过程模拟优化在化工工艺设计中的应用

马家驹，金玉宏(浙江省天正设计工程有限公司，浙江 杭州 310012)

0 引言

为了保证整个化工企业的生产效益，企业需要按照特定的流程来进行单元操作，从而提高整体的生产效率和质量。如果在进行正式生产之前，化工企业可以对现有的化工工艺进行模拟分析计算，就可以及时发现工艺设计中存在的不足，及时纠正，减少生产成本，提高生产效益。因此，为了进一步提高化工企业的经济效益，做好化工工艺的合理设计十分重要，技术人员要加强运用过程模拟优化技术来调整和优化化工工艺，为企业提供最优的工艺设计方案，保证整个生产的合理性。

1 过程模拟优化的内涵概述

1.1 化工过程模拟技术概述

随着我国计算机技术的发展和广泛应用，在化工行业中也起着重要的作用，通过借助计算机技术，使得我国化工反应的开发也得到了创新和优化。技术人员借助计算机技术，可以模拟当前化工生产的过程，因此过程模拟也成为当前化工工艺设计的重要环节。在生产化工产品过程中，工作人员需要控制好单个化工工艺变量的稳定性，然后设置好相应的顺序和流程，依次对单元过程进行控制，从而实现对整个生产车间的控制。在生产过程中，工作人员需要按照特定的流程来将几十个生产环节进行联合。并借助过程模拟来及时发现单元模块组合存在的问题，及时解决，保证化工产品的正常生产。要保证过程模拟的准确性，技术人员需要掌握好整个化工过程所产生的化学反应以及相关物质的物理结构，然后分析物质的化学变化和物理变化，从而开展过程模拟和优化。在进行过程模拟中，需要对相关的化工工艺进行计算，主要对压力平衡、热平衡、摩尔

比等进行计算。此外，在模拟过程中，技术人员还需要对介质进行计算和调整[1]。技术人员借助过程模拟技术，不仅可以分析当前的化工工艺设计，还可以判断工艺的操作难度，进而确定最佳的经济点。通过借助过程模拟技术分析当前的化工工艺设计，技术人员还可以诊断出化工生产中存在的故障，及时解决故障，保证生产的正常开展，从而起到降低生产成本的作用。

1.2 化工过程模拟优化概述

随着我国科学技术的发展，传统的化工生产会存在着许多不足，从而影响着化工工艺设计和生产质量，因此完善不足十分重要。企业可以借助过程模拟优化技术来对当前的化工工艺进行优化，从而提高整个化工生产的科学性和合理性，提高化工生产的质量。但是在进行化工过程模拟优化过程中，需要技术模型进行支持，主要的技术模型包括有数学模型和物性模型，技术人员必须要保证模型的准确性，才能发挥出最好的优化效果，才能有效地改善传统化工工艺设计和生产中存在的不足。因此，技术人员要加强对过程模拟优化软件的选择和运用，比如可以运用CAPES或者PLUS软件。关于过程模拟技术，在20世纪60年代就已经被应用在化工行业中，也是化工行业应用最早的技术之一，一般的化工模拟软件的构成内容和网络通讯构成不同，主要包含有原料物资数据、操作单元数据库、数据输入等组成。在进行化工工艺过程模拟和优化过程中，可以通过单元模型组建的方式来发挥更好的作用[2]。

2 过程模拟优化在化工工艺设计中的作用

2.1 提高化工工艺的经济效益

加强过程模拟优化在化工工艺设计中的应用，对于提高整个设计效果和生产质量起着重要的作用。首先，过程模拟优化，可以诊断化工工艺存在的故障。在进行化工生产中，企业是十分注重生产效益的，但是使用传统的设计方法，不仅需要较长的工艺检测时间，也需要投入较高的成本，很难提升企业的生产效益。而通过加强过程模拟优化在化工工艺中的应用，不仅可以有效地缩短整个工艺的模拟时间，还能得出最优的工艺方案，有效地提升整个化工工艺的设计和生产效益。

2.2 可以对化工工艺进行改造

在进行化工工艺设计时，往往是准备了多个方案进行选择，通过借助过程模拟技术，可以对各个方案的数据进行精准的计算，经过对比，从而得出最优的设计方案。技术人员可以借助过程模拟软件的帮助，来为各个单元的操作提供相关的参数，还能指出工艺设计在模拟过程中存在的不足支出，帮助设计人员完善方案，提高整个化工工艺设计的质量[3]。

