（系统工程专业论文）苯乙烯单元仿真培训系统开发.pdf

学位论文数据集 中图分类号 邗刑d 7 学科分类号如易p 矽 论文编号 t 睁d | o 凋p p d 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 乡告编号苇 学号z 。p 妒口p p p 获学位专业名称 季i 勿移中l 获学位专业代码 b 8 l tp 课题来源 县似碾目 研究方向 彳 泛石丽允 论文题目 和坼耳勿彳方夏乞苦认叫亏 乞再次 关键词 袅芬讳断墨谯彬伤袭谵讧-雾仫仿攻彳留 一 i 论文答辩日期 问弓 论文类型 彳覆听屯 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 指导教师 翘轴教才曼熵c 杉2 炼亘程访戛斑雹磊 评阅人1 融斋南乙寸晾急方f 方夏 评阅人2 如f l f 脑自融i 釉蚩扎茸眦锵 评阅人3 评阅人4 评阅人5 答辩委员蝴 强靖离工扎茸筋f 夯夏 答辩委员1 勿i 槲西撇； 胡瑙 答辩委员2 ；t 奴j 一 剐教破撕竹酶 i 答辩委员3 答辩委员4 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询 三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 四论文编号由单位代码争年份及学号的后四位组成 一 ， 为背景，开发苯 单元仿真培训系 系统开发。工艺 模型开发是指调用p s s p 平台单元子模块和苯乙烯装置特有的单元模块， 建立全流程的系统模型。仿d c s 系统开发是建立仿d c s 现场操作界面， 并连接仿d c s 现场操作界面与系统模型进行数据通讯。 本文不仅介绍了常用单元模型的建模原理，如管网流量计算模型，而 且详细阐述了精馏塔和乙苯脱氢反应器算法的实现过程。根据精馏过程动 态特性，将精馏塔分段建立数学模型，每段塔近似抽象成一块虚拟塔板， 每一段汽液达到相平衡，并由此建立了精馏塔模型。脱氢反应器采用了简 化的动力学数学模型，把复杂的反应处理成一个主反应和两个副反应过 程，这样处理能大大简化模型计算，并且能保证精度要求。 苯乙烯单元过程仿真培训系统应用实践表明，模型的计算结果与装置 的设备设计数据非常接近，达到仿真培训系统的精度要求。本软件的模型 是基于机理的数学模型，能够很好地反映装置实际运行情况，具有较好的 动态特性，所以通过本软件的使用，能使培训人员深入理解工艺原理，快 速掌握设备操作技能。+ 关键词：苯乙烯，过程模拟，仿真培训系统，仿真平台 北京化工大学硕士学位论文 d e v e l o p m e n to fs i m u l a h o nt r a i n i n gs y s t e m f o rs t y r e n eu n i t a b s t r a c t t h et h e s i si sa b o u tt h ew o r ko fd e v e l o p i n gs t y r e n eu n i ts i m u l a t i o n t r a i n i n gs y s t e mf o rh u a b e ip e t r o c h e m i c a lc o r p o r a t i o ns t y r e n ep l a n tw i t ha n a n n u a lo u t p u to f8 0 ，0 0 0t o n so fs t y r e n e d e v e l o p i n gs t y r e n eu n i ts i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e mb a s e do np r o c e s s s y s t e m s i m u l a t i o n p l a t f o r m ( p s s p ) i n c l u d e s t w om a i n w o r k ，s y s t e m m o d e l i n ga n dv i r t u a ld c sd e v e l o p m e n t s y s t e mm o d e l i n gi sc a l l i n gt h e e x i s t i n gm o d u l e sf r o mt h em o d u l eb a s eo fp s s pa n da d d i n gt h eu n i q u e m o d u l e so fs t y r e n eu n i tt ot h em o d u l eb a s e ，t h e nc o n n e c t i n gt h e mt ob u i l da s y s t e mm o d e l v i r t u a ld c sd e v e l o p m e n ti st oc o n f i g u r et h ev i s u a ld c s a n