化工系统过程模拟与优化

《化工系统工程》课程论文学院化学化工学院专业化学工程与工艺年级2009级姓名论文题目化工系统过程模拟与优化指导教师职称讲师成绩2012年6月15日学号：200950530071目录摘要.................................................................2关键词.................................................................2Abstract...............................................................2前言...................................................................21发展迅猛的成因.......................................................22化工过程模拟的进展...................................................32.1分子模拟........................................................32.2单元过程的模拟..................................................42.3化工流程模拟....................................................52.3.1模型化的方法..............................................52.3.2动态流程模拟..............................................63化工过程的优化.......................................................63.1化工数据的校正..................................................63.2化工过程优化的层次结构..........................................74主要的化工模拟软件及其应用...........................................85结束语...............................................................9参考文献..............................................................102化工系统过程模拟与优化摘要：化工系统过程模拟是计算机化工应用中最为基础、发展最为成熟的技术之一。本文从分子模拟、单元过程模拟及流程模拟三个模拟层次综述其发展现状及发展趋势。并对过程的优化和当前流行的国际国内商业化化工过程模拟软件及其主要功能、应用领域作了系统的总结。关键词：过程优化；分子模拟；过程模拟；流程模拟Abstract：Chemicalprocesssimulationsystemisthemostbasiccomputerchemicalapplication,developmentofoneofthemostmaturetechnology.Thisarticlefrommolecularsimulation,unitprocesssimulationandprocesssimulationthreesimulationinitsdevelopmentlevelsituationandthedevelopmenttendency.Andtheprocessoptimizationandthecurrentpopularinternationalanddomesticcommercialchemicalprocesssimulationsoftwareanditsmainfunctionandapplicationfieldisthesummaryofthesystem.Keywords：Processoptimization;Molecularsimulation;Processsimulation;Processsimulation前言利用计算机高超的能力解算化工过程的数学模型[1]，以模拟化工过程系统的性能，这种技术早在50年代已开始在化学工业中应用。经过40年的发展，现已成为一种普遍采用的常规手段，广泛应用于化工过程的研究开发、设计、生产操作的控制与优化，操作工的培训和老厂技术改造。而且随着计算机硬件的性能价格比的迅速提高、软件环境的改善与丰富，过程模拟技术发展的势头有增无减。1发展迅猛的成因这种发展的成因可以归结为以下几个方面：首先，化工行业市场竞争剧烈，要求化工新产品、新工艺开发周期短，用数学模拟可以大大加快筛选进度、减少实验工作、提高工程放大倍数、降低研究开发成本,从而提高竞争能力。其次，老厂面临愈来愈严酷的竞争，环境保护规定愈来愈严，安全规定及质量要3求愈来愈高，而过程模拟正是计算机辅助操作运营的基础对老厂改进操作优化控制及挖潜技术改造具有重要作用。再次，过程模拟也是计算机辅助工艺设计的基础是每个化工工程设计单位不缺少的手段。从系统工程角度来看，一个大型化工厂由一些不同层次的子系统组成。因此，就化过程模拟而言[2],也就有不同层次的过程模拟。2化工过程模拟的进展一个化工厂流程模拟的象在十儿米至上百米的规模范围，而其单元程子系统则为几厘米至几米大小。进一步深模拟每个单元过程设备的内部传递过程和反过程，则模拟对象小到毫米至亚微米级，而在计算分子物性或研制新的药品时，要模拟分子的性能，这时模拟对象可小到纳米级。下面分3个层次来介绍化工过程模拟的进展，重点介绍化工流程模拟和优化。