化工过程模拟技术发展.docx

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1、化工过程模拟技术发展化工操作过程是由一系列不同的单元操作过程以串并联形式组合而成的一种过程巳 而 这样不同的操作过程所组成的体系即称 作化学工业，它是过程工业的一种口化学操作 过程是化学工程生产过程的基本操作形态，在化工生产过程中中不同的物料组成在指定的 条件下（如温度作压力等）在一系列连接好的控制仪器卡嫖 以及 设备中进行特定的物理 变化或者化学反应 继 而转变为我们所斋要的产品。化工 系统工租，又称化工过程系统工 程,过程系统工程等己，是将传统的系统工程知识应用于如何解决在化工系统过程中所遇到的研发，操作等问题上，因此也成为过程系统工程的模拟及分析C化工生产 过程要追溯到20世纪初期。那时

2、人类对于整个化工工艺的认知还是比较落 后的，当时的人们采用逐级放大的原理来研究开发新生的生产工艺，或对现有工艺进行 优化口而后随若时代的进步，相关领域 的知识十 科技，技术的发展中人们对于化二生 产，严格要求其在安全可罪的悄况下进行操作，井尽可能降低对环境的破坏仑.与此同 时 生产的设计，研发，生产过程的操作，控制以及人为的管理都要做到虽优化。计笄机的出 现以及后来计纬机模拟技术的兴盛催 生了对于大型的复杂系统的模拟分析以及优化.这 一技术也广泛的应用于化工系统 过程中？也就是我们所说的化工过程的模拟与优化口化工系统工程主要是对过程系统进行模拟，采用熟知的模型i系统模拟是化丁系统了程的基础,

3、是 计绊 机辅助化学生产的祖要部分。这样的软件主要是输入化T流程相关的信息，从 而 对整个过程进行设计开发和系统的运宽牛 这样的系统也是在上世纪五十年代与计界机工艺 的发展共同成长，逐 步应用千化工领域当中。初期化工模拟系统是为配合一些指定的化 工生产过程而设计的，如荽的合成工艺经类制乙舫等等D化工过程模拟技术与具体实验研究相配合的方式力 担目前化学过程研究中品经济的方式，也是发展品 为迅 速，技 术呆成熟的工艺。其明显的实用性使得人们对此的关注度大大培加，从而发展的速度也越来越快口化工楼拟系统有多种不同的分类方式，如针对其具体应用，可分为以下两种，见表,1 1 OT心，L1名称通用化工过程模

4、拟专用化工过程模拟若锄系统的不同功能，化工抵繇为以下两类，见农L2。表L1化工模拟系统应用分类C1 邸 s&fi蚀出mof chemi匀 1 Simula廿血 s究阳 n 叩 plicate 特点应用范图广泛，生产规模庞大牛编写语言高级中针对性弱 对指定操作单元进行模拟，应用范围小，针对性强T汕12名称稳态流程一拟系统动态流程模拟系统表L2化工筷拟系统功能分类O呻 o dm 心 加血小 血血i血平血 伽ctions:主要功能物料衡算厂能堡衡算 成本分析，尺寸评 估系统控制性能研,，励态特性计算开车停车的樱撅作人员的 训练化工 模过程模拟按照不同的模拟对象，又可分为分子模拟，单元过程模拟和化工流

5、程 模拟”三“个不同的部分，其中 化工过程的流程模拟应用虽为广泛。分子模拟一般可分为对于单个分子的结构和分子之间相互作用的模拟，以及对 千分子 大规模运动所引起宏观性质变化的模拟6这种模拟效率高，实验次数少，主要应用于分子 物化性质和结构以及与其他分子相互作用的研究心化工单元过程模拟，用户在使用过程中可以按照自己所斋要求搭建反应器组合，既 可以建立通用的反应器，也可以改变反应器中的参数，以模拟出专一的单元过程化工流程模拟是复杂的组合，是对千各个单元过程进行数学建模，井且对物料与能 鱼进行衡箕，从而计葬出各单元的成本与设备尺寸。具体的特点将在奈节12.2中叙述。1. 2. 2化工过程流程模拟简介

