過(guò)程模擬優(yōu)化在化工工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

諸葛紹淵，周音(浙江工程設(shè)計(jì)有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

化工行業(yè)是我國(guó)重要的產(chǎn)業(yè)之一，隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，化工企業(yè)所面臨的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也愈加激烈，在這種情況之下，化工企業(yè)必須要立足于現(xiàn)實(shí)，加快技術(shù)上的改革與創(chuàng)新，不斷優(yōu)化生產(chǎn)工藝、提升技術(shù)水平，才能夠提高企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中凸顯出自身的優(yōu)勢(shì)。在化工企業(yè)經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的摸索之后，過(guò)程模擬優(yōu)化技術(shù)在化工工藝設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。過(guò)程模擬優(yōu)化可以在化工生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)、測(cè)試以及工藝流程的改造等方面發(fā)揮巨大的作用，依托于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，顯著提高化工工藝設(shè)計(jì)的效率，為推動(dòng)化工工藝邁向更加自動(dòng)化和規(guī)范化的方向提供助力。

1 過(guò)程模擬的內(nèi)涵概述

化工領(lǐng)域所應(yīng)用的過(guò)程模擬就是借助于利用過(guò)程模擬系統(tǒng)與化工裝置有關(guān)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)化工工藝設(shè)計(jì)方程進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到優(yōu)化化工工藝的目的。大部分化工工藝設(shè)計(jì)中所應(yīng)用的過(guò)程模擬都可以分為范圍開式過(guò)程模擬和控制式過(guò)程模擬兩類。過(guò)程模擬依托于計(jì)算機(jī)技術(shù)而產(chǎn)生，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到了多個(gè)領(lǐng)域和行業(yè)當(dāng)中，其中最具代表性的就是過(guò)程模擬在化工工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

在化工生產(chǎn)的過(guò)程當(dāng)中，需要根據(jù)工藝要求獨(dú)立控制化工工藝的變量，在實(shí)際設(shè)置好每個(gè)單體內(nèi)部參數(shù)變量后再串聯(lián)起來(lái)形成一個(gè)個(gè)穩(wěn)定的工藝單元，最終實(shí)現(xiàn)控制整個(gè)裝置車間單元操作，確保整個(gè)化工工藝車間的順暢運(yùn)行。在這個(gè)過(guò)程中會(huì)涉及到多個(gè)化工工藝環(huán)節(jié)，只有保障各個(gè)流程和環(huán)節(jié)的順暢銜接、有序配合以及對(duì)其穩(wěn)定、精準(zhǔn)的控制才能夠確保化工生產(chǎn)的質(zhì)量，達(dá)到節(jié)能、降耗、安全生產(chǎn)的目標(biāo)[1]。而如果可以借助過(guò)程模擬的技術(shù)對(duì)化工工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，就可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)化工工藝流程中存在的問(wèn)題和漏洞，從而針對(duì)性地進(jìn)行優(yōu)化和修整，以此來(lái)降低在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的紕漏和安全隱患，減少化工生產(chǎn)過(guò)程中造成的經(jīng)濟(jì)損失，維護(hù)化工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，這也是過(guò)程模擬優(yōu)化技術(shù)最為關(guān)鍵的價(jià)值。此外，通過(guò)在化工工藝設(shè)計(jì)中應(yīng)用過(guò)程模擬，還可以對(duì)化工生產(chǎn)工藝流程中的不可控因素進(jìn)行有效地把控，減少化工生產(chǎn)過(guò)程中的不利因素及干擾，通過(guò)流程的優(yōu)化、參數(shù)和結(jié)構(gòu)的調(diào)整提高化工生產(chǎn)的品質(zhì)，為化工產(chǎn)品的品控提供支持。

2 化工過(guò)程模擬優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用

2.1 化工過(guò)程模擬技術(shù)

化工行業(yè)在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)中占據(jù)著十分關(guān)鍵的地位，同時(shí)化工產(chǎn)品也被廣泛地應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，發(fā)揮著十分關(guān)鍵的作用?？茖W(xué)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展推動(dòng)了化工生產(chǎn)工藝的不斷進(jìn)步，大量的先進(jìn)技術(shù)被廣泛地應(yīng)用到了化工工藝設(shè)計(jì)當(dāng)中，尤其是借助計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)化工生產(chǎn)的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行模擬，已經(jīng)逐漸取代了傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝，成為了化工企業(yè)轉(zhuǎn)型與升級(jí)的重要途徑，為化工企業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。而過(guò)程模擬優(yōu)化技術(shù)就是計(jì)算機(jī)技術(shù)與化工生產(chǎn)工藝深入融合的典型技術(shù)代表。過(guò)程模擬優(yōu)化技術(shù)借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)的輔助，可以對(duì)化工工藝中的壓力平衡、相比平衡及其他重要數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行獲取和分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)化工生產(chǎn)全過(guò)程的技術(shù)模擬。過(guò)程模擬優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用涵蓋了化工生產(chǎn)中原材料處理、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程、產(chǎn)物處理等整個(gè)過(guò)程，根據(jù)過(guò)程模擬對(duì)操作難度進(jìn)行控制，而后根據(jù)化工生產(chǎn)流程對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)中存在的漏洞和安全隱患，并進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)調(diào)整及故障診斷，從而極大地減少了化工生產(chǎn)過(guò)程中的問(wèn)題，降低了化工生產(chǎn)成本，為化工產(chǎn)品的研發(fā)和創(chuàng)新奠定了基礎(chǔ)[2]。

