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

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1.過(guò)程模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)概述

(1)過(guò)程模擬概述

過(guò)程模擬是一種常見(jiàn)的以更好表達(dá)與大型裝置相關(guān)的數(shù)學(xué)式為目的的設(shè)計(jì)方程，其通過(guò)將各個(gè)裝置相關(guān)聯(lián)的數(shù)學(xué)模型與系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行聯(lián)系、運(yùn)用與平衡、計(jì)算與調(diào)整，提升技術(shù)合理性與科學(xué)性。在此期間，所有過(guò)程模擬均是由系統(tǒng)內(nèi)部的特性為表現(xiàn)形式而存在的。此外，過(guò)程模擬主要有兩種類型，分別是控制式與開(kāi)式?？刂剖街饕ㄟ^(guò)聯(lián)系裝置相關(guān)的設(shè)計(jì)條件，由此達(dá)到指定狀態(tài)，開(kāi)式是指從過(guò)程輸入的各種裝置內(nèi)部輸出的狀態(tài)。上述類型均可被運(yùn)用在不同行業(yè)和領(lǐng)域，但最常見(jiàn)的還是化工工藝設(shè)計(jì)中[1]。

(2)化工工藝與過(guò)程模擬的結(jié)合

首先，將化工工藝與過(guò)程模擬進(jìn)行結(jié)合，可以有效且及時(shí)的發(fā)現(xiàn)化工工藝中存在的內(nèi)部問(wèn)題，在具體生產(chǎn)中可以有效避免錯(cuò)誤的發(fā)生和紕漏的產(chǎn)生，從而提高經(jīng)濟(jì)效益，降低產(chǎn)出損失。其次，在使用過(guò)程模擬技術(shù)模擬化工工藝生產(chǎn)的過(guò)程中，可以更好的掌握生產(chǎn)內(nèi)部存在的諸多不確定因素與不可控風(fēng)險(xiǎn)，將內(nèi)部風(fēng)險(xiǎn)的容錯(cuò)率降低。最后，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的改良與模擬生產(chǎn)，就可以在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中生產(chǎn)出質(zhì)量有保障的產(chǎn)品。

在化工工藝與過(guò)程模擬的結(jié)合中，首先我們應(yīng)當(dāng)明確一個(gè)大前提，即在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)先對(duì)化工工藝的變量及其數(shù)值進(jìn)行控制，同時(shí)設(shè)置好順序，這其中環(huán)節(jié)諸多，不同單獨(dú)變量的有效結(jié)合才能發(fā)揮整體的最大作用。單獨(dú)變量控制之后，再對(duì)整個(gè)單元進(jìn)行把控，才能最終達(dá)到控制運(yùn)行車間的目的。

2.化工過(guò)程模擬優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用

(1)化工過(guò)程模擬技術(shù)

隨著科技的進(jìn)步與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，化工反應(yīng)被更多的運(yùn)用在各個(gè)領(lǐng)域與技術(shù)當(dāng)中，同時(shí)也伴隨著更多更好的創(chuàng)新，正確有效的運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)模擬化工生產(chǎn)的過(guò)程，逐漸成為工藝設(shè)計(jì)中的重要組成部分，為企業(yè)的經(jīng)濟(jì)與技術(shù)帶來(lái)提升。我們將過(guò)程模擬用于計(jì)算化工工藝的數(shù)據(jù)，可以分析的數(shù)據(jù)包括壓力平衡、相比平衡等其他方面的相關(guān)數(shù)據(jù)。縱觀化工模擬技術(shù)的全過(guò)程，從原材料到原材料處理，再到化學(xué)反應(yīng)與產(chǎn)物處理，確定好操作的難易程度后定下最佳的經(jīng)濟(jì)點(diǎn)，模擬技術(shù)就可以根據(jù)生產(chǎn)流程對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行模擬與故障診斷，從而減少支出實(shí)驗(yàn)成本，為產(chǎn)品研發(fā)與創(chuàng)新也開(kāi)辟了順暢的路[2]。