2.3 实现了过程模拟的在线优化

在进行化工过程模拟过程中，就是运用和优化技术来解决化工工艺设计和生产中的各样问题，主要是一些非线性规划的问题。因此，技术人员可以运用稳态的模拟方法来进行计算和求解等式约束方程，从而得出最优的工艺设计方案。

3 化工工艺过程模拟优化技术的核心内涵

3.1 序贯模块

序贯模块，是指整个化工工艺工程过程模拟和优化都是由专门的单元模块进行负责，并且需要一定的顺序来计算相应的参数信息。针对不同的流程组织方式，序贯模块都可以对单元模块进行求解，而且整个求解过程也比较直观和清晰。在进行过程模拟优化计算时，技术人员需要加入相应的控制变量和参数，并且需要将约束优化问题纳入到优化内容当中。

3.2 联立方程

在进行求解时，联立方程和序贯模块之间存在很明显的差异，联立方程的核心内容是对所有模型进行联立求解，而序贯模块是可以对不同的流程组织方式进行单独计算求解。所以在进行模块计算时，联立方程具有很强的应用优势，并且具有良好的处理机制。在进行化工产品生产过程中，对生产装备的参数要求较高，特别是纯度和工况要求，要求具有足够的精度来计算方程和参数，而且在进行计算过程中需要结合不同的优化算法来进行对比，从而得出最优的方案。

4 过程模拟优化在化工工艺设计中的具体应用

4.1 乙烯裂解

加强过程模拟优化在化工工艺设计中的应用，可以对工艺的设计进行改进，从而得出最优的设计方案，提高整体的化工生产效率。关于过程模拟优化技术的应用，我国化工行业也有着比较经典的例子。比如：我国石油企业，借助过程模拟优化技术来模拟和优化了乙烯裂解过程；我国石油化工企业借助了模拟优化技术，来对乙烯裂解装置设备进行了模拟和分析。在过程模拟过程中，技术人员控制了出口的温度，将原来的乙烯裂解炉的温度提升了4 ℃，通过提升温度来加深裂解的程度，进而起到增加乙烯生产量的作用。技术人员先对乙烯裂解炉的结构(如图1所示)进行分析和研究，然后对整个乙烯裂解过程进行模拟和优化，实现了生产效益最大化的目标。在进行乙烯裂解过程模拟过程中，技术人员需要结合当前的生产过程来计算相应的化工工艺，比如要做好摩尔比计算，做好相关影响因素的计算、使用介质的计算等。在进行摩尔比计算，主要是分析和计算具有化学反应的原材料。进行相关影响因素的计算，比如热平衡计算、压力平衡计算。在对化工反应中的介质进行计算时，技术人员需要结合相应的等价原则，确保介质能够处于连续操作的状态来进行计算，从而得出化学生产的全过程。在进行乙烯裂解过程模拟计算中，针对一些特殊情况可以进行忽略，比如开车情况、停车情况等。为了降低整个工程模拟计算的难度，在进行固体组的气液平衡计算时，如果没有发生化学反应，也不需要进行计算[4]。乙烯在裂解过程中，其生产量会受到多种因素的影响，比如会热负荷因素、反应压力因素的影响，因此技术人员在过程模拟时，需要做好相关技术的分析工作，并且做好系统热量的优化工作。在模拟乙烯裂解过程时，技术人员可以优化原材料的加工环节，并且确保可以在离线状态下操作整个生产过程。通过对乙烯裂解进行过程模拟，石油化工企业可以从中获取乙烯裂解的相关数据，为控制整个生产进度和质量提供了重要的数据保障。

