李躍

摘 要：為了提高化工工藝設(shè)計質(zhì)量、促進(jìn)我國化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對過程模擬優(yōu)化在化工工藝設(shè)計中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。首先，對過程模擬優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行了分析，指出了其定義及應(yīng)用優(yōu)勢。然后，詳細(xì)闡述了過程模擬優(yōu)化技術(shù)在生產(chǎn)設(shè)備優(yōu)化及調(diào)整、新工藝研究、裝置設(shè)計中的應(yīng)用方法。最后，結(jié)合實(shí)例具體闡述了過程模擬優(yōu)化在化工工藝設(shè)計中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：過程模擬優(yōu)化；化工工藝設(shè)計；應(yīng)用

隨著我國計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，其在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越深入。其中，最成熟的應(yīng)用技術(shù)就是過程模擬優(yōu)化技術(shù)。這種優(yōu)化技術(shù)可以有效保證工藝設(shè)計的科學(xué)性[1-3]?；诖?，應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，深入研究過程模擬優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用，從而充分發(fā)揮出該技術(shù)的優(yōu)勢，為化工工藝優(yōu)化設(shè)計提供基礎(chǔ)保障。

1 過程模擬優(yōu)化技術(shù)簡介

1.1 定義

過程模式優(yōu)化技術(shù)是指借助計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行化工生產(chǎn)過程的模擬，并進(jìn)行相應(yīng)的計算，調(diào)整工藝參數(shù)，從而提升化工工藝的科學(xué)性、合理性。其中，需要計算的有相比平衡、壓力平衡、熱平衡等。此外，還會對化工工藝介質(zhì)進(jìn)行計算、調(diào)整。

1.2 應(yīng)用優(yōu)勢

傳統(tǒng)化工工藝設(shè)計包括流程組織、物料衡算（Material Balance，MB）及熱量衡算（Heat Balance，HB）、設(shè)備設(shè)計及選型、工藝物料平衡圖（Program Flow Diagram，PFD）設(shè)計與繪制、流程平立面布置及配管設(shè)計、概算、流程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析、編制工藝設(shè)計說明書。該流程主要包括兩個循環(huán)：（1）從物料及熱量衡算到流程技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的內(nèi)循環(huán)。（2）涉及全部流程的外循環(huán)。結(jié)合實(shí)際來看，外循環(huán)優(yōu)化的工作量最大，且必須依靠計算機(jī)輔助設(shè)計。

借助計算機(jī)進(jìn)行化工工藝過程模擬優(yōu)化主要從流程組織階段入手，在模擬軟件中輸入工藝流程草圖，然后輸入流程結(jié)果、已知參數(shù)，以便進(jìn)行設(shè)備參數(shù)、操作的優(yōu)化、調(diào)整。接下來，還要進(jìn)行MB、HB計算、設(shè)備設(shè)計及選型、PFD圖繪制、流程平立面布置及配管設(shè)計、概算、流程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。具體來說，是將描述某個化工過程的數(shù)學(xué)模型及參數(shù)輸入到計算機(jī)模擬軟件中，由模擬軟件完成數(shù)學(xué)模型的求解，然后依據(jù)輸出結(jié)果就可進(jìn)行化工工藝的優(yōu)化。在整個過程中，主要就是進(jìn)行物理模擬和數(shù)學(xué)模擬。其中，物理模擬是指借助物理試驗(yàn)手段，進(jìn)行化工過程的模擬，具有成本低、靈活的優(yōu)點(diǎn)。數(shù)學(xué)模擬是指通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，對模型進(jìn)行求解、分析，進(jìn)而達(dá)到對化工過程進(jìn)行研究的目的，具有可靠性高的特點(diǎn)。一般在實(shí)際化工工藝過程模擬優(yōu)化中，大多將數(shù)學(xué)模擬和物理模擬結(jié)合在一起。另外，大多應(yīng)用Aspen Plus模擬軟件、Capes軟件進(jìn)行過程模擬。其中，Aspen Plus模擬軟件的功能更齊全、規(guī)模更大。

總之，傳統(tǒng)化工工藝存在許多不足。通過應(yīng)用過程模擬優(yōu)化技術(shù)可以提高化工工藝的經(jīng)濟(jì)性，降低生產(chǎn)成本，提升化工生產(chǎn)效益。最重要的是，能為產(chǎn)品的研發(fā)、設(shè)計提供保障，促進(jìn)化工企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2 過程模擬優(yōu)化技術(shù)在化工工藝設(shè)計中的應(yīng)用

2.1 生產(chǎn)設(shè)備的調(diào)整、優(yōu)化

在生產(chǎn)設(shè)備調(diào)整、優(yōu)化方面，過程模擬優(yōu)化技術(shù)起到了不可替代的作用。通過模擬化工工藝流程，可以找到最佳的工藝條件，實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)的節(jié)能、降耗。相對于傳統(tǒng)的優(yōu)化方法，借助計算機(jī)進(jìn)行化工設(shè)備優(yōu)化，可以得到最佳的工藝參數(shù)，保證化工生產(chǎn)效率。

