基于HYSYS的甲醇精馏系统模拟与优化-练习.doc

基于HYSYS的甲醇精馏系统模拟与优化学 院：专 业：姓 名：指导老师：化工与材料学院化学工程与工艺学 号：职 称：中国珠海二一二年五月诚信承诺书本人郑重承诺：本人承诺呈交的毕业设计基于HYSYS的甲醇精馏系统模拟与优化是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。本人签名： 日期： 年 月 日基于HYSYS的甲醇精馏系统模拟与优化摘 要本文应用过程模拟软件HYSYS对甲醇的精馏过程进行了模拟计算，实现了对某厂甲醇四塔精馏系统的模拟。为降低生产成本，本文通过对系统模拟与分析，对生产的工艺流程进行进一步改进，以醇类、水作为关键组分，采用WILSON模型分别对预精馏塔、回收塔和加压塔、常压塔进行了甲醇四塔精馏流程模拟计算。对进料位置、回流比、理论板数、进料温度、操作压力进行了模拟优化。模拟结果表明，四塔流程生产出的精甲醇产品在纯度、水含量、乙醇含量和甲醇回收率上较二塔、三塔流程有较大的提高，且装置能耗低，操作稳定、灵活。本文所选用的单元操作模型及物性方法对于模拟甲醇精馏系统是准确可靠的，因此本文所提出的优化方案能为甲醇工业生产改造和新工艺流程的开发提供理论依据。关键词：甲醇精馏；HYSYS软件；模拟与优化；WILSON模型Simulation and Optimization of Methanol Distillation System Based on HYSYS SystemAbstractThis paper applies process simulation software HYSYS to simulate and calculate methanol distillation process, and realizes 4-tower methanol distillation system simulation of some factory. In order to reduce production cost, the paper further improved the process flow through system simulation and analysis for production process. Using alcohols and water as key components, WILSON model to simulate the 4-tower methanol distillation, i.e. pre-distillation column, recover tower, pressurized tower and normal pressure tower. Feeding position, reflux ratio, theoretical tower number, feeding temperature，operating pressure on have been optimized. The simulation results show that the 4-tower process have largely improved on methanol purity, water content, ethanol content and methanol recovery than 2-tower, 3- tower process. Whats more, it has low energy consumption, stable operation, and flexible operation.The unit operation model and physical property method for methanol distillation system simulation is accurate and reliable, so the optimization solution for industrial production innovation of methanol industry and new process development provides theory basis.Keywords: Methanol distillation; HYSYS software; simulation and optimization; WILSON model目 录（请自动生成目录）1 前言1.1甲醇发展现状及本设计的意义随着世界经济的高速发展，世界各国对能源消费也在不断增长，据美国能源部和世界能源理事会预测，全球石化类能源的可开采年限分别为石油39a、天然气60a、煤211a，主要分布在美国、加拿大、俄罗斯和中东地区。