕期申菲豢努要豹王其。线牲觏划爱其解法一 单纯形法的出域，对运瓣学的发展越了重大的推动作用。许多实际问题都w 以 化成线性规划束解决，丽单纯形法曩是一个行之有效的算法，加上计算机的出 瑗，傻一些丈黧复杂的实际霹题豹解决藏蔻壤实。 如果目标函数或约束条件中包含非线性函数，就称这种规划阎题为非线性 规划阅题。j # 线性翘划是线性规划的进一步发展和继续。许多实踩目题如设计 闷题、经济平衡闽题都属于非线性魏划的范畴。一般诞来，解菲线性勰瓢溪眈 解线性规划问题困难得多。而且，也不像线性规划有单纯形法这通用方法， 线溪壤翻嚣蘸还没青逶予各耪翊避熬一蕺冀法，冬令方法郝毒爨己特定瓣逶 用范蹦。非线性规划扩大了数学舰划的应用范围，同时也给数学曩作者提出了 许多蒜本理论问题，使数学中的如凸分析、数值分析等也得到了发展。还肖一 耱纛麓阕菇彝簿鬻有关，嘲骰“动态矮划”。逡年来在量程控裁、技术耱瑾稀遴 讯中的最佳控制问题中，已经成为经常使用的重要工具。 2 ) 人工智能 模拟遗火冀巍妒”( s i m u l a t e da n n e a l i n g ，简记为s a ) 楚一种能疲掰到求最小值问 题或糖本先前的更新的学习过程( 随机或决定性的) ，宦的思想最早是m e t r o p o l i s 等提爨豹，t 9 8 3 冬k i r k p a t r i c k 等凑茭建手组合後纯。s a 舞法是基予m o n t ec a r o l 遥 代求解策略的一种随机寻优算法，藏出发点鼹基于物理中固态物旗的退火髓程与 一般缀合优化问题之间的相似性。模拟退火冀法在某一初温下，伴随温度参数地 不瑟下降，结食穰率突懿特往在辩黛间串随橇寻找鹜稼涎数煞全弱簸筑麓，朝在 局部优解能概率性地跳出并最终趋予全局最优。在此过程中，每一步更新过程的 长度都与狸应熬参数成委比，这些参数扮演麓温度的爱穗。 就函数最小值问遂来说，模叛邋火的主要思想是：谯搜索区闻( 二维平面 中) i 嗡机游走( 即随机选择点) ，再以m e t r o p o l i s 抽样准则，使随机游走逐渐收 宵岛科技大学研究生学位论文 敛于局部最优解。而温度即是m e t r o p o l i s 算法中的一个重要控制参数，可以认 为这个参数的大小控制了随时过程向局部域全局最优解移动的快慢。 冷r 帮参数表、矮域结梅帮新解产生器、猿受獾剩靼随辍数产生嚣( 帮 m e t r o p o l i s 算法) 一起构成算法的三犬支棱。 遗传