化工過程動(dòng)態(tài)模擬研究綜述電子教案

化工過程(guòchéng)動(dòng)態(tài)模擬研究綜述1.化工(huàgōng)過程動(dòng)態(tài)模擬2.化工(huàgōng)過程動(dòng)態(tài)模擬軟件3.化工(huàgōng)過程動(dòng)態(tài)模擬實(shí)例第一頁，共18頁。1.1化工過程(guòchéng)動(dòng)態(tài)模擬研究背景化工(huàgōng)過程是一類狀態(tài)變量隨時(shí)間的演進(jìn)空間的轉(zhuǎn)移而發(fā)生改變的動(dòng)態(tài)過程。隨著能源和環(huán)境問題對(duì)人類生存的挑戰(zhàn)日益加劇，人們也越來越關(guān)心化工(huàgōng)過程的運(yùn)行性能及控制指標(biāo)，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(huàgōng)過程動(dòng)態(tài)模擬（又稱動(dòng)態(tài)仿真）成為人們了解化工(huàgōng)生產(chǎn)過程強(qiáng)有力的工具。穩(wěn)態(tài)模擬已經(jīng)廣泛應(yīng)用于化工(huàgōng)設(shè)計(jì)改造及優(yōu)化等過程，對(duì)很多人來說已經(jīng)不再陌生。動(dòng)態(tài)模擬的實(shí)際應(yīng)用是十分廣泛的，其主要用于各種化工(huàgōng)過程的動(dòng)態(tài)特性分析、先進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開停車過程、安全分析研究等。隨著動(dòng)態(tài)流程模擬技術(shù)的發(fā)展，化工(huàgōng)過程動(dòng)態(tài)模擬還廣泛地用于化工(huàgōng)操作培訓(xùn)故障診斷及實(shí)時(shí)優(yōu)化解決穩(wěn)態(tài)模擬無法解決的問題。第二頁，共18頁。1.2國內(nèi)外研究進(jìn)展20世紀(jì)70年代末80年代初，化工過程動(dòng)態(tài)模擬在美、日、西歐等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)進(jìn)入廣泛應(yīng)用階段近幾年，很多國家推出了功能強(qiáng)大的商業(yè)化通用動(dòng)態(tài)模擬軟件，國外很多發(fā)達(dá)國家已將通用動(dòng)態(tài)模擬軟件廣泛地應(yīng)用于先進(jìn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在科研(kēyán)和應(yīng)用上都取得了極大的進(jìn)步，也極大地提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。第三頁，共18頁。國內(nèi)化工過程模擬起于20世紀(jì)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(gè)通用化工過程動(dòng)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(gè)基于單元模塊組合結(jié)構(gòu)的流程級(jí)動(dòng)態(tài)模擬軟件，可以將工藝(gōngyì)過程與自動(dòng)控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真，開創(chuàng)了化工動(dòng)態(tài)仿真的先河。1987年青島化工學(xué)院(現(xiàn)青島科技大學(xué))推出的化工之星ECSS成為國內(nèi)迄今為止唯一獨(dú)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(xué)者專家將注意力轉(zhuǎn)入對(duì)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(jī)，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(jìn)，致使國內(nèi)通用流程模擬的研發(fā)更加被動(dòng)，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。第四頁，共18頁。然而，動(dòng)態(tài)模擬對(duì)很多人來說還不是很熟悉，因?yàn)閯?dòng)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(dòng)態(tài)模擬軟件的開發(fā)更是遇到很多困難。動(dòng)態(tài)模擬軟件是工藝控制和計(jì)算機(jī)等多項(xiàng)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，動(dòng)態(tài)模擬軟件的應(yīng)用也對(duì)應(yīng)用人員提出新的要求，需要使用者了解更多的知識(shí)，這就使得動(dòng)態(tài)模擬軟件的推廣變得緩慢(huǎnmàn)，但是人們?cè)趧?dòng)態(tài)模擬的開發(fā)及應(yīng)用推廣上還是卓有成效的。雖然目前采用機(jī)理模型建立并使用通用化工動(dòng)態(tài)流程模擬系統(tǒng)的公開報(bào)道并不少見，但大部分文獻(xiàn)僅對(duì)動(dòng)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(guān)動(dòng)態(tài)模擬的研究及應(yīng)用通用動(dòng)態(tài)模擬軟件的相關(guān)報(bào)道雖不少，但真正可以作為研究動(dòng)態(tài)模擬的參考資料并不多，而早期發(fā)表的有關(guān)動(dòng)態(tài)模擬的很多文獻(xiàn)散落于一些非著名的期刊雜志及會(huì)議論文集上。1.3化工(huàgōng)過程動(dòng)態(tài)模擬現(xiàn)狀第五頁，共18頁。2.