發(fā)酵法生產(chǎn)乙醇的分離系統(tǒng)計算機(jī)模擬設(shè)計

2010 屆畢業(yè)設(shè)計 題 目 發(fā)酵法生產(chǎn)乙醇 的分離系統(tǒng) 計算機(jī)模擬設(shè)計 學(xué)生姓名 學(xué)號 0611034004 所在院 （ 系 ） 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 專業(yè)班級 化學(xué)工程與工藝 06班 指導(dǎo)教師 2010 年 6 月 10 日 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 發(fā)酵法生產(chǎn)乙醇的分離系統(tǒng)計算機(jī)模擬設(shè)計 學(xué)生姓名： （ 陜西理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院化學(xué)工程與工藝專業(yè) 06 級 ， 陜西 漢中 723000） 指導(dǎo)老師： 【摘 要 】 發(fā)酵法是生產(chǎn)食品級乙醇的 常用 工藝，發(fā)酵液的 分離是其中重要的工序之一，工業(yè) 上 常采用精餾的方法進(jìn)行分離。本論文 以 工具，采用 化工流程模擬技術(shù)，對發(fā)酵液分離進(jìn)行計算機(jī)模擬設(shè)計。 論文主要完成了以下工作： 1） 采用簡捷法對過程進(jìn)行模擬，主要完成最小回流比、理論塔板數(shù)等的計算。 2） 采用 成操作回流 比 、實際板數(shù)等的確定。 3） 采用靈敏度分析對此過程進(jìn)行了優(yōu)化。 【關(guān)鍵詞】：過程模擬，精餾， 離 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 of of 23000， is to of is of be in of to as as In to of as 1) of et is to 2) of et is to of 3) is 西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 - I - 目 錄 摘 要 . I . 文獻(xiàn)綜述 . 1 工系統(tǒng)工程概述 . 1 工流程模擬技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展 . 2 工過程概述 . 2 工流程模擬系統(tǒng) . 2 內(nèi)外發(fā)展 狀況 . 2 程模擬技術(shù)的應(yīng)用 . 3 態(tài)流程模擬 . 3 態(tài)流程模擬 . 3 態(tài)模擬和動態(tài)模擬的比較 . 3 4 應(yīng)用方面 . 4 用實例 . 4 化技術(shù) . 4 點看法 . 4 工模擬系統(tǒng) . 5 型 . 5 成部分 . 5 工流程模擬基本方法 . 6 貫?zāi)K法 . 6 立方程法 . 6 立模塊法 . 6 工流程模擬發(fā)展的新動 向 . 7 家系統(tǒng)在流程模擬中的應(yīng)用 . 7 糊系統(tǒng)理論在流程模擬中的應(yīng)用 . 7 統(tǒng) 模擬優(yōu)化中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法 . 7 工流程的仿真培訓(xùn)系統(tǒng) . 8 醇發(fā)酵液主要成分回收工藝概述 . 9 題的目的及研究意義 . 9 章小結(jié) . 10 2 乙醇發(fā)酵液分離系統(tǒng)的模擬計算基礎(chǔ) . 11 工流程 模擬軟件簡介 . 11 整的單元操作模型 . 11 股混合器 . 11 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 - 股分流器 . 11 級平衡 . 11 級平衡 . 11 應(yīng)器 . 11 交換器 . 12 力變化 . 12 股調(diào)節(jié)器 . 12 工業(yè)上適用而完備的物性系統(tǒng) . 12 速可靠的流段模擬及先進(jìn)的收斂方法 . 