李睿，胡翔

（北京化工大學化學工程學院，北京100029）

在我國，化工行業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，關系到人們?nèi)粘Ｉ钪械姆椒矫婷?。然而由于工藝條件的限制，在化工生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生一些廢物，這些廢物不僅污染了周圍的環(huán)境，而且影響了周圍居民的身體健康。自從1970年，面對逐漸惡化的環(huán)境問題，人們開始反思并且開始采取一些污染治理措施。然而傳統(tǒng)的末端治理雖然起到了一些作用，但是并沒有從根本上解決污染問題。主要原因有：末端治理費用高，末端治理技術有限，末端處理造成資源能源浪費[1]。1989年聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）提出清潔生產(chǎn)概念并積極推動清潔生產(chǎn)的實施，美國、丹麥、荷蘭、英國、加拿大、澳大利亞等國家和地區(qū)都興起了清潔生產(chǎn)浪潮，并獲得了很大的成功，成為全球關注的熱點[2-3]，而我國2002年6月29日第九屆全國人大常委會第28次會議審議通過了 《中華人民共和國清潔生產(chǎn)促進法》。國內(nèi)外關于清潔生產(chǎn)的定義表述雖然不同，但其本質都是改變原來的末端治理模式，從源頭、從全過程出發(fā)把廢物轉化產(chǎn)品，減少污染排放，減少對環(huán)境的破壞，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[4]。

化工生產(chǎn)過程可以簡單概括為輸入原料和能源、輸出產(chǎn)品和廢物。要實現(xiàn)清潔生產(chǎn)，一是要減少資源的消耗；二是要減少廢物的產(chǎn)生，即要盡可能將原料轉化為產(chǎn)品；三是節(jié)約能量，并盡可能采用清潔能源。我國化工行業(yè)中應用到的清潔生產(chǎn)技術主要包括：①過程模擬技術；②過程集成技術；③清潔的生產(chǎn)工藝；④清潔的反應體系；⑤超常規(guī)反應技術；⑥催化技術；⑦化工設備技術；⑧清潔能源[5]。

1 化工流程模擬技術

在眾多的清潔生產(chǎn)技術中，化工流程模擬技術是由信息技術與化工技術相結合，以化工工藝過程的機理模型為基礎，根據(jù)化工工藝過程的數(shù)據(jù)，如物料的溫度、壓力、組成、流量及設備參數(shù) （如精餾塔的板數(shù)、進料位置），用數(shù)學方法來描述一個有多個單元的化工流程，通過在計算機進行單元或全過程的物料衡算、熱量衡算，建立模型；并通過改變各種有效操作參數(shù)，從而得所需的最優(yōu)結果。這其中包括最受關心的原材料消耗、工程消耗和產(chǎn)品、副產(chǎn)品的產(chǎn)量和質量、設備尺寸估算和能量分析等許多重要數(shù)據(jù)[6-7]。

近些年隨著計算機技術的飛速發(fā)展，軟件、硬件的性能全面提高，可使實際的化工生產(chǎn)過程全面、精確地反映在計算機上，而不需改變現(xiàn)有裝置的任何參數(shù)，因此，在理論上有了很大的優(yōu)化空間?；つM人員可以在計算機上以實際裝置為基礎，任意改動工藝參數(shù)，確定出不同的方案，全方位綜合對比分析各方案的優(yōu)缺點，從而得到經(jīng)濟效益、環(huán)境效益最優(yōu)的方案，達到清潔生產(chǎn)的目的。而且，應用流程模擬技術可以節(jié)省大量時間、原料和操作費用，提高產(chǎn)品質量和產(chǎn)量，降低消耗，同時還可以對化工生產(chǎn)過程的規(guī)劃、研究和開發(fā)及技術可靠性作出分析和對比[7]。

2 主要的化工模擬軟件及其應用

2.1 Aspen Plus

Aspen Plus化工流程模擬系統(tǒng)是20世紀70年代由美國能源部委托麻省理工大學開發(fā)的大型化工模擬軟件，由美國最大的過程應用軟件公司ASPEN技術公司80年代初推向市場，它的數(shù)據(jù)庫包括約6000種純物質的數(shù)據(jù)，同時該數(shù)據(jù)庫也收集了25萬多套氣液平衡和液液平衡數(shù)據(jù)。用戶可以把自己初始的物性數(shù)據(jù)輸入Aspen Plus系統(tǒng)當中，利用它提供的單元操作模型，通過嚴格的計算方法，準確地進行單元和全過程的模擬計算。利用這一軟件還可以優(yōu)化已有裝置的操作條件或開發(fā)設計新建、改建裝置。由于其具有功能強大、模擬準確、使用方便等特點，而廣泛用于化工、煉油、石油化工、氣體加工、煤炭、醫(yī)藥、冶金、環(huán)境保護、動力、節(jié)能和食品等工業(yè)領域[8]。

