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化工过程模拟与优化论文
研究生课程论文
(2013-2014学年第一学期)
化工过程模拟与优化
研究生:
程兴
提交日期:
2013年1月3日研究生签名:
程兴
学号
201321002784
学院
机械与汽车工程学院
课程编号
课程名称
化工过程模拟与优化
学位类别
工程硕士
任课教师
罗小平老师
教师评语:
成绩评定:
分任课教师签名:
年月日
化工过程模拟与优化
摘要:
本文从稳态模拟、分子模拟、流程模拟及单元过程模拟四个模拟层次上综述化工过程模拟技术的进展和发展趋势,并通过过程演变优化法及并行计算法对化工过程全流程优化策略作了系统的总结。
关键词:
化工过程;模拟与优化;过程演变;并行计算
Abstract:
Thispapersummarizedtheprogressanddevelopmenttrendofchemicalprocesssimulationtechnologyfromthesteadystatesimulation,molecularsimulation,processsimulationandunitprocesssimulationfoursimulationlevels,andthensystematicallysummarizedoptimizationstrategyofthewholechemicalprocessthroughprocessevolutionoptimizationmethodandparallelcomputingmethod.
Keywords:
ChemicalProcess;SimulationandOptimization;ProcessEvolution;ParallelComputing
前言
化工过程模拟技术是计算机化工应用中最基础、发展最为成熟的技术之一,化工过程模拟与实验研究的结合是当前最有效和最廉价的化工过程研究方法,它可以大大节约实验成本,加快新产品和新工艺的开发过程。
化工过程模拟可以用于完成化工过程及设备的计算、设计、经济评价、操作模拟、寻优分析和故障诊断等多种任务。
当前人们对化工流程模拟技术的进展、应用和发展趋势的关注与日俱增。
1化工过程模拟技术进展与发展趋势
1.1化工过程模拟技术进展
1966年在美国出现了第一个化工应用软件专业公司——科学模拟公司(SimulationSciencesInc.简称SIMSCI).许多企业认识到化工过程数字模拟一旦取得成功,将会带来巨大的经济效益,因而支持这方面的研究.五、六十年代的代表性软件是F.S(Kellogg)、PACER(Me.Master)、C.I.FS(IBMCo.)等.它们的特点是程序规模一般为几千行;只有有限的单元操作模型及物性数据且只能用于模拟,不能用于设计;使用者不能随意增加新的模块;用直接迭代法来实现再循环流的收敛.
70年代的代表性软件是FLOWTRAN(MonsantoCo.)、PROCESS(SIMSCI)、CHESS(MQTARD)等.它们的特点是:
程序规模一般为几万行。
有大型的物性数据库和较多的单元操作模块;用户可增加新模块;可进行设计型计算;采用较高级循环流收敛法.从70年代起,流程模拟的可靠性不断提高,应用范围也不断扩大,开始成为化学工程师的常规工具.美、英、加、日等国几乎所有大学的化工系都开始开设有关化工过程流程模拟的课程,作为大学生必须接受的基本训练,并为教学需要编制了各种小型的流程模拟系统.这些系统被工业界买去加以改造,用于工业实际,使得商业化的化工模拟系统的规模日益扩大,功能不断增强.
继SIMSCI之后,ASPEN技术公司,凯姆谢尔公司和考德公司在7O年代末、8O年代初先后成立,分别推出了ASPENPLUS、MICROCHESS等通用化工流程模拟系统,8O年代的代表性软件是ASPEN(M.I.T)和新版PROcEss(sIMscI).它们的特点是:
程序规模一般为几十万行以上;具有完善的大型数据库,能进行全面流程模拟与分析;可处理分析有气、液、固,非常规物料等不同类型物料流的流程:
组份数、物料流股数及模块数无限制;功能包括稳态物、能流衡算、投资估算和参数优化等.
1.2化工过程模拟技术发展趋势
当前化工过程系统模拟不论在广度和深度方面均有了长足的进展.从分子模拟到大型过程系统的模拟工作十分活跃,世界上有10多种杂志报导这方面的研究成果,每个月均有大约5O篇以上的文章发表.当前发展的几个特点是:
(1)安装机型由中、小型机扩展到微机,并可以在WINDOWS环境下运行.