13 經(jīng)濟(jì)評價及其他功能 . 13 方便靈活的用戶操作環(huán)境 . 13 工流程模擬軟件 模塊的介紹 . 14 . 14 . 15 醇發(fā)酵液回收分離系統(tǒng)流程簡介 . 16 產(chǎn)原理及物料 性質(zhì) . 16 產(chǎn)信息 . 16 離系統(tǒng)流程 . 16 擬計算物性方法的選擇及條件的確定 . 18 元氣 . 18 擬計算物性方法的選擇 . 19 作條件的確定 . 20 章小結(jié) . 21 3 乙醇發(fā)酵液分離系統(tǒng)的模擬計算 . 22 離系統(tǒng)的流程建?；A(chǔ) . 22 餾塔為例介紹各組分精餾塔的建模及模擬計算 . 22 用 型對輕組分精餾塔的模擬計算 . 22 擇 型 . 22 料組分輸入 . 23 料流量的輸入 . 24 擇物性方法 . 24 論板數(shù)的確定 . 24 流比的確定 . 24 組分精餾塔的各項參數(shù)輸入 . 25 擬結(jié)果顯示 . 27 用模型對模擬結(jié)果模擬校核 . 28 用 餾塔模型進(jìn)行核算 . 28 定精餾塔的規(guī)格 . 28 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 - 擬結(jié)果 . 30 擬結(jié)果分析 . 31 改后的模擬結(jié)果 . 32 論塔板數(shù)對分離效果的影響 . 32 流比對分離效果的影響 . 32 1 精餾塔最終模擬結(jié)果 . 34 個分離流程的建模及模擬計算 . 34 2 精餾塔的模擬及結(jié)果分析 . 35 餾塔理論塔板數(shù)的確定 . 35 餾塔回流比的確定 . 35 餾塔模擬計算的結(jié)果 . 35 3 塔乙酸分離精餾塔的模擬及結(jié)果及分析 . 38 酸精餾塔的模擬計算結(jié)果 . 38 酸精餾塔的模擬結(jié)果分析 . 38 4 乙酸乙酯分離精餾塔的模擬及結(jié)果分析 . 39 酸乙酯精餾塔的模擬計算結(jié)果 . 39 酸乙酯精餾塔的模擬 結(jié)果分析 . 39 9 甲酸分離精餾塔的模擬及結(jié)果分析 . 40 酸精餾塔的模擬計算結(jié)果 . 40 酸精餾塔的模擬結(jié)果分析 . 40 10 乙酸乙酯與水分離的精餾塔的模擬及結(jié)果分析 . 40 酸乙酯精餾塔的模擬計算結(jié)果 . 41 酸乙酯精餾塔的模擬結(jié)果分析 . 41 5 多組分分離精餾塔的模擬及結(jié)果分析 . 41 組分分離離精餾塔的模擬計算結(jié)果 . 41 組分精餾塔的模擬結(jié)果分析 . 41 6 異戊醇與丙醇分離精餾塔的模擬及結(jié)果分析 . 42 戊醇與丙醇分離精餾塔的模擬計算 . 42 戊醇丙醇分離精餾塔的模擬結(jié)果分析 . 42 7 甲醇與甲酸乙酯分離精餾塔的模擬及結(jié)果分析 . 43 醇與甲酸乙酯精餾塔的模擬計 算結(jié)果 . 43 醇與甲酸價值精餾塔的模擬結(jié)果分析 . 43 8 乙酸乙酯與乙醇分離精餾塔的模擬及結(jié)果分析 . 44 醇與乙酸乙酯精餾塔的模擬計算結(jié)果 . 44 酸與乙酸乙酯精餾塔的模擬結(jié)果分析 . 44 餾操作的熱負(fù)荷簡單計算 . 45 章小結(jié) . 45 4 總結(jié)與討論 . 46 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 - 結(jié) . 46 論 . 46 參考文獻(xiàn) . 48 致謝 . 49 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 1 頁 共 49 頁 1 文獻(xiàn)綜述 工系統(tǒng)工程概述 化學(xué)系統(tǒng)工程，或過程系統(tǒng)工程，是將系統(tǒng)工程學(xué)的理論和方法應(yīng)用于過程工業(yè)領(lǐng)域的一門邊緣學(xué)科，是化學(xué)工程學(xué)的一個分支。 現(xiàn)代化的化工生產(chǎn)日益朝 著綜合化方向發(fā)展，對一個裝置或一個單元過程和設(shè)備孤立地進(jìn)行研究、設(shè)計操作管理的傳統(tǒng) 做 法已不能適應(yīng)要求，必須將其作為一個整體系統(tǒng)來研究 。 