目前我国是仅次于美国的世界第二大能源生产与消费国。其中，石油消费和石油进口均占世界第二位，仅次于美国。然而，我国能源基本状况是缺油少气，煤炭丰富，中国的煤炭储量为114.5Gt，至少可开采116a，而中国的石油储量为33 Gt，专家预测石油的稳定供给不会超过20a。预计到2020年中国的石油需求量1.51086.1108 t，而预计届时国内石油产量只有1.81082108 t，石油对外依存度将达55以上，我国的石油安全已成为待解决的重大问题。依照我国少油多煤的能源结构特点以及我国目前能源消费的基本状况，尽快发展石油替代产品已成为我国能源发展的基本国策。我国新的“能源中长期规划纲要”中提出要尽快调整优化能源结构，拓展甲醇等替代能源的清洁高效开发利用。甲醇的潜在耗用量十分巨大，尤其在当前世界石油资源日益减少，甲醇单位生产成本降低的背景下，使用甲醇作为新的燃料已经成为一种趋势。另外甲醇作为煤化工最主要的产品和替代能源的一部分1，在当前全球化工市场上起着举足轻重的作用。甲醇用途广泛，是基础的有机化工原料和优质燃料。主要应用于精细化工，塑料等领域，用来制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫酸二甲酯等多种有机产品，也是农药、医药的重要原料之一。甲醇在深加工后可作为一种新型清洁燃料，也加入汽油掺烧。同时，甲醇是许多有机产品的基本原料和重要溶剂，被广泛应用于有机合成、燃料、医药、涂料和国防等工业2。甲醇生产工艺简单，合成甲醇的原料众多，固体（如煤、焦炭）液体（如原油、重油、轻油）或气体（如天然气及其他可燃性气体）为原料，经造气净化（脱硫）变换，除去二氧化碳，配制成一定的合成气（氢和一氧化碳）。在不同的催化剂存在下，选用不同的工艺条件。通常合成的粗甲醇浓度达不到使用要求3，需要进行甲醇的精馏。甲醇精馏工艺对整个甲醇生产流程的生产能力、产品质量、能量消耗、原料消耗，以及环境保护都有重大影响。据统计，石油和化学工业的能耗占工业总能耗的很大部分，其中约有60就是用于精馏过程4。因此研究甲醇精馏过程中的节能减耗有着重要的实际意义。甲醇精馏系统的模拟与优化不仅能提高甲醇纯度，同时还降低装置的能耗，对扩大甲醇的应用领域、提高甲醇行业经济效益有着至关重要的作用。1.2甲醇的性质介绍在常温常压下，纯甲醇是无色透明、易流动、易挥发的可燃性液体，具有与乙醇相似的气味。有毒性，蒸气能与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限6.0%36.5%(体积)。一般误饮15ml可致眼睛失明，一般致死量为100200ml。空气中允许最高甲醇蒸汽浓度为0.05ml。甲醇的密度在0时为0.81009/ml；沸点在latm时为64.664.7，甲醇的沸点随压力增大而降低；在0到200之间时，甲醇的摩尔热容量为4.1868J/(mol)。它的汽化热随温度的升高而降低；甲醇水溶液的密度随温度的降低而增大，在相同温度下儿一乎随甲醇浓度的增大而均匀地减小；甲醇水溶液的沸点随甲醇浓度的增大而降低；在相同温度下甲醇水溶液的饱和蒸汽压随甲醇蒸汽分压的增高而增大；甲醇水溶液的热容随甲醇浓度的增大和温度的升高而增加；混合物的粘度与组成有关，大于纯甲醇粘度，在甲醇含量为50%时有最大值。 表1.1 温度对甲醇性质的影响温度0102030405060密度g/cm30.81000.80080.79150.78250.77400.76500.7556粘度 cp0.8170.6900.5970.5100.4500.3960.350表面张力dyn/cm24.523.522.621.820.920.119.3注l：IcP=10-3Pas，ldyn=10-5甲醇可以和水以及许多有机液体如乙醇、乙醚等无限浓度的混合，但不能与脂肪族烃类相混合。它易于吸收水蒸汽、二氧化碳和某些其他物质，因此，只有用特殊的方法刁一能制得完全无水的甲醇。同理，也很难从甲醇中清除有机杂质。因此，产品甲醇总含有有机杂质，含量约0.01%以下。