化工流程模擬技術(shù)研究進(jìn)展

李睿，胡翔

（北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，北京100029）

在我國(guó)，化工行業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，關(guān)系到人們?nèi)粘Ｉ钪械姆椒矫婷?。然而由于工藝條件的限制，在化工生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一些廢物，這些廢物不僅污染了周圍的環(huán)境，而且影響了周圍居民的身體健康。自從1970年，面對(duì)逐漸惡化的環(huán)境問(wèn)題，人們開(kāi)始反思并且開(kāi)始采取一些污染治理措施。然而傳統(tǒng)的末端治理雖然起到了一些作用，但是并沒(méi)有從根本上解決污染問(wèn)題。主要原因有：末端治理費(fèi)用高，末端治理技術(shù)有限，末端處理造成資源能源浪費(fèi)[1]。1989年聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）提出清潔生產(chǎn)概念并積極推動(dòng)清潔生產(chǎn)的實(shí)施，美國(guó)、丹麥、荷蘭、英國(guó)、加拿大、澳大利亞等國(guó)家和地區(qū)都興起了清潔生產(chǎn)浪潮，并獲得了很大的成功，成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)[2-3]，而我國(guó)2002年6月29日第九屆全國(guó)人大常委會(huì)第28次會(huì)議審議通過(guò)了 《中華人民共和國(guó)清潔生產(chǎn)促進(jìn)法》。國(guó)內(nèi)外關(guān)于清潔生產(chǎn)的定義表述雖然不同，但其本質(zhì)都是改變?cè)瓉?lái)的末端治理模式，從源頭、從全過(guò)程出發(fā)把廢物轉(zhuǎn)化產(chǎn)品，減少污染排放，減少對(duì)環(huán)境的破壞，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[4]。

化工生產(chǎn)過(guò)程可以簡(jiǎn)單概括為輸入原料和能源、輸出產(chǎn)品和廢物。要實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，一是要減少資源的消耗；二是要減少?gòu)U物的產(chǎn)生，即要盡可能將原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品；三是節(jié)約能量，并盡可能采用清潔能源。我國(guó)化工行業(yè)中應(yīng)用到的清潔生產(chǎn)技術(shù)主要包括：①過(guò)程模擬技術(shù)；②過(guò)程集成技術(shù)；③清潔的生產(chǎn)工藝；④清潔的反應(yīng)體系；⑤超常規(guī)反應(yīng)技術(shù)；⑥催化技術(shù)；⑦化工設(shè)備技術(shù)；⑧清潔能源[5]。

1 化工流程模擬技術(shù)

在眾多的清潔生產(chǎn)技術(shù)中，化工流程模擬技術(shù)是由信息技術(shù)與化工技術(shù)相結(jié)合，以化工工藝過(guò)程的機(jī)理模型為基礎(chǔ)，根據(jù)化工工藝過(guò)程的數(shù)據(jù)，如物料的溫度、壓力、組成、流量及設(shè)備參數(shù) （如精餾塔的板數(shù)、進(jìn)料位置），用數(shù)學(xué)方法來(lái)描述一個(gè)有多個(gè)單元的化工流程，通過(guò)在計(jì)算機(jī)進(jìn)行單元或全過(guò)程的物料衡算、熱量衡算，建立模型；并通過(guò)改變各種有效操作參數(shù)，從而得所需的最優(yōu)結(jié)果。這其中包括最受關(guān)心的原材料消耗、工程消耗和產(chǎn)品、副產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、設(shè)備尺寸估算和能量分析等許多重要數(shù)據(jù)[6-7]。

近些年隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，軟件、硬件的性能全面提高，可使實(shí)際的化工生產(chǎn)過(guò)程全面、精確地反映在計(jì)算機(jī)上，而不需改變現(xiàn)有裝置的任何參數(shù)，因此，在理論上有了很大的優(yōu)化空間?；つM人員可以在計(jì)算機(jī)上以實(shí)際裝置為基礎(chǔ)，任意改動(dòng)工藝參數(shù)，確定出不同的方案，全方位綜合對(duì)比分析各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，從而得到經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益最優(yōu)的方案，達(dá)到清潔生產(chǎn)的目的。而且，應(yīng)用流程模擬技術(shù)可以節(jié)省大量時(shí)間、原料和操作費(fèi)用，提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，降低消耗，同時(shí)還可以對(duì)化工生產(chǎn)過(guò)程的規(guī)劃、研究和開(kāi)發(fā)及技術(shù)可靠性作出分析和對(duì)比[7]。

