化工过程

模拟方法在化工开发过程中的应用前景宁夏大学化学化工学院07级化教（1）班曹娅娟学号：12007240069摘要：掌握化工过程系统分析与模拟的基本概念、原理和方法；熟悉建立化工单元操作及化工过程系统数学模型的步骤及流程模拟的基本方法；了解该学科领域的有关发展前沿。主要是介绍化工模拟系统(chemicalengineeringsimulationsystem)又称工艺流程模拟系统，指的是一种计算机辅助工艺设计软件,这种软件接受有关化工流程的输入信息,进行对过程开发、设计或操作有用的系统分析计算。这种软件是20世纪50年代末期随着计算机在化工中的应用而逐步发展起来的。开始只有适用于特定工艺流程（如氨合成、烃类裂解制乙烯等）的专用流程模拟系统，后来逐步发展到适用于各种工艺流程的通用流程模拟系统,到60年代后期化工模拟系统已得到推广应用,成为化工过程的开发和设计以及现有生产操作改进的主要常规手段。关键词：化工模拟系统；方法；计算机分子模拟；化工过程灾害模拟研究；前景。第一章序言化工模拟系统(chemicalengineeringsimulationsystem)又称工艺流程模拟系统，指的是一种计算机辅助工艺设计软件,这种软件接受有关化工流程的输入信息,进行对过程开发、设计或操作有用的系统分析计算。这种软件是20世纪50年代末期随着计算机在化工中的应用而逐步发展起来的。开始只有适用于特定工艺流程（如氨合成、烃类裂解制乙烯等）的专用流程模拟系统，后来逐步发展到适用于各种工艺流程的通用流程模拟系统,到60年代后期化工模拟系统已得到推广应用,成为化工过程的开发和设计以及现有生产操作改进的主要常规手段。1.1模拟系统的基本类型化工模拟系统目前主要有四种类型：①稳态流程模拟系统。其基本功能是进行物料和能量衡算，有的还包括设备尺寸计算、成本估算和经济评价等高级功能。②动态流程模拟系统。用于系统的动态特性计算、控制性能的研究和系统开停车操作的模拟，也用于操作人员的培训。③流程的优化系统。用于系统或全流程的决策变量（操作参数）的优化搜索。④分批处理操作的模拟系统。用于模拟间歇过程的时间安排顺序。1.2模拟系统的组成模拟系统的组成部分通用流程模拟系统（以稳态流程模拟为例）一般至少有以下几个组成部分：①单元操作和反应过程模块如精馏、换热、闪急蒸馏、蒸馏、流体输送等以及各种反应模块。调用这些基本单元操作模块，在计算机中可以搭成各种各样模拟流程，来描述实际工艺流程。②物性估算系统包含基础物性数据库和估算关联模型。前者存贮各种化合物的基本物性数据，如分子量、密度、临界压力、临界温度、标准沸点、偏心因子等，以便计算时调用；后者是为计算各种物质（纯物质和混合物）在给定条件下的各种物性所需的估算方程式。例如状态方程、计算液相活度系数的关联式、计算热焓和自由能的关联式等，物性估算系统用以为单元操作模块计算提供所需要的各种物性数据。③数学方法程序主要有两大类数学程序：一类是系统分解方法，能够使大系统自动分隔和断裂，并排出单元模块的计算顺序；另一类是加速迭代计算收敛和其他通用的数学方法。④执行系统具有输入语言自动翻译、模拟程序装配和结果打印等功能。1.3模拟系统的用途化工模拟系统是化工系统工程发展产生的实用性成果，目前在下列各领域已得到广泛应用:①规划工作阶段。对于工艺过程进行可行性分析,对多种方案进行经济评价。②科学研究阶段。进行概念设计可以弄清研究的重点，也可以与实验同时开展数学模拟试验，两者互相补充，加快研究进度。③放大设计阶段。对于基础设计和初步设计的多方案进行比较，寻求最优化设计，节约基本建设投资。④现有工厂的技术改造和操作优化。可以分析现有生产的能耗或原料消耗漏洞，发现提高生产能力的关键所在，以便有针对性地提出改造方案，也可以在计算机上模拟现场操作，进行调优试验，离线指导生产操作的优化。第二章计算机分子模拟方法“计算机实验”（“计算机模拟”）是利用计算机软、硬件来将高分子实验研究和理论研究相结合起来的一种新研究方法，它可以用计算机给出被研究体系的实验可测的物理量及现有实验无法测量的物理量。