化工過程動態(tài)模擬研究綜述

化工過程動態(tài)模擬研究綜述1.化工過程動態(tài)模擬2.化工過程動態(tài)模擬軟件3.化工過程動態(tài)模擬實例1.1化工過程動態(tài)模擬研究背景化工過程是一類狀態(tài)變量隨時間的演進空間的轉移而發(fā)生改變的動態(tài)過程。隨著能源和環(huán)境問題對人類生存的挑戰(zhàn)日益加劇，人們也越來越關心化工過程的運行性能及控制指標，而基于穩(wěn)態(tài)模型的控制策略無力更好地解決此類問題，因此化工過程動態(tài)模擬（又稱動態(tài)仿真）成為人們了解化工生產(chǎn)過程強有力的工具。穩(wěn)態(tài)模擬已經(jīng)廣泛應用于化工設計改造及優(yōu)化等過程，對很多人來說已經(jīng)不再陌生。動態(tài)模擬的實際應用是十分廣泛的，其主要用于各種化工過程的動態(tài)特性分析、先進控制系統(tǒng)設計、開停車過程、安全分析研究等。隨著動態(tài)流程模擬技術的發(fā)展，化工過程動態(tài)模擬還廣泛地用于化工操作培訓故障診斷及實時優(yōu)化解決穩(wěn)態(tài)模擬無法解決的問題。1.2國內(nèi)外研究進展20世紀70年代末80年代初，化工過程動態(tài)模擬在美、日、西歐等發(fā)達國家和地區(qū)進入廣泛應用階段近幾年，很多國家推出了功能強大的商業(yè)化通用動態(tài)模擬軟件，國外很多發(fā)達國家已將通用動態(tài)模擬軟件廣泛地應用于先進控制系統(tǒng)的設計，在科研和應用上都取得了極大的進步，也極大地提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。國內(nèi)化工過程模擬起于20世紀60年代末，發(fā)展和興盛于70年代，70年代末80年代初國內(nèi)模擬軟件的水平在算法上已經(jīng)走在了世界的前列。國家六五期間開發(fā)的DYSPEN是我國自行開發(fā)的第一個通用化工過程動態(tài)模擬軟件系統(tǒng)，是我國科研人員靠自身的努力所開發(fā)的第一個基于單元模塊組合結構的流程級動態(tài)模擬軟件，可以將工藝過程與自動控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真，開創(chuàng)了化工動態(tài)仿真的先河。1987年青島化工學院(現(xiàn)青島科技大學)推出的化工之星ECSS成為國內(nèi)迄今為止唯一獨立開發(fā)的商品化化工模擬軟件。然而，由于各方面的限制，之后十幾年，國內(nèi)幾乎放棄了通用模擬系統(tǒng)的研發(fā)，很多學者專家將注意力轉入對優(yōu)化算法的研究，國內(nèi)通用模擬軟件的開發(fā)工作基本趨于停頓國外流程模擬軟件得到迅速發(fā)展，搶占了商業(yè)先機，又由于國內(nèi)資源不能得到有效整合，流程模擬軟件開發(fā)過程不能得到跟進，致使國內(nèi)通用流程模擬的研發(fā)更加被動，因此，至今在中國未產(chǎn)生具備商業(yè)競爭力的大型通用流程模擬軟件。然而，動態(tài)模擬對很多人來說還不是很熟悉，因為動態(tài)模擬軟件的開發(fā)要比穩(wěn)態(tài)模擬軟件困難得多，尤其通用動態(tài)模擬軟件的開發(fā)更是遇到很多困難。動態(tài)模擬軟件是工藝控制和計算機等多項技術結合的產(chǎn)物，動態(tài)模擬軟件的應用也對應用人員提出新的要求，需要使用者了解更多的知識，這就使得動態(tài)模擬軟件的推廣變得緩慢，但是人們在動態(tài)模擬的開發(fā)及應用推廣上還是卓有成效的。雖然目前采用機理模型建立并使用通用化工動態(tài)流程模擬系統(tǒng)的公開報道并不少見，但大部分文獻僅對動態(tài)模擬軟件的開發(fā)歷程做了表面的簡單表述。并且，有關動態(tài)模擬的研究及應用通用動態(tài)模擬軟件的相關報道雖不少，但真正可以作為研究動態(tài)模擬的參考資料并不多，而早期發(fā)表的有關動態(tài)模擬的很多文獻散落于一些非著名的期刊雜志及會議論文集上。1.3化工過程動態(tài)模擬現(xiàn)狀2.化工過程動態(tài)模擬軟件HYSYS軟件是世界著名油氣加工模擬軟件工程公司開發(fā)的大型專家系統(tǒng)軟件。該軟件分動態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩大部分。其動態(tài)和穩(wěn)態(tài)主要用于油田地面工程建設設計和石油石化煉油工程設計計算分析HYSYS軟件特點最先進的集成式工程環(huán)境內(nèi)置人工智能數(shù)據(jù)回歸包嚴格物性計算包功能強大的物性預測系統(tǒng)DCS接口工藝參數(shù)優(yōu)化器窄點分析工具方案分析工具各種塔板的水力學計算任意塔的計算

