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1、化工过程模拟与优化 Simulation & Optimization of Chemical Engineering Process,主要内容（Contents）,一、 前言,二、 化工过程模拟技术概述,三、 化工过程模拟技术的结构与功能,四、化工过程模拟技术的热力学方法及选择,五、蒸馏过程的计算,前言：过程工业,2018/9/30,filename.ppt,3,一、什么是过程工业,1、过程构成：单元操作与设备 2、过程原理：三传一反 质量传递 热量传递 动量传递（流体流动） 化学反应因此化工、炼油、钢铁、医药、造纸、食品等都属于过程工业 (Process Industry)。,2018/9
2、/30,filename.ppt,4,化工、石化等过程工业属能量密集型行业,2018/9/30,filename.ppt,5,二、什么是过程系统工程,1.过程系统工程（Process System Engineering PSE）继上世纪20年代单元操作、60年代传递现象研究之后，是化学工程的第三次突破。Westeberg： “如何选择优化了的单元设备及其间的联结关系来组成一个化工过程系统，从给定的原料生产一定的产品，在最小的总费用和最小的环境污染条件下安全地生产，并在运行中采取和保持最优的操作条件” 。,2018/9/30,filename.ppt,6,2.过程系统技术由系统设计、系统操作和
3、系统控制三部分组成。PI属于系统设计的一部分。 3.是一门交叉科学，涉及系统工程、化学工程、控制理论、计算机、经济、环境等学科。 4.应用于设计、改造、扩产、消除瓶颈等层次。,二、什么是过程系统工程,第一章 化工过程模拟技术概述,2018/9/30,filename.ppt,8,1、前言,由于在石油化工实际生产过程中，利用传统的技术很难实现描述单元装置操作的静、动态特征，如工艺过程中反应的，流体力学的，传热的，传质的特征及工程技术问题，装置的系统故障诊断，新产品研制开发中的问题等。,2018/9/30,filename.ppt,9,化工流程模拟是一种高科技手段，它根据化工单元过程和热力学的基本
4、方程，应用现代数学方法，通过计算机模拟实际的化工生产过程。即在计算机上准确地“再现”实际生产过程，得到详细、完整的物料平衡和热量平衡数据。,2、什么是化工流程模拟？,2018/9/30,filename.ppt,10,2、什么是化工流程模拟？,由于过程流程模拟技术能够反映传统技术难以实现的单元装置的静、动态特征，因此越来越受到石化领域设计与开发人员的重视，广泛地应用于石油、化工、制药、冶金等重要行业中，无论是在项目工程设计中，还是在生产中实施先进过程控制，抑或是更高层次的企业优化生产管理（当今比较流行的ERP企业资源计划体系）。,2018/9/30,filename.ppt,11,2、什么是化
5、工流程模拟？,过程模拟技术所有的应用都必须是建立对企业的生产过程有一个全面准确了解的基础上，通过运用流程模拟软件对生产过程进行流程模拟寻求实际生产过程的模拟结果，以便来指导实际生产。,2018/9/30,filename.ppt,12,3、化工过程模拟技术的应用,流程模拟技术一般都采用序贯模块法，通过严格的质量和能量平衡，相态和化学平衡，去预测一个工艺过程的表观现象。 主要可以解决以下工程问题：(1) 可为工程设计提供基础数据。通过工艺过程严格的物流和能流的平衡计算，预测物流的流率，组成和性质，预测操作条件，设备尺寸，从而减少装置的设计时间，也可进行各种装置的设计方案比较。,2018/9/30
6、,filename.ppt,13,3、化工过程模拟技术的应用,（2）可以对生产过程中的故障进行模拟诊断, 当生产过程现有装置系统发生故障时，主要是设备问题和工艺问题，可以通过流程模拟进行工况模拟诊断，帮助尽快找出故障发生的原因和位置。 （3）在新产品开发过程中，通过流程模拟可以为新产品开发研制提供极大的便利，可模拟新产品开发中的工艺参数，协助新工艺的开发，减少大量不必要的实验投资。,2018/9/30,filename.ppt,14,3、化工过程模拟技术的应用,（4）在生产过程中，流程模拟可以对现有装置进行生产能力的标定，来帮助寻找系统的“瓶颈”部位。使我们能充分利用原有的设备，制定合理的改造
7、方案，清除装置的瓶颈，使整个装置能力匹配，最大限度地发挥效益。 （5）石油化工生产过程中，优化操作是石油化工研究开发和应用的热点领域，应用流程模拟可以优化工艺操作条件，使生产装置的运行处于最优操作，以节能降耗，较少的投入取得较大的经济效益和提高生产技术水平。,2018/9/30,filename.ppt,15,3、化工过程模拟技术的应用,(6) 可进行生产过程的经济评价，进行多种工艺方案的经济比较，进行最优评估。 (7) 能够支持实现研究和开发阶段的数学模拟放大，概念设计，工艺设计及工程设计，工厂开工指导及操作工仿真培训，工艺流程改进及优化，工厂消除瓶颈的技术改造等。 (8) 可在生产中实施先
8、进过程控制和企业的优化生产管理。,2018/9/30,filename.ppt,16,4、过程模拟技术发展情况,1、国外进展 Flexible Flowsheet 美国M.W.Kellogg公司(1958年) PROCESS/PRO 美国Simulation Sciences公司(60年末) Aspen Plus 美国Aspen Tech.公司(80年代末) Hysim/Hysis 加拿大Hyprotech公司(80年代初),2018/9/30,filename.ppt,17,4、过程模拟技术发展情况,2、国内情况 HSSSP 原化工部第五设计院(中石化兰州院) (70年代中) ECSS 青岛
