流程模擬技術(shù)概述

18四月20231化工流程模擬技術(shù)概述

化工模擬優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展是建立在化學(xué)工業(yè)的發(fā)展、人類對(duì)化工過(guò)程認(rèn)識(shí)的深入及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展等的歷史背景下的。 近現(xiàn)代以來(lái)，化學(xué)工業(yè)朝著綜合化方向發(fā)展，流程結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，裝置規(guī)模日趨大型化，化工行業(yè)的資源短缺、環(huán)境污染等問(wèn)題變得越來(lái)越重要。 同時(shí)，人們對(duì)化工過(guò)程的認(rèn)識(shí)也越來(lái)越深入，1915年美國(guó)的A.DLittle首次提出的單元操作的概念，上世紀(jì)50年代，傳遞過(guò)程理論誕生，隨后，化工過(guò)程系統(tǒng)工程應(yīng)運(yùn)而生。自1965年以來(lái)，大型電子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)，計(jì)算方法得到迅速發(fā)展。這一切為現(xiàn)代化工過(guò)程模擬優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

化工過(guò)程模擬系統(tǒng)開(kāi)始產(chǎn)生于上世紀(jì)后半葉，其標(biāo)志性事件就是化工流程模擬軟件的出現(xiàn)與開(kāi)發(fā)。化工流程模擬軟件是由化學(xué)工程學(xué)、化工熱力學(xué)、系統(tǒng)工程、應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、計(jì)算方法及計(jì)算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科理論在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的綜合性模擬系統(tǒng)。 1960年代，美國(guó)HOUSTON大學(xué)開(kāi)發(fā)出Chess（ChemicalEngineeringSimulationSystem）系統(tǒng)，該軟件采用FORTRAN語(yǔ)言編寫，共有16種單元操作模塊，98種物料的物性數(shù)據(jù)。60年代末，美國(guó)Monsanto（孟山都）公司開(kāi)發(fā)出Flowtran（FlowsheetTranslator）系統(tǒng)，該軟件也采用FORTRAN語(yǔ)言編寫，共有30種單元操作模塊，180種物料的物性數(shù)據(jù)。 1976-1981年，美國(guó)麻省理工大學(xué)化工系開(kāi)發(fā)出ASPEN（AdvancedSystemforProcessEngineering）系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用FORTRAN語(yǔ)言編寫，共有36種單元操作模塊，500種氣液物料的物性數(shù)據(jù)，120種固體物料的物性，可用于模擬計(jì)算、優(yōu)化、成本估算和經(jīng)濟(jì)評(píng)估等。1988年美國(guó)Simsci模擬公司開(kāi)發(fā)出PRO/Ⅱ，對(duì)PROCESS做重大改進(jìn)。1990年代中后期，加拿大Hyprotech公司采用新一代面向?qū)ο蟮木幊坦ぞ逤++語(yǔ)言，在Windows環(huán)境下開(kāi)發(fā)出完全交互式的HYSYS軟件，2002年7月，Hyprotech公司與AspenTech公司合并，HYSYS成為AspenTech公司的產(chǎn)品。

我國(guó)的化工過(guò)程模擬系統(tǒng)開(kāi)發(fā)起步較晚，但通過(guò)引進(jìn)軟件、硬件等縮短了差距，應(yīng)用情況目前已接近國(guó)際水平，但軟件系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)與國(guó)外相比仍有較大差距，國(guó)內(nèi)幾乎沒(méi)有通用的化工過(guò)程模擬軟件，但80年代以來(lái)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一些專用的具有一定水平的化工專家系統(tǒng)?？梢?jiàn)，從上世紀(jì)7、80年代以來(lái)，化工過(guò)程模擬系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入快速的普及、推廣時(shí)期。一方面，化工模擬理論和技術(shù)方面的發(fā)展，使軟的應(yīng)用范圍更加廣泛，另一方面，軟件及計(jì)算機(jī)輔助工具的發(fā)展，即研究手段的進(jìn)步，使工程師更易掌握、使用這種軟件，更容易地進(jìn)行各種技術(shù)方案的研究。近年來(lái)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，作為一種典型的經(jīng)驗(yàn)建模工具，由于其具有更強(qiáng)的過(guò)濾能力，巨大的并行處理能力，良好的自適應(yīng)能力及強(qiáng)大的模式識(shí)別能力等諸多優(yōu)于傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)建模系統(tǒng)的獨(dú)特性質(zhì)，被廣泛地應(yīng)用于復(fù)雜化工系統(tǒng)中的建模、優(yōu)化中，取得了顯著的效果。