在石油石化煉油方面的應用1、常減壓系統(tǒng)設計、優(yōu)化；2、FCC主分餾塔設計、優(yōu)化；3、氣體裝置設計與優(yōu)化；4、汽油穩(wěn)定、石腦油分離和氣提、反應精餾、變換和甲烷化反應器、酸水分離器、硫和HF酸烷基化、脫異丁烷塔等設計與優(yōu)化；5、在氣體處理方面：可完成胺脫硫、多級冷凍、壓縮機組、脫乙烷塔和脫甲烷塔、膨脹裝置、氣體脫氫、水合物生成/抑制、多級、平臺操作、冷凍回路、透平膨脹機優(yōu)化。AspenDynamics

AspenDynamics主要用于動態(tài)模擬，某些領域可能比HYSYS準確，易用程度不如Hysys，現(xiàn)在Hysys屬于AspenTech，并且HYSYS的動態(tài)模擬是一流的。PROII由CIMIC公司（現(xiàn)屬于Ivensys）開發(fā)，較適用于化工領域的穩(wěn)態(tài)設計，集中了大量現(xiàn)場工程師和設計工程師的經(jīng)驗，并且易于學習和操作，適合初學者；準確度方面，在煉油方面，hysys最準確，因為HYSYS一些數(shù)據(jù)都是用生產(chǎn)數(shù)據(jù)關聯(lián)的（煉油），所以算煉油很準，其次為PROII，最后為Aspen

3.化工過程動態(tài)模擬實例粗對苯二甲酸CTA加氫反應過程動態(tài)特性分析在加氫反應過程動態(tài)模型中，雜質4-CBA、中間產(chǎn)物4-HMBA、反應產(chǎn)物PT酸BACID、CO均是需要觀測的變量。當加氧反應工藝條件發(fā)生擾動，這些變量都會隨之變化并對產(chǎn)品PTA產(chǎn)生較壞影響。由于這些變量濃度較小，觀測不便，需要對其進行變量重置。在ASPENDYNAMICS中規(guī)定變量如下：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”表示加氧反應器底部出料中各產(chǎn)物質量流量與TA質量流量比(變量CBA4即雜質4-CBA,變量HMBA為中間產(chǎn)物4-HMBA),且量綱均為10_6。運行CTA加氯反應過程的動態(tài)模型至穩(wěn)定后，加氧反應器內(nèi)溫度、壓力分布曲線如圖3.3所示，加氫反應器內(nèi)4-CBA、PT酸、4-HMBA、BACID分布曲線則如圖3.4所示。CTA和飽和水的流量發(fā)生變化都會影響加氧反應的進行，從而導致4-CBA沒有完全反應，其濃度會超過25個ppm，對PTA質量產(chǎn)生較惡劣的影響。故本小節(jié)將會討論當CTA和飽和水流量增加和減少5%時，加氧反應受到的影響以及4-CBA、產(chǎn)物4-HMBA、BACID、PT酸、CO濃度的動態(tài)特性。將模型動態(tài)運行至穩(wěn)定，1小時后改變CTA負荷和飽和水流量。(1)反應器進料中飽和水流量增加、減少5%將進料中飽和水流量變化5%，圖3.5(a)為進料流股中飽和水增加5%時，反應器底部出料4-CBA和各產(chǎn)物的濃度變化曲線變化曲線。圖3.5(b)為進料流股中飽和水減5%時，加氧反應器4-CBA和各產(chǎn)物的濃度變化曲線。當CTA進料增加5%后，CTA濃度、4-CBA、CO濃度均增加，需要調(diào)節(jié)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、氧氣流量、溫度控制器來控制被控對象。圖3.15(a)為雙閉環(huán)比值系統(tǒng)作用