过程模拟优化在化工工艺设计中的应用

过程模拟优化在化工工艺设计中的应用

韦长文

身份证号码：45272319841029xxxx广西桂林541000

摘要：方法的优化就是在研究过程中不断的演变，动态人工神经网络的动态算法的统一框架就是所谓的提出基于DNN，其对并行分布计算特性进行了重点论述，又根据乙醇生物炼制过程对乙醇产业化装置进行了严格的计算机流程模拟，建立的Aspenplus平台上乙醇炼制过程流程模拟模型，为操作优化、乙醇生产技术在大型工业规模的过程设计、评价技术经济基础的设计工具和优化操作方案；为过程设计提供全部的物料以及能量方面的衡算数据；能够实现利用最新的研究的各种结果实现对最终结果里热量降低的影响和贡献做出客观公正详细的评价。

关键词：过程模拟；建模；优化

1化工工艺设计理论概述

众所周知，在整个项目设计过程中，设备布置、工艺流程和管道布置是化工工艺设计的重要方面。化工工艺设计的主要内容是通过工艺计算绘制工艺流程图，提供给设备专业绘制设备图纸的相关参数，并提出工艺控制方面的参数供自控专业仪表选型，然后工艺专业根据工艺流程图完成初步的设备布置图，最后由管道专业结合设备布置图进行管道配管并完成最终的管道布置图纸。化工工艺设计要紧跟时代发展，同时将理论和实际有机结合起来，只有这样才能发挥其巨大的功效。化工工艺设计包括不同的种类，主要有概念设计、中试设计、基础设计、初步设计和施工图设计等。这些不同种类的设计在化工工艺的实践中都发挥着重要的作用。化工工艺设计过程中往往存在如下问题：设计的基础资料不完整，数据的可靠性和完整性不如常规装置；化工工艺设备种类繁多，规格特殊，对设备的设计和选用都提出了特殊要求；化工工艺设计工作量大，管道设计要作特殊考虑；设计周期短，为尽快占领市场，化工工艺设计往往边开发边设计，边建设边更改设计；规模大小不一，为节约投资，某些设计不可能完全按照规定去做。这些特点无疑会造成化工工艺设计的安全隐患，对化工设计的安全有很大的影响，也是引发化工工艺设计安全问题的重要因素，也越来越受到人们的重视。

现代工业倾向于向大型化和自动化的发展，为了能保证工业生产的安全、高效率、经济节约、优质，唯一选择的就是做到大型工业过程的自动化。在整个生产流程中，控制系统是从控制单个工艺变量的稳定开始设置顺序的，然后是控制单元过程，进而到把控整个车间。规划原则就是根据市场的需求最佳地管控生产过程的计算机集成以综合自动化，从而使经济效益随着不断扩大控制规模而有显著的增长。从功能上工业生产过程计算机集成综合自动化的总体结构可分为过程最优控制以及优化生产过程的操作两个方面，市场预测、最优计划和最优调度、决策四个层次，各个层次上都存在着不同程度的优化，相应地可获得经济效益不同幅度的上调，本文章主要是讨论化工生产过程的在线操作优化。

2化工工艺设计的现状

化工工艺往往会由于化学工业的资本密集性以及工艺失败可能造成的巨大物资上的损失，导致在变革过程中遇到非常大的阻力，影响到化工工艺的发展。通过分析化学品生产成本的构成，我们能够得出基本建设的投资以及原材料占总成本的主要份额。由于装置往往需要多年运转，并且费用较大，在化工工艺设计中将许多已经有五十年使用期的装置进行改造，扩大装置的能力，解决薄弱环节所需要的费用比一套新建的装置要便宜很多。按照这个趋势进行分析，在2020所销售的工艺设备产品大约有四分之三是由1999年就运转的装置生产出来的，可是由于这些老旧的生产装置不具备新时代的环保要求，所以必须对其进行减少污染、扩大产能的改造，改善装备的性能有助于绿色生产，对可持续发展也有重要作用。

