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研究生课程论文(2013-2014学年第一学期)化工过程模拟与优化研究生：程兴提交日期：2013年1月3日研究生签名：程兴学号201321002784学院机械与汽车工程学院课程编号课程名称化工过程模拟与优化学位类别工程硕士任课教师罗小平老师教师评语：成绩评定：分任课教师签名：年月日化工过程模拟与优化摘要：本文从稳态模拟、分子模拟、流程模拟及单元过程模拟四个模拟层次上综述化工过程模拟技术的进展和发展趋势,并通过过程演变优化法及并行计算法对化工过程全流程优化策略作了系统的总结。关键词:化工过程；模拟与优化；过程演变；并行计算Abstract：Thispapersummarizedtheprogressanddevelopmenttrendofchemicalprocesssimulationtechnologyfromthesteadystatesimulation,molecularsimulation,processsimulationandunitprocesssimulationfoursimulationlevels,andthensystematicallysummarizedoptimizationstrategyofthewholechemicalprocessthroughprocessevolutionoptimizationmethodandparallelcomputingmethod.Keywords：ChemicalProcess;SimulationandOptimization;ProcessEvolution;ParallelComputing前言化工过程模拟技术是计算机化工应用中最基础、发展最为成熟的技术之一,化工过程模拟与实验研究的结合是当前最有效和最廉价的化工过程研究方法,它可以大大节约实验成本,加快新产品和新工艺的开发过程。化工过程模拟可以用于完成化工过程及设备的计算、设计、经济评价、操作模拟、寻优分析和故障诊断等多种任务。当前人们对化工流程模拟技术的进展、应用和发展趋势的关注与日俱增。1化工过程模拟技术进展与发展趋势1.1化工过程模拟技术进展1966年在美国出现了第一个化工应用软件专业公司——科学模拟公司(SimulationSciencesInc．简称SIMSCI)．许多企业认识到化工过程数字模拟一旦取得成功，将会带来巨大的经济效益，因而支持这方面的研究．五、六十年代的代表性软件是F．S(Kellogg)、PACER(Me．Master)、C．I．FS(IBMCo．)等．它们的特点是程序规模一般为几千行；只有有限的单元操作模型及物性数据且只能用于模拟，不能用于设计；使用者不能随意增加新的模块；用直接迭代法来实现再循环流的收敛．70年代的代表性软件是FLOWTRAN(MonsantoCo．)、PROCESS(SIMSCI)、CHESS(MQTARD)等．它们的特点是：程序规模一般为几万行。有大型的物性数据库和较多的单元操作模块；用户可增加新模块；可进行设计型计算；采用较高级循环流收敛法．从70年代起，流程模拟的可靠性不断提高，应用范围也不断扩大，开始成为化学工程师的常规工具．美、英、加、日等国几乎所有大学的化工系都开始开设有关化工过程流程模拟的课程，作为大学生必须接受的基本训练，并为教学需要编制了各种小型的流程模拟系统．这些系统被工业界买去加以改造，用于工业实际，使得商业化的化工模拟系统的规模日益扩大，功能不断增强．继SIMSCI之后，ASPEN技术公司，凯姆谢尔公司和考德公司在7O年代末、8O年代初先后成立，分别推出了ASPENPLUS、MICROCHESS等通用化工流程模拟系统，8O年代的代表性软件是ASPEN(M．I．T)和新版PROcEss(sIMscI)．