化工过程分析与合成

1、化工过程分析与合成第一章绪论（ 2 学时）化工过程系统工程-化工过程系统工程化工过程的分析与合成化工过程系统模拟（稳态模拟、动态模拟）过程系统模拟的三种基本方法（序贯模块法、面向方程法、联立模块法）第一节 化工过程化工过程是以天然物料为原料，经过物理或化学加工制成产品的过程。其往往由多种多样的单元过程组成，如最重要也是最多用的单元过程是：化学反应过程、换热过程和分离过程。第二节 系统工程系统工程是20 世纪 50 年代形成的新兴学科，目前正处于兴旺的发展时期。1984 年郑春瑞在系统工程学概论中，对系统工程做出下列综合性的阐述：系统工程是以系统（尤以大系统）为研究对象的一门跨学科的边缘学科。它

2、是根据总体协调的需要，把自然科学和社会科学中的某些思想、理论、 方法、 策略和手段等从横的方面有效地组织起来应用于人类实践中，是应用现代数学和电子计算机等工具对系统的构成要素、组织结构、信息交换和自动控制等功能进行分析研究，从而达到最优设计、最优控制和最优管理的目标，是为更加合理地研制和运用系统而采取的各种组织管理技术的总称，归根结底是一种工程学的方法论。20 世纪 30 年代美国雷德无线电公司在对电视广播系统的电波覆盖问题进行研究时，首先提出“系统”和“系统模拟研究”的思想。 40 年代，美国贝尔电话公司在研究微波通讯网络的覆盖传输效率时，提出了“系统工程”的概念。 50 年代各工业国对系统

3、工程尤为重视，如1954 年美国 MIT 首先在大学讲授系统工程课程。1957 年美国正式出版了第一本专著 系统工程。 60 年代起系统工程逐步推广应用于工业、宇航、 交通、 经济规划等部门。如 60 年代初，在系统工程、运筹学、化学工程、过程控制及计算机技术等学科的基础上，产生和发展起来一门新兴的技术学科化工过程系统工程（简称化工系统工程） 。 70 年代是化工系统工程走上实用的时期。随着计算机应用的普及，采用化工系统工程方法，陆续研制出有效的工业用化工流程通用模拟系统，并对过程生产实现计算机控制，取得显著经济效益。同时我国学者华罗庚致力于运筹学的推广应用。1978 年，我国学者钱学森在文汇

4、报上发表了中国第一篇系统工程的文章，标志着我国的系统工程研究进入了一个蓬勃发展的阶段。 80 年代是化工系统工程普及推广的时代。不仅在化工、石油、石油化工、核工业核能源工业中获得广泛的应用，而且向冶金、轻工、 食品等连续加工过程工业部门推广，有力地促进了这些部门生产技术的飞速发展，相应地化工系统工程学科在理论、方法和内容方面也在不断完善和发展。第三节 化工过程的分析与合成前面讲了，20 世纪 60 年代初。在系统工程、运筹学、化学工程、过程控制及计算机技术等学科的基础上，产生和发展起来一门新兴的技术学科化工过程系统工程 （简称化工系统工程）。这个新学科的任务，就是以系统工程的思想、方法用于解决

5、化工过程系统的设计、开发、操作、控制等问题。其主要任务就是进行系统工程的分析与合成。实施化工过程分析、 合成的手段是运算描述过程系统的数学模型，这种模型的运算称作化工过程系统模拟。3.1 化工过程系统的分析化工过程分析，主要是分析过程系统的运行机制、影响因素、过程模型的数学描述、目标函数的建立、优惠工况下的最佳操作参数等等。例加：我国某年产30 万 t 乙烯装置改扩建为 45 万 t 装置，竣工投产后达到了预期的产量，但能耗超标。装置的扩建增容可以降低产品的成本，但从过程内涵探求节能降耗的措施也是降低成本的重要途径。如何选择这类问题的对策，就要对这套工艺装置进行分折，要在对过程系统进行系统分析

6、的同时，也要作必要的单元分析和物料、能量利用的分析。分析的目标是使所选择方案在技术上先进、可行，在经济上优越、合理。3.2 化工过程系统的合成化工过程系统合成包括有：反应路径合成、换热网络合成、分离序列合成、过程控制系统合成，特别是要解决由各个单元过程合成总体过程系统的任务。如上节的例子：该套扩建不久的年产45 万 t 乙烯装置，又面临着进一步扩建为60 万 t 规模的任务。这就要吸取前次扩建的经验，应该在既要达到产量要求又要达到能耗指标的前提下完成扩建方案。这是一个大系统的合成问题，是一个按既定目标函数寻优的系统合成问题。由于化工过程系统的夏杂性，这类优化问题常是具有非线性、奇异、有约束、多