甲醇可以任意比例同许多种有机化合物互溶，并且能与其中的一些有机化合物生成共沸混合物。据文献记载，迄今己经发现能与甲醇一起生成共沸混合物的物质有100种以上。由于有共沸混合物的生成，且共沸混合物的沸点与甲醇的沸点相接近，因此将会影响到甲醇蒸馏过程对有机杂质的消除5-6。目前甲醇的深加工产品已达120多种，我国以甲醇作为原料的一次加工产品己有近30种7-8。在化工生产中，作为甲醛、醋酸、氯甲烷、甲胺、甲基叔丁基醚(MTBE)、聚乙烯醇 (PVA)、硫酸二甲酷、对苯二甲酸二甲酷(DMT)、二甲醚、丙烯酸甲醋、甲基丙烯酸甲醇等一系列有机化工产品的原料。还有约10%用于能源工业，作为替代燃料。甲醇是容易输送的清洁燃料，可以加入汽油掺烧或代替汽油作为动力燃料。近年来，汽车工业在我国速发展迅速，随之带来了能源供应问题。石油作为及其重要的能源其储量是有限的，而甲醇燃料以其安全、廉价、燃烧充分，利用率高、环保等众多优点，替代汽油已经成为车用燃料的发展方向之一。我国政府已充分认识到发展车用替代燃料的重要性，并已经开展了这方面的工作。用甲醇作汽油添加剂，可以节约芳烃，提高辛烷值。另外甲醇还是很好的人工合成蛋白的原料，蛋白转化率高，发酵速度快，无毒性，价格便宜。甲醇可经生物发酵生成甲醇蛋白，用作饲料添加剂，有广阔的应用前景。甲醇作为重要原料在敌百虫、甲基对硫磷和多菌灵等农药生产中，在医药、染料、塑料和合成纤维等工业中都有着重要的地位。在世界基础有机化工原料中，甲醇的消耗量仅次于乙烯、丙烯、苯，居第四位。生产甲醇可以使用天然气、煤炭、焦炭、渣油、石油脑、乙炔尾气等作为原料9-10。其中以天然气制取甲醇是最重要的气体转化液体的甲醇化工生产过程。 表1.2 压力对甲醇沸点的影响压力mmHg温度压力mmHg温度压力at温度压力at温度1-44.010021.228430186.510-16.220034.85112.540203.520-6.040049.910138.050214.0405.076064.720167.860224.01.3 甲醇生产工艺介绍甲醇最早是在1661年，由英国R.玻意耳首先在木材和木质素干馏的液体中发现的，故而又俗称木醇。它是最简单的饱和脂肪族醇类的代表物。这种早期的生产甲醇的方式产率甚低，在工业上早已被淘汰。氯甲烷水解法也可以生产甲醇，但因水解法价格昂贵，没有得到工业上的应用。甲烷部分氧化法可以生产甲醇，这种制甲醇的方法工艺流程简单，建设投资节省。但是，这种氧化过程不易控制，常因深度氧化生成碳的氧化物和水。而使原料和产品受到很大损失，因此甲烷部分氧化法制甲醇的方法仍未实现工业化。但它具有上述优点，国外在这方面的研究一直没有中断。应该是一个很有工业前途的制取甲醇的方法11。现代的甲醇合成工业是在1923年，德国苯胺苏打制造厂在实现了氨合成工业化的十年之后，首次用一氧化碳和氢气在锌铬催化剂上，在高压高温下实现的甲醇合成的基础上发展起来的。这种人工合成甲醇的方法得到了很快的发展。氨合成高压操作中的成功经验对甲醉催化合成工业的发展有着指导性的帮助。随后的50多年儿乎所有的甲醇生产装置都采用的是高压法。直到1966年英国卜内门化学工业公司成功研制铜系催化剂并开发了低压生产工艺，简称ICI低压法。此后一世界上新建以及扩建的甲醇生产装置。目前工业上几乎都是采用一氧化碳、二氧化碳加压催化氢化法合成甲醇。典型的甲醇生产流程主要包括原料气的制造、合成气净化、甲醇合成和粗甲醇精馏等工序。甲醇的合成是在高温、高压、催化剂存在下进行的，是典型的复合气一固相催化反应过程.随着甲醇合成催化剂技术的不断发展，目前总的趋势是由高压向低、中压发展.其生产方式按操作压力可分为高压法，中压法和低压法三种12-17高压工艺流程一般是指使用锌铬催化剂，在300400，30MPa高温高压下合成甲醇的工艺过程。自从1923年第一次用这种方法合成甲醇成功后，差不多有50年的时间，世界上合成甲醇生产都沿用这种方法，近几年来，我国开发了2527MPa压力下在铜基催化剂上合成甲醇的技术，出口气体中甲醇含量4%左右，反应温度230290。ICI低压甲醇法为英国ICI公司在 1966年研究成功的甲醇生产方法。从而打破了高压法合成甲醇的垄断地位，这是甲醇生产工艺上的一次重大变革。它采用511型铜基催化剂，合成压力仅为5MPa。ICI法所用的合成塔为热壁多段冷激式，结构简单，每段催化剂层上部装有菱形冷激气分配器，使冷激气均匀地进入催化剂层，用以调节塔内温度。