(2)化工過(guò)程模擬優(yōu)化軟件

技術(shù)進(jìn)步不僅帶來(lái)了更加優(yōu)化的生產(chǎn)過(guò)程，同樣也暴露出傳統(tǒng)化工生產(chǎn)過(guò)程中的諸多缺點(diǎn)，此種態(tài)勢(shì)下，運(yùn)用合理的模擬技術(shù)可以提升化工生產(chǎn)整體效果與生產(chǎn)流程的科學(xué)性。過(guò)程模擬最初被運(yùn)用于化工生產(chǎn)是在上個(gè)世紀(jì)改革開(kāi)放時(shí)期前后，但是當(dāng)時(shí)化工生產(chǎn)中的模擬技術(shù)更多的被用于采取原材料的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的輸入、網(wǎng)絡(luò)型號(hào)檢測(cè)與信號(hào)輸出等方面?，F(xiàn)代化設(shè)備與技術(shù)的不斷創(chuàng)新給工業(yè)模擬技術(shù)帶來(lái)了更多的可能性，更多學(xué)者將目光投入單元模型中，在優(yōu)化整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程時(shí)，組建合理單元模型可以讓模擬技術(shù)更好的發(fā)揮作用，同時(shí)也拓寬了模擬技術(shù)的運(yùn)用范圍，使其具有更好的性價(jià)比與經(jīng)濟(jì)效益。目前階段，化工領(lǐng)域的模擬軟件不斷增加，其中大家較為認(rèn)可和信任的是ASPEN與CAPES兩個(gè)軟件的組合，在化工過(guò)程模擬中，有專業(yè)的軟件與數(shù)據(jù)進(jìn)行支撐，可以讓模型效益最大化，也可以規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)、查漏補(bǔ)缺。

(3)在化工工藝中的運(yùn)用

在化工工藝中運(yùn)用模擬技術(shù)，主要內(nèi)容有三大類，分別為優(yōu)化等式約束、單元操作模型以及其他不可歸類的內(nèi)容，若確有必要，也可以采取最先進(jìn)的技術(shù)對(duì)過(guò)程模擬系統(tǒng)中存在的內(nèi)部問(wèn)題進(jìn)行解答。在上述三類內(nèi)容中，針對(duì)優(yōu)化約束方程，需要處理與模型、數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的問(wèn)題，此時(shí)可以通過(guò)求解穩(wěn)態(tài)模擬來(lái)解答，此種方法也可以讓上述技術(shù)得到充分發(fā)揮，以此提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，為化工工藝技術(shù)更好的發(fā)展而奠定基礎(chǔ)。

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

(1)生產(chǎn)設(shè)備的調(diào)整及優(yōu)化

在化工工藝設(shè)計(jì)中，過(guò)程優(yōu)化模擬技術(shù)起到關(guān)鍵作用的，首當(dāng)其沖是生產(chǎn)設(shè)備的調(diào)整與優(yōu)化。通過(guò)對(duì)化工工藝流程進(jìn)行模擬，可以優(yōu)化傳統(tǒng)的優(yōu)化方式，通過(guò)計(jì)算機(jī)化的方式對(duì)化工設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，得到最合理的參數(shù)，保障生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)通過(guò)尋找最佳工藝條件，從而降低化工生產(chǎn)中產(chǎn)生的能耗，起到節(jié)能減排的作用。在目前階段，處于基礎(chǔ)位置的仍然是穩(wěn)態(tài)模擬，通過(guò)穩(wěn)態(tài)模擬進(jìn)行參數(shù)確定后，即可運(yùn)用更加先進(jìn)的動(dòng)態(tài)模擬進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化。動(dòng)態(tài)模擬已經(jīng)在過(guò)程模擬優(yōu)化技術(shù)中得到廣泛的運(yùn)用，將穩(wěn)態(tài)模擬與動(dòng)態(tài)模擬有機(jī)結(jié)合，各自適用，還可以對(duì)復(fù)雜裝置進(jìn)行調(diào)整及優(yōu)化。