d s i t e o p e r a t i o n i n t e r f a c e sa n dl i n ki n t e r f a c e st o s y s t e m m o d e lf o rd a t a e x c h a n g i n g t h i st h e s i si n t r o d u c e dp r i n c i p l e so fb u i l d i n gg e n e r a lm o d u l e s ，s u c ha st h e p i p en e t w o r km o d u l e i ta l s od e t a i l e dt h ed i s t i l l a t i o nc o l u m na n de t h y l b e n z e n e d e h y d r o g e n a t i o nr e a c t o rm o d e l i n gp r i n c i p l e s a c c o r d i n gt od i s t i l l a t i o np r o c e s s d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ，t h ed i s t i l l a t i o nc o l u m nc a nb ed i v i d e di n t os e v e r a l s e c t i o n s e a c hs e c t i o ni sav i r t u a ls t a g ew h i c hh a si t so w nv a p o r l i q u i dp h a s e e q u i l i b r i u me q u a t i o n f o rd y n a m i cb e h a v i o r sm o d e l i n g t h ec o m p l e x i t yo f e t h y l b e n z e n ed e h y d r o g e n a t i o nr e a c t i o nw a ss i m p l i f i e d ，w h e nt h ep r o c e s sw a s t r e a t e da sam a i nr e a c t i o nw i t ht w os e c o n d a r yr e a c t i o n so nt h eb a s i so f e t h y l b e n z e n ed e h y d r o g e n a t i o nr e a c t i o nk i n e t i c s a n dt h ec o m p u t a t i o nl o a d w a sr e d u c e dw i t h o u t c o m p u t a t i o n a la c c u r a c yl o s s i l 飞喀a h!，p， i i i 北京化工大学硕士学位论文 符号说明 i v 换热器有效换热面积 孔板截面积 组分数 孔板流量系数 冷物流平均热容 热物流平均热容 混合气体热容 烟气含氧系数 燃烧效率系数 雾化效率系数 阀门流通能力 反应器直径 进口热物流汽化率 出口热物流汽化率 精馏塔进料流量 反应器进口物料流量 空气质量流量 再沸器加热蒸汽用量 燃料气质量流量 燃料油质量流量 灭火蒸汽质量流量 雾化蒸汽质量流量 热物流进、出口汽化率差 液相焓 汽相焓 反应器床层高度 汽化潜热 组分号 塔板下标 飞 彬 x 彳山c d劬保gd 墓|咖f而以如民凹珥；歹 符号说明 v 总传热系数 换热器设计传热系数 反应器平衡常数 第板第j 组分的汽液平衡常数 精馏塔下降液量 换热器冷物流流量 换热器热物流流量 换热器冷物流流量设计值 换热器热物流流量设计值 压力 混合气体中乙苯的分压 再沸器负荷 混合气体中氢气的分压 混合气体中苯乙烯的分压 换热器换热量 管道质量流量 换热器冷物流换热量设计值 换热器热物流换热量设计值 辐射传热量 每段塔最上层塔板号 苯生成反应的速率 热物流汽化潜热 热物流汽化潜热修正系数 生成苯乙烯反应的速率 生成甲苯反应的速率 塔段号 燃料气燃烧热 雾化蒸汽潜热 再沸器传热面积 每个塔段最下层塔板号 空气温度 再沸器加热介质侧温度 k硒昂鳓三 啪啪如p 如幽脚口q如翰勘广 懈懈嘶恸r踟啪岛，乃珏 北京化工大学硕士学位论文 燃料气温度 第k 塔段虚拟塔板温度 燃料油温度 灭火蒸汽温度 雾化蒸汽温度 换热器进口冷物流温度 换热器出口冷物流温度 换热器入口热物流温度 换热器进口热物流温度 冷物流出、进口温差设计值 热物流进、出口温差设计值 换热器两端传热温差的对数平均值 精馏塔上升汽量 再沸器传热系数 阀门的开度 液相摩尔分率 气相摩尔分率 物流中组分，l 的摩尔质量分数 进料摩尔分率 流量对传热系数的影响因子( 管程) 流量对传热系数的影响因子( 壳程) 密度 取乃砌嘞鲰锄y z y z 口户口 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 化工过程模拟技术2 1 2 1 化工过程稳态模拟2 1 2 2 化工过程动态模拟5 1 3 化工过程仿真培训系统6 1 3 1 化工过程仿真培训系统的发展6 1 3 2 化工过程仿真培训系统的应用7 1 3 3 化工过程仿真培训系统数学模型8 1 3 4 化工过程仿真培训系统环境9 1 3 4 1 化工过程仿真培训系统的运行环境1 0 1 3 4 2 化工过程仿真培训系统的开发环境1 1 1 3 4 3 化工过程仿真培训系统的硬件环境1 4 1 3 5 化工过程仿真培训系统的发展趋势1 5 第二章过程系统仿真平台p s s p 。