9、化工学院(80年代末),2018/9/30,filename.ppt,18,5、化工流程模拟分类,稳态模拟(离线模拟、静态模拟）Steady State Simulation静态模拟软件：Aspen plusAspen Tech.公司Pro-SimSci 公司 动态模拟 Dynamic Simulation动态模拟软件：Aspen dynamicsAspen Tech.公司Hysis Hyprotech公司Dynsim SimSci公司,2018/9/30,filename.ppt,19,5、化工流程模拟分类,实时优化 Real Time Optimization实时优化软件: Aspen D
10、MO Plus Aspen Tech.公司 ROMEO (Rigorous On-line Modeling with Equation-based Optimization )SimSci公司,2018/9/30,filename.ppt,20,6、Aspen工程 软件介绍,Aspen工程套件(Aspen Engineering Suite)：稳态模拟(离线模拟、静态模拟）Steady State Simulation该套件由以下几个著名的软件组成：稳态模拟Aspen Plus、动态模拟Aspen Custom Modeler 及Aspen Dynamics、过程综合与集成Aspen Pin
11、ch（夹点技术）和Aspen Split、聚合过程模拟Polymers Plus、换热器设计B-JAC、设计工作流集成平台Aspen Zyqad等。,2018/9/30,filename.ppt,21,6、Aspen工程 软件介绍,Aspen Plus 是世界过程工业最大的软件商Aspen Tech. 公司开发的大型通用流程模拟系统，称为“先进过程工程系统”（Advanced System for Process Engineering）简称Aspen。经过20年多来不断地改进、扩充和提高，成为举世公认的标准大型流程模拟软件。Aspen Plus 在全球各大石油化工企业中占有较大的份额，全世界
12、最大的50家化学公司中有46家使用该软件。,2018/9/30,filename.ppt,22,6、Aspen工程 软件介绍,（1） Aspen PlusAspenTech公司开发的稳态模拟软件。,科研开发,可模拟诊断生产装置不正常运行工况； 优化操作参数，节能降耗， 可以标定生产流程各部位的能力，找出“瓶颈”位置及增产方案。,可以快速筛选各种替代流程方案 迅速确定物料及能量衡算,工程设计,生产制造,可以减少中试层次 减少试验量， 加速产品上市过程,2018/9/30,filename.ppt,23,2018/9/30,filename.ppt,24,6、Aspen工程 软件介绍,（2） As
13、pen Custom Modeler及Aspen Dynamics Aspen Custom Modeler是一套建立在联立微分代数方程组求积分解基础上的动态模拟系统。它使用和Aspen Plus一样的物性数据库（Properties Plus），这样可使稳态及动态模拟计算结果保持一致性。它与一些其它工具软件有接口： MATLAB接口：这种过程控制设计工具相联接可以开发控制策略 G2接口：可以与这种人工智能工具软件结合开发操作工仿真培训器及工厂诊断系统,2018/9/30,filename.ppt,25,2018/9/30,filename.ppt,26,通过建立的动态模型，可以对共沸塔的操作
14、进行大量细致的的仿真研究,塔底供热量塔压塔顶取热量塔底MTBE纯度,塔压,塔底供热量,塔顶取热量,塔底产品纯度,2018/9/30,filename.ppt,27,6、Aspen工程 软件介绍,Aspen Custom Modeler常用的几个方面： 提高可操作性：包括开车方案，正常操作规程 改进安全性：包括释放系统，事故分析 改进过程控制方案：测试可能的控制方案，研究先进控制策略 开发用户模型及优化过程操作,2018/9/30,filename.ppt,28,6、Aspen工程 软件介绍,（3） Aspen Pinch和Split Aspen Pinch和Split是两个相互补充的先进过程设
15、计软件。 Aspen Pinch是一个基于过程综合与集成的夹点技术的计算软件。它应用工厂现场操作数据或者Aspen Plus模拟计算的数据为输入，来设计能耗最小、操作成本最低的化工厂和炼油厂过程流程。,2018/9/30,filename.ppt,29,2018/9/30,filename.ppt,30,夹点分析,2018/9/30,filename.ppt,31,2018/9/30,filename.ppt,32,复合曲线,2018/9/30,filename.ppt,33,6、Aspen工程 软件介绍,Aspen Pinch的典型作用有以下几个方面： 老厂节能改造的过程集成方案设计 老厂扩
16、大生产能力的“脱瓶颈”分析 能量回收系统（例如换热器网络）的设计分析 公用工程系统合理布局及优化操作（包括加热炉、蒸汽透平、燃气透平、制冷系统等模型在内）,2018/9/30,filename.ppt,34,2018/9/30,filename.ppt,35,6、Aspen工程 软件介绍,（4） Polymers Plus 是一个模拟聚合物制造过程的通用聚合过程模拟系统。 评估不同的过程设计方案 优化工厂操作 开发反应动力学的深入机理 通过模拟来找寻增加生产能力的方案 开发新牌号,2018/9/30,filename.ppt,36,6、Aspen工程 软件介绍,（5） BJAC是一个换热器设计的专用软件包，它包括各种换热器的热设计、机械设计、成本估算及设备结构施工图。软件函盖的范围包括：管壳式换热器、空气冷却换热器、火焰加热炉、燃炉尾气省能器等各种类型。,