AspenPlus是Aspen工程套件的首個(gè)產(chǎn)品，自發(fā)布以來(lái)，經(jīng)過(guò)20多年的不斷改進(jìn)、提高與擴(kuò)充，先后發(fā)布了十多個(gè)版本，已成為舉世公認(rèn)的大型流程模擬標(biāo)準(zhǔn)軟件。全球各主要化工、石化和煉油等過(guò)程工業(yè)制造企業(yè)與著名工程公司均是AspenPlus的用戶。同時(shí)，以AspenPlus的嚴(yán)格機(jī)理模型為基礎(chǔ)，還逐步發(fā)展起來(lái)了一系列針對(duì)不同用途、不同層次的軟件產(chǎn)品，此即為Aspen工程套件(AspenEngineeringSuite,簡(jiǎn)稱AES)。AspenPlus軟件做為目前最流行的國(guó)際通用性化工流程模擬軟件，其廣泛應(yīng)用于科研、生產(chǎn)和工程中。該軟件的主要特征是：序貫和聯(lián)立方程的模擬方法、最快的速度和最高的可靠性及龐大的純組分和混合物的數(shù)據(jù)庫(kù)；其主要功能是：數(shù)據(jù)回歸和數(shù)據(jù)擬合、物性分析、靈敏度分析、設(shè)計(jì)和校核及多變量?jī)?yōu)化。