2.2 化工過(guò)程模擬優(yōu)化軟件

在化工領(lǐng)域技術(shù)水平不斷提高的背景下，雖然優(yōu)化了化工生產(chǎn)的工藝，但與此同時(shí)也暴露出了傳統(tǒng)化工工藝中的諸多問(wèn)題和缺陷，使得化工工藝設(shè)計(jì)的創(chuàng)新和優(yōu)化勢(shì)在必行。借助于過(guò)程模擬優(yōu)化技術(shù)可以對(duì)整個(gè)化工生產(chǎn)統(tǒng)一進(jìn)行更加科學(xué)化的調(diào)整，對(duì)提高產(chǎn)能和提升產(chǎn)品品質(zhì)具有十分重要的作用。在過(guò)程模擬優(yōu)化技術(shù)最初的應(yīng)用中，主要是用于進(jìn)行原材料數(shù)據(jù)的獲取和輸入，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的檢測(cè)和輸出等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，其與化工生產(chǎn)之間的融合越加深入，通過(guò)將過(guò)程模擬優(yōu)化應(yīng)用到了單元模型當(dāng)中，可以通過(guò)更加合理地進(jìn)行單元模型的組合優(yōu)化化工工藝，保障化工生產(chǎn)的品質(zhì)、降低成本投入，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 在化工工藝中的運(yùn)用

過(guò)程模擬優(yōu)化技術(shù)在化工工藝中的應(yīng)用主要包括了優(yōu)化等式約束、單元模型的操作、過(guò)程模擬系統(tǒng)的問(wèn)題解答等。在此基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)過(guò)程模擬優(yōu)化技術(shù)的功能，需要對(duì)與單元模型和工藝數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的問(wèn)題進(jìn)行解答，為了達(dá)到這一目的，可以借助于求解穩(wěn)態(tài)模擬，并對(duì)化工工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行充分的創(chuàng)新和優(yōu)化，最大限度地發(fā)揮出過(guò)程模擬優(yōu)化技術(shù)的價(jià)值，為化工企業(yè)生產(chǎn)能力的提升做好充分準(zhǔn)備。

3 過(guò)程模擬優(yōu)化技術(shù)在化工工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 生產(chǎn)設(shè)備的改造及優(yōu)化

過(guò)程模擬優(yōu)化技術(shù)在化工工藝設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的應(yīng)用體現(xiàn)在對(duì)化工生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行改造及優(yōu)化方面。通過(guò)在化工工藝設(shè)計(jì)中應(yīng)用過(guò)程模擬優(yōu)化技術(shù)，可以在傳統(tǒng)的化工工藝設(shè)計(jì)方式的基礎(chǔ)上利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)化工生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行改造，優(yōu)化各項(xiàng)參數(shù)，從而達(dá)到最佳的工藝條件，借助于此達(dá)到節(jié)能減排、控制成本、提高效益的目標(biāo)。在目前大部分化工工藝設(shè)計(jì)當(dāng)中，最為常用的過(guò)程優(yōu)化模擬就是穩(wěn)態(tài)模擬技術(shù)，借助于這一手段可以首先通過(guò)穩(wěn)態(tài)模擬技術(shù)獲取并分析化工工藝參數(shù)，再利用動(dòng)態(tài)模擬手段進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)和調(diào)整，達(dá)到優(yōu)化化工工藝的目的。通過(guò)將穩(wěn)態(tài)模擬與動(dòng)態(tài)模擬相結(jié)合，發(fā)揮各自的價(jià)值，可以對(duì)復(fù)雜的化工生產(chǎn)裝置進(jìn)行操控，達(dá)到設(shè)備改造和優(yōu)化的目的。

3.2 新工藝研究

在以往的化工工藝設(shè)計(jì)當(dāng)中，研究人員一般需要借助于實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)化工工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試，這種方式雖然可以取得比較可靠的結(jié)果，但所需的時(shí)間和資金成本較大，往往需要反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)才可以獲得比較準(zhǔn)確的結(jié)論。而借助于過(guò)程模擬優(yōu)化技術(shù)，可以通過(guò)過(guò)程模擬優(yōu)化技術(shù)與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式的配合，縮短實(shí)驗(yàn)的時(shí)間、控制實(shí)驗(yàn)的成本，利用計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行模擬，在新工藝的測(cè)試方面發(fā)揮出極大的優(yōu)勢(shì)。