(2)新工藝研究

在初始研究化工工藝流程時(shí)，我們的研究人員和專家主要使用一種安全穩(wěn)妥的方式，即實(shí)驗(yàn)，此種方法雖然踏實(shí)，但卻耗時(shí)耗力。隨著現(xiàn)代化步伐的不斷加快，計(jì)算機(jī)技術(shù)得到高速發(fā)展，過(guò)程模擬技術(shù)逐漸進(jìn)入研究領(lǐng)域并由此開(kāi)始了它與技術(shù)創(chuàng)新與研究的旅程。目前階段，我國(guó)研究化工新工藝的手段主要為模擬技術(shù)，同時(shí)配備一定的實(shí)驗(yàn)為輔助，過(guò)程模擬優(yōu)化技術(shù)在新工藝研究中起到的作用不僅有效縮短研究時(shí)間與研究成本，同時(shí)因其特有的計(jì)算機(jī)技術(shù)，還增加了新工藝在化工工藝中的合理性與適用性，使新工藝與具體工藝更加契合，創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)優(yōu)勢(shì)更加凸顯[3]。

(3)新裝置設(shè)計(jì)

通過(guò)新裝置設(shè)計(jì)進(jìn)行化工過(guò)程的模擬，可以有效發(fā)揮模擬優(yōu)化技術(shù)，不僅可以準(zhǔn)確的計(jì)算出能量平衡和物料平衡，同時(shí)還可以對(duì)后續(xù)工藝的設(shè)備參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化及調(diào)整，必要時(shí)可進(jìn)行修改。在這其中，針對(duì)諸如氣體分餾裝置、乙烯裝置等的設(shè)計(jì)，模擬過(guò)程可以得到更好的效果和數(shù)據(jù)，同時(shí)新裝置設(shè)計(jì)還可以用于檢驗(yàn)生產(chǎn)操作的規(guī)范合理與否。細(xì)化模擬軟件的功能，可以分為以下六點(diǎn)：第一，針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中遇到的難易攻克的技術(shù)難關(guān)，可以通過(guò)模擬裝置進(jìn)行參數(shù)與結(jié)果的提供，從而反饋給技術(shù)人員進(jìn)行瓶頸突破與技術(shù)改進(jìn)；第二，可以由模擬軟件判斷各類裝置是否處于正?；騼?yōu)化狀態(tài)，使技術(shù)人員由此判斷是否需要改進(jìn)；第三，裝置一旦異常，即可通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)異常點(diǎn)從而解決異常問(wèn)題；第四，模擬技術(shù)并不要求企業(yè)有實(shí)際投入，僅依靠計(jì)算機(jī)模擬就可完成優(yōu)化與調(diào)整，可有效降低能耗；第五，模擬軟件對(duì)于技術(shù)人員的素質(zhì)培養(yǎng)具有積極影響作用；第六，模擬軟件可以為裝置的技術(shù)改革與改造提供保障。

4.實(shí)際運(yùn)用案例

(1)案例分析

綜上所述，過(guò)程模擬優(yōu)化對(duì)于化工工藝技術(shù)提升的積極意義，可以對(duì)化工工業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行有效的優(yōu)化與改進(jìn)，提升整體效率。本研究以某石化企業(yè)作為應(yīng)用案例進(jìn)行分析，主要針對(duì)過(guò)程模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)，在該企業(yè)優(yōu)化精餾工藝的過(guò)程中，針對(duì)其中的乙二醇裝置，企業(yè)運(yùn)用模擬技術(shù)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，模擬了整套環(huán)氧甲烷反應(yīng)，使實(shí)際操作中裝置的發(fā)揮空間更大。