目前，過程模擬優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了動態(tài)模擬、實(shí)時優(yōu)化。但是，其基礎(chǔ)仍是穩(wěn)態(tài)模擬。畢竟，只有通過穩(wěn)態(tài)模擬確定各項(xiàng)數(shù)值，才可開展動態(tài)模擬、實(shí)施優(yōu)化。通過應(yīng)用這兩種模擬優(yōu)化技術(shù)可以對復(fù)雜裝置進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化。例如，可以利用Fluent軟件對旋風(fēng)分離器內(nèi)流場進(jìn)行模擬分析，并依據(jù)模擬結(jié)果，對其流體速度、壓力變化進(jìn)行觀察分析，從而為調(diào)整、優(yōu)化設(shè)備提供參考。這樣就可依據(jù)化工工藝實(shí)際，對旋風(fēng)分離器參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，提升其使用性能。

2.2 新工藝研究

在20世紀(jì)60年代以前，化工工藝新流程的研究主要采用試驗(yàn)方法，費(fèi)時費(fèi)力。后來，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，過程模擬優(yōu)化技術(shù)逐漸得到了人們的重視，并被應(yīng)用在新工藝研究中?，F(xiàn)如今，化工新工藝研究的主要手段就是應(yīng)用過程模擬優(yōu)化技術(shù)，必要時配合試驗(yàn)。這樣不僅能縮短新工藝研究流程、提升新工藝研究效率，還能增強(qiáng)新工藝的適用性。

以現(xiàn)有的環(huán)丁砜抽提工藝為例。其產(chǎn)品中的芳烴含量比較高，且流量大、能耗大。因此，可以用過程模擬優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行新工藝的研究，彌補(bǔ)傳統(tǒng)工藝的不足。例如，可應(yīng)用PRO/ II模擬軟件，模擬環(huán)丁砜溶劑芳烴抽提過程、結(jié)果，建立新的工藝路程：將原料送入抽提蒸餾塔中段，溶劑則送入塔上段。這樣芳烴、原料就能逆向接觸，且芳烴選擇性地溶解。另外，非芳烴會被塔頂引出，混合物則從塔底進(jìn)入回收塔。然后，對回收塔排出的芳烴、水分進(jìn)行冷凝、冷卻、油水分離就可得到混合的芳烴產(chǎn)物。相對來說，新工藝不僅能降低能耗，還能節(jié)約成本、保證化工生產(chǎn)效益?？傊?，過程模擬優(yōu)化技術(shù)非常有利于化工新工藝的研究。

2.3 新裝置設(shè)計

化工過程模擬的主要應(yīng)用途徑之一就是新裝置設(shè)計。因?yàn)閼?yīng)用過程模擬優(yōu)化技術(shù)可以更加精確地計算物料平衡、能量平衡，以便進(jìn)行后續(xù)的設(shè)備工藝參數(shù)修改、調(diào)整、優(yōu)化。尤其是對乙烯裝置、催化裂化裝置、氣體分餾裝置等的設(shè)計，其過程模擬效果更好，最終的模擬結(jié)果也更準(zhǔn)確，甚至可以用于檢驗(yàn)現(xiàn)場生產(chǎn)操作的規(guī)范性、合理性。

具體來說，應(yīng)用模擬軟件可以實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）可判斷化工裝置是否在優(yōu)化狀態(tài)下，若不在則應(yīng)如何改進(jìn)；（2）可通過模擬發(fā)現(xiàn)裝置在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用瓶頸，并提供相應(yīng)的參數(shù)、結(jié)果，方便設(shè)計人員改進(jìn)裝置，突破瓶頸；（3）無需進(jìn)行實(shí)際投資，就可完成裝置優(yōu)化，降低裝置能耗；（4）當(dāng)裝置出現(xiàn)異常時，可通過模擬找到裝置異常點(diǎn)，并提出相應(yīng)的解決措施；（5）可為裝置的改造、技改提供基礎(chǔ)保障；（6）可方便技術(shù)人員的綜合素養(yǎng)培養(yǎng)?，F(xiàn)如今，過程模擬在裝置設(shè)計中的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛。例如，青島煉化通過應(yīng)用過程模擬優(yōu)化技術(shù)對其實(shí)際生產(chǎn)裝置進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果證明，通過應(yīng)用新裝置，不僅節(jié)約了燃料，還提高了節(jié)能效益、產(chǎn)品回收效率。荊門石化則通過應(yīng)用過程模擬優(yōu)化技術(shù)對氣分裝置進(jìn)行了降壓操作優(yōu)化，使得節(jié)能效益大幅度提升。由此可見，過程模擬優(yōu)化技術(shù)非常有利于新裝置設(shè)計，且能有效促進(jìn)裝置的節(jié)能、降耗。

3 過程模擬優(yōu)化技術(shù)在化工工藝設(shè)計中的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用案例分析

在化工工藝設(shè)計中應(yīng)用過程模擬優(yōu)化技術(shù)，可以有效提升化工生產(chǎn)效率、改進(jìn)化工工藝。本研究以某石化企業(yè)為例，對過程模擬優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了分析，重點(diǎn)研究其裂解工藝。該工藝的主要應(yīng)用裝置是裂解爐。裂解爐裝置包括急冷鍋爐、對流室、對流室管組、輻射室、裂解管等部分。