隨著石油化工裝置日趨大型化，要求實現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計、最優(yōu)控制和最優(yōu)管理，以達(dá)到節(jié)省裝置投資、降低生產(chǎn)操作費用和成本費用以及符合環(huán)保要求的目的；生產(chǎn)過程的連續(xù)化和為節(jié)省能源而集成度不斷提高的裝置使設(shè)備的操作條件愈來愈苛刻，對過程的自動化提出了更高的要求，過去只對個別回路進(jìn)行 節(jié)的方法已不能滿足要求，必須結(jié)合過程的動態(tài)和定態(tài)數(shù)學(xué)模型，將整個控制對象當(dāng)作一個整體進(jìn)行研究，采用電 子計算機(jī) 建立 數(shù)學(xué)模型進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化控制 。 化工產(chǎn)品的不斷更新與工業(yè)逐級放大技術(shù)落后間的矛盾，要求將過去的相似模擬、逐級放大的方法改為數(shù)學(xué)模擬方法指導(dǎo)放大和設(shè)計以縮短工業(yè)化周期，減少人力物力的消耗；電子計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)方法及現(xiàn)代控制論方法在化學(xué)工程中的應(yīng)用，使解決復(fù)雜的設(shè)計計算和過程控制問題得以實現(xiàn)。正是基于以上因素，促使人們在化工企業(yè)的組織管理、生產(chǎn)過程的開發(fā)研究、設(shè)計中采用新的概念，于是在化學(xué)工程學(xué)、運(yùn)籌學(xué)、控制論和計算技術(shù)等學(xué)科的邊緣產(chǎn)生了化工系統(tǒng)工程這一新興的學(xué)科。 化工系統(tǒng)工程（ 研究如何制定復(fù)雜化工系統(tǒng)的最優(yōu)決策最優(yōu)規(guī)劃、最優(yōu)設(shè)計、最優(yōu)操作、最優(yōu)控制和最優(yōu)管理 的工程學(xué)科。運(yùn)用化工系統(tǒng)工程的方法 ，可以定性和定量地預(yù)測化工技術(shù)未來的發(fā)展趨勢，對化學(xué)工業(yè)的發(fā)展制定科學(xué)的決策；可按照化工系統(tǒng)的要求，根據(jù)給定的輸入和輸出條件，確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，尋求在滿足一定約束條件下，使系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)取極大值或極小值時各個單元過程和設(shè)備的最優(yōu)操作條件；可設(shè)計一個控制系統(tǒng)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定在最優(yōu)條件下運(yùn)行；可將企業(yè)組織管理系統(tǒng)和技術(shù)經(jīng)營中的各項有限資源 合理地組織，有效地利用，最大限度地發(fā)揮各自的作用，并不斷調(diào)整企業(yè)內(nèi)部活動以適應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)在和外部環(huán)境因素的變化，以最優(yōu)地達(dá)到預(yù)定目標(biāo)?；は到y(tǒng)工程從系統(tǒng)的整體出發(fā)，不僅研究整個系統(tǒng)的定態(tài)特性和動態(tài)特性，而且研究組成系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)之間的相互影響，對系統(tǒng)的最優(yōu)化問題作定量的計算，采用數(shù)學(xué)模擬和物理模擬相結(jié)合的方法，對化工系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計并確定最優(yōu)控制方案。