化工中的模擬方法及其應(yīng)用

鄧濤　覃建華　歐進(jìn)永

摘 要：化工過(guò)程模擬是計(jì)算機(jī)化工應(yīng)用中的最為基礎(chǔ)、發(fā)展最為成熟的技術(shù)。本文主要介紹了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外化工過(guò)程模擬的一些發(fā)展情況，并對(duì)化工過(guò)程模擬中的分子模擬和流程模擬兩個(gè)方面做了簡(jiǎn)要介紹。

關(guān)鍵詞：過(guò)程模擬 分子模擬

利用計(jì)算機(jī)高超的能力解算化工過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，以模擬化工過(guò)程系統(tǒng)的性能，這種技術(shù)早在50年代已開(kāi)始在化學(xué)工業(yè)中應(yīng)用。經(jīng)過(guò)40年的發(fā)展，現(xiàn)已成為一種普遍采用的常規(guī)手段，廣泛應(yīng)用于化工過(guò)程的研究開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)操作的控制與優(yōu)化，操作工的培訓(xùn)和老廠技術(shù)改造。而且隨著計(jì)算機(jī)硬件的性能/價(jià)格比的迅速提高、軟件環(huán)境的改善與豐富，過(guò)程模擬技術(shù)發(fā)展的勢(shì)頭有增無(wú)減。

一、國(guó)內(nèi)外化工過(guò)程模擬技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[1-8]

化工過(guò)程模擬技術(shù)始于20世紀(jì)50年代中后期，1958年美國(guó)KELLOGG公司推出了世界上第一個(gè)化工模擬程序-FLEXIBLE FLOW SHEETING。60年代，為化工過(guò)程模擬初始發(fā)展期；從70年代起，過(guò)程模擬逐漸進(jìn)入了它的成長(zhǎng)壯大期，美國(guó)MONSANDO公司的FLOWTRAN和SIMULATION SCIENCE公司的PROCESS都是這一時(shí)期比較優(yōu)秀的軟件，當(dāng)時(shí)，模擬軟件的運(yùn)行環(huán)境主要是大型計(jì)算機(jī)。進(jìn)入80年代后，化工過(guò)程模擬走向了它的成熟期，模擬軟件的開(kāi)發(fā)、研制主要由專(zhuān)門(mén)的化工軟件公司進(jìn)行，模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性、可靠性大大加強(qiáng)，功能更加豐富，各項(xiàng)工作走向?qū)I(yè)化、商品化，ASPENTECH、SIMULATION SCIENCE、HYPROTECH公司成為著名的軟件供應(yīng)商，這時(shí)計(jì)算環(huán)境已從大型機(jī)轉(zhuǎn)向小型機(jī)、工作站和微機(jī)。從90年代開(kāi)始，是化工過(guò)程模擬的深入發(fā)展期，最主要的特點(diǎn)是從穩(wěn)態(tài)模擬發(fā)展到動(dòng)態(tài)模擬，從單純的穩(wěn)態(tài)計(jì)算發(fā)展到和工業(yè)裝置緊密相連，這一時(shí)期，化工過(guò)程模擬獲得了大范圍的推廣應(yīng)用，成為工業(yè)界的重要技術(shù)手段。

二 、化工中的分子模擬方法

從分子水平來(lái)研究化工過(guò)程及產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)，無(wú)疑是21世紀(jì)化學(xué)工程的一個(gè)重要方向[9]。許多化工新技術(shù)的出現(xiàn)，如膜分離技術(shù)、超臨界技術(shù)、雙水相技術(shù)、電泳技術(shù)、界面技術(shù)、納米技術(shù)等，伴隨而生的是一些復(fù)雜分子，如高聚物大分子、生物大分子、兩親分子等。化學(xué)工程工作者迫切需要從分子水平來(lái)研究系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)及其宏觀熱力學(xué)性質(zhì)及傳遞性質(zhì)。

1.分子模擬在化工中的應(yīng)用

1.1分子模擬用于建立狀態(tài)方程

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，已發(fā)展了一類(lèi)分別以統(tǒng)計(jì)締合流體理論和硬球鏈理論為基礎(chǔ)的狀態(tài)方程，可用于鏈狀流體和氫鍵締合流體的PVT計(jì)算，現(xiàn)已為國(guó)內(nèi)外普遍關(guān)注和應(yīng)用。另一類(lèi)是用統(tǒng)計(jì)力學(xué)平均球近似方法求解ORNSTEINZERNIKE積分方程而得到的狀態(tài)方程，可用于YUKAWA流體的PVT計(jì)算。還有一類(lèi)狀態(tài)方程是在硬球一階微擾理論基礎(chǔ)上，直接從流體的分子模擬數(shù)據(jù)回歸得到的維里展開(kāi)多參數(shù)狀態(tài)方程。該方程覆蓋了很大溫度范圍（T=7TC，TC為臨界溫度）的LJ分子模擬數(shù)據(jù)[10]。

目前由統(tǒng)計(jì)力學(xué)微擾理論和平均球近似建立的電解質(zhì)非原始模型狀態(tài)方程還很不完善。在化工界至今仍普遍采用經(jīng)典的電解質(zhì)活度模型以及在電解質(zhì)原始模型平均球近似基礎(chǔ)上建立的狀態(tài)方程[11]。

1.2 分子模擬用于研究分子微觀結(jié)構(gòu)