2 主要的化工模擬軟件及其應(yīng)用

2.1 Aspen Plus

Aspen Plus化工流程模擬系統(tǒng)是20世紀(jì)70年代由美國(guó)能源部委托麻省理工大學(xué)開(kāi)發(fā)的大型化工模擬軟件，由美國(guó)最大的過(guò)程應(yīng)用軟件公司ASPEN技術(shù)公司80年代初推向市場(chǎng)，它的數(shù)據(jù)庫(kù)包括約6000種純物質(zhì)的數(shù)據(jù)，同時(shí)該數(shù)據(jù)庫(kù)也收集了25萬(wàn)多套氣液平衡和液液平衡數(shù)據(jù)。用戶可以把自己初始的物性數(shù)據(jù)輸入Aspen Plus系統(tǒng)當(dāng)中，利用它提供的單元操作模型，通過(guò)嚴(yán)格的計(jì)算方法，準(zhǔn)確地進(jìn)行單元和全過(guò)程的模擬計(jì)算。利用這一軟件還可以優(yōu)化已有裝置的操作條件或開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)新建、改建裝置。由于其具有功能強(qiáng)大、模擬準(zhǔn)確、使用方便等特點(diǎn)，而廣泛用于化工、煉油、石油化工、氣體加工、煤炭、醫(yī)藥、冶金、環(huán)境保護(hù)、動(dòng)力、節(jié)能和食品等工業(yè)領(lǐng)域[8]。

除了具有流程模擬功能，Aspen Plus還具有靈敏度分析、工藝計(jì)算、物性數(shù)據(jù)回歸、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)等其他方面的功能。此外，實(shí)際生產(chǎn)中，某些物質(zhì)在Aspen Plus自帶的數(shù)據(jù)庫(kù)中查找不到時(shí)，Aspen Plus還具有物性估算的功能。

洪文鵬等[9]運(yùn)用Aspen Plus軟件以氨法脫硫單塔系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)其脫硫系統(tǒng)的吸收、中和和氧化過(guò)程進(jìn)行了模擬，得到了各節(jié)點(diǎn)的物質(zhì)流量及組分、化學(xué)反應(yīng)的參數(shù)條件、脫硫效率、產(chǎn)品的質(zhì)量等參數(shù)，并對(duì)入口煙氣中SO2質(zhì)量濃度、液氣比、煙氣量和氨液量對(duì)脫硫效率的影響進(jìn)行了分析，并確定出最佳的工藝條件。

王麗等[10]利用Aspen Plus對(duì)乙酸正丁酯的合成工藝流程進(jìn)行了模擬計(jì)算。選用強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂取代硫酸，在反應(yīng)精餾塔中一次完成反應(yīng)和分離，取代原有的分步工藝，塔頂氣相部分經(jīng)蒸汽冷凝器、冷卻后在分水器中分出有機(jī)相和原料一起從第一塊塔板入塔，并且假設(shè)每塊反應(yīng)塔板上同時(shí)達(dá)到了化學(xué)平衡、相平衡和熱平程，最終分別確定出全塔、精餾段、反應(yīng)段、提餾段板數(shù)，得到了最佳的工藝參數(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量。

在溫室效應(yīng)加劇的今天，怎樣消減大氣中CO2越來(lái)越受到人們的關(guān)注。éverton Sim?es Van-Dal等[11]應(yīng)用Aspen Plus軟件模擬了化學(xué)吸收CO2，加水電解生產(chǎn)甲醇的過(guò)程，利用火電廠的煙氣吸收CO2，加水后用無(wú)碳電極電解生產(chǎn)甲醇，同時(shí)產(chǎn)生的熱能可以被甲醇生產(chǎn)廠利用，這樣節(jié)省了很大一部分的能源投入。

