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1、06 八月八月 20241化工流程模拟技术概述华谊（集（集团）公司）公司2011年年3月月化工模拟优化技术的发展是建立在化学工业的发展、人类对化工过程认识的深入及计算机技术的迅速发展等的历史背景下的。近现代以来，化学工业朝着综合化方向发展，流程结构日益复杂，装置规模日趋大型化，化工行业的资源短缺、环境污染等问题变得越来越重要。同时，人们对化工过程的认识也越来越深入，1915年美国的A.D Little首次提出的单元操作的概念，上世纪50年代，传递过程理论诞生，随后，化工过程系统工程应运而生。自1965年以来，大型电子计算机出现，计算方法得到迅速发展。这一切为现代化工过程模拟优化技术的发展奠定了
2、坚实的基础。化工过程模拟系统开始产生于上世纪后半叶，其标志性事件就是化工流程模拟软件的出现与开发。化工流程模拟软件是由化学工程学、化工热力学、系统工程、应用数理统计、计算方法及计算机技术等多学科理论在计算机上实现的综合性模拟系统。1960年代，美国HOUSTON大学开发出Chess（ Chemical Engineering Simulation System）系统，该软件采用FORTRAN语言编写，共有16种单元操作模块，98种物料的物性数据。60年代末，美国Monsanto（孟山都）公司开发出Flowtran（Flowsheet Translator）系统，该软件也采用FORTRAN语言编
3、写，共有30种单元操作模块，180种物料的物性数据。1976-1981年，美国麻省理工大学化工系开发出ASPEN （Advanced System for Process Engineering）系统，该系统采用FORTRAN语言编写，共有36种单元操作模块，500种气液物料的物性数据，120种固体物料的物性，可用于模拟计算、优化、成本估算和经济评估等。1988年美国Simsci模拟公司开发出PRO/，对PROCESS做重大改进。 1990年代中后期，加拿大Hyprotech公司采用新一代面向对象的编程工具C+语言，在Windows 环境下开发出完全交互式的HYSYS软件，2002年7月，Hy
4、protech公司与AspenTech公司合并，HYSYS成为AspenTech公司的产品。 我国的化工过程模拟系统开发起步较晚，但通过引进软件、硬件等缩短了差距，应用情况目前已接近国际水平，但软件系统的研究开发与国外相比仍有较大差距，国内几乎没有通用的化工过程模拟软件，但80年代以来已经开发出一些专用的具有一定水平的化工专家系统。 可见，从上世纪7、80年代以来，化工过程模拟系统已经进入快速的普及、推广时期。一方面，化工模拟理论和技术方面的发展，使软的应用范围更加广泛，另一方面，软件及计算机辅助工具的发展，即研究手段的进步，使工程师更易掌握、使用这种软件，更容易地进行各种技术方案的研究。 近
5、年来，人工神经网络技术，作为一种典型的经验建模工具，由于其具有更强的过滤能力，巨大的并行处理能力，良好的自适应能力及强大的模式识别能力等诸多优于传统的经验建模系统的独特性质，被广泛地应用于复杂化工系统中的建模、优化中，取得了显著的效果。 Aspen Plus是Aspen工程套件的首个产品，自发布以来，经过20多年的不断改进、提高与扩充，先后发布了十多个版本，已成为举世公认的大型流程模拟标准软件。全球各主要化工、石化和炼油等过程工业制造企业与著名工程公司均是Aspen Plus的用户。同时，以Aspen Plus的严格机理模型为基础，还逐步发展起来了一系列针对不同用途、不同层次的软件产品，此即为
6、Aspen 工程套件(Aspen Engineering Suite,简称AES)。 Aspen Plus 软件做为目前最流行的国际通用性化工流程模拟软件，其广泛应用于科研、生产和工程中。该软件的主要特征是：序贯和联立方程的模拟方法、最快的速度和最高的可靠性及庞大的纯组分和混合物的数据库；其主要功能是：数据回归和数据拟合、物性分析、灵敏度分析、设计和校核及多变量优化。 利用该软件，可以进行以下具体的工作：（1）物料平衡、热平衡，热负荷、流率、组成及物性等设计基础数据的计算；(2) 设备单元主要工艺参数，并可进行冷换设备核算及塔板水力学估算；(3) 流程合成和工艺包开发；(4)原料及加工路线的筛