对计算机给出的实验可测物理量，我们可通过用实验实测数据来进行比较，从而判断模拟方法的正确与否及由此推断在真正实验中无法看到的实验系统的动态演变过程；计算机给出的现有实验无法测量的物理量，可以给我们提供在实验研究中无法得到的各种额外“数据”，从而弥补了现实研究手段的不足。2.1计算机分子模拟方法含义计算机分子模拟技术自九十年代初以来发展迅速,在新材料的设计开发领域已成为一种十分重要的方法和工具,从产品设计方法学来说,也是一种卓有成效的革命。本文介绍了该技术在石油化工领域的高分子材料、分子筛催化剂以及油品添加剂产品设计开发方面的应用现状及发展前景。分子模拟技术集现代计算化学(ComputationalChemistry)之大成,包括量子力学法、MonteCarlo法,分子力学法及分子动态法等。分子模拟法是用计算机以原子水平的分子模型来模拟分子的结构与行为,进而模拟分子体系的各种物理化学性质。分子模拟不仅可以模拟分子的静态结构,也可以模拟分子的动态行为(如氢键的缔合与解缔、吸附、扩散等)。分子模拟法可以模拟现代物理实验方法还无法考察的物理现象与物理过程,从而发展新的理论;研究化学反应的路径、过渡态、反应机理等十分关键的问题;代替以往的化学合成、结构分析、物性检测等实验而进行新材料的设计,可以缩短新材料研制的周期,降低开发成本。2.2分子模拟方法优点分子模拟法不但可以模拟分子体系中的物理问题和化学反应过程,也可以模拟分子体系的各种光谱(如晶体及非晶体的X光衍射图,低能电子衍射谱等等)。光谱的模拟可以使我们能够更合理地解释实验结果,进行产品(如新型分子筛)的结构解析。进入九十年以来,分子模拟技术在分子筛催化剂、高分子材料及其它固体化学、无机材料研究开发领域的应用已非常广泛,许多大公司如MOBIL、Shell、Dow、EXXON等积极应用分子模拟技术来推动高分子材料、分子筛催化剂的研究开发工作。2.3分子模拟技术在分子筛催化剂研究开发领域的应用2.3.1.研究沸石催化剂的吸附和扩散性质鉴于沸石在分离方面的重要地位,以及吸附是研究沸石结构的一种工具,有关沸石吸附面的文献是大量的,而沸石的扩散性质对确定沸石催化剂能达到的优异选择性是十分重要的,在以前由于缺乏进行预测的理论根据,每一个有研究价值的体系的扩散系数必需通过实验测定[1]。2.3.2.沸石结构的解析分子模拟方法可以将建模技术和分析实验方法紧密结合起来,衍射数据、组成及几何特征数据、孔的坐标及体积数据、EXAFS和固体NMR数据可以从原子水平的模型直接模拟出来。上述模型的变化对模拟谱图的影响可由结构和分析数据之间的动态联系直接控制。扫描电子显微镜、电子衍射和高分辩率晶象测定的晶粒的形态学性质也可以用原子水平的模型直接模拟。通过分子模拟技术,可以在屏幕上观察到晶体结构的不断变化、模拟的衍射曲线和实验曲线的不断拟合。红外光谱和拉曼光谱等晶体振动光谱的模拟,可以表征晶体的构象及原子间相互作用的特征[2,3]。2.4分子模拟技术在高分子材料研究开发领域中的应用2.4.1研究弹性材料的结构和性质计算机模拟目前在弹性材料(elastomericmaterials)的结构表征和性质(性能)的解析及预测方面起着越来越重要的作用[4,5]。2.4.2催化剂选择性的设计分子模拟技术可以建立催化剂中心与反应分子相互作用的模型,计算出各种取向的构型之间的能量差,能量低的其存在的几率大于能量高的,由此可以评价、筛选各种设计方案,得到对催化剂选择性机理的正确认识,得到优秀催化剂设计方案的可靠选择。2.5分子光谱波谱的模拟对非晶体衍射(如玻璃体)的衍射图已达到很精确的程度,可以用于确定分子链内的构像特征[6]。用粉末晶的衍射曲线来确定分子晶体的结构已成为现实。NMR谱作为X射线等其它分析方法的重要补充已被广泛应用于测定分子的溶液结构,这一工作的数据量很大,应用分子模拟技术,将其和多维光谱分析技术结合起来以形成一种集成系统,可以方便高效地进行数据处理和更准确地预报结构。