2.1分子模拟分子模拟又可分为两个不同的层次：一种是对大量分子在运动中产生的宏观性质的模拟；另一种则是研究单个分子的内部结构与其药物活性之间关系，即所谓“分子设计”。根据统计力学法则，从分子位置及运动的统计来计算所要求的宏观性质，不仅可以大大节省试验工作量，而且有时成为实验所不可能完成的唯一手段，在以下几个方面十分有用：(1)复杂系统的相行为预测极端压力及温度条件下的流体相图，电离系统的相图，熔融盐类及胶体悬浮体系，生物流体中的双元及高元缔合液的相行为这在生物工程发展中十分重要。(2)微孔介质和相介面性质在分子数量很少的系统中，如液滴、气泡、孔穴中的流体及凝胶粒子等，用经典热力学来解释表面现象平衡是不适用的。用分子模拟[3]可以预测催化剂颗粒、吸附剂、膜分离等微孔介质中的流体特性；预测直径小于20￡时，液滴表面曲率强烈影响下的液滴性质；模拟分子性质与表面活性之间关系以便为三次采油回收及其他工业过程设计找出更好的表面活性剂。(3)研究蛋白质在溶液中的稳定性由蛋白质的化学结构来预测其空间折叠结构，从而预测小团蛋白质在溶液中的稳定极限。这在生物工程中很有用处，这类分子模拟的数值计算方法有两大类蒙特卡洛方法和分子动力学法。这些方法假定的群体分4子数目N=100~1000,数目愈大准确度愈高，但计算工作量也相应加大。规定其周期性边界条件及分子间势能，然后进行统计计算。不言而喻，这种计算工作量极大，要求速度高及内存大的巨型机(如Cray机)才能完成。近年来由于计算机硬件的长足进展[4]，在小型机或工作站上也可以进行了。国内北京化工大学在蒙特卡洛法估算热力学性质方面做了有益工作。所谓“分子设计”意在化学合成某种分子之前，按照人们指定性能在计算机上设计出分子结构，在计算机上筛选结构可以省去大规模的实验筛选工作，这在药品研制中具有重大意义。不仅可以节省上亿元投资，而且可以大大加快开发速度，在竞争中保持优。当“指定性能”是生物活性(如杀虫活性、杀菌活性、除草活性、对某种酶的抑制活性)时，这种方法称为“定量结构一活性关系”QSAR方法，这也是计算化学中最活跃的领域。此外在高分子新型材料的研究开发中也常用分子设计[5]。我国在承认化合物知识产权之后，医药、农药和精细化工行业均面临严峻的挑战，必须迅速建立起我国自己的研究、创制，开发、放大体系。在这方面，中国科学院化工冶金研究所计算化学开放实验室领先一步做了几年工作，取得可喜的进展。国际上已有一些专门的公司销售商品化的通用分子模拟软件，例如：美国的TRIPOS公司、MolecularSimulation公司和BIOSIM公司等。2.2单元过程的模拟单元过程的数学模型的详细程度或严格程度应视其应用目的不同而异，至少应区别以下几种不同的情况。(1)工程放大及设计用数学模型这是要工程放大及设计用数学模型[6]，这是要求最严格的模型，不仅基于机理推导，而且往往要积累相当多中试及工程实践数据加以校验及修正。一旦证明这种模型可靠实用，就可以用它替代试验，直接进行放大设计，因而这种模型价值也最高。(2)工艺流程筛选用数学模型这是在概念设计阶段为了比较各种候选工艺流程合理性时做粗略计算用的。这个阶段并不需要深入详细的计算，其结果只要相对正确就够了，因此是一种近似模型。(3)操作或控制优化用数学模型这种模型往往是针对性强的专用数学模型。因其专用性强，因而准确度可以很高。如果用于实时控制，则往往要求解算时间要快。近15年来单元操作的模拟主要在以下几个方面有了较大进步：5首先，传统的相平衡级分离模型在使用了近100年之后已被基于速率方程[7]的级分离模型所逐步取代。相平衡级模型的基本假定是：①液体在塔板上全混合；②蒸汽穿过液体为活塞流流动。这当然与实际差别很大，这种差异就靠塔板效率来纠正。这使将分离塔模拟计算长期不够准确，而且也无法对现场操作塔进行棋拟。基于传递速率的棋型则认为相平衡只在汽液相界面上才成立，而分离程度取决于两相接触中的质及能盈传递。这样就使准确度大为提高，而且便于处理含化学反应的分离过程。其次，与环境保护有关的单元过程模拟有了很大发展，例如：膜分离过程；离子交换，反渗透，吸附与化学吸附等。第三，单元过程模拟中的多解间题可用同伦拓展(Homotopy)方法解决。因为描述单元操作的物料及热量衡算往往涉及代数及超越方程组，这种非线性代数方程组在以下情况下用常规迭代求解法往往失败：①初始迭代值不好时；②没有唯一解时。这时用同伦拓展法往往可顺利算出所有的解。第四，化学反应器的模型[8]化正沿着两条路径发展：一条是提供基本模型组块，对一个具体反应器而言，用户可以自己用组块搭建复杂反应器模型。一条是建立可调节的通用反应器模型，用户针对自己的反应器可以改变部分参数。2.3化工流程模拟2.3.1模型化的方法将一个由许多单元过程组成的化工流程用数学模型[9]表现，并在计算机上解算其物料及能量衡算，并进一步计算各单元设备尺寸及成本的模拟称之为流程模拟。就其数学模型的表述及解算方法而言，已发展了两类模型化方法序贯模块法和联立方程法。从50年代就开始发展的序贯模块法至今仍然是当前使用的主要方法，而60年代由英国帝国理工学院Sargent教授首先创始的联立方程法虽然有很多的优越性，但至今尚未很好地商品化模型化发展的方向是把序贯模块法的通用性和联立方程法的适应灵活性结合到一个面向对象的模型化环境中去，使之既可供非专家使用，也可供模拟专家使用。面向对象就意味着以一批常用基本模块为对象，因此必然是模块化的，但其解算方法又具有联立方程法的优越性。终用户可以把一些基本模型对象用图形建模器搭接起来，形成用户单元模型[10]。每个模块对象应当提供有关自身的所有的重要信息给联立方程解算器，例如：方程结构、残差、导数等。此外，这些模块对象还包括着定性6工程知识以协助用户来给定规定或进行诊断。这种思路已被DOTProducts的NOVA系统和美国Carnegie-Mellon大学的ASCEND系统部分采用，前者已商品化。既然今后的面向对象模型