7、选与评价；(5) 工艺参数优化和消除装置“瓶颈”；（6）装置操作优化，扩产与节能；（7）参数显著性分析，提供总流程的优化LP模型参数和“影子价格”等参数；(8) 操作参数的灵敏度分析；(9)自控方案、DCS或APC中建模提供依据；（10）利用动态模拟功能分析控制参数的动态特性，如自控和开、停工方案及火炬排放系统的设计等。 06 八月八月 20247内容n概概论n过程系程系统工程的基本概念工程的基本概念n过程系程系统工程包含的内容工程包含的内容n过程系程系统工程研究方法工程研究方法n稳态模模拟基基础知知识06 八月八月 20248概 论n60年代年代过程系程系统工程工程产生和生和发展的理展的理论
8、准准备时期期n70年代年代过程系程系统工程走上工程走上实用的用的时期期n80年代年代过程系程系统工程普及工程普及时代代06 八月八月 20249过程系统工程的基本概念n过程系程系统工程是将系工程是将系统工程学的理工程学的理论和方法和方法应用于用于过程工程工业领域的确域的确一一门边缘学科，是化学工程的一个分支。学科，是化学工程的一个分支。n过程系程系统工程的基本内容就是从工程的基本内容就是从过程系程系统的整体目的整体目标出出发，根据系，根据系统内部各个内部各个组成部分的特性及其相互关系，确定在成部分的特性及其相互关系，确定在规划、划、设计、操作和、操作和控制等方面的最控制等方面的最优策略。策略。
9、06 八月八月 202410研究开发市场调查设备设计设备制造建设工程试运转操作运行过程设计外协检查经营管理控制环境的变化06 八月八月 202411过程系统工程包含的内容n过程系程系统分析分析n过程系程系统集成集成n过程系程系统优化化n过程系程系统设计06 八月八月 202412过程系统输入输出过程系统分析示意图（待求）06 八月八月 202413过程系统（待求）输入输出过程系统集成示意图06 八月八月 202414过程系统优化n过程系程系统优化或系化或系统优化可分化可分为参数参数优化和化和结构构优化化n参数参数优化：在一确定的系化：在一确定的系统流程中流程中对其操作参数其操作参数进行行优化。
10、化。n结构构优化：改化：改变过程系程系统中中设备类型或其相互型或其相互间的的联结，以，以优化化过程程系系统。06 八月八月 202415过程系统设计n过程系程系统的的设计原原则上上讲，是，是过程系程系统集成与集成与过程系程系统分析交替分析交替过程程的整体。的整体。n包括三个主要的步包括三个主要的步骤：过程系程系统集成、分析与集成、分析与优化化06 八月八月 202416过程系统经济评价综合参数优化需求计算设备尺寸、费用结构优化最终的过程系统热量物料衡算决策变量优化06 八月八月 202417数学模拟n数学模拟数学模拟：对数学模型求解的数学模型求解的过程程n优优 点点：经济、灵活、可以减少中、灵
11、活、可以减少中间试验，可，可获得得实验条件下条件下难以以得到的性能信息，可以利用已有的理得到的性能信息，可以利用已有的理论成果来研究复成果来研究复杂过程系程系统的性的性能。能。06 八月八月 202418过程系统模型n过程系程系统模型是借助有关概念、模型是借助有关概念、变量、量、规则、逻辑关系、数学表达式、关系、数学表达式、图形和表格等形和表格等对系系统的的总体描述。体描述。06 八月八月 202419数学模型的类型与建立n按建模的方法分按建模的方法分为：机理模型和：机理模型和经验模型模型n按建模是否考按建模是否考虑时间分分为：动态模型和模型和稳态模型模型n按建模是否考按建模是否考虑空空间分分
12、为：集中参数模型和分布参数模型：集中参数模型和分布参数模型n按按过程的特征分程的特征分为：确定模型和随机模：确定模型和随机模n数学模型的建立数学模型的建立过程称程称为模型化，模型化的最基本要求，数学模模型化，模型化的最基本要求，数学模型与所研究的型与所研究的过程系程系统具有客具有客观的一至性。的一至性。06 八月八月 202420过程系统模型组成及表示n过程程单元模型元模型n过程系程系统结构构n过程系程系统结构表示：有向构表示：有向图表示、矩表示、矩阵表示表示06 八月八月 202421稳态模拟的基本知识n数学模型的基本数学模型的基本类型与主要形式型与主要形式n稳态模模拟所研究所研究问题的基本