除了具有流程模擬功能，Aspen Plus還具有靈敏度分析、工藝計算、物性數(shù)據(jù)回歸、經(jīng)濟評價等其他方面的功能。此外，實際生產(chǎn)中，某些物質在Aspen Plus自帶的數(shù)據(jù)庫中查找不到時，Aspen Plus還具有物性估算的功能。

洪文鵬等[9]運用Aspen Plus軟件以氨法脫硫單塔系統(tǒng)為研究對象，對其脫硫系統(tǒng)的吸收、中和和氧化過程進行了模擬，得到了各節(jié)點的物質流量及組分、化學反應的參數(shù)條件、脫硫效率、產(chǎn)品的質量等參數(shù)，并對入口煙氣中SO2質量濃度、液氣比、煙氣量和氨液量對脫硫效率的影響進行了分析，并確定出最佳的工藝條件。

王麗等[10]利用Aspen Plus對乙酸正丁酯的合成工藝流程進行了模擬計算。選用強酸性陽離子交換樹脂取代硫酸，在反應精餾塔中一次完成反應和分離，取代原有的分步工藝，塔頂氣相部分經(jīng)蒸汽冷凝器、冷卻后在分水器中分出有機相和原料一起從第一塊塔板入塔，并且假設每塊反應塔板上同時達到了化學平衡、相平衡和熱平程，最終分別確定出全塔、精餾段、反應段、提餾段板數(shù)，得到了最佳的工藝參數(shù)和產(chǎn)品質量。

在溫室效應加劇的今天，怎樣消減大氣中CO2越來越受到人們的關注。éverton Sim?es Van-Dal等[11]應用Aspen Plus軟件模擬了化學吸收CO2，加水電解生產(chǎn)甲醇的過程，利用火電廠的煙氣吸收CO2，加水后用無碳電極電解生產(chǎn)甲醇，同時產(chǎn)生的熱能可以被甲醇生產(chǎn)廠利用，這樣節(jié)省了很大一部分的能源投入。

2.2 Hysys

Hysys模擬軟件是加拿大著名油氣加工模擬軟件工程公司Hyprotech公司研究開發(fā)出的產(chǎn)品，它被Aspen Tech公司收購后，軟件得到升級，并為數(shù)據(jù)集成帶來了很大的方便。此數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)的特點是工藝流程和單元操作依靠物流相關聯(lián)。Hysys模擬軟件分為動態(tài)模擬和穩(wěn)態(tài)模擬兩大部分，模擬過程中穩(wěn)態(tài)和動態(tài)同時使用同一個目標，不需要傳遞數(shù)據(jù)，而且可以很方便地從靜態(tài)切換到動態(tài)。其動態(tài)模擬最突出的優(yōu)點就是可以實時的測量和控制運行中所有系統(tǒng)，以便于在線調(diào)整操作參數(shù)，而且當優(yōu)化模型直接與DCS控制系統(tǒng)相連時，可以實時找出工藝流程的最佳操作條件[12]。Hysys的特點是操作方便、計算效率高、計算的收斂性強，更關注工段級的操作，更強調(diào)實時性，可以和Aspen Plus形成功能互補，廣泛應用于石油化工、電解質、制藥和氣體處理等相關領域[8]。

李勇等[13]采用Hysys流程模擬軟件對常減壓塔蒸餾生產(chǎn)潤滑油原料的運行狀況進行了模擬，得出了減壓塔總的物料平衡、操作條件、產(chǎn)品質量指標等最佳結果，而且Hysys模擬能實時的反映裝置的運行狀況，為裝置的穩(wěn)定生產(chǎn)、優(yōu)化節(jié)能提供參考，并為將來潤滑油產(chǎn)品質量提升提供技術支持。

李占生等[14]根據(jù)天然氣組分，采用 Hysys模擬了加壓使醇胺溶液吸收天然氣中的酸氣、低壓及升溫條件酸氣揮發(fā)的工藝流程，模擬結果表明凈化后的天然氣中H2S及CO2的含量均滿足標準要求的一類凈化氣質量指標要求，并提出通過調(diào)試再生塔底壓力來控制塔底溫度和裝置補水等關于實際操作建議。