利用該軟件，可以進(jìn)行以下具體的工作：（1）物料平衡、熱平衡，熱負(fù)荷、流率、組成及物性等設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的計(jì)算；(2)設(shè)備單元主要工藝參數(shù)，并可進(jìn)行冷換設(shè)備核算及塔板水力學(xué)估算；(3)流程合成和工藝包開(kāi)發(fā)；(4)原料及加工路線的篩選與評(píng)價(jià)；(5)工藝參數(shù)優(yōu)化和消除裝置“瓶頸”；（6）裝置操作優(yōu)化，擴(kuò)產(chǎn)與節(jié)能；（7）參數(shù)顯著性分析，提供總流程的優(yōu)化LP模型參數(shù)和“影子價(jià)格”等參數(shù)；(8)操作參數(shù)的靈敏度分析；(9)自控方案、DCS或APC中建模提供依據(jù)；（10）利用動(dòng)態(tài)模擬功能分析控制參數(shù)的動(dòng)態(tài)特性，如自控和開(kāi)、停工方案及火炬排放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。18四月20237內(nèi)容概論過(guò)程系統(tǒng)工程的基本概念過(guò)程系統(tǒng)工程包含的內(nèi)容過(guò)程系統(tǒng)工程研究方法穩(wěn)態(tài)模擬基礎(chǔ)知識(shí)18四月20238概論60年代過(guò)程系統(tǒng)工程產(chǎn)生和發(fā)展的理論準(zhǔn)備時(shí)期70年代過(guò)程系統(tǒng)工程走上實(shí)用的時(shí)期80年代過(guò)程系統(tǒng)工程普及時(shí)代18四月20239過(guò)程系統(tǒng)工程的基本概念過(guò)程系統(tǒng)工程是將系統(tǒng)工程學(xué)的理論和方法應(yīng)用于過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域的確一門邊緣學(xué)科，是化學(xué)工程的一個(gè)分支。過(guò)程系統(tǒng)工程的基本內(nèi)容就是從過(guò)程系統(tǒng)的整體目標(biāo)出發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)組成部分的特性及其相互關(guān)系，確定在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、操作和控制等方面的最優(yōu)策略。18四月202310研究開(kāi)發(fā)市場(chǎng)調(diào)查設(shè)備設(shè)計(jì)設(shè)備制造建設(shè)工程試運(yùn)轉(zhuǎn)操作運(yùn)行過(guò)程設(shè)計(jì)外協(xié)檢查經(jīng)營(yíng)管理控制環(huán)境的變化18四月202311過(guò)程系統(tǒng)工程包含的內(nèi)容過(guò)程系統(tǒng)分析過(guò)程系統(tǒng)集成過(guò)程系統(tǒng)優(yōu)化過(guò)程系統(tǒng)設(shè)計(jì)18四月202312過(guò)程系統(tǒng)輸入輸出過(guò)程系統(tǒng)分析示意圖（待求）18四月202313過(guò)程系統(tǒng)（待求）輸入輸出過(guò)程系統(tǒng)集成示意圖18四月202314過(guò)程系統(tǒng)優(yōu)化過(guò)程系統(tǒng)優(yōu)化或系統(tǒng)優(yōu)化可分為參數(shù)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)優(yōu)化：在一確定的系統(tǒng)流程中對(duì)其操作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)構(gòu)優(yōu)化：改變過(guò)程系統(tǒng)中設(shè)備類型或其相互間的聯(lián)結(jié)，以優(yōu)化過(guò)程系統(tǒng)。18四月202315過(guò)程系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則上講，是過(guò)程系統(tǒng)集成與過(guò)程系統(tǒng)分析交替過(guò)程的整體。包括三個(gè)主要的步驟：過(guò)程系統(tǒng)集成、分析與優(yōu)化18四月202316過(guò)程系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)綜合參數(shù)優(yōu)化需求計(jì)算設(shè)備尺寸、費(fèi)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化最終的過(guò)程系統(tǒng)熱量物料衡算決策變量?jī)?yōu)化18四月202317數(shù)學(xué)模擬數(shù)學(xué)模擬：對(duì)數(shù)學(xué)模型求解的過(guò)程優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)、靈活、可以減少中間試驗(yàn)，可獲得實(shí)驗(yàn)條件下難以得到的性能信息，可以利用已有的理論成果來(lái)研究復(fù)雜過(guò)程系統(tǒng)的性能。18四月202318過(guò)程系統(tǒng)模型