化工系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計是化工系統(tǒng)工程重要的核心一環(huán)。不論系統(tǒng)過程的綜合、分析還是優(yōu)化，都是以流程模擬為基礎(chǔ)的。其實用化程度最高，不論從學(xué)科發(fā)展還是從對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的 角度看，都占有中心地位。 化工系統(tǒng)工程和多門學(xué)科聯(lián)系緊密?；ぴ?、化工熱力學(xué)、傳遞原理、反應(yīng)工程等學(xué)科提供流程模擬所需的基本數(shù)學(xué)模型；運(yùn)籌學(xué)提供了系統(tǒng)優(yōu)化的數(shù)學(xué)工具；數(shù)值計算等應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)科提供了模型求解的數(shù)學(xué)手段；計算機(jī)科學(xué)則為復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算提供了強(qiáng)有力的硬件支持。近年來，化工系統(tǒng)工程與另兩門技術(shù)科學(xué) 過程控制技術(shù)、管理科學(xué)的結(jié)合日益緊密。過程控制技術(shù)使得化工系統(tǒng)工程與實際工業(yè)生產(chǎn)緊密結(jié)合，是實施系統(tǒng)優(yōu)化的重要技術(shù)保證。兩者相輔相成，在理論與技術(shù)方面相互滲透，對各自的技術(shù)進(jìn)步都起到了促進(jìn)作用。 廣義的說， 過程系統(tǒng)包括硬技術(shù)系統(tǒng)和軟技術(shù)系統(tǒng)，硬技術(shù)系統(tǒng)是過程系統(tǒng)的設(shè)計、運(yùn)行到控制各個環(huán)節(jié)，通過信息流、物質(zhì)流和能量流將設(shè)備工藝與反應(yīng)、分離、傳遞、能量轉(zhuǎn)換等單元操作過程聯(lián)結(jié)起來；軟技術(shù)系統(tǒng)則是指人員與組織、質(zhì)量管理、采購、市場營銷及投資決策等方面。它通過物質(zhì)流、能量流、信息流及人員流、資金流、工作流，將上述控制、運(yùn)行、設(shè)計及管理、市場營銷、投資決策等六個方面聯(lián)結(jié)起來，構(gòu)成了一個描述過程系統(tǒng)包括技術(shù)和管理全過程的多層次結(jié)構(gòu)模型。從某種意義上說，過程系統(tǒng)工程包括一定意義上的管理 ，目前 過程系統(tǒng)技術(shù)正朝著管理的綜合集成方 向發(fā)展。一些跨國公司和專家也在這些方面進(jìn)行了較深刻的研究，并取得了一定的成果，如過程工業(yè) 應(yīng)鏈管理、虛擬制造等方面的研究與探索。 化工系統(tǒng)工程在下個世紀(jì)究竟應(yīng)朝什么方向發(fā)展，這是國內(nèi)外許多學(xué)者都關(guān)心的問題，一些專家學(xué)者在做了廣泛的研究，并做了許多的實際工作，成思危于 1995 年在大連召開的中國系統(tǒng)工程陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 2 頁 共 49 頁 學(xué)會過程系統(tǒng)工程專業(yè)委員會上指出， “ 綜合集成，整體優(yōu)化 ” 是化工系統(tǒng)工程的新潮流，并提出了以模型為核心實現(xiàn)綜合集成、軟技術(shù)模型與硬技術(shù)模型相結(jié)合等思路 。 其中 在 1998， 1999 年過程系統(tǒng) 工程學(xué)術(shù)討 論會上，基本確立了以 “ 綜合集成 ， 整體優(yōu)化 ” 為我國化工過程系統(tǒng)工程的發(fā)展方向。 工流程模擬技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展 工過程概述 任何一種化工過程都是由若干單元過程 （ 或設(shè)備 ） 按一定的流程組成的。