淺議過程模擬優(yōu)化在化工工藝設計中的應用

李躍

摘 要：為了提高化工工藝設計質(zhì)量、促進我國化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對過程模擬優(yōu)化在化工工藝設計中的應用進行了研究。首先，對過程模擬優(yōu)化技術進行了分析，指出了其定義及應用優(yōu)勢。然后，詳細闡述了過程模擬優(yōu)化技術在生產(chǎn)設備優(yōu)化及調(diào)整、新工藝研究、裝置設計中的應用方法。最后，結合實例具體闡述了過程模擬優(yōu)化在化工工藝設計中的應用。

關鍵詞：過程模擬優(yōu)化；化工工藝設計；應用

隨著我國計算機技術的發(fā)展，其在化工生產(chǎn)中的應用越來越深入。其中，最成熟的應用技術就是過程模擬優(yōu)化技術。這種優(yōu)化技術可以有效保證工藝設計的科學性[1-3]?；诖?，應結合生產(chǎn)實際，深入研究過程模擬優(yōu)化技術的應用，從而充分發(fā)揮出該技術的優(yōu)勢，為化工工藝優(yōu)化設計提供基礎保障。

1 過程模擬優(yōu)化技術簡介

1.1 定義

過程模式優(yōu)化技術是指借助計算機技術進行化工生產(chǎn)過程的模擬，并進行相應的計算，調(diào)整工藝參數(shù)，從而提升化工工藝的科學性、合理性。其中，需要計算的有相比平衡、壓力平衡、熱平衡等。此外，還會對化工工藝介質(zhì)進行計算、調(diào)整。

1.2 應用優(yōu)勢

傳統(tǒng)化工工藝設計包括流程組織、物料衡算（Material Balance，MB）及熱量衡算（Heat Balance，HB）、設備設計及選型、工藝物料平衡圖（Program Flow Diagram，PFD）設計與繪制、流程平立面布置及配管設計、概算、流程的技術經(jīng)濟分析、編制工藝設計說明書。該流程主要包括兩個循環(huán)：（1）從物料及熱量衡算到流程技術經(jīng)濟分析的內(nèi)循環(huán)。（2）涉及全部流程的外循環(huán)。結合實際來看，外循環(huán)優(yōu)化的工作量最大，且必須依靠計算機輔助設計。

借助計算機進行化工工藝過程模擬優(yōu)化主要從流程組織階段入手，在模擬軟件中輸入工藝流程草圖，然后輸入流程結果、已知參數(shù)，以便進行設備參數(shù)、操作的優(yōu)化、調(diào)整。接下來，還要進行MB、HB計算、設備設計及選型、PFD圖繪制、流程平立面布置及配管設計、概算、流程的技術經(jīng)濟分析。具體來說，是將描述某個化工過程的數(shù)學模型及參數(shù)輸入到計算機模擬軟件中，由模擬軟件完成數(shù)學模型的求解，然后依據(jù)輸出結果就可進行化工工藝的優(yōu)化。在整個過程中，主要就是進行物理模擬和數(shù)學模擬。其中，物理模擬是指借助物理試驗手段，進行化工過程的模擬，具有成本低、靈活的優(yōu)點。數(shù)學模擬是指通過構建數(shù)學模型，對模型進行求解、分析，進而達到對化工過程進行研究的目的，具有可靠性高的特點。一般在實際化工工藝過程模擬優(yōu)化中，大多將數(shù)學模擬和物理模擬結合在一起。另外，大多應用Aspen Plus模擬軟件、Capes軟件進行過程模擬。其中，Aspen Plus模擬軟件的功能更齊全、規(guī)模更大。

總之，傳統(tǒng)化工工藝存在許多不足。通過應用過程模擬優(yōu)化技術可以提高化工工藝的經(jīng)濟性，降低生產(chǎn)成本，提升化工生產(chǎn)效益。最重要的是，能為產(chǎn)品的研發(fā)、設計提供保障，促進化工企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2 過程模擬優(yōu)化技術在化工工藝設計中的應用

2.1 生產(chǎn)設備的調(diào)整、優(yōu)化

在生產(chǎn)設備調(diào)整、優(yōu)化方面，過程模擬優(yōu)化技術起到了不可替代的作用。通過模擬化工工藝流程，可以找到最佳的工藝條件，實現(xiàn)化工生產(chǎn)的節(jié)能、降耗。相對于傳統(tǒng)的優(yōu)化方法，借助計算機進行化工設備優(yōu)化，可以得到最佳的工藝參數(shù)，保證化工生產(chǎn)效率。