過(guò)程系統(tǒng)模型是借助有關(guān)概念、變量、規(guī)則、邏輯關(guān)系、數(shù)學(xué)表達(dá)式、圖形和表格等對(duì)系統(tǒng)的總體描述。18四月202319數(shù)學(xué)模型的類型與建立按建模的方法分為：機(jī)理模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶唇Ｊ欠窨紤]時(shí)間分為：動(dòng)態(tài)模型和穩(wěn)態(tài)模型按建模是否考慮空間分為：集中參數(shù)模型和分布參數(shù)模型按過(guò)程的特征分為：確定模型和隨機(jī)模數(shù)學(xué)模型的建立過(guò)程稱為模型化，模型化的最基本要求，數(shù)學(xué)模型與所研究的過(guò)程系統(tǒng)具有客觀的一至性。18四月202320過(guò)程系統(tǒng)模型組成及表示過(guò)程單元模型過(guò)程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過(guò)程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)表示：有向圖表示、矩陣表示18四月202321穩(wěn)態(tài)模擬的基本知識(shí)數(shù)學(xué)模型的基本類型與主要形式穩(wěn)態(tài)模擬所研究問(wèn)題的基本類型穩(wěn)態(tài)模擬的基本方法穩(wěn)態(tài)模擬軟件化工過(guò)程物性系統(tǒng)化工過(guò)程的數(shù)學(xué)模型18四月202322數(shù)學(xué)模型的基本類型集中參數(shù)模型與分布參數(shù)模型確定模型與隨機(jī)模型機(jī)理模型與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?8四月202323穩(wěn)態(tài)模擬所研究的基本問(wèn)題標(biāo)準(zhǔn)型問(wèn)題設(shè)計(jì)型問(wèn)題最優(yōu)化問(wèn)題18四月202324單元模塊輸入流股向量輸出流股向量標(biāo)準(zhǔn)型問(wèn)題18四月202325單元模塊輸入流股向量輸出流股向量設(shè)計(jì)型問(wèn)題控制模塊設(shè)備參數(shù)向量要求的輸出向量特性18四月202326過(guò)程模擬模型給定輸入物理特性最優(yōu)化問(wèn)題經(jīng)濟(jì)模擬模型給定的參數(shù)控制變量約束條件優(yōu)化程序約束條件18四月202327公用工程及原料量成本數(shù)據(jù)物料與能量衡算設(shè)備尺寸計(jì)算成本估算經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)輸入條件設(shè)備尺寸計(jì)算投資費(fèi)用數(shù)據(jù)收益流程模擬的一般步驟18四月202328穩(wěn)態(tài)模擬的基本方法序貫?zāi)K法（SM）聯(lián)立方程法（EO）最優(yōu)聯(lián)立模塊法18四月202329流程模擬系統(tǒng)軟件模擬系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者結(jié)構(gòu)特點(diǎn)ASCEND美國(guó)Carnegie-Mellon聯(lián)立方程法模擬與優(yōu)化ASPENPLUS美國(guó)ASPEN公司序貫?zāi)K法模擬與優(yōu)化CAPES日本序貫?zāi)K法有優(yōu)化費(fèi)用CHESS美國(guó)Washington大學(xué)CONCEPTIII英國(guó)CAD中心序貫?zāi)K法交互作用方式DESIGN2000美國(guó)ChemShare序貫?zāi)K法FLOWPACKII英國(guó)德國(guó)ICI-LINDE序貫?zāi)K法批處理與交互FLOWSIM美國(guó)Connecticut大學(xué)聯(lián)立方程法圖形輸入FLOWTRAN美國(guó)MonsantoCo.序貫?zāi)K法有費(fèi)用和尺寸GMB美國(guó)BadgerCo.序貫?zāi)K法交互作用方式18四月202330流程模擬系統(tǒng)軟件模擬系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者結(jié)構(gòu)特點(diǎn)HYSIM加拿大HYPROTECHCo.序貫?zāi)K法交互作用方式PRO/II美國(guó)Simulation公司序貫?zāi)K法批處理與交互QUASLIN英國(guó)CAD中心聯(lián)立方程法模擬與優(yōu)化SIMMOD美國(guó)Illinois大學(xué)序貫?zāi)K聯(lián)立模塊法模擬與優(yōu)化SPEEDUP英國(guó)Imperial大學(xué)PASCAL編程SYMBOL英國(guó)Cambridge大學(xué)聯(lián)立方程法線性化法ECSS青島化工學(xué)院序貫?zāi)K法MicroSAPROSS蘭州設(shè)計(jì)院序貫?zāi)K法合成氨專用系統(tǒng)程大連理工大學(xué)華東理工大學(xué)18四月202331流程模擬系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)計(jì)算方法庫(kù)單元模塊庫(kù)物性數(shù)據(jù)庫(kù)熱力學(xué)性質(zhì)庫(kù)輸入輸出管理系統(tǒng)執(zhí)行程序求解優(yōu)化經(jīng)濟(jì)分析18四月202332物性系統(tǒng)的作用根據(jù)模擬計(jì)算的進(jìn)程與要求向程序