流程模拟技术概述.ppt

2020年1月4日星期六 1 化工流程模拟技术概述 华谊 集团 公司2011年3月 化工模拟优化技术的发展是建立在化学工业的发展 人类对化工过程认识的深入及计算机技术的迅速发展等的历史背景下的 近现代以来 化学工业朝着综合化方向发展 流程结构日益复杂 装置规模日趋大型化 化工行业的资源短缺 环境污染等问题变得越来越重要 同时 人们对化工过程的认识也越来越深入 1915年美国的A DLittle首次提出的单元操作的概念 上世纪50年代 传递过程理论诞生 随后 化工过程系统工程应运而生 自1965年以来 大型电子计算机出现 计算方法得到迅速发展 这一切为现代化工过程模拟优化技术的发展奠定了坚实的基础 化工过程模拟系统开始产生于上世纪后半叶 其标志性事件就是化工流程模拟软件的出现与开发 化工流程模拟软件是由化学工程学 化工热力学 系统工程 应用数理统计 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性模拟系统 1960年代 美国HOUSTON大学开发出Chess ChemicalEngineeringSimulationSystem 系统 该软件采用FORTRAN语言编写 共有16种单元操作模块 98种物料的物性数据 60年代末 美国Monsanto 孟山都 公司开发出Flowtran FlowsheetTranslator 系统 该软件也采用FORTRAN语言编写 共有30种单元操作模块 180种物料的物性数据 1976 1981年 美国麻省理工大学化工系开发出ASPEN AdvancedSystemforProcessEngineering 系统 该系统采用FORTRAN语言编写 共有36种单元操作模块 500种气液物料的物性数据 120种固体物料的物性 可用于模拟计算 优化 成本估算和经济评估等 1988年美国Simsci模拟公司开发出PRO 对PROCESS做重大改进 1990年代中后期 加拿大Hyprotech公司采用新一代面向对象的编程工具C 语言 在Windows环境下开发出完全交互式的HYSYS软件 2002年7月 Hyprotech公司与AspenTech公司合并 HYSYS成为AspenTech公司的产品 我国的化工过程模拟系统开发起步较晚 但通过引进软件 硬件等缩短了差距 应用情况目前已接近国际水平 但软件系统的研究开发与国外相比仍有较大差距 国内几乎没有通用的化工过程模拟软件 但80年代以来已经开发出一些专用的具有一定水平的化工专家系统 可见 从上世纪7 80年代以来 化工过程模拟系统已经进入快速的普及 推广时期 一方面 化工模拟理论和技术方面的发展 使软的应用范围更加广泛 另一方面 软件及计算机辅助工具的发展 即研究手段的进步 使工程师更易掌握 使用这种软件 更容易地进行各种技术方案的研究 近年来 人工神经网络技术 作为一种典型的经验建模工具 由于其具有更强的过滤能力 巨大的并行处理能力 良好的自适应能力及强大的模式识别能力等诸多优于传统的经验建模系统的独特性质 被广泛地应用于复杂化工系统中的建模 优化中 取得了显著的效果 AspenPlus是Aspen工程套件的首个产品 自发布以来 经过20多年的不断改进 提高与扩充 先后发布了十多个版本 已成为举世公认的大型流程模拟标准软件 全球各主要化工 石化和炼油等过程工业制造企业与著名工程公司均是AspenPlus的用户 同时 以AspenPlus的严格机理模型为基础 还逐步发展起来了一系列针对不同用途 不同层次的软件产品 此即为Aspen工程套件 AspenEngineeringSuite 简称AES AspenPlus软件做为目前最流行的国际通用性化工流程模拟软件 其广泛应用于科研 生产和工程中 该软件的主要特征是 序贯和联立方程的模拟方法 最快的速度和最高的可靠性及庞大的纯组分和混合物的数据库 其主要功能是 数据回归和数据拟合 物性分析 灵敏度分析 设计和校核及多变量优化 利用该软件 可以进行以下具体的工作 1 物料平衡 热平衡 热负荷 流率 组成及物性等设计基础数据的计算 2 设备单元主要工艺参数 并可进行冷换设备核算及塔板水力学估算 3 流程合成和工艺包开发 4 原料及加工路线的筛选与评价 5 工艺参数优化和消除装置 瓶颈 6 装置操作优化 扩产与节能 7 参数显著性分析 提供总流程的优化LP模型参数和 影子价格 等参数 8 操作参数的灵敏度分析 9 自控方案 DCS或APC中建模提供依据 10 利用动态模拟功能分析控制参数的动态特性 如自控和开 停工方案及火炬排放系统的设计等 2020年1月4日星期六 7 内容 概论过程系统工程的基本概念过程系统工程包含的内容过程系统工程研究方法稳态模拟基础知识 2020年1月4日星期六 8 概论 60年代过程系统工程产生和发展的理论准备时期70年代过程系统工程走上实用的时期80年代过程系统工程普及时代 2020年1月4日星期六 9 过程系统工程的基本概念 过程系统工程是将系统工程学的理论和方法应用于过程工业领域的确一门边缘学科 是化学工程的一个分支 