图1 乙烯裂解炉结构图

4.2 石灰石湿法烟气脱硫

石灰石湿法烟气脱硫，就是一个气体的吸收过程，通过吸收相应的酸性气体从而达到酸碱平衡。通过将碱性的石灰石溶液和含有酸性气体的硫氧化物进行化学反应，从而将硫氧化物中的硫元素转入到溶液当中，从而对气体起到净化的作用。通过对整个脱硫反应过程进行模拟和优化，可以进行非稳定模拟来将整个脱硫工程的瞬间参数反映出来，并借助平衡级模拟来对不同物料和参数之间的动态变化进行描述，然后通过引入变换变量的概念来减少迭代变量，使得整个化学反应过程计算变得更加简单。二氧化硫的脱硫一般是在吸收塔内进行，在吸收塔内吸收剂会分散变成细小的液体，从而覆盖在吸收塔的断面，从而起到吸收的反应，进而将吸收塔内气体中的硫元素进行吸收，然后在吸收塔的底部形成石膏，实现了脱硫的目的。在吸收过程中，石灰石需要不断地添加到吸收塔内，并借助塔内的空气作用来不断地运动，从而起到加快化学反应的作用。随着吸收塔内二氧化硫浓度的增加，所消耗的石灰石数量也会增加，石灰石内的碱性组分会消耗，从而使得整个液膜的吸收阻力增加，进而降低了整个脱硫效率。所以，在进行脱硫过程模拟计算时，需要参照公式(1)进行计算，并获得最佳的脱硫效率。根据公式，可以得出：当其他条件都处于不变的前提，当G的数值越大，脱硫效率就会下降，而当G的数值减少，脱硫的效率就会提升。所以技术人员在进行脱硫过程模拟时，需要对吸收塔内增加烟气的流量或者提高烟气的流速，借此来增加脱硫量。使用石灰石湿法烟气脱硫的方法，技术人员在模拟过程时，需要做好单位时间内再循环浆液和烟气体积比的参数控制，也就是液气比，因为液气比可以将硫元素的吸收速率和过程推动参数反映出来，所以由此可见，要提高脱硫效率，也可以采用提高液气比的方式。技术人员在模拟增大液气比时，要将液气比的数值控制在阈值范围之内，否则会出现能耗过高的现象，甚至会对设备造成腐蚀的现象[5]。在进行石灰石湿法烟气脱硫过程模拟时，需要做好整个过程的控制，特别是做好变量的分析和变量的操纵，技术人员可以借助灵敏度分析工具来优化过程，从而实现对相关参数的控制。比如当液气比数值影响吸收塔内的分配比预警传质情况时，技术人员在确定反应速度和反应程度的前提下，可以将浆液中的水含量设定为操纵变量，将二氧化硫的流量设定为分析变量，从而进行相应曲线的计算。在过程模拟和优化过程中，技术人员也可以使用Fluent软件来进行建模，在建模过程中，需要严格按照脱硫的吸收特点来进行数值的模拟，然后在计算时应当忽略化学反应的特殊情况，降低计算难度。

式中：u为烟气流速； G为饱和状态下的烟气体积流量；D为吸收塔体的直径。

4.3 乙醇连续发酵

在进行乙醇的连续发酵过程中，技术人员需要结合相关的数据来进行合理的假设，从而进行过程优化，提高乙醇的发酵质量。在优化乙醇的连续发酵过程中，技术人员同样需要做好相关数据的计算，比如做好摩尔比的计算，做好压力平衡、相平衡的计算等。通过对乙醇连续发酵过程进行模拟分析计算，可以进行工艺设计的优化。比如，在过程模拟中可以发现乙醇的预发酵、反应压力、发酵效果等都会受到葡萄糖的进料量影响，所以在进行工艺优化时，可以对整个系统的热量进行优化，比如技术人员需要对进料的成分、吸收塔的操作条件等进行控制，减少乙醇在发酵过程中受到的影响。此外，技术人员可以使用化工流程模拟系统来进行原料加工处理，但是该操作只能在离线的状态下进行，很难在在线的状态下进行模拟。通过对乙醇的发酵过程进行模拟，技术人员可以从中得到大量的生产数据，对于优化当前的生产过程、控制生产质量都起到了重要的作用。相关人员可以结合模拟数据来进行预估模型的建立，从而实现数据资源的效益转化。

5 结语

总而言之，在进行化工工艺设计时，必须要符合国家的政策要求，符合行业的安全环保要求，避免在化工生产中存在安全隐患，威胁工作人员的人身安全。通过采用过程模拟和优化，实现了对化工行业生产流程和单元流程的优化，并实现了集成化和自动化的控制，有效地提升了生产效益。所以，技术人员在研究化工工艺过程模拟技术时，应当将实际的工况变化和操作优化进行结合，然后借助计算机技术来进行建模和过程模拟计算，从中得出最佳的设计方案，完善传统化工生产的不足，提高企业整体的生产效益。