人們對化工生產(chǎn)過程的認(rèn)識也在不斷深化，從本世紀(jì) 20 年代至今已發(fā)生了三次飛躍。第一次飛躍發(fā)生在 20 年代，是從各種化學(xué)工業(yè)中抽象出 “ 操作單元 ”的概念，從而奠定了化學(xué)工程的基礎(chǔ) ； 第二次飛躍是在 50 年代，從操作單元中又進(jìn)一步歸納出其共同的基本規(guī)律，提出了 “ 傳遞過程 ” 的概念 ； 第三次飛躍是 60年代后，將各種操作單元所組成 的化工系統(tǒng)作為一個整體，用系統(tǒng)工程方法進(jìn)行系統(tǒng)模擬與分析，研究其整體特性，萌生出一門邊緣學(xué)科 “ 化學(xué)系統(tǒng)工程 ” 。 目前，化工系統(tǒng)工程在各個領(lǐng)域的發(fā)展極為活躍。因為化工行業(yè)日趨大型化、集中化和連續(xù)化，對生產(chǎn)過程的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗，以及環(huán)境等方面提出了更高的要求，特別是在當(dāng)今能源緊張、自然資源短缺的情況下，如何實現(xiàn)生產(chǎn)過程的最優(yōu)化，最大限度的提高生產(chǎn)效率，是工業(yè)上 亟需 解決的問題。 工流程模擬系統(tǒng) 為科學(xué)地管理和操作化工生產(chǎn)過程，人們一般采用物理模擬和數(shù)學(xué)模擬兩種方法模仿生產(chǎn)過程。物理模擬需要實驗裝 置，投資大，而且實驗裝置比實際生產(chǎn)裝置小很多，許多參數(shù)會發(fā)生變化，很難保證模擬的真實性。而數(shù)學(xué)模擬則 是 綜合熱力學(xué)方法、單元操作原理、化學(xué)反應(yīng)等基礎(chǔ)科學(xué)，利用計算機(jī)建立化工過程仿真數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行物流平衡、能量平衡、相平衡等計算，以模擬化工過程的性能，達(dá)到生產(chǎn)過程的最優(yōu)化。這種技術(shù)早在 50 年代后期已開始在化工中應(yīng)用，經(jīng)過 40 多年的發(fā)展，現(xiàn) 在 己成為一種普遍采用的手段，廣泛應(yīng)用于化工過程的研究開發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)操作的控制與優(yōu)化、操作工培訓(xùn)及老廠技術(shù)改造等。 化工過程系統(tǒng)模擬從模擬的對象看，一般包括分子模擬、傳遞過程及 反應(yīng)動力學(xué)模擬、操作單元過程模擬和流程模擬。其中，流程模擬是過程系統(tǒng)工程中最基本的技術(shù)，不論過程系統(tǒng)的分析和優(yōu)化，還是過程系統(tǒng)的綜合，都是以流程模擬為基礎(chǔ)的。流程模擬技術(shù)所用數(shù)學(xué)模型主要有兩種方式 ： 一是穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，用于離線調(diào)優(yōu) ； 二是動態(tài)數(shù)學(xué)模型，用于在線實時控制?；ち鞒棠M系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)包括化工單元程序庫、物性計算程序包和計算方法程序庫等。其中化工單元程序庫中通常儲有 ： 反應(yīng)、換熱、閃蒸、蒸餾、吸收、氣體壓縮、物料混合等子程序 ； 物性計算程序包中包括多種純物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)庫和可以計算 多 種純物質(zhì)或混合物熱力學(xué)性質(zhì) 、傳遞過程性質(zhì)、氣液相平衡數(shù)據(jù)等的子程序 ； 計算方法程序庫中有模擬計算用以解算求根、插值、回歸、積分及最優(yōu)化計算方法的子程序。 內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 國外化工流程模擬系統(tǒng)的發(fā)展大致經(jīng)歷了三代。