过程系统工程的基本内容就是从过程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 确定在规划 设计 操作和控制等方面的最优策略 2020年1月4日星期六 10 研究开发 市场调查 设备设计 设备制造 建设工程 试运转 操作运行 过程设计 外协 检查 经营管理 控制 环境的变化 2020年1月4日星期六 11 过程系统工程包含的内容 过程系统分析过程系统集成过程系统优化过程系统设计 2020年1月4日星期六 12 过程系统 输入 输出 过程系统分析示意图 待求 2020年1月4日星期六 13 过程系统 待求 输入 输出 过程系统集成示意图 2020年1月4日星期六 14 过程系统优化 过程系统优化或系统优化可分为参数优化和结构优化参数优化 在一确定的系统流程中对其操作参数进行优化 结构优化 改变过程系统中设备类型或其相互间的联结 以优化过程系统 2020年1月4日星期六 15 过程系统设计 过程系统的设计原则上讲 是过程系统集成与过程系统分析交替过程的整体 包括三个主要的步骤 过程系统集成 分析与优化 2020年1月4日星期六 16 过程系统 经济评价 综合 参数优化 需求 计算设备尺寸 费用 结构优化 最终的过程系统 热量物料衡算 决策变量 优化 2020年1月4日星期六 17 数学模拟 数学模拟 对数学模型求解的过程优点 经济 灵活 可以减少中间试验 可获得实验条件下难以得到的性能信息 可以利用已有的理论成果来研究复杂过程系统的性能 2020年1月4日星期六 18 过程系统模型 过程系统模型是借助有关概念 变量 规则 逻辑关系 数学表达式 图形和表格等对系统的总体描述 2020年1月4日星期六 19 数学模型的类型与建立 按建模的方法分为 机理模型和经验模型按建模是否考虑时间分为 动态模型和稳态模型按建模是否考虑空间分为 集中参数模型和分布参数模型按过程的特征分为 确定模型和随机模数学模型的建立过程称为模型化 模型化的最基本要求 数学模型与所研究的过程系统具有客观的一至性 2020年1月4日星期六 20 过程系统模型组成及表示 过程单元模型过程系统结构过程系统结构表示 有向图表示 矩阵表示 2020年1月4日星期六 21 稳态模拟的基本知识 数学模型的基本类型与主要形式稳态模拟所研究问题的基本类型稳态模拟的基本方法稳态模拟软件化工过程物性系统化工过程的数学模型 2020年1月4日星期六 22 数学模型的基本类型 集中参数模型与分布参数模型确定模型与随机模型机理模型与经验模型 2020年1月4日星期六 23 稳态模拟所研究的基本问题 标准型问题设计型问题最优化问题 2020年1月4日星期六 24 单元模块 输入流股向量 输出流股向量 标准型问题 2020年1月4日星期六 25 单元模块 输入流股向量 输出流股向量 设计型问题 控制模块 设备参数向量 要求的输出向量特性 2020年1月4日星期六 26 过程模拟模型 给定输入 物理特性 最优化问题 经济模拟模型 给定的参数 控制变量 约束条件 优化程序 约束条件 2020年1月4日星期六 27 公用工程及原料量 成本数据 物料与能量衡算 设备尺寸计算 成本估算 经济评价 输入条件 设备尺寸计算 投资费用数据 收益 流程模拟的一般步骤 2020年1月4日星期六 28 稳态模拟的基本方法 序贯模块法 SM 联立方程法 EO 最优联立模块法 2020年1月4日星期六 29 流程模拟系统软件 模拟系统开发者结构特点ASCEND美国Carnegie Mellon联立方程法模拟与优化ASPENPLUS美国ASPEN公司序贯模块法模拟与优化CAPES日本序贯模块法有优化费用CHESS美国Washington大学CONCEPTIII英国CAD中心序贯模块法交互作用方式DESIGN2000美国ChemShare序贯模块法FLOWPACKII英国德国ICI LINDE序贯模块法批处理与交互FLOWSIM美国Connecticut大学联立方程法图形输入FLOWTRAN美国MonsantoCo 序贯模块法有费用和尺寸GMB美国BadgerCo 序贯模块法交互作用方式 2020年1月4日星期六 30 流程模拟系统软件 模拟系统开发者结构特点HYSIM加拿大HYPROTECHCo 序贯模块法交互作用方式PRO II美国Simulation公司序贯模块法批处理与交互QUASLIN英国CAD中心联立方程法模拟与优化SIMMOD美国Illinois大学序贯模块联立模块法模拟与优化SPEEDUP英国Imperial大学PASCAL编程SYMBOL英国Cambridge大学联立方程法线性化法ECSS青岛化工学院序贯模块法MicroSAPROSS兰州设计院序贯模块法合成氨专用系统程大连理工大学华东理工大学 2020年1月4日星期六 31 流程模拟系统的基本结构 计算方法库 单元模块库 物性数据库 热力学性质库 输入 输出 管理系统执行程序 求解 优化 经济分析 2020年1月4日星期六 32 物性系统的作用 根据模拟计算的进程与要求向程序提供所需的各种物性数据允许用户输入自己的数据并转换成模拟系统