伊朗的氣田產(chǎn)出的天然氣所含的酸性氣體（H2S、CO2）濃度過高，會產(chǎn)生腐蝕管道、污染環(huán)境等問題。Abdulrahman等[15]采用 HysysV.7.3軟件，模擬了二乙醇胺溶液吸收酸性氣體的過程，同時對比了乙醇胺和甲基二乙醇胺的去除效果，并考察了醇胺溶液的濃度和流量等工藝條件，使產(chǎn)出的天然氣中酸性氣體大幅降低，從而達到了天然氣管道輸送要求。

2.3 Pro／Ⅱ

Pro／Ⅱ軟件是由美國SimSic公司開發(fā)的流程模擬軟件，擁有包含了超過1700種物質的物性數(shù)據(jù)庫、40多種單元操作模塊。它不僅可以進行基本的穩(wěn)態(tài)模擬，還能夠計算物質性能、設計工藝設備、估算運行費用、評價經(jīng)濟效益及進行環(huán)境保護方面的計算。它的發(fā)展歷史悠久，積累了大量的實際工程經(jīng)驗，能夠模擬整個工藝流程中包括簡單的管道、閥門和復雜的反應器、分離器在內(nèi)的所有裝置。Pro／Ⅱ軟件還可以同換熱器計算軟件等其他大型軟件聯(lián)用，其結果也能以 Word、Excal等多種方式輸出，廣泛應用于油氣加工、煉油、化工、聚合物及制藥行業(yè)中新建裝置設計、老舊裝置優(yōu)化及技術改造[8，12]。

曹媛維[16]利用Pro／Ⅱ軟件模擬丙烯精餾塔流程，總結出隨著裝置規(guī)模大型化，該塔需采用多溢流塔板形式，并考慮塔板形式對板效率取值的影響，針對操作不穩(wěn)定、問題，提出可增設進料口在不同位置進料以滿足要求，并且要充分考慮塔頂冷凝器和塔底再沸器的設計余量；針對能耗大的問題，提出在傳統(tǒng)工藝流程基礎上在塔頂冷凝器后增設排放冷凝器進一步回收丙烯的節(jié)能優(yōu)化方案。

雷楊等[17]以催化裂化中典型的吸收穩(wěn)定四塔流程作為研究對象，通過流程模擬軟件Pro／Ⅱ模擬計算，并選擇SPK為模擬過程的熱力學方法，在確定了吸收穩(wěn)定系統(tǒng)干氣、液化氣和穩(wěn)定汽油等產(chǎn)品質量的條件下，對補充吸收劑流量、吸收塔和解吸塔壓力、穩(wěn)定塔進料溫度和進料位置、解吸塔冷熱進料比例等影響因素進行分析。并得到最優(yōu)化的系統(tǒng)操作參數(shù)。

2.4 ChemCAD

ChemCAD軟件是美國Chemstations公司開發(fā)的流程模擬軟件，提供大量的熱平衡和相平衡計算方法，包含39種K值計算方法和13種焓計算方法，同時提供了50多個單元操作模型用于物料平衡和能量平衡核算，可以滿足化工廠的基本需要，為開發(fā)、設計工藝流程，改造、優(yōu)化生產(chǎn)技術提供一定的理論支持[18]。ChemCAD軟件在 Windows系統(tǒng)中即可運行，并且可與其他的應用程序兼容，這樣極大地方便了模擬數(shù)據(jù)在ChemCAD與其他應用程序之間的傳輸。ChemCAD軟件主要應用于化學和石油工業(yè)、煉油、油氣加工、制藥工業(yè)等領域[12]。

楊暢等[19]應用化工流程模擬軟件 ChemCAD對2-甲基-1-丁醇與乙酸2-甲基-1-丁酯的萃取精餾工藝過程進行全流程靜態(tài)模擬，并對進料位置、回流比和餾出比等重要操作參數(shù)作出靈敏度分析，對萃取劑進料量、進料溫度等操作條件進行優(yōu)化，最終達到分離要求。

為了凈化天然氣，雷寶剛等[20]采用ChemCAD軟件對TEG脫水系統(tǒng)進行全流程模擬，考慮了TEG循環(huán)量、原料氣進料溫度及TEG貧液質量分數(shù)對脫水效果的影響，確定最優(yōu)化的操作條件，完全可以滿足生產(chǎn)的需求。