2.2 Hysys

Hysys模擬軟件是加拿大著名油氣加工模擬軟件工程公司Hyprotech公司研究開(kāi)發(fā)出的產(chǎn)品，它被Aspen Tech公司收購(gòu)后，軟件得到升級(jí)，并為數(shù)據(jù)集成帶來(lái)了很大的方便。此數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)的特點(diǎn)是工藝流程和單元操作依靠物流相關(guān)聯(lián)。Hysys模擬軟件分為動(dòng)態(tài)模擬和穩(wěn)態(tài)模擬兩大部分，模擬過(guò)程中穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)同時(shí)使用同一個(gè)目標(biāo)，不需要傳遞數(shù)據(jù)，而且可以很方便地從靜態(tài)切換到動(dòng)態(tài)。其動(dòng)態(tài)模擬最突出的優(yōu)點(diǎn)就是可以實(shí)時(shí)的測(cè)量和控制運(yùn)行中所有系統(tǒng)，以便于在線調(diào)整操作參數(shù)，而且當(dāng)優(yōu)化模型直接與DCS控制系統(tǒng)相連時(shí)，可以實(shí)時(shí)找出工藝流程的最佳操作條件[12]。Hysys的特點(diǎn)是操作方便、計(jì)算效率高、計(jì)算的收斂性強(qiáng)，更關(guān)注工段級(jí)的操作，更強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性，可以和Aspen Plus形成功能互補(bǔ)，廣泛應(yīng)用于石油化工、電解質(zhì)、制藥和氣體處理等相關(guān)領(lǐng)域[8]。

李勇等[13]采用Hysys流程模擬軟件對(duì)常減壓塔蒸餾生產(chǎn)潤(rùn)滑油原料的運(yùn)行狀況進(jìn)行了模擬，得出了減壓塔總的物料平衡、操作條件、產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)等最佳結(jié)果，而且Hysys模擬能實(shí)時(shí)的反映裝置的運(yùn)行狀況，為裝置的穩(wěn)定生產(chǎn)、優(yōu)化節(jié)能提供參考，并為將來(lái)潤(rùn)滑油產(chǎn)品質(zhì)量提升提供技術(shù)支持。

李占生等[14]根據(jù)天然氣組分，采用 Hysys模擬了加壓使醇胺溶液吸收天然氣中的酸氣、低壓及升溫條件酸氣揮發(fā)的工藝流程，模擬結(jié)果表明凈化后的天然氣中H2S及CO2的含量均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的一類凈化氣質(zhì)量指標(biāo)要求，并提出通過(guò)調(diào)試再生塔底壓力來(lái)控制塔底溫度和裝置補(bǔ)水等關(guān)于實(shí)際操作建議。

伊朗的氣田產(chǎn)出的天然氣所含的酸性氣體（H2S、CO2）濃度過(guò)高，會(huì)產(chǎn)生腐蝕管道、污染環(huán)境等問(wèn)題。Abdulrahman等[15]采用 HysysV.7.3軟件，模擬了二乙醇胺溶液吸收酸性氣體的過(guò)程，同時(shí)對(duì)比了乙醇胺和甲基二乙醇胺的去除效果，并考察了醇胺溶液的濃度和流量等工藝條件，使產(chǎn)出的天然氣中酸性氣體大幅降低，從而達(dá)到了天然氣管道輸送要求。

2.3 Pro／Ⅱ

Pro／Ⅱ軟件是由美國(guó)SimSic公司開(kāi)發(fā)的流程模擬軟件，擁有包含了超過(guò)1700種物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)庫(kù)、40多種單元操作模塊。它不僅可以進(jìn)行基本的穩(wěn)態(tài)模擬，還能夠計(jì)算物質(zhì)性能、設(shè)計(jì)工藝設(shè)備、估算運(yùn)行費(fèi)用、評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)效益及進(jìn)行環(huán)境保護(hù)方面的計(jì)算。它的發(fā)展歷史悠久，積累了大量的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，能夠模擬整個(gè)工藝流程中包括簡(jiǎn)單的管道、閥門和復(fù)雜的反應(yīng)器、分離器在內(nèi)的所有裝置。Pro／Ⅱ軟件還可以同換熱器計(jì)算軟件等其他大型軟件聯(lián)用，其結(jié)果也能以 Word、Excal等多種方式輸出，廣泛應(yīng)用于油氣加工、煉油、化工、聚合物及制藥行業(yè)中新建裝置設(shè)計(jì)、老舊裝置優(yōu)化及技術(shù)改造[8，12]。