目前，過程模擬優(yōu)化技術已經(jīng)實現(xiàn)了動態(tài)模擬、實時優(yōu)化。但是，其基礎仍是穩(wěn)態(tài)模擬。畢竟，只有通過穩(wěn)態(tài)模擬確定各項數(shù)值，才可開展動態(tài)模擬、實施優(yōu)化。通過應用這兩種模擬優(yōu)化技術可以對復雜裝置進行調(diào)整、優(yōu)化。例如，可以利用Fluent軟件對旋風分離器內(nèi)流場進行模擬分析，并依據(jù)模擬結果，對其流體速度、壓力變化進行觀察分析，從而為調(diào)整、優(yōu)化設備提供參考。這樣就可依據(jù)化工工藝實際，對旋風分離器參數(shù)進行調(diào)整，提升其使用性能。

2.2 新工藝研究

在20世紀60年代以前，化工工藝新流程的研究主要采用試驗方法，費時費力。后來，隨著計算機技術的發(fā)展，過程模擬優(yōu)化技術逐漸得到了人們的重視，并被應用在新工藝研究中。現(xiàn)如今，化工新工藝研究的主要手段就是應用過程模擬優(yōu)化技術，必要時配合試驗。這樣不僅能縮短新工藝研究流程、提升新工藝研究效率，還能增強新工藝的適用性。

以現(xiàn)有的環(huán)丁砜抽提工藝為例。其產(chǎn)品中的芳烴含量比較高，且流量大、能耗大。因此，可以用過程模擬優(yōu)化技術進行新工藝的研究，彌補傳統(tǒng)工藝的不足。例如，可應用PRO/ II模擬軟件，模擬環(huán)丁砜溶劑芳烴抽提過程、結果，建立新的工藝路程：將原料送入抽提蒸餾塔中段，溶劑則送入塔上段。這樣芳烴、原料就能逆向接觸，且芳烴選擇性地溶解。另外，非芳烴會被塔頂引出，混合物則從塔底進入回收塔。然后，對回收塔排出的芳烴、水分進行冷凝、冷卻、油水分離就可得到混合的芳烴產(chǎn)物。相對來說，新工藝不僅能降低能耗，還能節(jié)約成本、保證化工生產(chǎn)效益?？傊?，過程模擬優(yōu)化技術非常有利于化工新工藝的研究。

2.3 新裝置設計

化工過程模擬的主要應用途徑之一就是新裝置設計。因為應用過程模擬優(yōu)化技術可以更加精確地計算物料平衡、能量平衡，以便進行后續(xù)的設備工藝參數(shù)修改、調(diào)整、優(yōu)化。尤其是對乙烯裝置、催化裂化裝置、氣體分餾裝置等的設計，其過程模擬效果更好，最終的模擬結果也更準確，甚至可以用于檢驗現(xiàn)場生產(chǎn)操作的規(guī)范性、合理性。

具體來說，應用模擬軟件可以實現(xiàn)以下功能：（1）可判斷化工裝置是否在優(yōu)化狀態(tài)下，若不在則應如何改進；（2）可通過模擬發(fā)現(xiàn)裝置在實際生產(chǎn)中的應用瓶頸，并提供相應的參數(shù)、結果，方便設計人員改進裝置，突破瓶頸；（3）無需進行實際投資，就可完成裝置優(yōu)化，降低裝置能耗；（4）當裝置出現(xiàn)異常時，可通過模擬找到裝置異常點，并提出相應的解決措施；（5）可為裝置的改造、技改提供基礎保障；（6）可方便技術人員的綜合素養(yǎng)培養(yǎng)?，F(xiàn)如今，過程模擬在裝置設計中的應用已經(jīng)非常廣泛。例如，青島煉化通過應用過程模擬優(yōu)化技術對其實際生產(chǎn)裝置進行了優(yōu)化。結果證明，通過應用新裝置，不僅節(jié)約了燃料，還提高了節(jié)能效益、產(chǎn)品回收效率。荊門石化則通過應用過程模擬優(yōu)化技術對氣分裝置進行了降壓操作優(yōu)化，使得節(jié)能效益大幅度提升。由此可見，過程模擬優(yōu)化技術非常有利于新裝置設計，且能有效促進裝置的節(jié)能、降耗。