80年代，齐鲁石化公司第二化肥厂引进了联邦德国Lurgi公司的低压甲醇合成装置。 中压法是在低压法研究基础上进一步发展起来的，由于低压法操作压力低，导致设备体积相当庞大，不利于甲醇生产的大型化。因此发展了压力为10MPa左右的甲醇合成中压法。它能更有效地降低建厂费用和甲醇生产成本。1.4甲醇的主要生产工艺目前工业上几乎都是采用一氧化碳、二氧化碳加压催化氢化法合成甲醇，典型的流程包括原料气制造、原料气净化、甲醇合成、粗甲醇精馏等工序。天然气、石脑油、重油、煤炭以及加工产品(焦炭、焦炉煤气)、乙炔尾气等均可作为生产甲醇合成气的原料。天然气与石脑油的蒸汽转化需在结构复杂造价很高的转化炉中进行，在高温，催化剂存在下进行烃类蒸汽转化反应，重油部分氧化需要在高温气化炉中进行。以固体燃料为原料时，可用间歇气化或连续气化制水煤气，间歇气化法以空气、蒸汽为气化剂，将吹风、制气阶段分开进行，连续气化以氧气、蒸汽为气化剂，过程连续进行甲醇生产中所使用的多种催化剂，如天然气与石脑油蒸汽转化催化剂、甲醇合成催化剂都易受硫化物毒害而失去活性，必须将硫化物除净。气体脱硫方法可分为两类，一类是干法脱硫，一类是湿法脱硫。干法脱硫设备简单，但由于反应速率较慢，设备比较庞大。湿法脱硫可分为物理吸收法、化学吸收法与直接氧化法三类。 1.5 甲醇的制备方法1.5.1 天然气制甲醇的生产方法天然气是制造甲醇的主要原料。天然气的主要组分是甲烷，还含有少量的其他烷烃、烯烃与氮气。以天然气生产甲醇原料气有蒸汽转化、催化部分氧化、非催化部分氧化等方法，其中蒸汽转化法应用得最广泛，它是在管式炉中常压或加压下进行的。由于反应吸热必须从外部供热以保持所要求的转化温度，一般是在管间燃烧某种燃料气来实现，转化用的蒸汽直接在装置上靠烟道气和转化气的热量制取。1.5.2 煤、焦炭制甲醇的生产方法用蒸汽与氧气(或空气、富氧空气)对煤、焦炭进行热加工称为固体燃料气化，气化所得可燃性气体通称煤气是制造甲醇的初始原料气，气化的主要设备是煤气发生炉，按煤碳在炉中的运动方式，气化方法可分为固定床(移动床)气化法、流化床气化法和气流床气化法。用煤和焦炭制得的粗原料气组分中氢碳比太低，故在气体脱硫后要经过变换工序.使过量的一氧化碳变换为氢气和二氧化碳，再经脱碳工序将过量的二氧化碳除去原料气 经 过压缩、甲醇合成与精馏精制后制得甲醇18。1.5.3 联醇生产方法与合成氨联合生产甲醇简称联醇19-22，这是一种合成气的净化工艺，以替代我国不少合成氨生产用铜氨液脱除微量碳氧化物而开发的一种新工艺。联醇生产的工艺条件是在压缩机五段出口与铜洗工序进口之间增加一套甲醇合成的装置，包括甲醇合成塔、循环机、水冷器、分离器和粗甲醇贮槽等有关设备，工艺流程是压缩机五段出口气体先进人甲醇合成塔，大部分原先要在铜洗工序除去的一氧化碳和二氧化碳在甲醇合成塔内与氢气反应生成甲醇，联产甲醇后进入铜洗工序的气体一氧化碳含量明显降低，减轻了铜洗负荷，同时变换工序的一氧化碳指标可适量放宽，降低了变换的蒸汽消耗，而且压缩机前几段气缸输送的一氧化碳成为有效气体，压缩机电耗降低。1.5.4 油制甲醇的生产方法工业上用油来制取甲醇的油品主要有二类:一类是石脑油，另一类是重油。重油部分氧化是指重质烃类和氧气进行燃烧反应，反应放热，使部分碳氢化合物发生热裂解，裂解产物进一步发生氧化、重整反应，最终得到以H2、CO为主，及少量CO2、CH4的合成气供甲醇合成使用.重油部分氧化法所生成的合成气，由于原料重油中碳氢比高，合成气中一氧化碳与二氧化碳含量过量，需将部分合成气经过变换，使一氧化碳与水蒸气作用生成氢气与二氧化碳，然后脱除二氧化碳，以达到合成甲醇所需之组成。1.6 甲醇精制1.6.1 粗甲醇精馏原料的组成分析甲醇生产无论采用何种催化剂，都会因为其在不同条件下选择性的限制，发生多种副反应。甲醇合成工艺的不同以及工艺复杂性造成粗甲醇组成也比较复杂，用色谱分析或色谱一质谱联合分析测定粗甲醇的组成有40多种包含了醇、醛、酮、醚、酸、烷烃等。如有氮存在，还会产生易挥发的胺类。另外还含有少量生产系统中带来的羰基铁及微量的催化剂等杂质。为了便于处理精馏过程，将杂质分为4类：轻组分：以二甲醚为代表。包含沸点比甲醇低的醇、醛、酮、醚、酸、烷烃等10余种有机物，如二甲醚、乙醛、甲酸甲酯、二乙醚、醋酸甲酯、丙酮等。重组分：以异丁基油为代表。包含沸点比甲醇高的醇、醛、酮、醚、酸、烷烃等近20种有机物，如正戊醇、正庚烷、异丁醇、正丁醇等。