曹媛維[16]利用Pro／Ⅱ軟件模擬丙烯精餾塔流程，總結(jié)出隨著裝置規(guī)模大型化，該塔需采用多溢流塔板形式，并考慮塔板形式對(duì)板效率取值的影響，針對(duì)操作不穩(wěn)定、問(wèn)題，提出可增設(shè)進(jìn)料口在不同位置進(jìn)料以滿足要求，并且要充分考慮塔頂冷凝器和塔底再沸器的設(shè)計(jì)余量；針對(duì)能耗大的問(wèn)題，提出在傳統(tǒng)工藝流程基礎(chǔ)上在塔頂冷凝器后增設(shè)排放冷凝器進(jìn)一步回收丙烯的節(jié)能優(yōu)化方案。

雷楊等[17]以催化裂化中典型的吸收穩(wěn)定四塔流程作為研究對(duì)象，通過(guò)流程模擬軟件Pro／Ⅱ模擬計(jì)算，并選擇SPK為模擬過(guò)程的熱力學(xué)方法，在確定了吸收穩(wěn)定系統(tǒng)干氣、液化氣和穩(wěn)定汽油等產(chǎn)品質(zhì)量的條件下，對(duì)補(bǔ)充吸收劑流量、吸收塔和解吸塔壓力、穩(wěn)定塔進(jìn)料溫度和進(jìn)料位置、解吸塔冷熱進(jìn)料比例等影響因素進(jìn)行分析。并得到最優(yōu)化的系統(tǒng)操作參數(shù)。

2.4 ChemCAD

ChemCAD軟件是美國(guó)Chemstations公司開(kāi)發(fā)的流程模擬軟件，提供大量的熱平衡和相平衡計(jì)算方法，包含39種K值計(jì)算方法和13種焓計(jì)算方法，同時(shí)提供了50多個(gè)單元操作模型用于物料平衡和能量平衡核算，可以滿足化工廠的基本需要，為開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)工藝流程，改造、優(yōu)化生產(chǎn)技術(shù)提供一定的理論支持[18]。ChemCAD軟件在 Windows系統(tǒng)中即可運(yùn)行，并且可與其他的應(yīng)用程序兼容，這樣極大地方便了模擬數(shù)據(jù)在ChemCAD與其他應(yīng)用程序之間的傳輸。ChemCAD軟件主要應(yīng)用于化學(xué)和石油工業(yè)、煉油、油氣加工、制藥工業(yè)等領(lǐng)域[12]。

楊暢等[19]應(yīng)用化工流程模擬軟件 ChemCAD對(duì)2-甲基-1-丁醇與乙酸2-甲基-1-丁酯的萃取精餾工藝過(guò)程進(jìn)行全流程靜態(tài)模擬，并對(duì)進(jìn)料位置、回流比和餾出比等重要操作參數(shù)作出靈敏度分析，對(duì)萃取劑進(jìn)料量、進(jìn)料溫度等操作條件進(jìn)行優(yōu)化，最終達(dá)到分離要求。

為了凈化天然氣，雷寶剛等[20]采用ChemCAD軟件對(duì)TEG脫水系統(tǒng)進(jìn)行全流程模擬，考慮了TEG循環(huán)量、原料氣進(jìn)料溫度及TEG貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)脫水效果的影響，確定最優(yōu)化的操作條件，完全可以滿足生產(chǎn)的需求。

Sandesh等[21]利用填充床反應(yīng)蒸餾柱制取醋酸甲酯，并用ChemCAD軟件模擬反應(yīng)流程，考察了再沸器溫度、富集溫度、反應(yīng)器溫度、催化加投加量、反應(yīng)物濃度和流量對(duì)產(chǎn)物的影響，找出了最佳的操作條件，并建立了精確的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出反應(yīng)的K值。

2.5 gPROMS

gPROMS軟件是由帝國(guó)理工學(xué)院PSE研究中心研制開(kāi)發(fā)出來(lái)的，具有過(guò)程建模、仿真、及動(dòng)態(tài)模擬等功能。最近又推出了最新版本V3.53。gPROMS基于聯(lián)立模塊思想，將復(fù)雜的對(duì)象模型逐級(jí)分解成多個(gè)簡(jiǎn)單模型，用這些連接起來(lái)的簡(jiǎn)單模型來(lái)替代復(fù)雜模型，這樣就降低了對(duì)復(fù)雜過(guò)程建模的難度，而且使編譯的簡(jiǎn)單模型有了更強(qiáng)的通用性。與其他模擬軟件相比，gPROMS有很強(qiáng)的處理非連續(xù)性過(guò)程能力，而且能夠與多種應(yīng)用程序建立動(dòng)態(tài)連接，共同完成復(fù)雜流程的模擬。如：它可以與Aspen軟件相連接，借助Aspen的物性數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)完成精餾等化工過(guò)程的模擬[22]，得到的模擬數(shù)據(jù)可以直接輸出到Excel文件中。gPROMS的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，其在化學(xué)工業(yè)、石油化工、石油和天然氣加工、精細(xì)化工、食品工業(yè)和制藥都擁有眾多用戶。