Sandesh等[21]利用填充床反應蒸餾柱制取醋酸甲酯，并用ChemCAD軟件模擬反應流程，考察了再沸器溫度、富集溫度、反應器溫度、催化加投加量、反應物濃度和流量對產(chǎn)物的影響，找出了最佳的操作條件，并建立了精確的數(shù)學模型，計算出反應的K值。

2.5 gPROMS

gPROMS軟件是由帝國理工學院PSE研究中心研制開發(fā)出來的，具有過程建模、仿真、及動態(tài)模擬等功能。最近又推出了最新版本V3.53。gPROMS基于聯(lián)立模塊思想，將復雜的對象模型逐級分解成多個簡單模型，用這些連接起來的簡單模型來替代復雜模型，這樣就降低了對復雜過程建模的難度，而且使編譯的簡單模型有了更強的通用性。與其他模擬軟件相比，gPROMS有很強的處理非連續(xù)性過程能力，而且能夠與多種應用程序建立動態(tài)連接，共同完成復雜流程的模擬。如：它可以與Aspen軟件相連接，借助Aspen的物性數(shù)據(jù)庫來完成精餾等化工過程的模擬[22]，得到的模擬數(shù)據(jù)可以直接輸出到Excel文件中。gPROMS的應用領域十分廣泛，其在化學工業(yè)、石油化工、石油和天然氣加工、精細化工、食品工業(yè)和制藥都擁有眾多用戶。

乙炔加氫反應器具有非線性、慢時變的特點，羅雄麟等[23]基于流程模擬軟件gPROMS對反應器進行了穩(wěn)態(tài)模擬，結果表明反應器的主要影響因素為催化劑徑向熱導率、粒子內(nèi)有效熱導率、氫氣相間傳質系數(shù)和粒子內(nèi)氫氣有效擴散系數(shù)。在穩(wěn)態(tài)模擬的基礎上，改變操作條件，得到反應器各床層混合氣體溫度和乙炔出口摩爾分數(shù)等變量的動態(tài)變化趨勢，綜合模擬結果，說明反應器在多數(shù)操作點附近都是穩(wěn)定的。

郝吉鵬等[24]應用gPROMS和Aspen Properties，建立了乙烯裝置脫乙烷塔系統(tǒng)的動態(tài)模型并對其進行了模擬驗證，考慮了進料量波動﹑進料中乙烯含量增加和進料溫度下降等脫乙烷塔的響應。結果表明，開車過程中，及時超調(diào)回流量和再沸器加熱量可以減少產(chǎn)品質量達到控制要求所需的時間；當衰減震蕩式進料量波動﹑乙烯含量增加和進料溫度下降時，首先會引起再沸器液位的逆向動態(tài)響應，并且衰減震蕩式進料量波動和乙烯含量增加都會引起塔頂丙烯含量和塔底乙烷含量的峰值波動。

表1為以上5種軟件的性能對比。

3 結語與展望

在能源危機、環(huán)境惡化的今天，化工行業(yè)的清潔生產(chǎn)是勢在必行的。流程模擬技術最為清潔生產(chǎn)中重要的技術之一，它可以在計算機上準確模擬出化工生產(chǎn)過程，優(yōu)化操作條件，研發(fā)清潔生產(chǎn)工藝，使更多的原料轉化為產(chǎn)品，減少廢物的產(chǎn)生，同時節(jié)省大量的人力、物力、財力。各種各樣的過程模擬軟件都有強大的模擬功能、豐富的物性數(shù)據(jù)庫，同時又有不同的側重點，能夠滿足各種工藝流程的需要。

表1 5種軟件的性能對比

然而，目前多數(shù)成功的實施都是采用分散優(yōu)化的方法，即將整廠按邏輯關系分散成不同的單元，分別進行優(yōu)化，得到最佳的工藝條件。但是沒有進行整體協(xié)調(diào)，這一方法獲得的眾多最優(yōu)操作條件不一定是整體最優(yōu)解。未來的模擬優(yōu)化技術必需走向化工廠整體優(yōu)化和企業(yè)級優(yōu)化，甚至是地區(qū)級的最優(yōu)。如在一個化工園區(qū)內(nèi)，一個工廠的產(chǎn)品、副產(chǎn)物、廢物都有可能是其他工廠的原料，這時單個工藝的優(yōu)化結果就不能保證整體最優(yōu)。即需以產(chǎn)品或原料的數(shù)量與組成建立整體的模擬，通過地區(qū)級的流程模擬調(diào)控各個工廠的生產(chǎn)，減少甚至消除廢物的產(chǎn)生，真正地實現(xiàn)化工行業(yè)的清潔生產(chǎn)。

[1]Abou-Elela S I，Haleem H A，Abou-Taleb E，et al.Application of cleaner production technology in chemical industry：A near zero emissions[J].Journal of Cleaner Production，2007，15：1852-1858.