乙醇：某些有机产品对精甲醇中乙醇的含量有特殊的要求，如以甲醇和一氧化碳合成醋酸，甲醇中若含有乙醇，能与。氧化碳生成丙酸，影响醋酸的质量。水：水含量与副反应有关，含量仅次于甲醇，能与甲醇和有机物形成多元恒沸物，给精馏带来困难。1.6.2 粗甲醇精制原理粗甲醇含有多种有机杂质和水，需根据用途对其质量的要求进行加工处理。净化过程包括精馏和化学处理。化学处理主要用碱破坏在精馏过程中难以分离的杂质，并调节pH值；精馏主要是根据各成分沸点的不同，利用物理方法脱除易挥发组分如二甲醚，以及难挥发的重组分如乙醇、高碳醇、水等。1.6.3 甲醇精馏工艺流程工业上粗甲醇精馏的工艺流程，随着粗甲醇合成方法不同而有差异，故其精制过程的复杂程度有较大差别，但基本方法是一致的。首先以蒸馏的方法在蒸馏塔的顶部，脱除较甲醇沸点低的轻组分，这时也可能有部分高沸点的杂质与甲醇形成共沸物，随轻组分并除去。然后，仍以蒸馏的方法在塔的底部或底侧脱除重组分，从而获得纯净的甲醇组分。选择工艺流程时，要综合考虑催化剂、粗甲醇合成条件、精馏过程中能源消耗、精甲醇的质量等，合理选择适当的精馏方法。在制定粗甲醇精馏的工艺流程时，应考虑下述原则：(1)根据粗甲醇的质量决定精馏过程的复杂程度。粗甲醇杂质的含量主要决定于催化剂本身的选择性，反应温度、压力对其影响不显著，采用铜系催化剂合成的粗甲醇杂质含量少，不必要再用化学净化方法进行处理。(2)在简化工艺流程的同时，还要考虑产品质量的特殊需要及蒸馏过程中甲醇的收率。(3)减少蒸馏的热负荷。(4)蒸馏工艺操作集中控制。(5)重视副产品的回收和排污的处理。1.6.4 单塔精馏工艺流程单塔精馏工艺流程23指粗甲醇产品经过单个塔就可以采出甲醇产品，醇由精馏塔中部进料口送入，轻组分由塔顶排出，高沸点的重组分在进料板以下若干块塔板处采出，废水从塔底排出，产品甲醇在塔顶以下若干块塔板采出所谓单塔精馏工艺流程，就能获得一般工业上所需要的精甲醇。显然，单塔流程能很大程度的节约投资和减少热能损耗。但是，如果对精甲醇产品的关键性质量一高锰酸钾含量有严格要求时，采用单塔精馏工艺流程甲醇很难达到工艺要求，这时预精馏的作用是不可忽略的。因此，目前工业上多采用双塔精馏工艺流程进行精馏。而单塔流程更适用于合成甲基燃料的甲醇分离，很容易获得燃料级甲醇。1.6.5双塔精馏工艺流程双塔精馏工艺流程24-28是指只有预精馏塔和主精馏塔两个塔的装置，通常是用于年产4万吨以下的甲醇精馏中。加碱后的粗甲醇经过换热器加热到6070后进入预精馏塔，预精馏塔除去轻组分有机杂质，如二甲醚、甲酸甲脂等，以及溶解在粗甲醇中的合成气，然后加水萃取，除去与甲醇沸点相近的轻馏分，以及分离与甲醇沸点接近的甲醇一烷烃共沸物，如对精甲醇中乙醇含量有特殊要求时，预精馏塔对乙醇的共沸物还有有部分预脱除的作用。主精馏塔的主要将甲醇组分和水及其他重组分分离，得到产品精甲醇，并且将水分离出来，并尽量降低废水中其他有机杂质的含量，分离重组分杂醇油，作为侧线采出，分离重组分以及采出乙醇，采出低乙醇含量的精甲醇。1.6.6三塔精馏工艺流程加压三塔精馏有两个主精馏塔，第一主精馏塔为加压精馏，第二主精馏塔为常压精馏。与双塔流程相比，三塔流程装置数量多，尤其当压力高时，对材料要求也相应提高，因此设备投资要比双塔流程高很多，也就增加了生产成本。但是由于三塔流程中的常压塔再沸器由加压塔的塔顶蒸汽的冷凝潜热直接提供，这样既节省了大量的蒸汽也节省了冷凝水。近年来新建的大型甲醇精馏装置基本都采用三塔双效的精馏工艺，粗甲醇依次进入预精馏塔，加压精馏塔和常压精馏塔进行精馏。大部分轻组分在预精馏塔除去，加压塔和常压塔除去重组分和水，并且均采出一部分产品。三塔工艺流程29-32较复杂，一次性投资大。不过虽然三塔双效精馏初期投资较多，但由于能耗下降，其操作费用要比双塔流程低很多。并且随着粗甲醇精馏规模的增大，三塔双效的节能效益也就越明显。另外三塔工艺流程有助于降低精甲醇中乙醇含量:由于第一主精馏塔进料多，采出产品占进料的近一半，故塔釜甲醇浓度很高，含水量较低，有利于乙醇的下移直至浓缩在塔釜内，避免其上升，因而加压塔塔顶的精甲醇产品中乙醇含量也甚少。但常压塔的塔釜几乎为纯水，不利于乙醇的浓缩。1.6.7四塔精馏工艺流程甲醇四塔精馏工艺流程33-36主要有预精馏塔、加压精馏塔、常压精馏塔和甲醇回收塔。