化工过程动态模拟研究综述

化工过程动态模拟研究综述1.化工过程动态模拟2.化工过程动态模拟软件3.化工过程动态模拟实例1.1化工过程动态模拟研究背景化工过程是一类状态变量随时间的演进空间的转移而发生改变的动态过程。随着能源和环境问题对人类生存的挑战日益加剧，人们也越来越关心化工过程的运行性能及控制指标，而基于稳态模型的控制策略无力更好地解决此类问题，因此化工过程动态模拟（又称动态仿真）成为人们了解化工生产过程强有力的工具。稳态模拟已经广泛应用于化工设计改造及优化等过程，对很多人来说已经不再陌生。动态模拟的实际应用是十分广泛的，其主要用于各种化工过程的动态特性分析、先进控制系统设计、开停车过程、安全分析研究等。随着动态流程模拟技术的发展，化工过程动态模拟还广泛地用于化工操作培训故障诊断及实时优化解决稳态模拟无法解决的问题。1.2国内外研究进展20世纪70年代末80年代初，化工过程动态模拟在美、日、西欧等发达国家和地区进入广泛应用阶段近几年，很多国家推出了功能强大的商业化通用动态模拟软件，国外很多发达国家已将通用动态模拟软件广泛地应用于先进控制系统的设计，在科研和应用上都取得了极大的进步，也极大地提高了企业的经济效益。国内化工过程模拟起于20世纪60年代末，发展和兴盛于70年代，70年代末80年代初国内模拟软件的水平在算法上已经走在了世界的前列。国家六五期间开发的DYSPEN是我国自行开发的第一个通用化工过程动态模拟软件系统，是我国科研人员靠自身的努力所开发的第一个基于单元模块组合结构的流程级动态模拟软件，可以将工艺过程与自动控制系统联合仿真，开创了化工动态仿真的先河。1987年青岛化工学院(现青岛科技大学)推出的化工之星ECSS成为国内迄今为止唯一独立开发的商品化化工模拟软件。然而，由于各方面的限制，之后十几年，国内几乎放弃了通用模拟系统的研发，很多学者专家将注意力转入对优化算法的研究，国内通用模拟软件的开发工作基本趋于停顿国外流程模拟软件得到迅速发展，抢占了商业先机，又由于国内资源不能得到有效整合，流程模拟软件开发过程不能得到跟进，致使国内通用流程模拟的研发更加被动，因此，至今在中国未产生具备商业竞争力的大型通用流程模拟软件。然而，动态模拟对很多人来说还不是很熟悉，因为动态模拟软件的开发要比稳态模拟软件困难得多，尤其通用动态模拟软件的开发更是遇到很多困难。动态模拟软件是工艺控制和计算机等多项技术结合的产物，动态模拟软件的应用也对应用人员提出新的要求，需要使用者了解更多的知识，这就使得动态模拟软件的推广变得缓慢，但是人们在动态模拟的开发及应用推广上还是卓有成效的。虽然目前采用机理模型建立并使用通用化工动态流程模拟系统的公开报道并不少见，但大部分文献仅对动态模拟软件的开发历程做了表面的简单表述。并且，有关动态模拟的研究及应用通用动态模拟软件的相关报道虽不少，但真正可以作为研究动态模拟的参考资料并不多，而早期发表的有关动态模拟的很多文献散落于一些非著名的期刊杂志及会议论文集上。1.3化工过程动态模拟现状2.化工过程动态模拟软件HYSYS软件是世界著名油气加工模拟软件工程公司开发的大型专家系统软件。该软件分动态和稳态两大部分。其动态和稳态主要用于油田地面工程建设设计和石油石化炼油工程设计计算分析HYSYS软件特点最先进的集成式工程环境内置人工智能数据回归包严格物性计算包功能强大的物性预测系统DCS接口工艺参数优化器窄点分析工具方案分析工具各种塔板的水力学计算任意塔的计算在石油石化炼油方面的应用1、常减压系统设计、优化；2、FCC主分馏塔设计、优化；3、气体装置设计与优化；4、汽油稳定、石脑油分离和气提、反应精馏、变换和甲烷化反应器、酸水分离器、硫和HF酸烷基化、脱异丁烷塔等设计与优化；5、在气体处理方面：可完成胺脱硫、多级冷冻、压缩机组、脱乙烷塔和脱甲烷塔、膨胀装置、气体脱氢、水合物生成/抑制、多级、平台操作、冷冻回路、透平膨胀机优化。