它们的特点是：程序规模一般为几十万行以上；具有完善的大型数据库，能进行全面流程模拟与分析；可处理分析有气、液、固，非常规物料等不同类型物料流的流程：组份数、物料流股数及模块数无限制；功能包括稳态物、能流衡算、投资估算和参数优化等．1.2化工过程模拟技术发展趋势当前化工过程系统模拟不论在广度和深度方面均有了长足的进展．从分子模拟到大型过程系统的模拟工作十分活跃，世界上有10多种杂志报导这方面的研究成果，每个月均有大约5O篇以上的文章发表．当前发展的几个特点是：(1)安装机型由中、小型机扩展到微机，并可以在WINDOWS环境下运行．(2)增加可以满足实际应用的各种类型的热力学模型供选用．(3)对单元操作及过程模型进行改进或提出新的数学模型与计算方法．(4)用于操作培训和用于设计的动态流程模拟技术蓬勃发展．(5)引人人工智能．(6)向计算机集成化过程系统(CIPS，Computerintegratedprocesssystem)上升．2常用化工过程模拟方法2.1稳态模拟2.1.1化工过程稳态模拟的基本类型下面以单元模块为例明确过程稳态模拟的三种基本类型，即：标准型、设计型、优化型模块：指流程模拟中一个基本计算单元。模块可以是一个设备单元，也可以是若干设备单元的综合体系，还可以是单纯的计算单元而无具体的设备作为背景（如收敛模块、控制模块）。模块中包括有数学模型及各模型按顺序的解算方法。给定输入条件，即可算出输出向量。（1）标准型（操作型）在标准型（即操作型）问题中，给定输入流股向量与设备参数向量，可求出输出流股向量。这种模拟适用于研究现有装置在不同操作条件下的操作性能，见图2.1。（2）设计型给定一部分输入流股向量与设备参数向量，和输出流股中产品的特性要求，调整另一部分的输入流股条件与设备参数，使输出产品达到规定的特性指标。调整输入流股条件与设备参数的功能可由控制模块实现,见图2.2。输入流股向量单元模块输出流股向量设备参数向量输入流股向量单元模块输出流股向量设备参数向量可调的输入向量控制模块调整比较()()输出流股中产品的特性要求（3）优化型通过不断地调整控制变量，即有关的可调的输入流股条件与设备参数，使目标函数值在规定的约束条件下达到最优，而调整控制变量的功能由最优化程序实现。见图2.3。2.1.2稳态模拟的基本方法（1）序贯模块法发展最成熟、应用最普遍。给定输入流股向量与有关的设备参数向量，给定断裂流股向量初值，按顺序逐个单元进行模拟计算，直至各断裂流股收敛。见图2.4。首先选循环压缩机的输出流股为断裂流股。给定流程总输入—混合器进料流股向量及冷却器冷却介质流股的向量；给定有关设备参数—反应程度ξ、热负荷Q、减压阀压降△P、分流比α、压缩机效率η；为循环压缩机的输出流股赋初值（假定值），依次计算各设备单元，直至压缩机的输出流股的计算值与初值符合，即达到整个流程模拟的最终收敛。完成断裂流股的计算值与假定值的比较，以及混合器反应器闪蒸罐减压阀冷却器进料A(B)惰性组分压缩机假定值计算值A(B,C)分割器A(B,C)产品C(A,B)AC放热C,A(B)过程模拟模型经济模拟模型给定输入控制变量优化程序约束条件(调整)性能指标约束条件设备参数经济参数(如成本数据、投资费用等)断裂流股新假定值的设定任务的模块称为收敛模块。序贯模块法的优点在于易于实现通用化,数学处理比较简单；缺点在于计算效率不高，回路多则比较复杂。从循环结构示意图可知序贯模块法的迭代循环为五层，在求解系统的设计与优化问题时效率大为降低。见图2.5。(a)序贯模块法(b)联立方程法(c)联立模块法（2）联立方程法是将整个过程系统各个单元模块的所有方程以及模块间的联结方程，连同设计规定方程联立起来，形成大型的非线性方程组。求解策略：或将其分隔成若干较小规模的方程组，并按照一定的顺序分别联立求解；或将其中的非线性方程线性化，再与其中原有的线性方程一起构成大型稀疏线性方程组，联立求解，迭代收敛。其优点在于①便于实现用户提出的设计性能要求。对于设计型问题，该法只需增加几个等式约束条件；②由于是用存储空间去换时间，机时消耗少，计算效率高，易于收敛，尤其是对热集成度高的流程，而序贯模块法在这种情况下不易收敛或不收敛。