6、及应用化工过程流程(FJo.w4heet)模拟是指对干一个完整的或部分化工的生产过程，利用 计算机建立数学模型，来描述并得到化工过程相关的信息轮入化工过程流程水平的相关 信息，通过计算棱拟来分析，设计井开发化工过程口输入的信息包括以下三点：,(1)对某一特定的流程的所有单元殳备，有足够细致的设备结构、功能的描述或具 体操作的参数；(2)对千各个单元设备连接方式的规定，如能呈流，物料流等；,(3)流程过程中物质的热力学化学反应以及传递性质的描述化工过程模拟的应用，包括稳态过程榄拟，动态揆拟，过程合成及优化，安全性可 靠性分析等+ 其中稳态过程秧拟相对比较成熟，其内容包括千物料衍觅，能虽衡笫设 备

7、的费用评估，尺寸评估以及技术经济评估C化工流程模拟系统主要分为以下三代氐|勺：二十世纪五十年代，第一代的模拟系统开 发问世。例如美国KeUogg公司开发研究的GFS系统，普渡大学PACER系统，休斯顿 大学的CHESS系统等，这一时代的模拟系统规模匕缄小，功能相对有限。经过十年的 发展，二十世纪七十年代中期“第二代化工流程模拟系统问世日 如： 美国SIMSC公司 开发的PROCESS岳江正司的FLOWTRAN,CHEMSHORE公司的DESIGN/200叮勺 二代化工流程模拟系统较h一代相比，其化工单元模块及数据库内容更加庞大齐全，计纬方法更加先进，其编程语言也更商级心笳三代化工流程楼拟系统于

8、二十世纪八十年代 问世，录具代表性的是麻右理工学院的ASPEN PLUS以及美国S1MSC1的PRO 1 II 0这 两种系统沿用至今七相比较前两代系统，第三代系统有者丰宫的物，蛾据库，化工单元可以随意的组合，其独特的树口图像技术使得使用更加直观中I. 2. 3间歇化工过程模拟化工工业加工过程按照产品瑜出形式可分为连续 过程，离散过程以及间歇过程心我们 将间歇化工过程定义为将有限的物料内 按照一定顺序加工在同一个，或多个设备中进行 加工生产，以获得有限垃产品的加工过程，监复上述过程才可得到更多的产品心间前 过程具有灵活多变的特性，它可以使用问一套综合设备，进行不同种类，功能产品的生 产，它可以

9、快速将实验室成果转化为实际生产，便于满足市场要求，具有技术密案性乎 多样性，柔韧性，动态性及不确定性等特点心间歇化1过程广泛的应用于生物化工9来者 细化工等新兴产业 用于食品，制药，增珑剂，涂料 等产品的生产。工业生产中，间歇 过程与连续过程的比例2 1）见表13心表1.3间歇过程与连续过程在工业生产中所占比例Tab.l.3 Pt叩0m位ofb毗hF OO氐茫 ndO呻 芦 四esin im虹叩 迫pt od吨 皿生产方式相关领域间歇生产过程连续生产过程化工生产4S%,55%食品及饮料“35%制药80%.一.皿冶金生产35%.65%玻璃和水泥35%“制造业15%&5%由此可见，对于制药领域，间

10、歇生产方式显得尤为重要。但间歇过程是相对比较古 老的生产方式，现阶段我国大部分的生产技术自动化水平还相对较落后，为了能与快速 的生产需求相匹配，同时兼顾成本，生产效率以及环境保护问题等，使用计算机对整个 生产过程进行模拟与优化是重中之重。使用计算机对于间歇性操作进行模拟，是一种跟踪 间歇性操作过程的手段七过去的时间里，计算机模拟软件的匮乏，以及间歇性过程 的多样性及复杂性等特点，使得间歇过程的设计依靠的仅是经验，而非科学计笄中随者 工艺的发展及计算机技术的成熟，现有市场上出现一些成熟的模拟间歇生产的数据包。其 工艺流程八设备的要求等都是程序控制，使得生产效率大大提高。间歇过程的基本操作单元包括

