化工工藝設(shè)計中的過程模擬優(yōu)化技術(shù)研究

陳志東，胡文勇

（濰坊濱海石油化工有限公司，山東濰坊 261061）

計算機(jī)在化工生產(chǎn)應(yīng)用過程中是比較成熟的技術(shù)之一，化工過程模擬技術(shù)的應(yīng)用也能按照特定流程組合的單元操作反應(yīng)過程來模擬生產(chǎn)過程。由于化工過程與物料本身特性以及外部環(huán)境有關(guān)，涉及到能量、物質(zhì)的改變，可通過在線優(yōu)化方式實(shí)現(xiàn)工藝優(yōu)化。因此，本文以氣體處理工藝和復(fù)雜的分離過程為案例對過程模擬進(jìn)行合理分析。

1 過程模擬優(yōu)化技術(shù)的核心內(nèi)涵

目前化工過程設(shè)計和控制技術(shù)的發(fā)展，基于嚴(yán)格計算機(jī)模型的計算技術(shù)和在線應(yīng)用不斷更新，化工裝置之類的優(yōu)化和模型預(yù)測有關(guān)技術(shù)對于模型的準(zhǔn)確要求不斷增加，過程的高純度和不確定等特征也給過程模擬優(yōu)化提供了新的發(fā)展方向。面向工程的復(fù)雜過程優(yōu)化在多個方面得到了有效應(yīng)用，無論是誤差分析還是數(shù)據(jù)修正，都能夠?qū)崿F(xiàn)對于過程的建模、求解和優(yōu)化計算。模型的準(zhǔn)確性和過程參數(shù)之間存在著密切聯(lián)系，利用現(xiàn)場的數(shù)據(jù)來標(biāo)定模型確定參數(shù)后，再進(jìn)行模型更新也是發(fā)展和完善的“必經(jīng)之路”。在線優(yōu)化和模型預(yù)測也離不開數(shù)據(jù)校正和數(shù)據(jù)調(diào)和過程。從20世紀(jì)60年代開始至今，化工過程模擬技術(shù)就已經(jīng)被大量應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，穩(wěn)態(tài)過程模擬也是其中最完善與應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)類型。目前的模擬軟件當(dāng)中包括計算管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)輸入模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊、過程操作單元、網(wǎng)絡(luò)通信單元等。從這一角度來看，過程模式實(shí)際上就是利用優(yōu)化技術(shù)來確定模擬系統(tǒng)當(dāng)中非線性規(guī)劃問題的穩(wěn)態(tài)模型。

按照機(jī)理建模方式，過程模擬優(yōu)化的求解可以從序貫?zāi)K和聯(lián)立方程兩個方面進(jìn)行評估。

1.1 序貫?zāi)K

序貫?zāi)K在過程模擬優(yōu)化的基本思路上和裝置組織比較接近，整個優(yōu)化和模擬的過程由專門的單元模塊所負(fù)責(zé)，按照一定的順序單獨(dú)地計算參數(shù)信息。在對沒有循環(huán)回路的流程進(jìn)行單純模擬和計算時，序貫?zāi)K可以按照不同流程的組織方式對單元操作模塊進(jìn)行求解，讓求解過程更加直觀清晰。優(yōu)化計算當(dāng)中加入的控制變量信息和參數(shù)、約束優(yōu)化問題也會被嵌入到優(yōu)化命題環(huán)節(jié)。

1.2 聯(lián)立方程

聯(lián)立方程的求解時和序貫?zāi)K差異顯著，其核心內(nèi)容是將所有模型的特征方程進(jìn)行聯(lián)立求解，且涉及到模塊計算的處理方法在執(zhí)行程序方面具有明顯優(yōu)勢，在過程模擬優(yōu)化方面具備良好的處理機(jī)制。工業(yè)裝置對于純度、工況的要求非常高，方程和參數(shù)計算時要保障足夠的精度，每次求導(dǎo)過程和全局收斂性問題研究工作要基于不同的優(yōu)化算法進(jìn)行參數(shù)對比。

2 化工工藝設(shè)計當(dāng)中的過程模擬優(yōu)化技術(shù)

2.1 石灰石濕法煙氣脫硫

石灰石濕法煙氣脫硫本質(zhì)上是一個氣體吸收過程，同時涉及到酸堿平衡，含有酸性氣體硫氧化物的燃燒煙氣通過和含有堿性石灰石的溶液進(jìn)行反應(yīng)后讓硫元素從氣相轉(zhuǎn)入液相以發(fā)揮凈化的作用。以二氧化硫脫除的基本化學(xué)原理來看，化學(xué)吸收當(dāng)中的吸收質(zhì)、吸收劑在化學(xué)反應(yīng)當(dāng)中與液相傳質(zhì)密切聯(lián)系，溶質(zhì)在組成和化學(xué)反應(yīng)過程當(dāng)中要考慮到化學(xué)反應(yīng)的速率和反應(yīng)產(chǎn)物擴(kuò)散問題，即吸收速率和化學(xué)反應(yīng)之間的關(guān)系判定[1]。