分子模擬是研究分子微觀結(jié)構(gòu)的強(qiáng)有力手段。如在采用TIP3P及TIP位能函數(shù)分別對(duì)水和甲醇進(jìn)行MC分子模擬時(shí)，即可區(qū)分氫鍵締合和非氫鍵締合的分子數(shù)，確定分子周?chē)鷼滏I的配位數(shù)分布，從而得出：水分子的氫鍵平均締合點(diǎn)數(shù)為293，而甲醇分子的氫鍵平均締合點(diǎn)數(shù)為1 5。在采用SAFT狀態(tài)方程時(shí)，即可參考上述分子模擬結(jié)果。盡管已有多種描述水分子的位能函數(shù)模型（如SPC，TIP3P，TIP4P等），但由于函數(shù)過(guò)于復(fù)雜，不便于直接建立統(tǒng)計(jì)力學(xué)狀態(tài)方程。

1.3 用分子模擬研究相界面[13]

分子模擬不僅能測(cè)定流體主體內(nèi)分子的近程有序（即所謂局部組成），還能測(cè)定汽液界面、液液界面以及氣固、液固界面的分子分布。對(duì)純流體垂直于汽液界面的分子密度剖面分布及界面層厚度均可從分子模擬得出的雙曲正切函數(shù)表示，還可用分子模擬獲得界面張力數(shù)據(jù)。

三、化工中的流程模擬方法

流程模擬是過(guò)程系統(tǒng)工程中最基本的技術(shù)，不論過(guò)程系統(tǒng)的分析和優(yōu)化，還是過(guò)程系統(tǒng)的綜合，都是以流程模擬為基礎(chǔ)的。穩(wěn)態(tài)流程模擬是發(fā)展得比較成熟的技術(shù)，80年代已成為工藝設(shè)計(jì)及過(guò)程分析的常規(guī)手段。過(guò)程系統(tǒng)最優(yōu)化是我們追求的目標(biāo)，過(guò)去一直是理論研究的熱點(diǎn)，現(xiàn)在已有部分實(shí)用化。現(xiàn)有工廠的模擬與優(yōu)化是老廠技術(shù)改造面臨的課題，與一般設(shè)計(jì)模擬不同，是流程模擬中的新課題。動(dòng)態(tài)模擬是相對(duì)新的研究領(lǐng)域，也是80年代開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。

1.流程模擬的作用和主要應(yīng)用方向

1.1流程模擬的作用

流程模擬技術(shù)的作用表現(xiàn)在以下幾方面：

1.1.1它是工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。利用熱力學(xué)狀態(tài)方程和反映過(guò)程特性的微分方程，進(jìn)行各個(gè)設(shè)備的物料及能量衡算，才能進(jìn)一步確定設(shè)備尺寸；

1.1.2通過(guò)流程模擬為工廠技術(shù)改造提供依據(jù)，找到“瓶頸”部位。并可計(jì)算出各種消除瓶頸的方案效果；

1.1.3它是設(shè)計(jì)和操作優(yōu)化的基礎(chǔ)。顯然，只有模擬出裝置的特性、才談得到搜索特性?xún)?yōu)化的方向，從而使得整體達(dá)到最優(yōu)；

1.1.4它是優(yōu)化控制的基礎(chǔ)。優(yōu)化控制的機(jī)理模型往往是流程模擬計(jì)算簡(jiǎn)化或回歸的結(jié)果；

1.1.5它是仿真技術(shù)的基礎(chǔ)。利用動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)，可模擬工廠的開(kāi)車(chē)、停車(chē)階段以及運(yùn)轉(zhuǎn)換作，對(duì)事故進(jìn)行診斷。開(kāi)發(fā)的模擬培訓(xùn)器可進(jìn)行人員培訓(xùn)，提高技術(shù)水平。

1.2 流程模擬技術(shù)的應(yīng)用[15]

流程模擬技術(shù)的上述特點(diǎn)，決定了它在生產(chǎn)領(lǐng)域中有多種應(yīng)用：

1.2.1改進(jìn)裝置操作條件

降低操作費(fèi)用，提高產(chǎn)品產(chǎn)量。技術(shù)人員利用計(jì)算結(jié)果.進(jìn)行工藝技術(shù)分析，從而確定更好的操作條件。例如ASPEP4TECH公司曾為某廠做合成氨模擬計(jì)算.嚴(yán)格計(jì)算合成反應(yīng)器的每段溫降，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與工藝操作實(shí)際數(shù)據(jù)相差較大，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，是短路跑氣而造成，經(jīng)改進(jìn)后，生產(chǎn)正常，氨產(chǎn)量增8%。

1.2.2指導(dǎo)裝置開(kāi)工

節(jié)省開(kāi)工費(fèi)用，縮短開(kāi)工時(shí)間。據(jù)TEC公司介紹，他們應(yīng)用模擬軟件確認(rèn)醋酸塔新工藝，制定開(kāi)工方案，結(jié)果開(kāi)工費(fèi)用降低了40～50%。

1.2.3分析裝置“瓶頸”，為設(shè)備檢修與設(shè)備更換提供依據(jù).據(jù)SIMSCI公司介紹，他們利用模擬軟件幫助一個(gè)煉廠分析了常壓換熱系統(tǒng)換熱器的結(jié)垢情況，及時(shí)更換換熱器，從而提高了換熱效率。

四、結(jié)束語(yǔ)

化工過(guò)程模擬技術(shù)發(fā)展至今已有40余年的歷史，這項(xiàng)高新技術(shù)已為化工界所認(rèn)識(shí)，并廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在21世紀(jì)的迅猛發(fā)展，化工過(guò)程模擬技術(shù)將進(jìn)一步與相關(guān)高新技術(shù)（如先進(jìn)控制和實(shí)時(shí)優(yōu)化）結(jié)合，成為企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益、降低生產(chǎn)成本、增強(qiáng)創(chuàng)新能力和綜合競(jìng)爭(zhēng)力的主要技術(shù)手段之一。

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