11、加料，反应，加热，冷却，过滤，况合，精馈，萃取， 干燥 结晶等。通过对其过程进行模拟可了解反应过程中不同参 数随时间的变化，从而 确定间歇操作过程的T寸间及合适的条件间歇化工过程的生产调度问题间歇化工过程的优化包括了单元操作方面的优化，装置设计方面的优化以及时间调 度方面的优化，其中单元操作优化主要分为在线优化以及批次对比优化。间歇化工过程生产又分为多目的的生产过程和多产品的生产过程22 J4多目的生产过程指某一产品的生产，其加工路径可能应者多种不同的方式，对于不同的产品，其加工路径也不相同9 多产品生产过程一般广泛应用千制药，食品加工及精细化工等领域宁不同Hit 相同的生产方式及加工路径进T

12、，生产过脚对于生产的顺序安排等显得尤为重耍m 根据整 个化工生产的中间产物的物理性质或化学性质的区别，悯产品的存储分为以下九中策略：有 限中间存储，郎 FIS;无限中间存储，即UIS （见图1.7）；无中间 存储黔叩 NIS:零等待r即ZW （见图18）谶 等待?里FWU，I l?1 UIS多卜品间歇过程调度Fig.L? The 如 tchpr心 csss_cnedulmng o:fUJS muld-productT7图1.8吓多产品间歇过程调度Ftg. 1.8 Tot.: batch F 心 s.schedttling of乙W multi-prodictI司歇化工过程中呐生产调度问题是生产

13、安排中尤为吭要的部分平又称为时间表问题U 生产时间表的开发是优化间歇过积的关键h由千间歇生产的灵活性，同一个装四上可能有 不同的产品在不同时间打生产因此时间表的作用在于对于不同产品之间划分出一个装翌上 的生产时间臼国 外对于相关问题的分析起步相对比较早，也较为成熟。上个世纪五卜年代开始在 应用数学工程技术及运等学等方酣的科学家对千调度问题开始重视起来，他们运用线性规划， 决策分祈，动态分析等方法解决了大岳的调度问题亡 但Maxwe U等人对于调度问题的理论 研究标志若时间表问题的正式开始仁其后几十年尸人们对于调度问题的理论 及实际应用 都基千此q 二十世纪七十年代，对于调度问莲的复杂性问题的研

14、究被国外很多学者重视起 来e很多调度问题均被证明是NP完全问题gMullin凹等人提出了如何计算录佳冷却结品操 作曲线。Larso25分析了对于间歇蒸发和冷却结品过程的最佳操作则间表的问题U程控结品的数学模型山。ne双 等人捉出。同年Joneg可义对 间歇冷却结品 过程进行了模拟与优化，得到了报佳冷却操作时间己二十世纪七十年代后期，讷度问题的理论基础已经十分的成熟， 但理论层面的调度问题与实际复杂的现实调度问题相距甚远 心关于理论研究进展到底有多大程度可以应用到实际的生产调度中，这个问 题一直困扰若 人们心很多调度的研究基千具体的找一层面上，实际的通用价伯非常低心关千这其中的原 因，有很多不同

15、的说法，其中一种相对较有说服力的表达如下：“现有的调度理论和方 法对于解决实际调度问题仍然是不够的彳器要重新考虑和进一步扩展区。阻碍经典调 度理论的关键在于调度问题的NP性质千由 于实际的生产过程的复杂性，使 得仅凭经验的 经典调度理论并不能完全契合实际，完整的调度方法主要包括以下以下两个方面，首先是对千调度间题的准确简介有条 理的描述书即提出问题；其次 是能够提供如何解决所提出的问题的优化方法，及优化问题。根据不同的分类方法了调度问题主要可以分为以下四类29:(1)根据优化所基千的准则不同分类，可分为基于代 价调度和基于性能调度*基千 代价的调度主要包含为实现调度的可行性所造成的如运输存储运