[2]Daylan B，Ciliz N， Mammodov A.Hazardous process chemical and water consumption reductionthrough cleaner production application for a zinc electroplatingindustry in Istanbul [J].Resources Conservation and Recycling，2013，81：1-7.

[3]Herat S.Education and training for cleaner production：A flexible learning approach [J].Journal of Cleaner Production，2000，8：361-364.

[4]馬妍，白艷英，于秀玲，等.中國清潔生產(chǎn)發(fā)展歷程回顧分析[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2010（1）：40-43.

[5]陳和平，包存寬.我國化學工業(yè)中清潔生產(chǎn)技術的研究進展[J].化工進展，2013，32 （6）：1407-1414.

[6]朱兆友，張方坤，王英龍.化工過程動態(tài)仿真的研究與應用進展[J].現(xiàn)代化工，2013，33 （7）：118-120.

[7]韓正.計算機在化學工程中的應用[J].化學工程與裝備，2012 （9）：154-156.

[8]陳虹，李敏，王濤，等.化工流程模擬軟件的應用進展[J].四川理工學院學報：自然科學版，2010，23 （5）：580-585.

[9]洪文鵬，何慧穎，劉廣林，等.基于Aspen Plus的氨法脫硫單塔系統(tǒng)流程模擬[J].動力工程學報，2013，33（2）：141-146.

[10]王麗，吳世逵，吳劍鋒，等.用Aspen Plus模擬醋酸正丁酯反應精餾工藝過程[J].廣東石油化工學院學報，2013，23 （1）：1-3.

[11]Van-Dal E S，Bouallou C.Design and simulation of a methanol production plant from CO2hydrogenation [J].Journal of Cleaner Production，2013，57：38-45.

[12]朱沛沛，李嘉樂，趙紅珠，等.計算機模擬在化工設計中的應用研究進展[J].精細與專用化學品，2012 （9）：45-48.

[13]李勇，蒙頔，王琪.HYSYS流程模擬技術在常減壓裝置減壓塔的應用[J].化工中間體，2013（4）：42-46.

[14]李占生，張玉璽，由方書，等.天然氣胺法凈化工藝中HYSYS模擬計算研究[J].石油規(guī)劃設計，2013（5）：27-29.

[15]Abdulrahman R K，Sebastine I M.Natural gas sweetening process simulation and optimization：A case study of Khurmala eld in Iraqi Kurdistan region [J].Journal of Natural Gas Science and Engineering，2013，14：116-120.

[16]曹媛維.乙烯裝置丙烯精餾塔優(yōu)化設計[J].化學工程，2012，40 （9）：74-78.

[17]雷楊，張冰劍，魏志強，等.基于流程模擬的催化裂化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)分析與操作優(yōu)化[J].石油煉制與化工，2012，43 （1）：93-99.

[18]李惠茗.常用化工流程模擬軟件淺析 [J].甘肅石油化工，2010 （3）：45-48.

[19]楊暢，劉其松，宋航，等.萃取精餾分離2-甲基-1-丁醇與乙酸2-甲基-1-丁酯的過程模擬與工藝優(yōu)化[J].應用化工，2013，42 （3）：470-474.

[20]雷寶剛，李學坤，范崢，等.天然氣脫水系統(tǒng)模擬及主要設備優(yōu)化 [J].化學工程，2013，42 （2）：74-78.

[21]Sandesh K，JagadeeshBabu P E，Math S，et al.Reactive distillation using an ion-exchange catalyst：Experimental and simulation studies for the production of methyl acetate[J].Industrial and Engineering Chemistry Research，2013，52：6984-6990.

[22]張曉杰.基于gPROMS的反應精餾過程模擬與分析 [D].上海：華東理工大學，2011.

[23]羅雄麟，劉建新，許鋒，等.乙炔加氫反應器二維非均相機理動態(tài)建模及分析[J].化工學報，2008，59 （6）：1454-1461.

[24]郝吉鵬，張雷.乙烯裝置脫乙烷塔的動態(tài)模擬分析[J].化工技術與開發(fā)，2013，42 （7）：51-56.