2.1.1 反應(yīng)過程

反應(yīng)過程的模擬優(yōu)化還可以進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)模擬來反映出過程的瞬間參數(shù)，并且以平衡級模擬作為基礎(chǔ)，描述不同物料和參數(shù)之間的動態(tài)變化過程，然后引入變換變量的概念減少迭代變量并避免反應(yīng)量計算，整個計算過程更加簡便有效。

二氧化硫的脫除過程是在吸收塔內(nèi)完成的工作，吸收劑分散成細(xì)小的液體后覆蓋吸收塔的斷面產(chǎn)生傳質(zhì)吸收反應(yīng)，煙氣當(dāng)中的二氧化硫、三氧化硫等可以被吸收，氧化綜合反應(yīng)在底部的氧化區(qū)域完成而形成石膏。其中石灰石會被連續(xù)地加入吸收塔內(nèi)部，并且吸收塔內(nèi)的漿液在空氣的作用下不斷地運(yùn)動，加快了石灰石在漿液當(dāng)中的溶解過程，過量氧化空氣會均勻地進(jìn)入氧化區(qū)的底部。

從參數(shù)的角度來看，二氧化硫濃度的增加會加速液相當(dāng)中的堿性組分消耗過程，加大液膜的吸收阻力從而降低脫硫效率。在整個脫硫工藝當(dāng)中，可以按照如下公式進(jìn)行表達(dá)：

其中u為煙氣流速，G為飽和狀態(tài)下的煙氣體積流量，D是吸收塔體的直徑。在其他條件不發(fā)生改變的前提之下，G越大，二氧化硫的脫硫效率下降，反之G越小，二氧化硫的脫硫效率明顯提高。在過程模擬當(dāng)中增加煙氣流量或是煙氣流速就可以增加二氧化硫的吸收量。從液氣比的角度而言，單位時間內(nèi)的再循環(huán)漿液和煙氣體積比也是濕法煙氣脫硫系統(tǒng)過程模擬優(yōu)化時的主要參數(shù)信息，并且液氣比能夠反映出吸收速率和過程推動等參數(shù)，要想提升脫硫效率也可以在一定程度上增加液氣比。但需注意的是過程模擬環(huán)節(jié)液氣比的增加也要在閾值范圍內(nèi)進(jìn)行，否則會讓能耗提升，設(shè)備腐蝕可能性提高。停留時間參數(shù)方面固體物的停留時間指的是漿液固體物在漿液池當(dāng)中的停留時間，而液體在吸收塔當(dāng)中的接觸時間是漿液循環(huán)停留時間，這兩項參數(shù)都可以成為過程模擬的關(guān)鍵點(diǎn)。

2.1.2 過程模擬

在進(jìn)行過程模擬優(yōu)化時，要注意分析變量和操縱變量，利用靈敏度分析工具將這一復(fù)雜的系統(tǒng)化過程進(jìn)行整體優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對于關(guān)鍵參數(shù)的控制。

例如液氣比影響到塔內(nèi)組分配比預(yù)警傳質(zhì)狀況，確定反應(yīng)速度和反應(yīng)程度，如果將漿液當(dāng)中的水含量設(shè)定為操縱變量，將二氧化硫的流量設(shè)置為分析變量，則可以在計算后設(shè)置響應(yīng)曲線；在煙氣流速方面，煙氣流速與壓力因素等多個方面有關(guān)，煙氣流量作為液氣比的主要影響參數(shù)，可以在自定義模型當(dāng)中將煙氣流速展開分析，將其作為操縱變量，仍然將二氧化硫的流量設(shè)置為分析變量，此時仍然可以獲得響應(yīng)曲線。

按照靈敏度的分析結(jié)果可以確定與目標(biāo)變量影響相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)，并且認(rèn)為這一參數(shù)可以對目標(biāo)變量的影響達(dá)到一個“期望值”。按照專門的ASPENPLUS軟件設(shè)計要求進(jìn)行范圍確定之后，就可以分別地將液氣煙氣流速等作為操縱變量并經(jīng)過迭代計算后得出具體的結(jié)果，將模擬計算數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。模型的計算數(shù)據(jù)和石灰石濕法煙氣脫硫的具體工藝如果比較接近，則說明誤差在工況允許的范圍之內(nèi)，也說明工業(yè)設(shè)計可以采取這種工藝方案。從實(shí)際的模擬結(jié)果來看，吸收塔的直徑、高度、循環(huán)、煙氣入口角度、擋板位置等都可以成為主要的影響因素[2]。