1 7 2 1p s s p 平台体系结构1 7 2 2p s s p 平台功能1 7 2 2 1 开发平台1 7 2 2 2 运行平台1 9 2 2 3 总体监控软件：1 9 2 3p s s p 硬件环境1 9 第三章苯乙烯单元仿真培训系统开发一2 1 3 1 苯乙烯单元流程简介2 1 3 1 1 乙苯脱氢2 1 3 1 2 苯乙烯精馏：2 2 3 2 苯乙烯单元系统建模2 3 3 2 1 确定仿真范围2 3 3 2 2 物料衡算2 4 3 2 3 系统建模2 4 i 北京化工大学硕士学位论文 3 3 苯乙烯单元仿d c s 组态2 5 3 3 1 点库组态2 5 3 3 2 流程图组态2 6 3 4 操作评分组态：2 8 3 5 系统调试2 8 3 6 培训项目设定2 8 第四章仿真系统主要数学模型开发2 9 4 1 管网数学模型2 9 4 1 1 简单管路数学模型2 9 4 1 2 管路分支和汇合数学模型3 0 4 1 3 复杂管网数学模型3 1 4 2 热物流发生相变换热器3 2 4 3 加热炉3 4 4 4 脱氢反应器3 6 4 4 1 反应机理3 6 4 4 2 影响脱氢反应的因素3 7 4 4 3 苯乙烯脱氢反应数学模型3 8 4 5 精馏塔数学模型4 0 4 5 1 精馏塔机理建模分析4 0 4 5 2 精馏塔数学模型建立4 1 第五章苯乙烯单元仿真结果4 7 5 1 仿真时间比较4 7 5 2 仿真精度4 7 5 2 1 乙苯脱氢部分4 7 5 2 2 苯乙烯精馏部分4 8 第六章结论5 1 参考文献5 3 附录5 5 致谢6 7 i l 目录 c o n t e n t s c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1p r o c e s ss y s t e me n g i n e e r i n g 。1 1 2p r o c e s ss i m u l a t i o n 2 1 2 1s t e a d y s t a t es i m u l a t i o no f c h e m i c a lp r o c e s s 2 1 2 2d y n a m i cs i m u l a t i o no fc h e m i c a lp r o c e s s ? 5 1 3p r o c e s st r a i n i n gs i m u l a t i o ns y s t e m6 1 3 1t h ed e v e l o p m e n to fp r o c e s st r a i n i n gs i m u l a t i o ns y s t e m6 1 3 2t h ea p p l i c a t i o no fp r o c e s st r a i n i n gs i m u l a t i o ns y s t e m 。7 1 3 3t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp r o c e s st r a i n i n gs i m u l a t i o ns y s t e m 8 1 3 4t h ep l a t f o 玎no fp r o c e s st r a i n i n gs i m u l a t i o ns y s t e m9 1 3 4 1t h er u n n i n g - p l a t f o r mo fp r o c e s st r a i n i n gs i m u l a t i o ns y s t e m。1 0 1 3 4 2t h ed e v e l o p m e n t p l a t f o n n0 fp r o c e s st r a i n i n gs i m u l a t i o ns y s t e m1 1 1 3 4 3t h eh a r d w a r eo fp r o c e s st r a i n i n gs i m u l a t i o ns y s t e m1 4 1 3 5t h et r e n do fp r o c e s st r a i n i n gs i m u l a t i o ns y s t e m c h a p t e r 2p r o c e s ss y s t e ms i m u l a t i o np l a t f o r m。