第一代模擬系統(tǒng)是在 （ 5060） 年代開發(fā)的，規(guī)模較小，功能有限。其主要代表為美國的 司的 統(tǒng)和 司的 00 系統(tǒng)，以及美國普渡大學(xué) （ 的 美國休斯頓 （ 大學(xué)的 。開發(fā)工作量一般為 5 人年，成本費不超過 20 萬美元。第二 代流程模擬系統(tǒng)是在 70 年代出現(xiàn)的，比第一代有更為齊全的化工單元模塊和規(guī)模較大的數(shù)據(jù)庫，使用高級語言編程，計算方法較先進(jìn)。其主要代表有美國 51司的 統(tǒng)， 司的 00 系統(tǒng)，孟山都 （ 司的 日本千代田工程公司的 。開發(fā)工作量為 （ 20人年，開發(fā)費用在 100 萬美元左右。 80 年代開發(fā)成功了第三代流程模擬系統(tǒng)，其代表是美國麻省理工學(xué)院的 統(tǒng)和 司的 1 系統(tǒng)。 開發(fā)工作從 1976 年起，歷時 5 年，耗資 600萬美元。第三代模擬系統(tǒng)的主要進(jìn)步是 ： 開放式結(jié)構(gòu)、可隨意組合單元、物性數(shù)據(jù)更豐富、應(yīng)用領(lǐng)域更廣泛、窗口圖形技術(shù)使用更方便。 80 年代后化工過程模型化更重要的發(fā)展方向是人工智能的開發(fā)環(huán)境。專家系統(tǒng)的模型化開發(fā)環(huán)陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 3 頁 共 49 頁 境是 80 年代后期發(fā)展的標(biāo)志。 1987 年美國麻省理工學(xué)院首先推出了 統(tǒng)，育數(shù)量級分析及自由度分析，支持面向?qū)ο蟮倪^程模擬設(shè)計。 90 年代后，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò) （ 在化學(xué)工程各個領(lǐng)域中的應(yīng)用增長很快， 供了一種新的優(yōu)化問題求解方法，即 化技術(shù)。最具代表的有 型、 、 絡(luò)、動態(tài) 絡(luò)、 及模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等等。 我國自 60 年代中期開始流程模擬軟件的開發(fā)工作，主要有蘭州石化設(shè)計院。到 70 年代，北京石化工程公司、洛陽石化工程公司和北京設(shè)計院相繼開發(fā)了一批油品分離塔、多組分精餾塔、冷換設(shè)備等專用工藝計算程序。 80 年代后期，蘭州石化設(shè)計院和大連理工大學(xué)合作開發(fā)的合成氨模擬程序、青島化工學(xué)院的 統(tǒng)、北京設(shè)計院以布蘭丁方程為基礎(chǔ)開發(fā)的 催 化裂化反應(yīng) 具有較高水平。大連理工大學(xué)也于 1989 年推 出 發(fā)環(huán)境，它集成了化工領(lǐng)域知識庫、常用模型庫、圖形庫及面向?qū)ο蟮幕?shù)據(jù)庫。但是，這些軟件就其綜合水平看，在應(yīng)用深度和廣度、軟件的商品化程度等各個方面，還遠(yuǎn)不及發(fā)達(dá)國家。 程模擬技術(shù)的應(yīng)用 態(tài)流程模擬 從算法來看，穩(wěn)態(tài)流程模擬一直沿著兩條平行的路線發(fā)展，即序貫?zāi)K法和聯(lián)立方程法。序貫?zāi)K法自 1958 年美國 司推出第一個實用軟件 來，發(fā)展到目前的 司的 工。其主要應(yīng)用方面有 ： 1） 優(yōu)化操作。運(yùn)用該技術(shù)，研究實際工況，建立準(zhǔn)確的模型，使用嚴(yán)格的和最新的計算方法進(jìn)行單元和全過程的計算，以評價現(xiàn)有裝置的優(yōu)化操作或新建改建裝置的優(yōu)化設(shè)計。雪弗隆公司的合成氨工藝應(yīng)用 優(yōu)，效益為 96 萬美元 /年。通用電器公司應(yīng)用 擬精確分離過程，由模型得出操作條件，并得到純度為 99%的溶劑可循環(huán)使用。 2） 指導(dǎo)開工。