7、极值等现象。传统的寻优方法由于它们在求解策略上的局限性，对这类问题的求解往往是无能为力的。近年来出现的模拟退火法和进化算法，在化工过程合戌的优化求解问题中得到了相当广泛的研究和应用。在各种进化算法中遗传算法颇受关注。第四节 化工过程系统模拟20 世纪初期，对于化工过程的开发、设计，只是采用由实验室到中间厂逐级放大的经验方法。到了30 年代出现了以相似论力基础得出准数方程的办法。与此同时还出现了建立数学模型的模拟放大法。50 年代后期，由于计算机的应用以及数值计算的发展，应用数学模拟的方法基本上解决了大部分单元过程的开发放大问题。即只需一些最基本的单元过程实验数据，就可以利用数学模型在计算机上解

8、决其开发放大问题。据报道，丙烯二聚反应由实验室数据可放大到工业反应器设汁，放大倍数可达1700 倍。甲苯歧化反应过程的放大倍数力 6000 倍。提升管催化过程的放大倍数达到80000 倍。20 世纪 50 年代末期，人们开始尝试在计算机上实现由各种单元过程组成的化工过程工艺流程的开发设计问题。第一个完成这种工艺流程模拟计算的是美国的Kellogg 公司、该公司于1958年开发了 flexible flowsheet。这个模拟系统可以用干计算整个工艺流程的物料平衡、能量平衡以及进行开发设计的多方案评比问题。Kellogg 公司应用这个模扒系统在60年代，开发了单机组、大容量、低能耗的合成氨新工艺

9、流程装置役计。这种在计算机上模拟化工过程工艺流程的软件，称为化工流程模拟系统。应用化工流程模拟系统进行化工过程工艺开发设计的这种技术，称作计算机辅助过程设CAPD( ComputerAided Process Design) 。4.1 稳态模拟稳态模拟的特点是，描述过程对象的模型中不包括时间参数，即是把过程中的各种因素都看成是不随时间而变化的。然而在大规模连续化的工艺流程中，物料是以连续流动的状态在系统中被加工的，过程中的各种参数总是随时间不断变化的，因而稳态是不存在的。稳态模拟只不过是对动态过程到达平稳状态的一种简化处理，事实上这种处理是很必要的。实际上，化工流程模拟系统是稳态模拟系统。化工

10、流程模拟系统从20 世纪 60 年代以来，其发展已经历了三代。第一代摸拟系统是在 20世纪 50年代末期至20世纪 60年代开发的。如美国凯洛格( Kellogg ) 公司开发的flexibleflowsheet、美国休斯敦(houston)大学开发的 CHESS (Chemical Engineering Simulation System) 。第二代模拟系统是在20 世纪 70 年代开发的，对比第一代在功能、规模方面都有很大进步。具有代表性的系统有：美国孟山都( Monsanto)公司开发的FIOWTRAN、美国 博朗(Braun)公司开发的 PF10 ( Process Flow)、日本

11、千代田工程公司开发的CAPES( Computer Aided Process Engineering System )等。第三代模拟系统是由美国能源部委托麻省理工学院L.B.Evans 教授主持开发的ASPEN ( Advanced System of Process Engineering ) 。ASPEN 的开发是针对以煤为原料解决能源工艺为背景的。而第二代模拟系统以处理气液系统为其特长。不具备处理固体物料的功能。ASPEN 的开发工作从1976年起， 组织了杜邦、埃克森、孟山都、飞马石抽等50 家公司投入力量，历时 5 年耗资 600 万美元。于1981 年完成交付使用。ASPEN 具

12、有更大更强的功能。该软件后经Aspen Tech 公司开发成商品软件ASPEN PLUS 。国内最早引进的模拟软件是南京化学公司研究院于1978年由丹麦TOPE公司引进的GTPS， 这是个合成氨工艺专用的流程模拟系统。在 20 世纪 80 年代国内又引进了Aspen Tech公司的 ASPEN PLUS,先后约有 30套左右；美国 Simulation Science公司的 PROCESS (PRO/n)约 26套；Hydrotech公司的 HYSIM30套左右等。国内在 20 世纪 70 年代开始进行化工流程模拟系统的开发工作。一些设计院所、研究院所、高校等单位开发的模拟系统，可以对石油气分

13、离、基本有机合成、合成氨等工艺系统进行工况模拟、操作、 开发设什等等。国内向市场推出的商品软件ECSS( Engineering ChemicalSimulation System )是青岛化工学院开发的化工流程模拟系统。4.2 动态模拟系统在化工过程工艺生产中存在着相当多的动态过程，它们是不允许简化处理为稳态过程的。如精细化学品、染料中间体、农药生产中的间歇反应釜操作过程。其正常生产操作周期中，总是包括着装料、开车、反应、停车、卸料这些过程的工艺参数都是时间的函数。即便是连续生产过程。也有开车、停车、事故处理等动态过程。对于这些过程的分析都需要进行动态模拟。早期的过程动态摸拟软件有，1969