可以利用Fluent進(jìn)行建模，其內(nèi)部靈活的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成程序可以按照實(shí)際需求在加密的流動區(qū)域當(dāng)中實(shí)施建模過程。為了確保實(shí)際的結(jié)果精確性，建模過程可以按照脫硫吸收的工藝特點(diǎn)來建立模型展開數(shù)值模擬，且整個計算過程不考慮化學(xué)反應(yīng)的特殊情況，將物理模型進(jìn)行簡化。這樣一來某些對脫硫率影響程度不大的因素可以被去除避免計算量過大，例如在不考慮其他構(gòu)造因素的影響之下，回流區(qū)內(nèi)的煙氣量可以在煙氣入口角度優(yōu)化后明顯增加，此時回流區(qū)面積增大，有利于進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱，工藝運(yùn)行過程更加穩(wěn)定，塔內(nèi)的壓力分布也比較均勻，說明過程模擬優(yōu)化的結(jié)果具有參考意義[3]。

2.2 過程數(shù)據(jù)支持的熱力學(xué)參數(shù)分析

化工生產(chǎn)工藝流程復(fù)雜，操作狀態(tài)變化程度較大，并具有危險性。熱力學(xué)計算作為過程模擬的主要環(huán)節(jié)，涉及到很多單元裝置的計算過程都離不開熱力學(xué)模型的計算，如吸收、精餾等傳質(zhì)分離過程。由于某些工程設(shè)備的效率確定難度較大可能會因此影響到熱力學(xué)參數(shù)預(yù)測結(jié)果，所以在多級分離設(shè)備的估算結(jié)果和實(shí)際情況存在明顯差異時，就應(yīng)該考慮到將效率作為預(yù)測參數(shù)進(jìn)行模擬優(yōu)化，不過此時熱力學(xué)模型和過程模型進(jìn)行同步計算時的工作量會明顯增加，收斂難度較大。

常規(guī)的氣液平衡實(shí)驗在普通濃度條件下進(jìn)行，其最終獲得的結(jié)果會相對準(zhǔn)確，但外推于高純度體系時就可能產(chǎn)生較大程度的誤差。對于同時包含過程參數(shù)和熱力學(xué)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型而言，調(diào)節(jié)工作如果不能獲得科學(xué)的模擬效果，就需要對熱力學(xué)參數(shù)作出調(diào)整，按照靈敏度判斷的結(jié)果進(jìn)行劃分，然后采取序貫搜索的方式獲得部分參數(shù)信息。

精餾控制的主要目的是達(dá)到規(guī)定的分離要求，并且確定溫度、操作壓力和加熱介質(zhì)，選擇更加先進(jìn)的反應(yīng)器和反應(yīng)流程，減少副反應(yīng)產(chǎn)生，優(yōu)化操作條件。以精餾塔的工作過程為例，通常情況下的精餾塔是在預(yù)先設(shè)計好的工況條件下運(yùn)行，但如果存在不同類型的影響因素，那么精餾塔的熱狀態(tài)、流量等參數(shù)都會發(fā)生改變，因此對于進(jìn)料信息的獲取意義顯著。假設(shè)將進(jìn)料狀態(tài)當(dāng)中的狀態(tài)變量和輸出變量情況作為參考，那么將在機(jī)理模型的基礎(chǔ)之上研究不同的可測試信息以確定狀態(tài)變化，從理論角度分析某些方法的應(yīng)用條件，再經(jīng)過仿真計算過程確定過程模擬優(yōu)化措施[4]。

具體來看，其中的回流量、進(jìn)料量、采出量等各項參數(shù)等都可以被認(rèn)為是不同的影響因素，在所有參數(shù)都可以測試的前提之下對溫度分布預(yù)測進(jìn)行可行性分析后，通過仿真實(shí)驗來討論進(jìn)料狀態(tài)的變化與精餾塔溫度之間的聯(lián)系。盡管現(xiàn)場測試可能會出現(xiàn)誤差，但基于多個變量對觀測結(jié)果進(jìn)行評估后，就可以確定單進(jìn)料多變量的靈敏度分析結(jié)果、變量預(yù)測結(jié)果等。面向化工過程進(jìn)行的模擬和優(yōu)化是過程系統(tǒng)領(lǐng)域的主要研究方向，此類分離過程的熱力學(xué)模型具有非線性特征，利用常規(guī)實(shí)驗數(shù)據(jù)展開外推難度較大，但通過工程數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)估計后就可以確定某些參數(shù)與工藝結(jié)果之間的聯(lián)系。

3 結(jié)束語

化工設(shè)計要注重幾個基本原則，不僅要符合國家的經(jīng)濟(jì)政策和技術(shù)政策，而且在具體的工藝方面也需保持合理，要符合安全環(huán)保以及職業(yè)衛(wèi)生要求，不能存在重大安全隱患、環(huán)境污染、職業(yè)健康危害等。過程模擬優(yōu)化可以針對工藝需求優(yōu)化生產(chǎn)流程和單元流程，實(shí)現(xiàn)集成化和自動化的控制，滿足調(diào)度決策等多個方面的具體要求。在后續(xù)的工程實(shí)踐環(huán)節(jié)，還可以將研究內(nèi)容集中于某些新工況條件下的優(yōu)化問題，將工況變化和操作優(yōu)化進(jìn)行結(jié)合，從而展開建模和模擬，研究在不同工藝需求下的模型優(yōu)化措施，并且改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝以提升整體效率。