其缺点在于①通用化困难；②不能利用现有的大量单元模块；③缺乏与实际流程的直观联系，计算失败后难于诊断错误所在；④尚存在方程求解方法的问题，对初值要求也比较苛刻。（3）联立模块法（双层法）该法既能继承序贯模块法多年来积累的大量单元模块，又能在流程计算中联立求解模型方程和设计规定方程，使流程计算与设计计算同步完成。同时，由于是联立求解简化模型，从而解决了联立方程法中遇到的计算问题。见图2.6。单元计算流程计算设计计算物性计算优化计算单元计算流程计算设计计算物性计算优化计算单元计算流程计算设计计算物性计算优化计算图2.6联立模块法计算思路示意图2.2分子模拟分子模拟是一个广泛的概念，一般来说包括基于量子力学的模拟和基于统计力学的模拟，前者为计算量子化学（CQC），后者主要分为两个方法，分别是分子动力学模拟(MD)和蒙特卡洛模拟(MC)。2.2.1分子模拟在化工应用中的关键问题目前的分子模拟也面临着一些问题。这些问题有技术上的也有观念上的，尤其在化工领域，观念上的更新显得更为重要。同其他的技术一样，分子模拟并不是一种万能的技术，它的正确使用建立在使用者对这一技术的正确理解之上。采用分子模拟，如果不建立适当的模型，不对模拟的过程有清晰的了解，可能会得到非常荒谬的结果，这也使得许多传统的化学工程师们觉得分子模拟玄虚不实用。然而，作为化学工程师，坚持对分子模拟技术的运用，一方面得益于其在别的学科（如生物、材料等）的成功应用，使人们有理由建立起对分子模拟技术的信心；另一方面，也意识到客观世界是复杂而多变的，没有任何一种研究手段能涵盖一切!对于运用分子模拟，需要适当地简化模型，合理进行假设，才能将它的优势充分发挥出来。2.2.2分子模拟在化工应用中的发展方向和思路站在化学工程师的角度，应该努力将分子模拟应用到化工的实际过程中去。这将是一个复杂的过程。既要运用现有的分子模拟技术，在应用较成熟的领域进行涉及化学工程科学的研究，例如对力场较成熟的有机物，研究高分子体系、生化体系，也要对化学工程所感兴趣的体系，如超临界体系，含固体材料的界面和表面，纳米碳管，离子通道，分子筛等受限体系进行分子模拟的研究。而对后者的研究，需要开发新的适用位能，建立简单而合理的模型，结合量化、分子动力各模块严格模型简化线性模型联立求解收敛参数迭代收敛外层内层产生简化模型的参数结果输出(在流程水平上)(在单元水平上)否是?学中尺度（meso-scale）模拟等不同尺度的模拟技术，必要时还要进行并行计算以提高计算的时空尺度。（1）大分子、生化体系的模拟在过去的15年中基于经典分子力学的原子级的分子建模技术在生物化学体系中取得了巨大的成功!这可以通过制药工业对分子模拟的广泛认可和使用得到证明。由于有机分子的相似性，使得分子动力学模拟的关键所在——位能，有良好的外推性。许多研究者对生物体系和大分子体系都进行了分子模拟的研究。这些体系的研究通常进行得较深入，成果也较丰富。主要的难点在于采用简化的手段来处理大分子!提高计算的效率。（2）含固体材料的界面的模拟由于很多化学现象都是在界面上发生的，而且界面处的很多性质与本体有很大的区别，因此发展界面的模拟既是进行其他研究的需要，也是模拟技术本身发展的挑战。不同的界面需要采用不同的模拟手段。对金属氧化物的表面和界面来说，最佳的方案就是将量化计算和分子动力学模拟结合起来。但如果研究的是面和其他分子的相互作用!则可以先采用量化计算出优化的表面结构!然后将此表面结构固定，采用MD来模拟其他分子在其表面的分布、吸附等性质。对于模拟复杂的膜界面问题时可以采用合理的简化模型，将复杂的界面抽象成简单的模型膜界面，这样可以很好地研究一些界面处的共性问题。界面模拟的很重要的分析方法就是对界面处的各种粒子的密度分布进行统计。界面模拟的发展必须依靠多尺度模拟方法的提高。（3）纳米受限体系的模拟受限体系也是目前科学界研究的热点，如纳米碳管、分子筛、离子通道。它们在能源、催化、生物等方面都有巨大的应