(2)增加可以满足实际应用的各种类型的热力学模型供选用.
(3)对单元操作及过程模型进行改进或提出新的数学模型与计算方法.
(4)用于操作培训和用于设计的动态流程模拟技术蓬勃发展.
(5)引人人工智能.
(6)向计算机集成化过程系统(CIPS,Computerintegratedprocesssystem)上升.
2常用化工过程模拟方法
2.1稳态模拟
2.1.1化工过程稳态模拟的基本类型
下面以单元模块为例明确过程稳态模拟的三种基本类型,即:
标准型、设计型、优化型
模块:
指流程模拟中一个基本计算单元。
模块可以是一个设备单元,也可以是若干设备单元的综合体系,还可以是单纯的计算单元而无具体的设备作为背景(如收敛模块、控制模块)。
模块中包括有数学模型及各模型按顺序的解算方法。
给定输入条件,即可算出输出向量。
(1)标准型(操作型)
在标准型(即操作型)问题中,给定输入流股向量与设备参数向量,可求出输出流股向量。
这种模拟适用于研究现有装置在不同操作条件下的操作性能,见图2.1。
(2)设计型
给定一部分输入流股向量与设备参数向量,和输出流股中产品的特性要求,调整另一部分的输入流股条件与设备参数,使输出产品达到规定的特性指标。
调整输入流股条件与设备参数的功能可由控制模块实现,见图2.2。
(3)优化型
通过不断地调整控制变量,即有关的可调的输入流股条件与设备参数,使目标函数值在规定的约束条件下达到最优,而调整控制变量的功能由最优化程序实现。
见图2.3。
2.1.2稳态模拟的基本方法
(1)序贯模块法
发展最成熟、应用最普遍。
给定输入流股向量与有关的设备参数向量,给定断裂流股向量初值,按顺序逐个单元进行模拟计算,直至各断裂流股收敛。
见图2.4。
首先选循环压缩机的输出流股为断裂流股。
给定流程总输入—混合器进料流股向量及冷却器冷却介质流股的向量;给定有关设备参数—反应程度ξ、热负荷Q、减压阀压降△P、分流比α、压缩机效率η;为循环压缩机的输出流股赋初值(假定值),依次计算各设备单元,直至压缩机的输出流股的计算值与初值符合,即达到整个流程模拟的最终收敛。
完成断裂流股的计算值与假定值的比较,以及断裂流股新假定值的设定任务的模块称为收敛模块。
序贯模块法的优点在于易于实现通用化,数学处理比较简单;缺点在于计算效率不高,回路多则比较复杂。
从循环结构示意图可知序贯模块法的迭代循环为五层,在求解系统的设计与优化问题时效率大为降低。
见图2.5。
(a)序贯模块法(b)联立方程法(c)联立模块法
(2)联立方程法
是将整个过程系统各个单元模块的所有方程以及模块间的联结方程,连同设计规定方程联立起来,形成大型的非线性方程组。
求解策略:
或将其分隔成若干较小规模的方程组,并按照一定的顺序分别联立求解;或将其中的非线性方程线性化,再与其中原有的线性方程一起构成大型稀疏线性方程组,联立求解,迭代收敛。
其优点在于①便于实现用户提出的设计性能要求。
对于设计型问题,该法只需增加几个等式约束条件;②由于是用存储空间去换时间,机时消耗少,计算效率高,易于收敛,尤其是对热集成度高的流程,而序贯模块法在这种情况下不易收敛或不收敛。
其缺点在于①通用化困难;②不能利用现有的大量单元模块;③缺乏与实际流程的直观联系,计算失败后难于诊断错误所在;④尚存在方程求解方法的问题,对初值要求也比较苛刻。
(3)联立模块法(双层法)
该法既能继承序贯模块法多年来积累的大量单元模块,又能在流程计算中联立求解模型方程和设计规定方程,使流程计算与设计计算同步完成。
同时,由于是联立求解简化模型,从而解决了联立方程法中遇到的计算问题。
见图2.6。
图2.6联立模块法计算思路示意图
2.2分子模拟