(2)應(yīng)用過(guò)程

應(yīng)用過(guò)程分為假設(shè)、模擬和應(yīng)用結(jié)果反饋三方面。首先，根據(jù)乙烯反應(yīng)可以提出相應(yīng)的假設(shè)，根據(jù)假設(shè)簡(jiǎn)化氧化過(guò)程，在對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行分析中，我們也應(yīng)當(dāng)注意計(jì)算化學(xué)工藝，其主要體現(xiàn)在以下兩方面，首先根據(jù)乙烯反應(yīng)的特定與條件，我們使用摩爾比進(jìn)行計(jì)算，針對(duì)該反應(yīng)中的原料為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算與分析；其次，針對(duì)可能以及應(yīng)當(dāng)影響氧化反應(yīng)的因素進(jìn)行計(jì)算，其中包括壓力平衡和熱平衡等因素。若確定實(shí)驗(yàn)中乙烯已發(fā)生反應(yīng)，則可以通過(guò)分析等價(jià)的原則，根據(jù)反應(yīng)得出與生產(chǎn)相關(guān)的過(guò)程，若無(wú)化學(xué)反應(yīng)，此時(shí)可以不進(jìn)行計(jì)算，避免出現(xiàn)計(jì)算難度過(guò)大的現(xiàn)象。此外，由于在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，物料傳輸會(huì)導(dǎo)致壓力值降到最低，所以能耗問(wèn)題本實(shí)驗(yàn)在所不記。

一旦乙烯發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，則可以對(duì)相應(yīng)技術(shù)進(jìn)行分析。過(guò)程模擬優(yōu)化可以使整體操作過(guò)程在離線狀態(tài)下進(jìn)行，也可以優(yōu)化物料加工中的一切環(huán)節(jié)，但若只在裝置上采用在線分析的方法，參數(shù)與結(jié)果均會(huì)受到影響，只有獲取更加標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)，才能構(gòu)建更好的模型，同時(shí)使數(shù)據(jù)資源更好被轉(zhuǎn)化。

(3)應(yīng)用效果

綜上所述，過(guò)程模擬優(yōu)化技術(shù)的實(shí)際效果主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：第一方面，過(guò)程模擬優(yōu)化技術(shù)可以將化工工藝中存在的故障排查出來(lái)，并就整體故障進(jìn)行診斷。運(yùn)用傳統(tǒng)的方式對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中存在的故障進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與診斷，不僅會(huì)消耗更多的時(shí)間，同時(shí)會(huì)消耗更多成本。采用過(guò)程模擬優(yōu)化技術(shù)，則可以用更快的速度確定優(yōu)化方案；第二方面，過(guò)程模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)可以更加有效的對(duì)實(shí)際工藝進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新。我們?cè)诨すに嚰夹g(shù)的突破和創(chuàng)新上，往往會(huì)面臨一些很實(shí)際的問(wèn)題，比如優(yōu)化方案太多，但實(shí)驗(yàn)成本較高，從而導(dǎo)致技術(shù)人員無(wú)從選擇。若能借助模擬優(yōu)化技術(shù)，可以使物質(zhì)轉(zhuǎn)為計(jì)算，使實(shí)驗(yàn)過(guò)程變?yōu)樘摂M，過(guò)程與參數(shù)都更加精準(zhǔn)了，也彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)中無(wú)法避免的不足，提升了工藝技術(shù)以及工藝的科學(xué)性。

5.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，化工模擬技術(shù)對(duì)于推動(dòng)化工工藝技術(shù)的穩(wěn)步推進(jìn)與持續(xù)創(chuàng)新具有十分重要的影響作用，其深遠(yuǎn)的意義不僅使生產(chǎn)過(guò)程變得更加安全，還可以以化工技術(shù)為基礎(chǔ)，推進(jìn)行業(yè)與技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。同時(shí)，模擬優(yōu)化技術(shù)也為企業(yè)發(fā)展指明了方向，使企業(yè)可以更好的融入科技與時(shí)代的進(jìn)步，穩(wěn)扎穩(wěn)打持續(xù)進(jìn)步。