分子动态模拟法的发展为模拟真实的分子体系的振动光谱奠定了坚实的基础。分子动态模拟法可以按时间序列描述分子的每个原子的运动轨迹,从而模拟分子的各种层次上的运动行为,可以预报分子的振动频率、谱带的强度,还可以模拟谱带的形状。分子模拟法可以计算多分子体系、非晶态分子、溶液体系、表面或界面上分子的光谱[7]2.6分子模拟技术在添加剂研究开发领域的应用分子模拟技术在一定程度上可以应用于油品添加剂的设计开发工作中。油品添加剂种类和产品很多,随着工程技术的进步而提出的要求,油品添加剂的新产品还在不断涌现,利用分子模拟技术,可以辅助新产品的开发;可以;预测其物理与化学性质。其中,研究添加剂的结构对性能的影响可由分子模拟领域的三维QSAR分析技术来实现第三章化工过程灾害模拟研究爆炸是化工和石油化工生产中的重大灾害之一，事故的发生常常导致重大人员伤亡财产损失随着石化工业的发展，这类灾难性事故的发生频率越来越高，灾害后果也越来越严重。灾害所带来的严重后果和环境与社会问题远远超过了事故本身，严重影响、制约了当代石化工业的顺利健康发展，这些严酷的事实表明了深入研究这些灾害性事故的发生机理、相关条件及伤害机理，建立这些灾害性事故的严重度模拟评价模型，开发灾害模拟评价软件系统及防灾决策支持系统，对于科学预防灾害的发生、指导紧急救灾具有重要理论价值和实践意义。3.1当前研究趋势重视爆炸灾害发生、发展和防治机理与规律的研究；重视灾害过程理论模型及灾害的实验模拟与计算机模拟；重视重大装置的防护，对火灾与爆炸的结构危险性作出评估，采用各种措施消除危险根源；加快高新技术进入爆炸灾害研究与防治领域；重视在工程设计、评估与管理中引入基础研究成果。重大爆炸灾害计算机模拟评价及防灾决策支持系统的研究是现代大型化工装置、高能连续装置安全平稳运行的客观需要，并已经成为安全技术及工程学科领域的前沿课题。3.2典型危险事故分析3.2.1蒸气云爆炸国外研究进展为了研究蒸气云的爆炸机理，尤其是障碍物和约束边界条件对燃烧转爆轰的影响，国外科研人员进行了大量的实验室研究和野外实验研究。开展的实验研究包括：（1）无约束气云爆炸实验。研究者进行了球形、半球性和圆盘形气云爆炸实验[7]，实验直径从40mm到20m。（2）气云内有障碍物时的爆炸实验。研究者以管束、管架和丝网为障碍物进行了一系列气云爆炸实验[6]。（3）气云周围有约束时气云爆炸实验。研究者在气云的周围设置了挡板，使气云只能按一个或两个方向传播[7]。（4）不同可燃气体种类气云爆炸实验。研究者以甲烷-空气、丙烷-空气、乙烯-空气和乙炔-空气为介质进行了气云爆炸实验[8]。其中Lind于1975年、Lind和Whitson于1977年、Moen于1982年、Wingerden和Dauwe于1983年、Harrison和Eyre[8]于1986年进行的实验具有代表性，他们的实验物质为甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丁烯、乙炔、天然气或环氧乙烷与空气形成的等化学当量比混合气体，最大实验混合气体量达到4000立方米。美国的Dr.MichaelC.Parnarouskis,LCDRMichaelW.Taylor,Dr.C.D.Lind,Dr.Phanip.k.Raj,Dr.J.M.Cece等人为了研究了解液化天然气（LNG）泄漏到大气中的后果，于1973年开始蒸气云爆炸的五个阶段多因素条件下实验研究。3.2.2沸腾液体扩展蒸气爆炸国外研究进展国内对该领域的研究起步较晚，其投入力量尚不多，从目前的文献资料及学术交流情况可知，北京科技大学自1992年开始对火焰包围环境下水平圆柱容器内液化气介质的传热传质机理进行分析研究，建立了相应的数值模拟模型，并与加拿大Queen’s大学合作，相继对容器壁裂缝以及机械振动冲击等引起的液化气容器爆炸机理进行了研究，开发了相应的数值模拟模型，同时提出了“冷爆炸”概念。此外武汉交通科技大