分子模拟是一个广泛的概念,一般来说包括基于量子力学的模拟和基于统计力学的模拟,前者为计算量子化学(CQC),后者主要分为两个方法,分别是分子动力学模拟(MD)和蒙特卡洛模拟(MC)。
2.2.1分子模拟在化工应用中的关键问题
目前的分子模拟也面临着一些问题。
这些问题有技术上的也有观念上的,尤其在化工领域,观念上的更新显得更为重要。
同其他的技术一样,分子模拟并不是一种万能的技术,它的正确使用建立在使用者对这一技术的正确理解之上。
采用分子模拟,如果不建立适当的模型,不对模拟的过程有清晰的了解,可能会得到非常荒谬的结果,这也使得许多传统的化学工程师们觉得分子模拟玄"虚"不实用。
然而,作为化学工程师,坚持对分子模拟技术的运用,一方面得益于其在别的学科(如生物、材料等)的成功应用,使人们有理由建立起对分子模拟技术的信心;另一方面,也意识到客观世界是复杂而多变的,没有任何一种研究手段能涵盖一切!
对于运用分子模拟,需要适当地简化模型,合理进行假设,才能将它的优势充分发挥出来。
2.2.2分子模拟在化工应用中的发展方向和思路
站在化学工程师的角度,应该努力将分子模拟应用到化工的实际过程中去。
这将是一个复杂的过程。
既要运用现有的分子模拟技术,在应用较成熟的领域进行涉及化学工程科学的研究,例如对力场较成熟的有机物,研究高分子体系、生化体系,也要对化学工程所感兴趣的体系,如超临界体系,含固体材料的界面和表面,纳米碳管,离子通道,分子筛等受限体系进行分子模拟的研究。
而对后者的研究,需要开发新的适用位能,建立简单而合理的模型,结合量化、分子动力学中尺度(meso-scale)模拟等不同尺度的模拟技术,必要时还要进行并行计算以提高计算的时空尺度。
(1)大分子、生化体系的模拟
在过去的15年中基于经典分子力学的原子级的分子建模技术在生物化学体系中取得了巨大的成功!
这可以通过制药工业对分子模拟的广泛认可和使用得到证明。
由于有机分子的相似性,使得分子动力学模拟的关键所在——位能,有良好的外推性。
许多研究者对生物体系和大分子体系都进行了分子模拟的研究。
这些体系的研究通常进行得较深入,成果也较丰富。
主要的难点在于采用简化的手段来处理大分子!
提高计算的效率。
(2)含固体材料的界面的模拟
由于很多化学现象都是在界面上发生的,而且界面处的很多性质与本体有很大的区别,因此发展界面的模拟既是进行其他研究的需要,也是模拟技术本身发展的挑战。
不同的界面需要采用不同的模拟手段。
对金属氧化物的表面和界面来说,最佳的方案就是将量化计算和分子动力学模拟结合起来。
但如果研究的是面和其他分子的相互作用!
则可以先采用量化计算出优化的表面结构!
然后将此表面结构固定,采用MD来模拟其他分子在其表面的分布、吸附等性质。
对于模拟复杂的膜界面问题时可以采用合理的简化模型,将复杂的界面抽象成简单的模型膜界面,这样可以很好地研究一些界面处的共性问题。
界面模拟的很重要的分析方法就是对界面处的各种粒子的密度分布进行统计。
界面模拟的发展必须依靠多尺度模拟方法的提高。
(3)纳米受限体系的模拟
受限体系也是目前科学界研究的热点,如纳米碳管、分子筛、离子通道。
它们在能源、催化、生物等方面都有巨大的应用背景,它们的共同特点是处于纳米量级,距离分子模拟所能处理的上限较接近,因而在应用分子模拟上有较好的前景。
(4)极端条件下的模拟
分子模拟与实验相比的一大优点就是几乎没有任何实验条件的限制。
超临界、水热这些对实验要求极为苛刻的过程,对分子模拟而言,与普通条件下的模拟几乎没有什么不同。
近年来由于超临界流体萃取、超临界水氧化、水热合成成为化工上的研究热点,这方面的模拟无论是国内还是国外都有了一些进展,但大多数还停留在获得传递数据、平衡结构的层次上。
进一步对超临界流体中反应的研究!