1 7 2 1n es t r u c t u r eo fp s s p1 7 2 2t h ef u n c t i o no fp s s p1 7 2 2 1t h ed e v e l o p m e n tp l a t f o n no fp s s p1 7 2 2 2t h er u n n i n gp l a t f o r i l lo fp s s p1 9 2 2 3o v e r a l lm o n i t o r i n gs o f t w a r e1 9 2 3n eh a r d w a r eo fp s s p1 9 c h a p t e r3t h ep r o c e s ss i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e mo fs t y r e n eu n i t 2 1 3 1t h ep r o c e s so fs t y r e n e2 1 3 1 1t h ee t h y l b e n z e n ed e h y d r o g e n a t i o nu n i t2 1 3 1 2t h ed i s t i l l a t i o no fs t y r e n e2 2 3 2p r o c e s sm o d e l i n go fs t y r e n eu n i t2 3 3 2 1p r o c e s ss i m u l a t i o ns c o p e “2 3 3 2 2m a t e r i a lb a l a n c e2 4 3 2 3s y s t e mm o d e l i n g2 4 3 3t h ev i r t u a ld c so fs t y r e n ep r o c e s s2 5 3 3 1t h ep o i n tb a s eo fv i r t u a ld c s”2 5 3 3 2t h ei n t e r f a c eo fv i r t u a ld c so p e r a t i o n2 6 3 4o p e r a t i o ns c o r i n gs y s t e m2 8 3 5 s y s t e md e b u g g i n g 。2 8 3 6t r a i n i n gi t e ms e t t i n g2 8 i x 北京化工大学硕士学位论文 c h a p t e r 4t h em a i nm a t h e m a t i c a lm o d e l so fs t y r e n ep r o c e s s 29 4 1p i p e n e tm o d e l i n g 。2 9 4 1 1s i m p l ep i p em o d e l i n g ”一“”2 9 4 1 2p i p eb r a n c h i n ga n dm e r g i n gm o d e l i n g 。3 0 4 1 3p i p en e t w o r km o d e l i n g - 。3 1 4 2t h eh e a te x c h a n g e rw i t hl i q u e f a c t i o no fh e a tf l o w 。3 2 4 3f u m a c em o d e l i n g ”“”3 4 4 4e t h y l b e n z e n ed e h y d r o g e n a t i o nr e a c t o rm o d e l i n g ”一”3 6 4 4 1t h er e a c t i o nm e c h a n i s m “一一”3 6 4 4 2t h ef a c t o r so f e h t y l b e n z e n ed e h y d r o g e n a t i o n 。3 7 4 4 3e t h y l b e n z e n ed e h y d r o g e n a t i o nr e a c t o rm o d e l i n g “一“”3 8 4 5d i s t i l l a t i o nc o l u m nm o d e l i n g 一“”。“。”“”“4 0 4 5 1t h ea n a l y s i so fd i s t i l l a t i o nc o l u m nm o d e l i n g 。4 0 4 5 2b u i l d i n gd i s t i l l a t i o nc o l u m nm o d e l i n g 。4 1 c h a p t e r5t h e r e s u l t so fs t y r e n eu n i ts i m u l a t i o n 。