美國通用電器公司在開發(fā)新工藝中設(shè)計了一個實驗單元操作，并由此直接放大到實際規(guī)模，整個過程使用 擬，縮短了開工期，由此獲利 15 萬美元 ， 3）分析 ”瓶頸 ”。通用電氣公司還應(yīng)用 析裝置，對一個裝置進(jìn)行標(biāo)定，提高了產(chǎn)率，為工廠每年增收 10 萬美元。大慶石化總廠于 1992 年 1993 年引進(jìn) 與司合作，在乙烯裂解裝置上進(jìn)行模擬計算，將裂解爐出口溫度由 848 提高到 852 ，以增加裂解深度，多產(chǎn)乙烯，調(diào)整生產(chǎn)后的 2 個半月增加經(jīng)濟(jì)效益 元。 1994 年 1l 月該廠對合成氨裝置進(jìn)行了利潤最大的優(yōu)化計算，調(diào)整合成塔出口溫度，控制在 490 ， /小時。 聯(lián)立方程法從 60 年代首先由英國帝國理工學(xué)院 5倡導(dǎo)，開發(fā)出 件， 此外還有劍橋大學(xué) 即 美國 。其特點是 ： 將操作單元模型方程、物性方程、流程拓?fù)浞匠碳霸O(shè)計規(guī)定等組成聯(lián)立方程組聯(lián)立求解，不必進(jìn)行迭代計算。由于一個化工流程往往需要涉及幾千 /萬個等式，這就要求大規(guī)模代數(shù)方程組算法、較好的初值及防止收劍失敗的措施，不如模塊法容易實現(xiàn)。 51司的 n 是基于聯(lián)立方程和序貫?zāi)K兩種技術(shù)混合求解法，具有完善的、快速收斂的流程模擬能力。 態(tài)流程模擬 90 年代以來，動態(tài)模擬技術(shù)得到迅速發(fā)展，這主要是由于計算機(jī)的性能價格比提高很快，計算速度大大提高。而且化工操作過程也要求能夠隨時調(diào)整、控制操作參數(shù)，從而推動了動態(tài)模擬技術(shù)的發(fā)展。這種在線動態(tài)模擬優(yōu)化技術(shù)把模擬優(yōu)化模型直接與 制系統(tǒng)相連，實時地找出生產(chǎn)裝置的最佳操作條件。它主要由數(shù)據(jù)采集和存儲系統(tǒng)、模擬優(yōu)化控制系統(tǒng)、模擬優(yōu)化計算系統(tǒng)三個層次組成。 態(tài)模擬和動態(tài)模擬的比較 穩(wěn)態(tài)模擬是在裝置的所有工藝條件都不隨時間而變化的情況下進(jìn)行的模擬，而動態(tài)模擬是用來預(yù)測當(dāng) 某個干擾出現(xiàn)時，系統(tǒng)的各工藝參數(shù)如何隨時間而變化。就模擬系統(tǒng)而言，二者之間的比較如表 1示： 對于穩(wěn)態(tài)模擬，盡管從理論上講，存在多種流程計算的方法，但幾乎所有的商業(yè)化穩(wěn)態(tài)模擬軟件都采用序貫?zāi)K法進(jìn)行流程計算，該方法將在后面加以詳細(xì)論述。對于動態(tài)模擬，其單元過程的模型是描述該過程的一組如下形式的具有初值問題的微分方程和代數(shù)方程組： 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 4 頁 共 49 頁 00 )(0),(),( 表 1態(tài)模擬和動態(tài)模擬的比較 穩(wěn)態(tài)模擬 動態(tài)模擬 僅有代數(shù)方程 同時有微分方程和代數(shù)方程 物料平衡方程 用代數(shù)方程描述 物料平衡方程用微分方程描述 能量平衡方程用代數(shù)方程描述 能量平衡方程用微分方程描述 嚴(yán)格的熱力學(xué)方法 嚴(yán)格的熱力學(xué)方法 無需有關(guān)水利學(xué)方面計算的方程 n 需要有關(guān)水利學(xué)方面計算的方程 無須考慮控制系統(tǒng)及其數(shù)學(xué)模型 一般需要考慮控制系統(tǒng)及其數(shù)學(xué)模型 由于動態(tài)模擬是聯(lián)立解所有的方程，要求計算速度很快，因此必須要有較好的算法才能滿足整個過程實時性和穩(wěn)定性的要求。 用方面 美國 51司的嚴(yán)格在線模擬技術(shù) （ 可以說是建模技術(shù)方面的一個突破，它把工廠的實時數(shù) 據(jù)與經(jīng)濟(jì)目標(biāo)數(shù)據(jù)綜合到一起考慮，是連接過程自動化 （ 和管理信息系統(tǒng) （ 的紐帶，可以對變化的內(nèi)外部環(huán)境作出及時的反應(yīng)，成為工廠經(jīng)營者和生產(chǎn)者決策和優(yōu)化的重要工具。