这样的设置在提高甲醇质量同时，也提高了甲醇收率，原料粗甲醇经换热后进预精馏塔，脱除轻组分(以不凝气、二甲醚等为主)，塔底甲醇及高沸点组分加压后进加压精馏塔；加压精馏塔塔顶的气相进入冷凝/蒸发器，有效利用加压精馏塔塔顶和常压精馏塔塔底的温差，为常压塔塔底提供热源，同时对加压塔塔顶气相冷凝，节能降耗。冷凝后的精甲醇进入回流罐，一部分作为加压塔回流，一部分作为精甲醇产品出装置；加压塔塔底的甲醇、高沸组分、水等进入常压塔，常压塔顶馏出精甲醇产品，在进料板下方设置侧线抽出，抽出物主要为甲醇、水和高沸点组分，进入甲醇回收塔再回收甲醇，塔底废水进入生化系统处理；为保证回收塔塔顶精甲醇质量和塔底废水中总醇含量要求，回收塔设有侧线抽出，主要抽出物为高沸点醇类，塔底废水送净化处理工段。虽然甲醇三塔精馏流程和四塔精馏流程设备一次性投资很高，但是甲醇收率较高，操作费用也能大大降低。对甲醇生产进行经济性分析从世界范围来看，表明甲醇设备费用仅仅占全部费用的11%。因此甲醇三塔精馏流程和四塔精馏流程还是有很大的优越性的。1.7化工流程模拟及其发展1.7.1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，石油化工装置日趋大型化，生产过程连续化和为节省能源而使装置的集成度不断提高，化工产品的不断更新与工业逐级放大技术落后间产生矛盾，电子计算机技术迅猛发展，现代应用数学方法及现代控制论方法在化学工程中得到应用。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的工程学科。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。 化工过程模拟技术，即流程模拟技术，它以工艺过程机理模型为前提，对已经给出系统结构的已有过程系统，建立整个系统的数学模型，并在计算机上进行求解，从而得到在给定条件下系统的特性和行为，即确定流程系统的工况特性。它包括物料衡算、热量衡算、设备尺寸估算、能量分析，以及环境和经济评价。此技术使工程师们能够从整个系统的角度来认识、分析、预测生产中深层次的问题，进行装置调优、流程剖析和过程综合，从而达到优化生产、节约资源、环境友好、提高经济效益的目的。无论过程系统的分析与优化，还是过程系统的分析与综合，都是以流程模拟为基础的。流程模拟技术早在20世纪50年代就已经开始在化学工业中应用。在化工生产中，既要对整个系统进行最优设计、最优控制和最优管理，又要保证装置在安全、可靠，对环境影响最小的情况下操作。计算机模拟技术的飞速发展使大型复杂系统的分析与综合成为可能，化工过程模拟与优化正是这一过程的一个分支。通过化工模拟的方法既可以分析出生产中工艺条件设定的理由，又可以对存在的问题做出分析，从而优化生产工艺条件。化工过程模拟是一种在化工系统优化中较为实用的且节约资金的方法37-38。1.7.2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气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FORTRAN、c、c+语言)编写的。自1958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、软件公司和大学己开发出多种通用流程模拟系统，如孟山都公司的FlowTrna系统、ASPEN公司的ASPENPLUS系统、美国科学模拟公司的PROCESS系统、CODAE公司的CIORCHESS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。1.7.3化工模拟软件化工流程模拟软件是由化学工程、化工热力学、系统工程、计算方法及计算机技术等多学科理论在计算机上实现的综合模拟系统。人们为了分析实际工况，找出最佳的操作条件，不得不冒极大的风险用实际装置做试验，而得到的只是某些特定条件下的回归公式。动态软件将时间变量引入系统，即系统内部的性质随时间而变。它将稳态系统、控制理论、动态化工、热力学模型及动态数据处理有机地结合起来，通过求解巨型常微分方程组进行动态模拟。这种软件要求计算机具有强大的计算功能及多任务操作系统，过去只能在大型机上运行，且因操作复杂，只能少数人享用。化工流程模拟始于五十年代中后期。1958年美国M.w.Kellogg公司推出了世界上第一个化工流程模拟程序，程序是由汇编语言编写的，在加上当时的物性数据不完善，模拟计算结果与实际情况出入很大。