16、行费用或延期交货所 造成的损失基千性能的调度主要包含工程最长完成时间，设备利用率以及加工拖延百 分比等。在理论层面，更多的研究性能调度方案兮但 实际生产中，代价调度和性能调度 要综合考虑，权衡选择丘,(2)根据生产的难易复杂程度分类化工生产调度可分为Job.shop调度，Open shop 调度，Flow-shop调度和K macbine井行加丁调度以及单机调度等区1)t JoAho:p调度 是录为常见的调度形式，由a个不同的机器加工生产具有b个生产路线的产品，不同的 工序彼此之间没有颓序怫吆勺，但工序不能中断；单机调度指不同的产品在同一机器上生产，因此生产顺序需要合理规划；，Ho w心加p调

17、度指所有产品在同样的机器上生产， 操作与管理彼此相同: K machine并行加工调度指所有产品在不同的机器上生产，但机 器与产品均类似已(3 )根据生产要求不 间，调度可分为动态调度和静态调度.动态调度指当生产作业 出千待加工状态时，作业进入系统进入生产的同时，男一部分完成了生产的作业要离开 系统考虑因此除作业的流动外，还包括生产期间不可测的变化，比如设备的损耗或作 业生产时间增加等等；静态调度相对简单，生产作业同时处于待加工状态，不存在上述 所说的流动问题b(4)根据生产所处环境进行分类可分为随机型调度和确定性调度，二者区别即在于 其各参数姑否是确定值，我们所涉及到的大多数生产，是圣于代价

18、的随机型动态调度，由 多种不同形式组合而 成(如 Job汕 op! k-:rnachine)。传统的调度方法分为以下儿类；经验规则法，数学规则法，系统仿真和人工神经网 络方法等等3为51。经验规则法是指人们从现有的生产管理中总结出来的可以用于指导新的生产调度的法则3M该法则是基千曾出现过的调度问题所獭的解决方式，都基千现有经验，也芷是如此 所提出解决方舞K只是所提问题的近优解.及某 特定的规则只能应用千其 所对应的特定场合也 具有很大局限性，对于现代社会大规楼的生产加工过程 该法 则 很难达到很好的效果心但近年来，挂于经验法则方一种更有效的调度方法被广泛应用， 即遗传算法6气 遗传算法简称GA

19、38 40),其特点是应用范围气操作简单大有较高的搜 索效率，对于复杂的生产过程的处理方面彰显了较强的优势4 1。但造传算法也有其相对 的劣势，由于 其所需数盘庞大，在空间巨大的调价下容易出现细心爆炸的惜况142。数学规则法又称运券学方法，是使用数学模盔对千生产谓度问题进行分析；调度的 录优化问题用整数“动态规划的方法解决仁录常用的规划是整数规划，即M仄喊血七ger 1ms田r pro驴皿血ng (MJ1 P)n, C蚁head I书等人使用MILP模型曾经对于某炼油厂生产调度 进行了建模！ Schuste丛轨对某食品加工广进行过线性建模：Ros困胸 在造纸厂与制 药厂也曾使用MILP模型进行

20、调度问题的分析与解决；Adelman围使月“ILP技术对电 缆厂的光线分配间题予以解决数学规划法可以在全局对生产进行排序，但由于数 学建 模裔要非常精准，对于调 度问题衙要统一建模 因此当多变的参数引入后方符法的可重 复性很差十简 单的数学建模所需求解的储存空间过 大，不能 满足对于复杂的生产调度的 才以和优化；系统仿哀法与数学规划法相比较，更多的是有对于局部的决策分析，可以通过对不同 生产调度方案的对比，选择出录优的方案。该种方 法往往结合了其余几种方法综合分析 斛决问题，因 为单纯使用系统仿真法其计算成本与时间成本很离，在模型的建立上困得 很大 其准确性受限千操作人员的判断与经验c人工神经

21、网络法 即Art访cial neural ne饭ork(ANN)书起 源于上世纪四十年代，是基 于对人的脑结构与认知理解，对结构和一些智能行为进行模拟2气 较为典型的应用包括 Ttisefuji优等人对Job-shop调度的建模与分柝 但他们的方法更实用小型生产，对于大规 模的模拟与优化还不能很好的完成。随后Cherkassky相等人改进了上述方法，使用线性 代价函数对调度问题进行建摸中使得大规栈好的调度网络的复杂性大大降低巾ANN相 比较数学规则法与经验规则法而言分有很大的存储空间，并有主动地更新，具有自 学 习的特点，在解决调度问题时便于分类。但在实际应用中井不是十分广泛，因 为其建立 知