3流程模型的假设

经研究提出合理的假设，并相应简化其过程。包括以下步骤：（1）根据过程连续性的等价性原则，可以得出全过程处于连续性操作状态；（2）过程处于稳定运行状态，不考虑过程中出现的开车和停车这些特殊状态；（3）由于在输送物料过程中压力会降到0，故可忽略研究中输送过程的能耗；（4）在液气的平衡计算时，若是不发生化学反应的固体组分则不参与计算；（5）在独立的换热器中能够实现物流的温度变化。

4单元操作模块的流程模型

6个发酵罐，1个预发酵罐构成了整个发酵流程。其中，A为预发酵罐，酵母、干法糖液、营养盐分别为S1、S2、S3的进料。S5、S7、S9的进料均为干法糖液。S16进料是循环返回的酵母，S15出料为含11%～12%（V/V）乙醇的产品，其下游段用于分离纯化，废酵母从S14出料，其中的一部分循环到发酵罐B。

清液发酵产乙醇流程涉及5个主要组分：水（water）、乙醇（ethanol）、葡萄糖（glucose）、二氧化碳（CO2）和酵母（yeast）。另外其它微量的杂质在生物的代谢过程中也会产生。因在非结构性动力学的模型基础上建立的相关数学模型，并且在该酶反应过程中会有菌体的生长，以致没有固定的反应方程式适用，用户根据自己的生产要求和状况，可以部分的改进生产过程。

5过程的模拟和结果分析及优化

主要考虑葡萄糖的进料量对于预发酵、整个发酵结果、反应压力、发酵系统热负荷优化的影响。整个装置上设计根据本文的条件和所得出的结果的实验来验证系统热量的优化。实验过程中各个发酵罐的温度和产品最终温度的测量值如下表所示。经分析可得，各发酵罐经系统热量优化后的温度均在32到33℃之间，而产品的酒精含量和残糖值均符合要求。在蒸馏过程中，进料的原油成份、塔的操作条件以及生产的负荷等影响产品质量的因素非常多，而化工流程模拟系统AsPENPLus、PR0ll、Hsys等，虽然在原油的加工过程是能够运用，但需独立的运行环境，且只能够进行离线操作，难于直接地在装置上在线模拟分析。企业应用过程模拟能够获得大量的反映生产过程以及状态的数据，提供了质量的控制所需的相关信息。统计分析的方法能够高效地处理、分析得到的数据，分析生产的过程中的众多参数（包括过程参数以及质量指标）间的关系，建立预估模型针对难以测量的质量指标，将数据资源转化成为效益。

6化工工艺设计中应体现的设计理念

6.1要能体现降低能耗

尽管在实际的设计生产中，很多人把能源成本当作生产总成本之中的一个重要部分，但是这种想法是错误的。将基建投资高和能量消耗大这两个问题解决，能有效的提高生产效益，降低生产成本，减低能效和与之相关的投资课题一般来说颇为有效，比如在许多大型的分离装置上运用超临界流体。通过对当前资料和实际应用的研究可以看出，一些系统能源费用比很多常用的技术要低，比如恒沸蒸馏以及蒸馏的获取。降低能耗是工艺设计与研究需要重视的一部分。

6.2要能体现降低基本建设投资

由于化学工艺属于密集型产业，如果没有化学研究上的重大成果让主要的产品生产工艺得到提升和完善，那么一般来说，要改进以及提高化学工艺设计就需要通过解决瓶颈问题、改造现有装置、扩大产能的方式的来解决，这些方式可以有效地减少在基本建设上的投资。

结束语

化工工艺设计是化工生产能够实施的前提，为此，相关工作人员在严格、正确地执行政府制定的政策法规、标准规范之外，还要通过上述几个方面来找出生产过程当中存在的潜在危险因素，并及时对其中的缺陷加以改进，从而控制和防止事故的发生。

参考文献：

[1]冯宝林，王晓春，张北屿等，润滑油型常减压蒸馏装置扩能改造及标定[J]，石油化工设计，2003，30（3），37--10

[2]张北屿，冯宝林，润滑油型常减压蒸馏装置的扩能改造[J]，炼油技术与工程，2003，33（1）.