进入80年代后，化工流程模拟软件的开发、研制逐渐向商业化、通用化发展。化工模拟软件的发展经历了三个阶段。第一代出现在60年代初期，是在独立的单元操作模拟程序的基础上，研制的一种以烃加工过程为模拟对象的过程模拟系统，但工业上并未得到广泛应用。第二代是出现在70年代开发的系统，模拟对象已经扩大到气液相化工过程，成为了化工及石油化工公司实用的开发与设计手段，其典型代表如美国Monsanto公司的FLOWTRAN、Exxon公司的COPE、UnionCarbide公司的IPES、日本千代田公司的CAPES及 SimulationSeienee公司的PROCESS等。第三代出现在80年代，模拟对象是涉及气液固三相的过程，在系统分解技术方面有很大进步，典型代表如美国麻省理工学院开发的ASPEN以及新版的 PROCESS(SIMSCI)。目前为止，各国开发并报道的通用化工流程模拟系统已多达数十种。其中由美国在不同时期研制出的较有代表性的系统有ASPEN、FLOWTRAN和CHESS等44。国内化工过程模拟约起始于上世纪60年代末，整个70年代是国内大力发展自行开发模拟软件的时期。1977年化工部第五设计院率先在国内推出了大型烃类分离模拟系统，并成功地运用到大型30万吨乙烯装置的计算。80年代国内引进了在国际上有先进水平的大型通用流程模拟软件ASPEN、PROCESS以及微机上用的 MicroCHESS。此外，在我国第一代通用流程模拟系统的基础上，我国研制出微机上用的第二代国产流程模拟软件ECSS(工程化学模拟系统)，以及很多的专门针对具体工艺过程的专用模拟系统，这样就极大的缩小了过程模拟软件实用性方面与国际水平的差距。不过在基础理论与新方法(如联立方程法和联立模块法等)研究方面我国同国外相比还有一定差距。1.7.4 HYSYS简介及应用关于Hysys原是加拿大Hyprotech公司产品，Hyprotech 公司创建于 1976 年，是世界上最早开拓石油、化工方面的工业模拟、仿真技术的跨国公司。其技术广泛应用于石油开采、储运、天然气加工、石油化工、精细化工、制药、炼制等领域。它在世界范围内石油化工模拟、仿真技术领域占主导地位。Hyprotech 已有17000多家用户，遍布 80 多个国家，其注册用户数目超过世界上任何一家过程模拟软件公司。目前世界各大主要石油化工公司都在使用 Hyprotech 的产品，包括世界上名列前茅的前15家石油和天然气公司，前15家石油炼制公司中的14家和前15家化学制品公司中的13家。2002年美国AspenTech公司将Hyprotech公司收购，HYSYS就该是AspenTech公司旗下产品了，2004年美国 Honeywell公司从AspenTech公司买下Hysys软件的产权。Hysys2004为AspenOne的一部分，是Aspen买了HYSYS 后推出的第一个版本。Aspen One目录里就有Aspen Hysys的开发背景由于微机的高速发展及Microsoft Windows软件的推出，改变了DOS对微机资源及单任务的限制，使得动态模拟系统在微机上运行成为可能.加拿大HYPROTECH公司不负众望，以雄厚的技术实力，在世界上率先开发出微机版动态模拟系统HYSYS 1. 0。动态模拟系统HYSYS的推广及应用必将给石油化工设计领域、生产领域、研究领域带来一场深刻的革命，成为石油化工领域划时代的里程碑。 化工模拟软件基本是沿两个方面发展和提高，一是在化工模拟理论和技术方面发展，从而使软件应用范围更加广泛，另一方面是在软件及计算机辅助工具发展，也就是研究更好的办法，使工程师更易掌握、使用这种软件，在研究方案中更灵活地运用这种软件。HYSYS的特点 ：（1）最先进的集成式工程环境。由于使用了面向目标的新一代编程工具，使集成式的工程模拟软件成为现实。在这种集成系统中，流程、单元操作是互相独立的。流程只是各种单元操作这种目标的集合，单元操作之间靠流程中的物流发生联系。在工程设计中稳态和动态使用的是同一个目标，然后共享目标的数据，不须进行数据传递。因此在这种先进且易于使用的系统中用户能够得到最大的效益，对复杂的工艺流程往往要分成几个部分模拟。这主要基于：小流程分析方便，速度快；对不同体系采用不同的热力学方法 以取得更精确的结果，以往的软件基本采用的方法是先单独对小流程模拟，然后人工或软件通过文件将数据从一个流程传递到另一个流程。这种数据的强制性传递必 然引起流程内部数据的矛盾，其结果是流程必须重新计算。