淺議過程模擬優(yōu)化在化工工藝設(shè)計中的應(yīng)用

王冠 毛智強

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1 過程模擬優(yōu)化技術(shù)簡介

過程模式優(yōu)化技術(shù)是指借助計算機技術(shù)進行化工生產(chǎn)過程的模擬，并進行相應(yīng)的計算，調(diào)整工藝參數(shù)，從而提升化工工藝的科學(xué)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]。

接下來，還要進行MB、HB計算、設(shè)備設(shè)計及選型、PFD圖繪制、流程平立面布置及配管設(shè)計、概算、流程的技術(shù)經(jīng)濟分析。具體來說，是將描述某個化工過程的數(shù)學(xué)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(xué)模型的求解，然后依據(jù)輸出結(jié)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(xué)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(xué)模擬是指通過構(gòu)建數(shù)學(xué)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(xué)模擬和物理模擬結(jié)合在一起。另外，大多應(yīng)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?？傊?，傳統(tǒng)化工工藝存在許多不足。通過應(yīng)用過程模擬優(yōu)化技術(shù)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(shè)計提供保障，促進化工企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2 化工工藝設(shè)計流程關(guān)鍵因素分析

由于化工生產(chǎn)較為復(fù)雜，存在諸多的化學(xué)反應(yīng)。然而化學(xué)反應(yīng)會根據(jù)環(huán)境因素產(chǎn)生變化，因此很難保證化學(xué)反應(yīng)能正常進行。在設(shè)計過程中，要了解實際情況，在化工工藝設(shè)備上需要引進大量的先進資料，在數(shù)據(jù)上有所保障，從而確保最終的化學(xué)反應(yīng)的準(zhǔn)確性。對于化工不要盲目地追求工作效率與質(zhì)量，要進行綜合資源投入，對時間、產(chǎn)出效率等進行全面科學(xué)分析。在化工工藝流程設(shè)計過程中，由于設(shè)計的管線復(fù)雜，很難進行科學(xué)驗證，一旦出現(xiàn)問題會影響最終結(jié)果。在工藝流程設(shè)計方案的制定過程，要重視反應(yīng)步驟，減少生產(chǎn)過程中的影響因素，降低生產(chǎn)風(fēng)險，并進行全面分析，要對安全值進行控制，對施工流程進行二次防護，制定出更加全面的設(shè)備安全措施，防止意外發(fā)生，造成不必要的經(jīng)濟損失以及人員傷亡[2]。

3 過程模擬優(yōu)化技術(shù)在化工工藝設(shè)計中的應(yīng)用

3.1 生產(chǎn)設(shè)備的調(diào)整、優(yōu)化

在生產(chǎn)設(shè)備調(diào)整、優(yōu)化方面，過程模擬優(yōu)化技術(shù)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(shè)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(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了動態(tài)模擬、實時優(yōu)化。但是，其基礎(chǔ)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(yīng)用這兩種模擬優(yōu)化技術(shù)可以對復(fù)雜裝置進行調(diào)整、優(yōu)化。例如，可以利用Fluent 軟件對旋風(fēng)分離器內(nèi)流場進行模擬分析，并依據(jù)模擬結(jié)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(shè)備提供參考。這樣就可依據(jù)化工工藝實際，對旋風(fēng)分離器參數(shù)進行調(diào)整，提升其使用性能。

3.2 優(yōu)化化工工藝管道的設(shè)計

在進行化工生產(chǎn)時，需要注重對于管道的設(shè)計，因為生產(chǎn)過程中所使用的化工原料具有一定的腐蝕性與毒害性，一旦發(fā)生泄漏將會造成巨大的損失與傷亡，所以必須嚴(yán)格控制化工工藝生產(chǎn)中所選用的管道材料質(zhì)量。與此同時，還要在此基礎(chǔ)上科學(xué)準(zhǔn)確地分析化工工藝管道的振動以及管道內(nèi)的應(yīng)力等情況，全面詳細了解化工管道的腐蝕狀況，進行為設(shè)計人員提供科學(xué)合理的數(shù)據(jù)信息參考，避免管道在后期發(fā)生裂縫以及變形等問題，造成不良的社會影響和危害。

3.3 新裝置設(shè)計

化工過程模擬的主要應(yīng)用途徑之一就是新裝置設(shè)計。因為應(yīng)用過程模擬優(yōu)化技術(shù)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(shè)備工藝參數(shù)修改、調(diào)整、優(yōu)化。應(yīng)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(yīng)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(yīng)用瓶頸，并提供相應(yīng)的參數(shù)、結(jié)果，方便設(shè)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(dāng)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(yīng)的解決措施。

（5）可為裝置的改造、技改提供基礎(chǔ)保障。

（6）可方便技術(shù)人員的綜合素養(yǎng)培養(yǎng)?，F(xiàn)如今，過程模擬在裝置設(shè)計中的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛。例如，青島煉化通過應(yīng)用過程模擬優(yōu)化技術(shù)對其實際生產(chǎn)裝置進行了優(yōu)化。結(jié)果證明，通過應(yīng)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(yīng)用過程模擬優(yōu)化技術(shù)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[3]。

4 結(jié)語

過程模擬優(yōu)化技術(shù)對化工工藝設(shè)計有非常重要的促進作用，不僅能為技術(shù)人員提供各種數(shù)據(jù)信息，有助于進行裝置、工藝、設(shè)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(shè)計的科學(xué)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。