3.2 應(yīng)用過程

3.2.1 假設(shè)

在充分掌握乙烯裂解工藝的基礎(chǔ)上，提出科學(xué)性的假設(shè)，進(jìn)行裂解工藝的簡化。技術(shù)人員要做的是：（1）進(jìn)行物質(zhì)的量比計算。即對化學(xué)反應(yīng)原料進(jìn)行分析、計算；（2）對影響乙烯裂解的各項(xiàng)影響因素進(jìn)行計算，例如熱平衡、壓力平衡等；（3）進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)介質(zhì)的計算。具體步驟是：首先，依據(jù)等價原則，在連續(xù)操作狀態(tài)下獲得化學(xué)生產(chǎn)全過程。然后，進(jìn)行模擬計算，并忽略各種特殊情況的影響及整個生產(chǎn)過程的能耗。需要注意的是，在計算氣液平衡的過程中，若無化學(xué)反應(yīng)，則可不進(jìn)行計算，以免計算難度過高。

3.2.2 模擬

結(jié)合實(shí)際來看，乙烯裂解的產(chǎn)量會受到熱負(fù)荷、反應(yīng)壓力等因素的影響。所以，技術(shù)人員要進(jìn)行技術(shù)分析，結(jié)合相關(guān)條件對系統(tǒng)熱量進(jìn)行優(yōu)化。但是，技術(shù)人員仍需注意，裂解爐的操作會受到各種條件影響。如果這時應(yīng)用過程模擬優(yōu)化技術(shù)，就可以對原料加工、乙烯裂解數(shù)據(jù)信息、生產(chǎn)狀態(tài)等進(jìn)行分析，并得到相關(guān)數(shù)據(jù)。接下來，技術(shù)人員就可結(jié)合相關(guān)參數(shù)，構(gòu)建質(zhì)量指標(biāo)預(yù)估模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的轉(zhuǎn)化。在該案例中，技術(shù)人員通過過程模擬，實(shí)現(xiàn)了出口溫度的控制，將裂解爐出口溫度提升了4 ℃，以此加深裂解程度，增加乙烯產(chǎn)量。

3.3 應(yīng)用效果

總體來說，通過過程模擬優(yōu)化技術(shù)對化工藝進(jìn)行了再次調(diào)整，并取得了以下應(yīng)用效果：（1）對工藝故障進(jìn)行了診斷。在以往的生產(chǎn)工藝中，大多對工藝進(jìn)行試驗(yàn)測試，不僅浪費(fèi)時間，還消耗了更高的成本。但是通過應(yīng)用過程模擬優(yōu)化技術(shù)，工藝改進(jìn)的周期明顯縮短，且投入成本有所降低。（2）工藝改造更加有效。在實(shí)際生產(chǎn)中，通過應(yīng)用過程模擬優(yōu)化技術(shù)對工藝參數(shù)進(jìn)行了精準(zhǔn)計算，消除了傳統(tǒng)不良因素對生產(chǎn)工藝的影響。在該廠進(jìn)行生產(chǎn)工藝調(diào)整后，其經(jīng)濟(jì)效益直線提升，并在兩個半月后實(shí)現(xiàn)了利益最大化。

4 結(jié)語

過程模擬優(yōu)化技術(shù)對化工工藝設(shè)計有非常重要的促進(jìn)作用，不僅能為技術(shù)人員提供各種數(shù)據(jù)信息，有助于進(jìn)行裝置、工藝、設(shè)備的改造、優(yōu)化，還能落實(shí)節(jié)能、降耗理念，促進(jìn)化工產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。最重要的是，能大幅度提高化工工藝設(shè)計的科學(xué)性和合理性，提升化工生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，增強(qiáng)化工企業(yè)的核心競爭力。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 林曉輝，伊海亮.過程模擬優(yōu)化在化工工藝設(shè)計中的應(yīng)用研究[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2019，39（14）：199-200.

[2] 康榮鑫.過程模擬優(yōu)化在化工工藝設(shè)計中的應(yīng)用[J].中國石油和化工，2016（增刊1）：85-86.

[3]田新.化工工藝安全設(shè)計中存在的風(fēng)險因素及應(yīng)對措施[J].現(xiàn)代鹽化工，2017，44（2）：7-8.

Discussion on application of process simulation optimization in chemical process design

Li Yue

（Heilongjiang Haohua Chemical Co. Ltd.， Qiqihar 161033， China）

Abstract：In order to improve the quality of chemical process design and promote the development of chemical industry in China， the application of process simulation optimization in chemical process design is studied. Firstly， the process simulation optimization technology is analyzed， and its definition and application advantages are pointed out. Then， the application methods of process simulation optimization technology in production equipment optimization and adjustment， new process research and device design are described in detail. Finally， the application of process simulation optimization in chemical process design is described combined with examples.

Key words：process simulation optimization； chemical process design； application