3 過程模擬優(yōu)化技術在化工工藝設計中的應用

3.1 應用案例分析

在化工工藝設計中應用過程模擬優(yōu)化技術，可以有效提升化工生產(chǎn)效率、改進化工工藝。本研究以某石化企業(yè)為例，對過程模擬優(yōu)化技術的應用進行了分析，重點研究其裂解工藝。該工藝的主要應用裝置是裂解爐。裂解爐裝置包括急冷鍋爐、對流室、對流室管組、輻射室、裂解管等部分。

3.2 應用過程

3.2.1 假設

在充分掌握乙烯裂解工藝的基礎上，提出科學性的假設，進行裂解工藝的簡化。技術人員要做的是：（1）進行物質(zhì)的量比計算。即對化學反應原料進行分析、計算；（2）對影響乙烯裂解的各項影響因素進行計算，例如熱平衡、壓力平衡等；（3）進行化學反應介質(zhì)的計算。具體步驟是：首先，依據(jù)等價原則，在連續(xù)操作狀態(tài)下獲得化學生產(chǎn)全過程。然后，進行模擬計算，并忽略各種特殊情況的影響及整個生產(chǎn)過程的能耗。需要注意的是，在計算氣液平衡的過程中，若無化學反應，則可不進行計算，以免計算難度過高。

3.2.2 模擬

結合實際來看，乙烯裂解的產(chǎn)量會受到熱負荷、反應壓力等因素的影響。所以，技術人員要進行技術分析，結合相關條件對系統(tǒng)熱量進行優(yōu)化。但是，技術人員仍需注意，裂解爐的操作會受到各種條件影響。如果這時應用過程模擬優(yōu)化技術，就可以對原料加工、乙烯裂解數(shù)據(jù)信息、生產(chǎn)狀態(tài)等進行分析，并得到相關數(shù)據(jù)。接下來，技術人員就可結合相關參數(shù)，構建質(zhì)量指標預估模型，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的轉(zhuǎn)化。在該案例中，技術人員通過過程模擬，實現(xiàn)了出口溫度的控制，將裂解爐出口溫度提升了4 ℃，以此加深裂解程度，增加乙烯產(chǎn)量。

3.3 應用效果

總體來說，通過過程模擬優(yōu)化技術對化工藝進行了再次調(diào)整，并取得了以下應用效果：（1）對工藝故障進行了診斷。在以往的生產(chǎn)工藝中，大多對工藝進行試驗測試，不僅浪費時間，還消耗了更高的成本。但是通過應用過程模擬優(yōu)化技術，工藝改進的周期明顯縮短，且投入成本有所降低。（2）工藝改造更加有效。在實際生產(chǎn)中，通過應用過程模擬優(yōu)化技術對工藝參數(shù)進行了精準計算，消除了傳統(tǒng)不良因素對生產(chǎn)工藝的影響。在該廠進行生產(chǎn)工藝調(diào)整后，其經(jīng)濟效益直線提升，并在兩個半月后實現(xiàn)了利益最大化。

4 結語

過程模擬優(yōu)化技術對化工工藝設計有非常重要的促進作用，不僅能為技術人員提供各種數(shù)據(jù)信息，有助于進行裝置、工藝、設備的改造、優(yōu)化，還能落實節(jié)能、降耗理念，促進化工產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。最重要的是，能大幅度提高化工工藝設計的科學性和合理性，提升化工生產(chǎn)的經(jīng)濟效益，增強化工企業(yè)的核心競爭力。

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Discussion on application of process simulation optimization in chemical process design

Li Yue

（Heilongjiang Haohua Chemical Co. Ltd.， Qiqihar 161033， China）

Abstract：In order to improve the quality of chemical process design and promote the development of chemical industry in China， the application of process simulation optimization in chemical process design is studied. Firstly， the process simulation optimization technology is analyzed， and its definition and application advantages are pointed out. Then， the application methods of process simulation optimization technology in production equipment optimization and adjustment， new process research and device design are described in detail. Finally， the application of process simulation optimization in chemical process design is described combined with examples.

Key words：process simulation optimization； chemical process design； application