4 7 5 1t h ec o m p a r i s o no fs i m u l a t i o na n dd e s i g nt i m e 4 7 5 2t h ea c c u r a c yo fs i m u l a t i o n 。- - 4 7 5 2 1e t h y l b e n z e n ed e h y d r o g e n a t i o nu n i t 4 7 5 2 2s t y r e n ed i s t i l l a t i o nc o l u m nu n i t 。4 8 c h a p t e r 6c o n c l u s i o n ”5 1 r e f e r e n c e s ”5 3 a p p e n d i x 5 5 t h a n k s 6 7 x 第一章绪论 引言 第一章绪论 过程系统工程是系统工程的一个分支，它把系统工程的一套研究方法、观点、思 用在过程系统的模拟、- 评价、优化、合成和控制等问题中，形成了过程系统工程 过程系统曾称为化工系统工程、化工系统模拟分析等。实际上对物料进行物理的 学的加工处理泛指为过程，特定的单一过程称为过程单元。而由过程单元的组合 一个网络，使原料转变为期望产品，同时产生增值效应的称为过程系统。现代的 系统形成于2 0 世纪初，但一开始都是采用费时费力的逐步放大方法，从小实验 ，经过许多的放大试验才形成工业规模的生产。直到3 0 年代，出现了“相似” 原理，借助于一系列的“准数用相似模拟的方法实现过程单元的放大大问题。此后 以出现了一种数学模拟放大的方法，它是建立在对机理了解的基础上进行合理简化而 得到的数学模型。但由于这些模型往往相当复杂，非线性程度很高，限于当时数值求 解等应用数学方法的滞后以及快速有效的计算工具的缺乏，数学模拟法没有达到真正 实用的阶段。 随着1 9 4 6 年第一台电子计算机的发明以及应用数学理论、方法的发展，为数学 模拟提供了良好的工具。5 0 年代起，非线性方程组的求解和最优化已不再成为障碍， 而且化学工程本身的深入发展，“三传 、“一反”的归纳，使化学工程学的理论研 究达到了空前的水平，利用数学模型实现高倍数放大成为现实。 6 0 年代初，人们开始认识到过程单元优化的简单组合并不等于过程系统的优化， 系统愈大，整体优化的效果愈好。在解决过程单元的模拟、优化的方法问题后，开始 着眼于对整体工艺的模拟、优化、设计和控制。到现在，过程系统工程经过5 0 多年 的发展，在系统模拟和系统优化方面的技术已相当成熟，形成了通用的系统模拟方法 和通用的商业化的系统模拟软件。 过程系统模拟的应用主要表现在三方面：首先，在系统开发初期运用过程系统工 程的研究方法可以对过程工艺流程进行经济评价及可行性研究，从而得到方案的概念 性设计。其次，在设计新厂时，运用系统模拟、优化的手段，配合适当的中试，可以 大大加速系统开发的速度，缩短开发周期，降低开发费用，提高设计精度经济效益。 作为过程系统预测、决策手段，系统开发的方法可用于从众多方案中选择最佳的工艺 路线，综合设备投资、能耗、物耗、产品质量、操作费用、环境保护等因素，用系统 北京化工大学硕士学位论文 合成的方法找出经济效益最大的方案，为国民经济发展决策提供依据。第三，应用计 算机辅助过程系统模拟，建立过程系统仿真软件可对操作人员进行“在线”的生产培 训、事故处理、开停车等不宜在实际装置上进行的培训工作。 一 产 第一章绪论 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、设备变动以及热量交换，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，而且化工过程模拟所需成 本以及完成研究任务所需时间的减少也是任何实验研究无法比拟的。所以化工过程稳 态模拟已成为过程研究、开发、设计、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，而且在科研和实际生产中发挥着愈来愈大的作用。 当前过程稳态模拟主要应用于炼油，石油化工和化工等领域，如常减压、加氢、 催化裂化、气体分馏、芳烃分离、环氧乙烷，油田气分离及合成氨等装置。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。 稳态模拟系统的构成如图( 1 1 ) 所示，现代的模拟系统既可以用流程图，也可以采 用数据文件的方式输入，且两种方式之间可以相互转换。输入之后便进行流程拓扑分 析和数据检查。调度系统相当于指挥中心，程序根据输入信息，进行物性数据库、热 力学方法、单元过程及其它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。 