乙炔加氫反應(yīng)器具有非線性、慢時(shí)變的特點(diǎn)，羅雄麟等[23]基于流程模擬軟件gPROMS對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)模擬，結(jié)果表明反應(yīng)器的主要影響因素為催化劑徑向熱導(dǎo)率、粒子內(nèi)有效熱導(dǎo)率、氫氣相間傳質(zhì)系數(shù)和粒子內(nèi)氫氣有效擴(kuò)散系數(shù)。在穩(wěn)態(tài)模擬的基礎(chǔ)上，改變操作條件，得到反應(yīng)器各床層混合氣體溫度和乙炔出口摩爾分?jǐn)?shù)等變量的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，綜合模擬結(jié)果，說(shuō)明反應(yīng)器在多數(shù)操作點(diǎn)附近都是穩(wěn)定的。

郝吉鵬等[24]應(yīng)用gPROMS和Aspen Properties，建立了乙烯裝置脫乙烷塔系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型并對(duì)其進(jìn)行了模擬驗(yàn)證，考慮了進(jìn)料量波動(dòng)﹑進(jìn)料中乙烯含量增加和進(jìn)料溫度下降等脫乙烷塔的響應(yīng)。結(jié)果表明，開(kāi)車過(guò)程中，及時(shí)超調(diào)回流量和再沸器加熱量可以減少產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到控制要求所需的時(shí)間；當(dāng)衰減震蕩式進(jìn)料量波動(dòng)﹑乙烯含量增加和進(jìn)料溫度下降時(shí)，首先會(huì)引起再沸器液位的逆向動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并且衰減震蕩式進(jìn)料量波動(dòng)和乙烯含量增加都會(huì)引起塔頂丙烯含量和塔底乙烷含量的峰值波動(dòng)。

表1為以上5種軟件的性能對(duì)比。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

在能源危機(jī)、環(huán)境惡化的今天，化工行業(yè)的清潔生產(chǎn)是勢(shì)在必行的。流程模擬技術(shù)最為清潔生產(chǎn)中重要的技術(shù)之一，它可以在計(jì)算機(jī)上準(zhǔn)確模擬出化工生產(chǎn)過(guò)程，優(yōu)化操作條件，研發(fā)清潔生產(chǎn)工藝，使更多的原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，減少?gòu)U物的產(chǎn)生，同時(shí)節(jié)省大量的人力、物力、財(cái)力。各種各樣的過(guò)程模擬軟件都有強(qiáng)大的模擬功能、豐富的物性數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)又有不同的側(cè)重點(diǎn)，能夠滿足各種工藝流程的需要。

表1 5種軟件的性能對(duì)比

然而，目前多數(shù)成功的實(shí)施都是采用分散優(yōu)化的方法，即將整廠按邏輯關(guān)系分散成不同的單元，分別進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳的工藝條件。但是沒(méi)有進(jìn)行整體協(xié)調(diào)，這一方法獲得的眾多最優(yōu)操作條件不一定是整體最優(yōu)解。未來(lái)的模擬優(yōu)化技術(shù)必需走向化工廠整體優(yōu)化和企業(yè)級(jí)優(yōu)化，甚至是地區(qū)級(jí)的最優(yōu)。如在一個(gè)化工園區(qū)內(nèi)，一個(gè)工廠的產(chǎn)品、副產(chǎn)物、廢物都有可能是其他工廠的原料，這時(shí)單個(gè)工藝的優(yōu)化結(jié)果就不能保證整體最優(yōu)。即需以產(chǎn)品或原料的數(shù)量與組成建立整體的模擬，通過(guò)地區(qū)級(jí)的流程模擬調(diào)控各個(gè)工廠的生產(chǎn)，減少甚至消除廢物的產(chǎn)生，真正地實(shí)現(xiàn)化工行業(yè)的清潔生產(chǎn)。

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