14、 年加拿大McMaster 大学开发的DYNSYS 、 1970 年美国 Houston 大学开发的PRODYC 。 1972年美国杜邦公司开发了DYFLO ， 这个动态模拟软件中的一些主要用FORTRAN 语言编写的程序，己由原开发者Roger G.E.Franks 在他的专著Modeling and Simulation in Chemical Engineering 中公开发表。DYFLO 中提供的各化工过程动态模拟模块都具有接口，并有控制器模块及积分和非线性代数方程解法模块，还引人了物料流数组的概念，为应用提供了方便。1974 年美国 Michigan 大学开发了DYSCO ，这个软件

15、在 DYFLO 基础上加上了调度管理功能，从而使这个软件具有了通用软件的性能。日本科学家与工程师协会(JUSE)与英国CAD中心(CADC)联合开发了 DPS,成为商品化的化工过程动态模拟系统软件。其后，日本千代田化工建设公司开发了DOPL ，日本三井东亚化工公司又推出MODYS 等。20 世纪 70 年代末期至80 年代期间，化工过程动态模拟技术在美、日、西欧等国家和地区进入广泛应用阶段。例如美国的鲁姆斯公司已将动态模拟技术用于系统可行性分析、先进控制系统方案设汁。日本的一些大型化工建设工程公司也将动态模拟技术用于进行新建大型化工厂工艺及控制系统的设计。20 世纪 80 年代， 由动态模拟技

16、术衍生出了用于培训工人的模拟培训器。美国生产模拟培训器的厂家有：SimulationControl Co. ， Autodynamics Co. ， 以及 Atlantic Simulation Inc. 等。这些公司推出了可用于天然气工厂、乙烯厂、炼油厂、液化石油厂、电厂、造纸厂等成套装置的动态模拟培训器。第五节 过程系统模拟的三种基本方法5.1 序贯模块法(Sequential Modular Method )序贯模块法是开发最早、应用最广的过程系统模拟方法。目前绝大数的过程系统模拟软件都属于这一类，如美国的Process Aspen、Flowtran ,日本的 Capes,英国的 Con

17、cept等。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、单元操作以及系统其他功能的模块。序贯模块法就是按照由各种单元模块组成的过程系统的结构，序贯的对各单元模块进行计算，从而完成该过程系统的模拟计算。序贯模块法得到广泛的应用，是因为该方法有其突出的优点，即序贯模块法与实际过程系统的一致性，直观形象，符合人们的认识习惯，便于模拟软件的建立、维护和扩充，易于实现通用化。当计算过程出现问题时， 易于诊断和确定问题的具体位置。然而，由于流程模拟存在物性参数、单元模块以及系统断裂流股三层嵌套的迭代，导致其计算效率较低。(因此，为克服序贯模块法的不足而提出了面向方程法)5.2 面向方程法(E

18、quation Oriented Method)面向方程法又称联立方程法，是因序贯模块法的不足而提出的。其基本思想是将描述过程系统的所有方程组织起来，形成一大型非线性方程组，进行联立求解。这些方程与序贯模块法一样，也来自各单元过程的描述及生产工艺要求、过程系统设计约束条件等。与序贯模块法不同的是，序贯模块法是按单元过程模块求解，而联立方程法是将所有方程放在一起联立求解，从而打破单元模块间的界限，可根据计算任务的需要确定输入变量及输出变量。由于联立求解，避免了回路的断裂、省去了嵌套迭代的时间，提高了计算效率。面向方程法的局限性是给定初值比较严格，即要求给定较好的初值，否则可能得不 到解；计算中出

19、现问题不易诊断排除。因此，面向方程法的广泛应用受到一定限制。(我们对比序贯模块法与面向方程法，不难发现这两种方法对现有成熟单元模块的利用、涉 及变量的多少、对计算机空间要求的大小、求解的难 易程度，计算效率的高低以及适用范围等方面存在一 定的差异。甚至有些方面恰恰是一种方法的缺陷而又 是另一种方法之长，两者存在一定的互补性。为此， 在此基础上正是取序贯模块法及面向方程法两者之长 而形成了联立模块法。)5.3 联立模块法(Simultaneously Modular Method )联立模块法又称双层法，该方法将整个模拟计算 分为两个层次，第一层次是单元模块的层次，第二层 次是系统流程的层次。基

20、本思想如图1所示。首先在模块水平上采用严格单元模块模型，进行严格计算， 获得在一定条件和范围内的输入与输出数据，可采用 数据拟合的方法，确定输入与输出间的关系，并获得 其模型参数，表示该模块的简化模型。然后，在系统 流程层次上，则采用各模块的简化模型，进行联立求 解联结各单元模块的流股信息。如果在系统水平上未 达到规定的精度，则必须返回到模块水平上，重新由 模块进行严格计算、重新建立简化模型。经过多次迭 代，直至前后两次重新建模获得模型参数间的相对误 差达到规定精度，同时也必须满足系统规定的其他目 标函数的收敛精度要求。输出计算机结果图1联立模块法基本思路第六节 过程系统模拟的其他方法6.1 数据驱动法以上介绍的三种基本过程系统模拟方法都是以程序为中心，调用这些算法程序便获得了数据，