22、识库时自主学习的效率较低，难以 配合大规楼的生产，计算速度与精度都有待提禹。模拟软件构成物性数据库单元模块库输入输出输入数据，录入流程图，定义单位和输出方式，解算除了上述所说几种方法外分 解决调度问题还有很多其他方法，如启发式耀法限I 模拟退火法（拉皿Rated础nealmg:. SA）区）糊逻辑法四等等解决调度问题已成为化工生产的蜚要环节之一，因此受到了较高的范视叠1. 25 A 叩 e n Batch P u:S 简介化工过程换拟技术是目前化工计算机领域当中最为成熟的经济的技术口实验与模拟 相结合的方式可以大大的降低化工过程研究的成本，并提高化工生产的效率化工过程模 拟技术的作用是可以对化

23、工过程进行计笄，假,坪价与分析P4）化工模拟软件是模拟的重要程序，软件的选择也是模拟技术有效性的关键咂一般模拟软 件的组成主要分为以下5个部分55| ,见表I.4 ,农L4模拟软件的组成T的.4酝 c四平 出mo f s虹叫.ation s呻 W -e 作用传热、传质计算，物性推算用可独立运行子程序表示过程操作单元，系统管理程序调用解算和管理系统网络通信实时传输/ 艘，针对大型计算对企业全厝期生产管理定义模拟计算与优化计算功能 对 单或套装产品系统的管理对千间歇化工过程，心pen.BatP土 Plus是一款是常用的模拟系统，尤其应用于生物工 程，制药过程以及农用的化学用品的生产过程等给予配方的

24、间歇性生产过程的模拟与 优化 .S6：压严nBtt hP匝 主要应用千化工工业生产过程全周期的建模。在生产开发初期产A Wen Bat中Plus可预估开发成本，或根据已有数据评估查找可替代过程。心pen Bat中Ptus 还可通过将小型试验放大，形成配方规模的生产。在真正的生产工艺过程当中，心扣n 归IchPlus软件又可以确定生产过剩的设备参数，从而将过程拟合至巳有的装置 设备中，计算公用工程负荷以及废物处理率，从而解决瓶颈问题峭产能扩培 并评估废弃物排放虽勺Aspen Batch Plus系统拥有很强大的商业价值，主要具有以下商业用途：首先，利 用心pm Hatch P胆 可以快速而全方面

25、的研究所选的过程设计，并评估出其他备选设计使 选择性增大，并可以更高效的评估该过程开发所需资本要求及制造成本，在开 发过程中快 速，完整的分析生产对于安全及环境的作用影响。在过程设计上可以更高效的分析并应用试点工厂所取得的有效数据。这大大提高了设计开发的有效性其次,在设计环节，应用Aspen Ba比h Plus软件，可以查找环境对于过程的束缚 可以对废物流进行系统 有效的分析以得出低成本的处理废物的方法，以减少对环境的危害，并且通过评估可以经济有效的选择更多方案以减少废物处理，或节约入口进料；同时，由enBatchP匝软件还可以提高工程效率，其 可以有效的计算物料平衡及能呈平衡，制定出配料比例

26、， 分析操作设备的尺寸，确定该过程的正确的各项参数并执行扩大计算；可以有效的减少 数据库中由于过程分析所产生的过程信息，同时生成标准化的流程图以及报告；最后， 使用As)eDBakL h Dj口s系统优化过程可以有效的降低制造生产成本。在降低过程成本的 同时也实现了对于瓶颈问题的识别与解决4将质盐数虽规范化”更榻捡验出问题所在，更容 易识别并诊断故漳，当前主要的Aspen.B血hP泅软件的用户是参与化工过才新发与研究 的化学工程师以及对流程进行设计的研发人员，此类用户在面对不同问题时，可 以得到 快速且准确的结论。制造工程师同未箱用于这款软件在评估操作过程中某一过程的影响，确定设备尺寸及运行时间遇到瓶颈时及时快速的解决问题，在现有设备基础上对设备及过程的处理方法的评估等问题上，心pen Bat中P s表现出很高效的性能心