AspenDynamicsAspenDynamics主要用于动态模拟，某些领域可能比HYSYS准确，易用程度不如Hysys，现在Hysys属于AspenTech，并且HYSYS的动态模拟是一流的。PROII由CIMIC公司（现属于Ivensys）开发，较适用于化工领域的稳态设计，集中了大量现场工程师和设计工程师的经验，并且易于学习和操作，适合初学者；准确度方面，在炼油方面，hysys最准确，因为HYSYS一些数据都是用生产数据关联的（炼油），所以算炼油很准，其次为PROII，最后为Aspen3.化工过程动态模拟实例粗对苯二甲酸CTA加氢反应过程动态特性分析在加氢反应过程动态模型中，杂质4-CBA、中间产物4-HMBA、反应产物PT酸BACID、CO均是需要观测的变量。当加氧反应工艺条件发生扰动，这些变量都会随之变化并对产品PTA产生较坏影响。由于这些变量浓度较小，观测不便，需要对其进行变量重置。在ASPENDYNAMICS中规定变量如下：CBA4asmassfraction(upper:100);BACIDasmassfraction(upper;500);HMBAasmassfraction(upper:1500);PTasmassfraction(upper:100);CBA4=1000000*STREAMS(”24”).Fmcn(”CBA4”)/STREAMS(”24”).Fmcn(”TA);BACID=1000000*STREAMS(24).Fmcn(BACID)/STREAMS(24).Fmcn('TA)HMBA=1000000*STREAMS(24).Fmcn(HMBA)/STREAMS(24).Fmcn(TA);PT=1000000*STREAMS(24).Fmcn(PT)/STREAMS(24).Fmcn(TA);其中“CBA4、BACID、HMBA、PT酸”表示加氧反应器底部出料中各产物质量流量与TA质量流量比(变量CBA4即杂质4-CBA,变量HMBA为中间产物4-HMBA),且量纲均为10_6。运行CTA加氯反应过程的动态模型至稳定后，加氧反应器内温度、压力分布曲线如图3.3所示，加氢反应器内4-CBA、PT酸、4-HMBA、BACID分布曲线则如图3.4所示。CTA和饱和水的流量发生变化都会影响加氧反应的进行，从而导致4-CBA没有完全反应，其浓度会超过25个ppm，对PTA质量产生较恶劣的影响。故本小节将会讨论当CTA和饱和水流量增加和减少5%时，加氧反应受到的影响以及4-CBA、产物4-HMBA、BACID、PT酸、CO浓度的动态特性。将模型动态运行至稳定，1小时后改变CTA负荷和饱和水流量。(1)反应器进料中饱和水流量增加、减少5%将进料中饱和水流量变化5%，图3.5(a)为进料流股中饱和水增加5%时，反应器底部出料4-CBA和各产物的浓度变化曲线变化曲线。图3.5(b)为进料流股中饱和水减5%时，加氧反应器4-CBA和各产物的浓度变化曲线。当CTA进料增加5%后，CTA浓度、4-CBA、CO浓度均增加，需要调节双闭环比值控制系统、氧气流量、温度控制器来控制被控对象。图3.15(a)为双闭环比值系统作用时，CTA、饱和水进料流量变化曲线，图3.15(b)是CTA浓度变化曲线，图3.16为调节氧气流量控制器后，氧气流量、4-CBA浓度、CO变化曲线；图3.17为调节温度控制器后，温度、4-CBA、CO变化曲线。图3.17调节温度控制器后，反应温度、4-CBA、CO变化曲线