主要應(yīng)用方面 ： 1） 計劃工具一可作為企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)生產(chǎn)經(jīng)營決策手段，作出最經(jīng)濟(jì)的投入產(chǎn)出生產(chǎn)方案 ； 2） 生產(chǎn)工具一可進(jìn)行日常的 ”瓶頸 ”分析和趨勢分析，評估并監(jiān)督裝置性能 ； 3） 指導(dǎo)操作工具一根據(jù)市場變化，隨時應(yīng)變生產(chǎn)需求 ； 4） 維護(hù)工具一可對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和監(jiān)測，確定數(shù)據(jù)誤差位置，識別測量儀表是否不足 ； 5） 培訓(xùn)工具一隨時在線培訓(xùn)操作工和技術(shù)人 員，掌握裝置操作技術(shù)，盡快理解裝置與設(shè)備改變后產(chǎn)生的影響 ； 6） 控制和優(yōu)化工具一得出每日每班的最優(yōu)控制點，特別是進(jìn)料改變時提供最佳控制點，嚴(yán)格遵守裝置的各種約束及環(huán)境約束條件，提高控制質(zhì)量，優(yōu)化生產(chǎn)操作，最終提高生產(chǎn)效率。 用實例 美國一煉油廠利用 格模擬技術(shù)跟蹤煉油單元中 40 個換熱器，通過工況研究，按 1 個進(jìn)行了清洗。 已用于技術(shù)評價和監(jiān)控?fù)Q熱器去污劑的性能。國外500 萬 t/a 處理量的煉油廠，在常減壓蒸餾裝置上實行 術(shù)。建模后可進(jìn)行工況研究，以便在多項操作條件改變的情況下，得出操作的狀態(tài)值，預(yù)測工藝改變時和市場變化時的最佳操作條件并生成報告。在線模擬優(yōu)化技術(shù)給該廠帶來了每年 320 多萬美元的經(jīng)濟(jì)效益。 化技術(shù) 實際生產(chǎn)中許多實際問題利用傳統(tǒng)的基于數(shù)學(xué)模型的方法很難解決，如 ： 1） 反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜和大量的物性數(shù)據(jù)缺乏 ； 2） 工藝流程復(fù)雜，前后流程具有嚴(yán)重的反饋和關(guān)聯(lián)藕合 ； 3） 隨機(jī)因素多。應(yīng)用 化技術(shù)在處理復(fù)雜系統(tǒng)建模問題上表現(xiàn)出它的優(yōu)越性。 需要預(yù)先對模型的形式和參數(shù)加以限制。網(wǎng)絡(luò)只要據(jù)訓(xùn)練樣本輸入、輸出數(shù)據(jù)來自動尋找相互關(guān)系，給 過程對象以具體的數(shù)學(xué)表達(dá)。廣泛應(yīng)用于化工過程故障診斷、過程控制、過程預(yù)報、過程優(yōu)化等方面 0求解換熱網(wǎng)絡(luò)的組合設(shè)計問題，通過研究發(fā)現(xiàn)， 在組合設(shè)計方面有很大潛力。對于反應(yīng)器的設(shè)計問題，人們還采用 或改進(jìn)的 建立定量化的 ”黑箱 ”模型，使系統(tǒng)定量化優(yōu)化計算成為可能。文獻(xiàn)利用 處理量為 9 萬 t/a 的加氫反應(yīng)器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。 點看法 化工流程模擬優(yōu)化技術(shù)同任何一門新的科學(xué)技術(shù)一樣，都不是萬能的和孤立的，需要對其有一陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 5 頁 共 49 頁 個充分的認(rèn)識和了解。計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為 流程模擬工作開辟了更加廣闊的前景。為充分發(fā)揮化工流程模擬技術(shù)的功效