需要结合计算量子化学和分子动力学技术。
尤其是超临界的盐溶液,由于离子之间有很强的静电作用,通常难以准确地从计算量子化学得到位能,这使得准确地进行分子模拟有一定的困难。
开发出专用的位能,或者采用,CPMD模拟,也许是一个比较合理的方案。
(5)采用并行计算进行分子模拟
分子模拟是高强度计算的技术,虽然计算机技术进步迅速,但是单凭提高单个CPU的计算速度还远远满足不了越来越苛刻的计算需要,在现有的计算条件下!
进行并行化是一个有效提高计算能力的方法。
随着微机的普及PC-cluster作为计算服务器越来越普遍,!
相关的软件如mpi、pvm等也逐渐成熟。
这将促使分子模拟的进一步普及和应用。
(6)结合不同尺度的模拟技术
化工研究的体系通常是宏观范围的,与传统的分子模拟的时空尺度有较大的差异。
但这并不妨碍人们的研究!
反而促使人们去研究如何把这些不同尺度的问题衔接起来。
在Cumming等的报告中,提出了采用FieldTheory等方法;在Deem的综述中,也提出了采用MasterEquations、HierarchicalMethods、LiquidStateTheory和的FieldTheory的方法。
此外,耗散粒子动力学理论也是一个非常值得关注的介观模拟技术。
2.3流程模拟
将一个由许多单元过程组成的化工流程用数学模型表现,并在计算机上解算其物料及能量衡算,并进一步计算各单元设备尺寸及成本的模拟称之为流程模拟。
化工过程模拟或流程模拟是根据化工过程的数据,诸如物料的压力、温度、流量、组成和有关的工艺操作条件、工艺规定、产品规格以及一定的设备参数,如蒸馏塔的板数、进料位置等,采用适当的模拟软件,将一个由许多个单元过程组成的化工流程用数学模型描述,用计算机模拟实际的生产过程,并在计算机上通过改变各种有效条件得到所需要的结果。
其中包括人们最为关心的原材料消耗、公用工程消耗和产品、副产品的产量和质量等重要数据。
简言之,化工过程模拟就是在计算机上“再现”实际的生产过程。
由于这一“再现”过程并不涉及到实际装置的任何管线、设备以及能源的变动,因而给了化工模拟人员最大的自由度,可以在计算机上“为所欲为”地进行不同方案和工艺条件的探讨、分析。
这一方法是计算机技术在化工方面的最重要的应用之一。
流程规模系统的迅速与准确不仅可节省时间,也可节省大量资金和操作费用,提高产品质量和产量,降低消耗。
流程模拟系统还可对经济效益、过程优化、环境评价进行全面地分析和精确评估。
并可对化工过程的规划、研究和开发及技术可靠性作出分析。
同时流程模拟系统的快速准确对多种流程方案的分析和对比提供了保证。
随着计算机技术的发展及应用软件技术的开发,化工过程模拟技术日趋成熟和实用,商业化软件广泛出现于化工过程模拟中,其主要的代表有ASPENPLUS系统和PRO/E系统。
2.3.1模型化的方法
就流程模拟的数学模型的表述及解算方法而言,已发展了两类模型化方法:
序贯模块法和联立方程法。
从50年代就开始发展的序贯模块法至今仍然是当前使用的主要方法,而60年代由英国帝国理工学院Sargent教授首先创始的联立方程法虽然有很多的优越性,但至今尚未很好地商品化模型化发展的方向是把序贯模块法的通用性和联立方程法的适应灵活性结合到一个面向对象的模型化环境中去,使之既可供非专家使用,也可供模拟专家使用。
面向对象就意味着以一批常用基本模块为对象,因此必然是模块化的,但其解算方法又具有联立方程法的优越性。
终用户可以把一些基本模型对象用图形建模器搭接起来,形成用户单元模型[10]。
每个模块对象应当提供有关自身的所有的重要信息给联立方程解算器,例如:
方程结构、残差、导数等。
此外,这些模块对象还包括着定性工程知识以协助用户来给定规定或进行诊断。
这种思路已被DOTProducts的NOVA系统和美国Carnegie-Mellon大学的ASCEND系统部分采用,前者已商品化。
既然今后的面向对象模型化采用模块[11],当然就不难想到如何使之标准化以便重复利用,甚至可以嵌入其他程序之中应用。
现在不同的化工软件供应商提供的模块完全没有互换性的状,已使广大用户愈来愈难以容忍。
美国化工学会成立了一个过程数据交换委员会(PDXI),正在起草过程工程应用程序茹数据库及各种组织之间数据共享的标准数据交换规范。
这里涉及到过程工程涉及到哪些活动?