流程图 输入 数据文 件输入 流程图拓朴分析及数据检查 调度系统 物 性 数 据 库 热 力 学 方 法 库 化 工 单 元 过 程 库 公 用 模 块 库 收 敛 方 法 库 经 济 评 价 库 输 出 文 件 生 成 系 统 图1 - 1 稳态模拟系统结构图 f i g 1 - 1s t e a d y s t a t es i m u l a t i o ns y s t e ms t r u c t u r e 模拟系统的组成部分中，最重要的是热力学方法库和化工单元过程库，其中化工 单元模块，决定了该化工过程是否能够进行计算；而热力学方法决定了计算结果是否 准确可靠。通过长期深入研究，当前大多数单元过程都有准确、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，尤其在物性计算方面，很 3 北京化工大学硕士学位论文 大程度上还取决于是否有足够的、准确的数据以及物性计算方法。因而在进行化工过 程模拟时，首先要考虑的是选择适合所计算物系的热力学方法1 1 5 】。 稳态流程模拟所要面对的问题基本上有三类：标准型问题、设计型问题与优化问 题。在标准型问题中，给定输入流股向量与设备参数向量，可求出输出流股向量。这 种类型的模拟适用于研究现有装置在不同操作条件下的操作性能；设计型问题是给定 一部分输入流股向量与设备参数，使输出产品达到规定的特性指标，调整输入流股条 件与设备参数的功能可由控制模块实现；优化型问题与设计型问题相似，通过不断地 调整控制变量，即有关的可输入流股条件与设备参数，使目标函数值在规定的约束条 件下达到最优，而调整控制变量的功能由最优化程序实现。由此可以知道：设计型、 操作型与优化型问题在难度、内存占用及机时耗费上都是逐级增加的。 稳态流程模拟的基本方法可归纳为三类：序贯模块法、面向方程法、联立模块法， 其中序贯模块法和联立模块法是稳态流程模拟中对整个流程所有单元进行解算的两 种常用的方法，序贯模块法是开发最早、应用最广的过程系统模拟方法【1 6 1 。目前绝大 多数的过程系统模拟软件都属于这一类，这种方法的基本部分是模块( 子程序) ，即是 一些用以描述物性、单元操作以及系统及其它功能的模块。各种特定的过程系统，可 由组合起来的各种单元模块进行描述。其缺点是当流程中存在循环流股或有设计型及 优化问题时，需反复迭代，计算效率不高l r 刀。面向方程法又称联立方程法，是将描述 整个过程系统的数学方程式联立求解，从而得出模拟计算结果。面向方程法可以根据 问题的要求灵活的确定输入、输出变量，而不受实际物流和流程结构的影响。联立模 块法又被称作双层法。这种方法将过程系统的近似模型方程与单元模块交替求解，兼 具序贯模块法和面向方程法的优点。三种方法比较见下表( 1 - 1 ) 。 表1 - 1 序贯模块法、面向方程法和联立模块法比较 t a b l e1 - 1c o m p a r i s o no fs e q u e n t i a lm o d u l 盯, s i m u l t a n e o u s e q u a t i o na n ds i m u l t a n e o u sm o d u l a ra p p r o a c h 建模方法优点缺点代表软件系统 序贯模块法与工程师直观经在循环时引起的收敛 p r o c e s s 验一致，便于学习使迭代很费机时；进行设计 c o n c e p t 用：易于通用化，已型设计处时很费机时；不 c a s p e s 积累了丰富的单元模宜用于最优化计算。a s p e n 块；需要计算机内存 f l o ，1 1 i ：a n 较小，错误易于诊断。 面向方程法解算快，模拟型要求给定较好的初 a s c e n d i i 计算与设计型计算一值，否则可能得不到解； s p e e d u p 样，适合最优化计算，计算失败后诊断错误困 效率高，便于与动态难，形成通用化程序有困 4 一 八 第一章绪论 模拟联合实现。难，故使用不便，难以继 承已有的单元模块。 联立模块法可以利用前人开将严格模型做成简化 t i s f l o 发的单元操作模块；模型，费机时，用简化模f l o w p a c k i i 可以避免序贯模块法型来寻求优化时，其解与 中的循环流迭代；比严格模型优化解是否一 较易于实现通用。致有争论。 1 2 2 化工过程动态模拟 由于化工过程稳态的只是相对的、暂时的，实际生产过程中总是存在各种各样的 波动、干扰和条件的变化。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、人为误操作以及装置的开停车等波动和干扰，都会引起原有的稳态 过程和平衡发生破坏，使系统向着新的平衡发展i l 引。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，往往这类 推断是不全面的有时甚至是错误的。而认识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分析其动态特性是十分必要的【1 9 1 。动态 过程模拟按照用途可以分为两种：设计型通用动态模拟系统和培训型动态模拟系统。 设计型通用动态模拟系统可以通过连续系统模拟语言c s s l 和序贯模块法来实 现。