化工過程(guòchéng)動(dòng)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(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩大部分。其動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)主要用于油田地面(dìmiàn)工程建設(shè)設(shè)計(jì)和石油石化煉油工程設(shè)計(jì)計(jì)算分析第六頁，共18頁。第七頁，共18頁。HYSYS軟件特點(diǎn)最先進(jìn)的集成式工程環(huán)境內(nèi)置人工智能數(shù)據(jù)回歸包嚴(yán)格物性計(jì)算(jìsuàn)包功能強(qiáng)大的物性預(yù)測系統(tǒng)DCS接口工藝參數(shù)優(yōu)化器窄點(diǎn)分析工具方案分析工具各種塔板的水力學(xué)計(jì)算(jìsuàn)任意塔的計(jì)算(jìsuàn)第八頁，共18頁。在石油石化煉油方面(fāngmiàn)的應(yīng)用1、常減壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)、優(yōu)化；2、FCC主分餾塔設(shè)計(jì)、優(yōu)化；3、氣體裝置設(shè)計(jì)與優(yōu)化；4、汽油穩(wěn)定、石腦油分離和氣提、反應(yīng)精餾(jīnɡliú)、變換和甲烷化反應(yīng)器、酸水分離器、硫和HF酸烷基化、脫異丁烷塔等設(shè)計(jì)與優(yōu)化；5、在氣體處理方面：可完成胺脫硫、多級(jí)冷凍、壓縮機(jī)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(jí)、平臺(tái)操作、冷凍回路、透平膨脹機(jī)優(yōu)化。第九頁，共18頁。第十頁，共18頁。AspenDynamicsAspenDynamics主要用于動(dòng)態(tài)模擬，某些領(lǐng)域可能比HYSYS準(zhǔn)確，易用程度不如Hysys，現(xiàn)在Hysys屬于AspenTech，并且HYSYS的動(dòng)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(lǐng)域的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)，集中了大量現(xiàn)場工程師和設(shè)計(jì)工程師的經(jīng)驗(yàn)(jīngyàn)，并且易于學(xué)習(xí)和操作，適合初學(xué)者；準(zhǔn)確度方面，在煉油方面，hysys最準(zhǔn)確，因?yàn)镠YSYS一些數(shù)據(jù)都是用生產(chǎn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的（煉油），所以算煉油很準(zhǔn)，其次為PROII，最后為Aspen第十一頁，共18頁。3.化工過程動(dòng)態(tài)(dòngtài)模擬實(shí)例粗對(duì)苯二甲酸CTA加氫反應(yīng)過程動(dòng)態(tài)特性分析在加氫反應(yīng)過程動(dòng)態(tài)模型中，雜質(zhì)(zázhì)4-CBA、中間產(chǎn)物4-HMBA、反應(yīng)產(chǎn)物PT酸BACID、CO均是需要觀測的變量。當(dāng)加氧反應(yīng)工藝條件發(fā)生擾動(dòng)，這些變量都會(huì)隨之變化并對(duì)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(duì)其進(jìn)行變量重置。第十二頁，共18頁。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(qízhōng)“CBA4、BACID、HMBA、PT酸”表示加氧反應(yīng)器底部出料中各產(chǎn)物質(zhì)量流量與TA質(zhì)量流量比(變量CBA4即雜質(zhì)4-CBA,變量HMBA為中間產(chǎn)物4-HMBA),且量綱均為10_6。第十三頁，共18頁。運(yùn)行(yùnxíng)CTA加氯反應(yīng)過程的動(dòng)態(tài)模型至穩(wěn)定后，加氧反應(yīng)器內(nèi)溫度、壓力分布曲線如圖3.3所示，加氫反應(yīng)器內(nèi)4-CBA、PT酸、4-HMBA、BACID分布曲線則如圖3.4所示。第十四頁，共18頁。CTA和飽和水的流量發(fā)生變化都會(huì)影響加氧反應(yīng)的進(jìn)行，從而導(dǎo)致4-CBA沒有完全反應(yīng)，其濃度會(huì)超過25個(gè)ppm，對(duì)PTA質(zhì)量產(chǎn)生較惡劣的影響。故本小節(jié)將會(huì)討論當(dāng)CTA和飽和水流量增加和減少5%時(shí)，加氧反應(yīng)受到的影響以及4-CBA、產(chǎn)物4-HMBA、BACID、PT酸、CO濃度的動(dòng)態(tài)特性。將模型動(dòng)態(tài)運(yùn)行至穩(wěn)定，1小時(shí)后改變(gǎibiàn)CTA負(fù)荷和飽和水流量。第十五頁，共18頁。(1)反應(yīng)器進(jìn)料中飽和水流量增加、減少(jiǎnshǎo)5%將進(jìn)料中飽和水流量變化5%，圖3.5(a)為進(jìn)料流股中飽和水增加5%時(shí)，反應(yīng)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(jìn)料流股中飽和水減5%時(shí)，加氧反應(yīng)器4-CBA和各產(chǎn)物的濃度變化曲線。第十六頁，共18頁。當(dāng)CTA進(jìn)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(kòngzhì)系統(tǒng)、氧氣流量、溫度控制(kòngzhì)器來控制(kòngzhì)被控對(duì)象。圖3.15(a)為雙閉環(huán)比值系統(tǒng)作用時(shí)，CTA、飽和水進(jìn)