3.3 新裝置設(shè)計(jì)

通過(guò)將過(guò)程模擬優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于化工新裝置的設(shè)計(jì)當(dāng)中，可以對(duì)能量平衡和物料平衡進(jìn)行精準(zhǔn)的計(jì)算，同時(shí)還還可以進(jìn)行后續(xù)工藝的參數(shù)調(diào)整，減少新裝置設(shè)計(jì)中的錯(cuò)漏，從而提高設(shè)計(jì)效率。例如，在氣體分餾裝置、乙烯裝置的設(shè)計(jì)當(dāng)中，利用過(guò)程模擬優(yōu)化可以得到比較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，對(duì)新裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，還可以同時(shí)用于新裝置的質(zhì)檢環(huán)節(jié)[3]。具體而言，過(guò)程模擬優(yōu)化在新裝置設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)為以下方面：第一，借助過(guò)程模擬優(yōu)化獲得全面的數(shù)據(jù)參數(shù)，通過(guò)將其反饋給技術(shù)人員，便于技術(shù)人員攻克技術(shù)難關(guān)，進(jìn)行技術(shù)改造；第二，借助過(guò)程模擬優(yōu)化對(duì)化工裝置的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，為技術(shù)改造提供依據(jù)；第三，當(dāng)化工裝置發(fā)生異常時(shí)，過(guò)程模擬優(yōu)化可以根據(jù)異常情況提出相應(yīng)的解決方案；第四，過(guò)程模擬優(yōu)化只需要借助計(jì)算機(jī)技術(shù)就可以對(duì)化工裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行模擬，而不需投入實(shí)際的設(shè)計(jì)和制造成本。

4 過(guò)程模擬優(yōu)化在化工工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用案例

本文以某石化企業(yè)應(yīng)用過(guò)程模擬優(yōu)化技術(shù)對(duì)精餾工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化的過(guò)程為案例闡述過(guò)程模擬優(yōu)化在化工工藝設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用。

4.1 應(yīng)用過(guò)程

首先，通過(guò)乙烯實(shí)驗(yàn)反應(yīng)提出假設(shè)，對(duì)氧化過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化，根據(jù)乙烯實(shí)驗(yàn)反應(yīng)的條件，通過(guò)摩爾計(jì)算對(duì)發(fā)生乙烯反應(yīng)的原料進(jìn)行測(cè)算；其次，通過(guò)對(duì)可能影響氧化反應(yīng)的因素，如壓力平衡參數(shù)、熱平衡參數(shù)等進(jìn)行分析和計(jì)算，假定實(shí)驗(yàn)中的乙烯已經(jīng)發(fā)生了反應(yīng)，則利用等價(jià)原則對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行還原。如果沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，則不進(jìn)行具體計(jì)算；再次，考慮到實(shí)際生產(chǎn)中物料的傳輸會(huì)對(duì)壓力值造成影響，所以此次實(shí)驗(yàn)不考慮能耗的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)過(guò)程模擬優(yōu)化可以進(jìn)行操作過(guò)程的模擬，也可以對(duì)物料進(jìn)行優(yōu)化；但如果脫離了過(guò)程模擬優(yōu)化而進(jìn)在裝置上進(jìn)行分析，則可能對(duì)參數(shù)及結(jié)果的準(zhǔn)確性造成不良影響。只有通過(guò)過(guò)程模擬對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程加以還原，才能夠基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模型構(gòu)建，從而對(duì)化工工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

4.2 應(yīng)用效果

第一，在上述案例中，通過(guò)過(guò)程模擬優(yōu)化可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)化工工藝設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題和漏洞，對(duì)化工生產(chǎn)潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，并且過(guò)程模擬優(yōu)化與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式相比，在時(shí)間、資金和成本的投入上都具有更大的優(yōu)勢(shì)，可以以最小的消耗得到最為合理的化工工藝設(shè)計(jì)方案；

第二，通過(guò)將過(guò)程模擬優(yōu)化應(yīng)用于化工工藝設(shè)計(jì)當(dāng)中，可以突破技術(shù)上的難點(diǎn)和瓶頸，將一些通過(guò)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式難以攻克的技術(shù)難關(guān)或難以解決的實(shí)際困難進(jìn)行化解，將實(shí)際的成本及物料投入轉(zhuǎn)變?yōu)槟M的過(guò)程操作，在降低了實(shí)驗(yàn)難度和成本的同時(shí)獲取了更加準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確保了化工工藝設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性。

5 結(jié)語(yǔ)

過(guò)程模擬優(yōu)化是目前被廣泛應(yīng)用與化工工藝設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重要技術(shù)手段，過(guò)程模擬優(yōu)化在化工工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用可以借助于計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)提高化工工藝設(shè)計(jì)的可靠性，對(duì)化工生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化，降低化工工藝設(shè)計(jì)的成本，從而達(dá)到節(jié)能降耗、提升效益的目的，為化工企業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展提供了巨大的技術(shù)支持。