集成式的工程环境则不同，它使人们能在一个模拟环境中将流程分为若干个子流程，可大可小。这种集成 环境的独到之处是子流程、主流程之间的数据是相互共享的，不须传递。它们之间还可以采用不同的物性计算包。从一个流程到另一个流程就象翻书一样容易。 （2）强大的动态模拟功能。动态模拟的方法及过程是流程稳态模拟收敛后，首先定义单元操作的动态数据(如分离器的几何尺寸、液位高度等)，安装控制仪表，然后就可以进入动态，开始动 态模拟。动态模拟过程中，可以随时调整温度、压力等各种工艺变量(这就是Windows的多任务)，观察它们对产品的影响以及变化规律。还可以随时停下来，转回静态。由于动态和静态是相同对象的共享，所以动静之间的转换非常容易。HYSYS提供了PID控制器、传递函数发生器、数控开关、变量计算表等进行动态模拟的控制单元。PID控制器可完成对任何变量的控制。传递函数发生器可产生任何形式的过程传递函数，如一阶环节、二阶环节、微分和积分环节。用它们可以模拟任何被控制对象及干扰源。数控开关在动态过程中，可通过检查某操作条件而控制另一变量的开或关，进而达到对整体装置的控制。每个变量计算表存储26 * 50，即130个变量。这个表象一台在线挂在实际装置上的控制机，可以引入流程中的任何变量，然后在表中处理(该表可以进行各种函数及逻辑运算)，将其结果再送回流程，指定给某些变量，从而达到控制某些变量的目的。 （3）DCS接口。HYSYS通过动态链接库DLL与DCS控制系统链接。装置的DCS数据可以进入HYSYS，而HYSYS的工艺参数也可以传回装置。通过这种技术可以实现；在线优化控制；生产指导；生产培训；仪表设计系统的离线调试。 （4）工艺参数优化器。软件中增加了功能强大的优化器，它有五种算法供您选择，可解决无约束、有约束、等式约束及不等式约束的问题。其中序列二次型是比较先进的 一种方法，可进行多变量的线性、非线性优化，配合使用变量计算表，可将更加复杂的经济计算模型加入优化器中，以得到可获最大经济效益的操作条件。 除了上述的特点外，HYSYS中还包括了事件驱动加物性计算包、干板开车、内置人工智能、数据回归包、物性计算包、物性预测系统、事件驱动、窄点分析工具、方案分析工具、各种塔板的水力学计算、任意塔的计算、非序贯模拟技术等。HYSYS化工流程模拟系统采用严格的最新的计算方法进行单元计算和全过程的计算，既能为企业提供准确的单元操作模型，还可以评价现有装置的优化操作或进行新建、改建装置的优化设计。这套系统功能齐全、性能强大，目前己在煤炭、冶金、医药、化工、石化、环保、动力、节能方面进行了广泛的应用。HYSYS软件具有如下主要功能:(l)最先进的集成式工程环境；(2)数据回归包；(3)严格物性计算包；(4)功能强大的物性预测系统；(5)强大的动态模拟功能；(6)工艺参数优化器等。HYSYS在国内外广泛使用，目前世界各大主要石油化工公司都在使用HYSYS，包括世界上名列前茅的前15家石油和天然气公司，前15家石油炼制公司中的14家。国外用户包括BP、Dow、DuPont、Exxon Mobil、Bayer、UOP、Monsanto、Shell等。HYSYS在国内应用也非常广泛，国内用户总数超过50。包括镇江炼化工程公司、中石化设计院、独山子炼油厂、扬子石化设计院等。许多高等院校和科研院所承担的石油化工项目设计以及工艺流程模拟计算都离不开HYSYS软件，并且其计算结果相当准确、可靠。该软件的开发、引进和应用，大大缩短了工艺设计周期，提高了设计质量。本课题将HYSYS应用到甲醇精馏工艺的模拟研究中，以借助HYSYS的强大功能详细分析甲醇精馏流程，探索装置的优化改造方案，降低消耗，提高生产效益。参考文献1冯元琦甲醇M北京：化学工业出版社，20002周晓谦，殷伯良.煤制甲醇工业发展现状分析J.露天采矿技术，2006，2:4-6.3张文效，王殿忠.我国甲醇生产主精馏塔现状分析J.化学工程，1992，20(3):76-804李群生新型高效塔设备技术及其应用2002中国国际腐蚀控制大会论文集c北京：中国化学会，20025 丛山.甲醇精馏系统工艺模拟与研究D.天津:天津大学，20056 许桂忠.合成甲醇精制过程的优化D.浙江:浙江大学，20057 马俊睿.国际国内甲醇市场分析及预测J.油化工技术经济，2006(2):41-478 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