13、的基本类型型n稳态模模拟的基本方法的基本方法n稳态模模拟软件件n化工化工过程物性系程物性系统n化工化工过程的数学模型程的数学模型06 八月八月 202422数学模型的基本类型n集中参数模型与分布参数模型集中参数模型与分布参数模型n确定模型与随机模型确定模型与随机模型n机理模型与机理模型与经验模型模型06 八月八月 202423稳态模拟所研究的基本问题n标准型准型问题n设计型型问题n最最优化化问题06 八月八月 202424单元模块输入流股向量输出流股向量标准型问题06 八月八月 202425单元模块输入流股向量输出流股向量设计型问题控制模块设备参数向量要求的输出向量特性06 八月八月 2024
14、26过程模拟模型给定输入物理特性最优化问题经济模拟模型给定的参数控制变量约束条件优化程序约束条件06 八月八月 202427公用工程及原料量成本数据物料与能量衡算设备尺寸计算成本估算经济评价输入条件设备尺寸计算投资费用数据收益流程模拟的一般步骤06 八月八月 202428稳态模拟的基本方法n序序贯模模块法（法（SM）n联立方程法（立方程法（EO）n最最优联立模立模块法法06 八月八月 202429流程模拟系统软件n模模拟系系统 开开发者者 结构构 特点特点nASCEND 美国美国Carnegie-Mellon 联立方程法立方程法 模模拟与与优化化nASPEN PLUS 美国美国ASPEN公司公
15、司 序序贯模模块法法 模模拟与与优化化nCAPES 日本日本 序序贯模模块法法 有有优化化费用用 nCHESS 美国美国Washington大学大学 nCONCEPT III 英国英国CAD中心中心 序序贯模模块法法 交互交互作用方式作用方式nDESIGN 2000 美国美国Chem Share 序序贯模模块法法nFLOWPACK II 英国德国英国德国ICI-LINDE 序序贯模模块法法 批批处理与交互理与交互nFLOWSIM 美国美国Connecticut 大学大学 联立方程法立方程法 图形形输入入nFLOWTRAN 美国美国Monsanto Co. 序序贯模模块法法 有有费用和尺用和尺寸
16、寸nGMB 美国美国Badger Co. 序序贯模模块法法 交互作交互作用方式用方式06 八月八月 202430流程模拟系统软件n模模拟系系统 开开发者者 结构构 特点特点nHYSIM 加拿大加拿大HYPROTECH Co.序序贯模模块法法 交互作用方交互作用方式式nPRO/II 美国美国Simulation公司公司 序序贯模模块法法 批批处理与理与交互交互nQUASLIN 英国英国CAD中心中心 联立方程法立方程法 模模拟与与优化化 nSIMMOD 美国美国Illinois大学大学 序序贯模模块联立模立模块法法 模模拟与与优化化nSPEEDUP 英国英国Imperial大学大学 PASCAL
17、编程程nSYMBOL 英国英国Cambridge大学大学 联立方程法立方程法 线性化法性化法nECSS 青青岛化工学院化工学院 序序贯模模块法法 nMicro SAPROSS 兰州州设计院院 序序贯模模块法法 合成氨合成氨专用系用系统程程n 大大连理工大学理工大学n 华东理工大学理工大学06 八月八月 202431流程模拟系统的基本结构计算方法库单元模块库物性数据库热力学性质库输入输出管理系统执行程序求解优化经济分析06 八月八月 202432物性系统的作用n根据模根据模拟计算的算的进程与要求向程序提供所需的各种程与要求向程序提供所需的各种物性数据物性数据n允允许用用户输入自己的数据并入自己的
18、数据并转换成模成模拟系系统所要求所要求的形式的形式n当缺少化合物的物性当缺少化合物的物性时，可，可为用用户提供物性推算模提供物性推算模型型n当用当用户自己有自己有实验数据数据时，可以按要求的模型形式，可以按要求的模型形式进行回行回归，给出回出回归模型的参数模型的参数06 八月八月 202433化工过程的数学模型n基本定律基本定律n质量守恒定律量守恒定律n能量守恒定律能量守恒定律n传递速率方程，包括速率方程，包括热量、量、质量、量、动量量传递速率方速率方程程n状状态方程方程n化学平衡化学平衡n化学反学化学反学动力学力学06 八月八月 202434八步法流程模拟画流程画流程图定定义组分分选择方法方法定定义物流物流定定义单元操作元操作运行模运行模拟察看察看结果果修改参数修改参数06 八月八月 202435谢谢！谢谢！