它的用途如下：( 1 ) 了解装置对动态负荷变化的承受能力和可操作性；( 2 ) 分析开、 停车和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；( 3 ) 通过 仿真计算，为多种控制方案中优选提供依据。 培训型动态模拟系统的功能如下：( 1 ) 训练操作人员调整生产和保持操作稳定的 能力；( 2 ) 训练开、停车操作能力；( 3 ) 教员通过设置故障，培养操作人员分析事故原 因、处理故障的能力；( 4 ) 模拟不同控制方案下装置的动态行为，研究最优设计；( 5 ) 可以设置在生产现场，成为操作人员边生产，边提高的导师i 硎。8 0 年代我国引进了 几种类型化工厂的模拟培训系统十多套，同时也自行研制了模拟培训系统，在这方面 的差距上在缩小。 1 3 化工过程仿真培训系统 化工过程仿真培训系统是由硬件和软件组成的一套辅助操作人员在仿真工作台 或图形显示器上进行操作训练的计算机系统。这种系统不论从外观还是对操作的响应 5 北京化工大学硕士学位论文 都与实际过程使用的控制系统十分相似。化工过程仿真培训系统开发的目的是通过这 种高科技装备高效地培训出合格的现场操作人员，使他们能熟练地掌握现代化的化工 装置的操作技能。 1 3 1 化工过程模拟系统的发展 随着计算机技术的发展，流程模拟的数学模型软件开发愈加广泛和深入化。国外 化工流程模拟系统的发展大致经历了三代1 2 1 】： 第一代模拟系统是在( 5 0 一- 6 0 ) 年代开发的，规模较小，功能有限。其主要代表为 美国k e ll o g g 公司的g f s 系统和s i m s c i 公司的s s c l o o 系统等。第一代流程模拟程 序的主要特点是：( 1 ) 通过对工艺流程描述实现模拟计算；( 2 ) 物性数据有限，采用物 性块存储；( 3 ) 可直接使用的单元模块有限；( 4 ) 收敛方法采用直接迭代法；( 5 ) 需要 专人维护。 6 0 年代末期到7 0 年代中期出现了第二代流程模拟程序，并且不断扩充、完善， 一直应用至今。其主要代表有s i m s c i 公司的p r o c e s s ，c h e m s h a r e 公司的 d e s i g n 2 0 0 0 ，千代田的c a p e s ，l u m m u s 的g p s ，f l o w t r a n 等。第二代模拟软件 的主要特点是：( 1 ) 使用高级语言编程，用户可以增加自己的单元过程计算子程序， 有更为齐全的化工单元模块和规模较大的物性数据库；( 2 ) 采用固定数组数据结构； ( 3 ) 仅能用于气液两相系统；( 4 ) 循环收敛方法比较成熟，计算方法较为先进，计算速 度也有了较大的提高；( 5 ) 输入方法更简捷；( 6 ) 不用专人维护。 8 0 年代成功开发了第三代流程模拟系统，其代表是美国麻省理工学院的a s p e n p l u s 系统和s i m s c i 公司的p r o i i 系统。第三代模拟系统的主要进步是：( 1 ) 开放式结 构，可以随意组合单元模拟工艺流程；( 2 ) 物性数据更丰富、应用领域更广泛；( 3 ) 输 入、输出采用窗口技术和图形化建模技术，使用更方便；( 4 ) 增加了一些帮助模块。 目前，这些软件还在进一步开发与完善中，并开发了许多配套软件，如换热器优化、 参数识别等。 8 0 年代后化工过程模型化重要的发展方向是人工智能的开发环境，专家系统的模 型化环境是8 0 年代后期发展的标志。1 9 8 7 年美国麻省理工学院首先推出了 d e s i g n k i t 系统，能进行数量级分析及自由度分析，支持面向对象的过程模拟设计。 9 0 年代后，神经元网络( a n n ) 在化学工程各个领域中的应用增长很快，a n n 提供了 一种新的优化问题求解方法，即舢州优化技术。最具代表的有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。 在国内，兰州石化设计院自6 0 年代中期开始流程模拟软件的开发工作，到7 0 年 代，北京石化工程公司、洛阳石化工程公司和北京设计院成立计算机站，开始流程模 拟软件开发的应用工作，开发了一批油品分离塔、多组分精馏塔、换热设备、塔板水 6 一 第一章绪论 力学计算等工艺计算程序。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 合成氨模拟程序、青岛化工学院的e s c c 系统、北京设计院以布兰木丁方程为基础开 发的催化裂化反应一再生模拟软件c c s o s 等具有较高水平。但是，这些软件就其综 合水平看，无论在应用深度和广度，还是在软件的商品化程度等各个方面，远不及发 达国家水平1 2 2 j 。 1 9 8 7 年北京化工大学仿真中心成功研制了我国第一套通用型石油化工仿真培训 系统，在北京燕山石化公司应用成功，从而彻底改变了石油化工仿真系统只能依靠国 外进口的局面。 近几年来，随着现代化学工业的迅速发展，化工过程仿真培训系统已成为培训现 代化工厂岗位工人和技术人员的一种重要手段，它的应用对于提高生产效率和保证安 全生产都具有