每种活生成和要求提供哪些数据?
这些数据应如何识别、构造和组织等,这是一项系统工程。
2.3.2动态流程模拟
动态流程模拟的发展[12]比稳态模拟晚10~15年,因为有以下一些难点,所以要开发出通用性强而解算又可靠、使用方便的软件十分不容易:
(1)高维数的微分与代数混合方程组,常常大于1000个程;
(2)稀疏性强(只有1%的雅可比矩阵元素非零);(3)非线性方程常常碰到病态方程(刚性问题);(4)可能碰到对时间不连续间题。
90年代以来,动态模拟的技术发展和应用呈迅速上升趋势,这是由于一方面计算机性能价格比提高极快,过去需要消耗过多计算机时的障碍不存在了;另一方面CAPO发展也要求使用动态模拟的工具。
动态模拟实际上沿着两个方向发展;设计用的模拟系统和操作实时模拟系统。
Marquard对一些有名的学院的和商品化的动态摸拟软件做了出色的综述,稳态模拟与动态模拟有合并的趋势,有一多半软件既是动态模拟软件又可以做稳态模拟设计用。
预计随着平行计算及分布式计算环境的推广,90年代动态模拟技术的应用会有迅速的增长。
而工业部门则把动态过程模拟工具看成是一种在不同技术工作组(从设计组、生产准备组及至生产管理组)之间动态信息交流的手段,实际上从概念设计,基础设计、施工详细设计到生产准备,正常生产各阶段均需要用到动态模拟。
如果在一个项目中能在早期就建立更多的明确的信息资料,则有助于对设计早期进行实际的分析。
2.4单元过程模拟
单元过程的数学模型的详细程度或严格程度应视其应用目的不同而异,至少应区别以下几种不同的情况。
(1)工程放大及设计用数学模型
这是要工程放大及设计用数学模型[6],这是要求最严格的模型,不仅基于机理推导,而且往往要积累相当多中试及工程实践数据加以校验及修正。
一旦证明这种模型可靠实用,就可以用它替代试验,直接进行放大设计,因而这种模型价值也最高。
(2)工艺流程筛选用数学模型
这是在概念设计阶段为了比较各种候选工艺流程合理性时做粗略计算用的。
这个阶段并不需要深入详细的计算,其结果只要相对正确就够了,因此是一种近似模型。
(3)操作或控制优化用数学模型
这种模型往往是针对性强的专用数学模型。
因其专用性强,因而准确度可以很高。
如果用于实时控制,则往往要求解算时间要快。
近15年来单元操作的模拟主要在以下几个方面有了较大进步:
首先,传统的相平衡级分离模型在使用了近100年之后已被基于速率方程的级分离模型所逐步取代。
相平衡级模型的基本假定是:
①液体在塔板上全混合;②蒸汽穿过液体为活塞流流动。
这当然与实际差别很大,这种差异就靠塔板效率来纠正。
这使将分离塔模拟计算长期不够准确,而且也无法对现场操作塔进行棋拟。
基于传递速率的棋型则认为相平衡只在汽液相界面上才成立,而分离程度取决于两相接触中的质及能盈传递。
这样就使准确度大为提高,而且便于处理含化学反应的分离过程。
其次,与环境保护有关的单元过程模拟有了很大发展,例如:
膜分离过程;离子交换,反渗透,吸附与化学吸附等。
第三,单元过程模拟中的多解间题可用同伦拓展(Homotopy)方法解决。
因为描述单元操作的物料及热量衡算往往涉及代数及超越方程组,这种非线性代数方程组在以下情况下用常规迭代求解法往往失败:
①初始迭代值不好时;②没有唯一解时。
这时用同伦拓展法往往可顺利算出所有的解。
第四,化学反应器的模型[8]化正沿着两条路径发展:
一条是提供基本模型组块,对一个具体反应器而言,用户可以自己用组块搭建复杂反应器模型。
一条是建立可调节的通用反应器模型,用户针对自己的反应器可以改变部分参数。
3化工过程模拟软件
3.1化工模拟软件的构成
(1)物性数据库
在模拟计算中,频繁进行各种热力学性质及传递性质计算,物性数据的准确直接影响模拟结果的可靠性。
过程系统数据库的优劣是系统好坏的重要标准。
在化工过程中,还有大量的化合物缺少实验数据,这部分数据是通过物性推算系统来完成的。
物性推算系统根据已有的实验数据,按照热力学基本原理,通过关联、估算和预测来获取所需的化工数据。
(2)单元模块库
依照结构化和面向对象编程思想,将各个过程操作单元编制成可独立运行的子程序或对象模块,存放到单元模块库,通过系统管理程序调用。
(3)输入和输出
输入与输出是任何系统都必可少的组成部分,对于过程模拟系统,系统输入包括了单位定义、数据录入、流程图输入、解算和输出方式定义等,输出包括数表和图表的输出,有些模拟软件还采用实时信号输出,以利于实现系统实时仿真。
(4)解算和管理系统
根据用户的输入定义完成系统的模拟计算、优化计算等功能。
目前各种模拟软件都有集成的趋势,纷纷推出工程套装,或者软件功能扩展。
管理系统不仅包括单一产品的管理,还包括套装中产品之间的彼此协调。
(5)网络通讯
针对大型计算和面向企业的全生命周期管理的需求,模拟软件随着网络技术的发展已经突破了单机运算模式。
随着网络技术的发展,符合网络通讯的模拟仿真系统是过程模拟软件发展的必然趋势。
3.2主要的化工模拟软件及其应用
3.2.1AspenPlus
Aspen公司是目前国际上最大的过程应用软件公司,由AspenPlus发展起来的AES套件是该公司的一个主要产品,由20多个子件组成。
表1列出了其中主要几个软件的名称和功能。
表1AspenPlus公司AES的部分软件
名称
主要功能
物理性质
AspenProperties
物理性质数据和分析集成工具
AspenOLI
高级电解质体系的模拟和分析
过程模拟
AspenPlus
稳态模拟系统
AspenDynamics
动态模拟系统
AspenCustomModeler
自定义模型的动态模拟系统
AspenOnLine
装置数据检索,结合过程模拟优化操作
AspenWebModels
使用户通过网络批量使用模拟软件
AspenBatchPlus
间歇过程模拟系统
AspenPlus是AES的核心,具有庞大的物性数据和热力学函数库,AspenPlus数据库包括将近6000种纯组分的物性数据。
该数据库收集了世界上最完备的气液平衡和液液平衡数据,共计25万多套数据。
同时用户也可以把自己的物性数据与AspenPlus系统连接。
可以对目前绝大多数组分确知系统和原油性质齐备的石油化工操作过程进行模拟。
该软件可以实现工艺和新流程开发、旧工艺改造、生产调优和疑难问题的诊断。
AspenPlus的特点是数据计算准确,数据库详实,功能强大。
3.2.2Hysys
从Hysim发展起来的Hysys系统是三大过程模拟软件之一。
被Aspen公司收购以后,软件已经升级到3.2版,软件符合XML标准,给数据集成带来了很大的方便。
和AES相比,在过程模拟上功能有交叠,Hysys更
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