20 20 九月九月 2024 20241 1化工流程模拟技术概述华谊（集团）公司2011年3月化工模拟优化技术的发展是建立在化学工业的发展、人类对化工过程认识的深入及计算机技术的迅速发展等的历史背景下的。近现代以来，化学工业朝着综合化方向发展，流程结构日益复杂，装置规模日趋大型化，化工行业的资源短缺、环境污染等问题变得越来越重要。同时，人们对化工过程的认识也越来越深入，1915年美国的A.D Little首次提出的单元操作的概念，上世纪50年代，传递过程理论诞生，随后，化工过程系统工程应运而生。自1965年以来，大型电子计算机出现，计算方法得到迅速发展。这一切为现代化工过程模拟优化技术的发展奠定了坚实的基础。化工过程模拟系统开始产生于上世纪后半叶，其标志性事件就是化工流程模拟软件的出现与开发。化工流程模拟软件是由化学工程学、化工热力学、系统工程、应用数理统计、计算方法及计算机技术等多学科理论在计算机上实现的综合性模拟系统。1960年代，美国HOUSTON大学开发出Chess（ Chemical Engineering Simulation System）系统，该软件采用FORTRAN语言编写，共有16种单元操作模块，98种物料的物性数据。60年代末，美国Monsanto（孟山都）公司开发出Flowtran（Flowsheet Translator）系统，该软件也采用FORTRAN语言编写，共有30种单元操作模块，180种物料的物性数据。1976-1981年，美国麻省理工大学化工系开发出ASPEN （Advanced System for Process Engineering）系统，该系统采用FORTRAN语言编写，共有36种单元操作模块，500种气液物料的物性数据，120种固体物料的物性，可用于模拟计算、优化、成本估算和经济评估等。1988年美国Simsci模拟公司开发出PRO/，对PROCESS做重大改进。 1990年代中后期，加拿大Hyprotech公司采用新一代面向对象的编程工具C+语言，在Windows 环境下开发出完全交互式的HYSYS软件，2002年7月，Hyprotech公司与AspenTech公司合并，HYSYS成为AspenTech公司的产品。 我国的化工过程模拟系统开发起步较晚，但通过引进软件、硬件等缩短了差距，应用情况目前已接近国际水平，但软件系统的研究开发与国外相比仍有较大差距，国内几乎没有通用的化工过程模拟软件，但80年代以来已经开发出一些专用的具有一定水平的化工专家系统。 可见，从上世纪7、80年代以来，化工过程模拟系统已经进入快速的普及、推广时期。一方面，化工模拟理论和技术方面的发展，使软的应用范围更加广泛，另一方面，软件及计算机辅助工具的发展，即研究手段的进步，使工程师更易掌握、使用这种软件，更容易地进行各种技术方案的研究。 近年来，人工神经网络技术，作为一种典型的经验建模工具，由于其具有更强的过滤能力，巨大的并行处理能力，良好的自适应能力及强大的模式识别能力等诸多优于传统的经验建模系统的独特性质，被广泛地应用于复杂化工系统中的建模、优化中，取得了显著的效果。 Aspen Plus是Aspen工程套件的首个产品，自发布以来，经过20多年的不断改进、提高与扩充，先后发布了十多个版本，已成为举世公认的大型流程模拟标准软件。全球各主要化工、石化和炼油等过程工业制造企业与著名工程公司均是Aspen Plus的用户。同时，以Aspen Plus的严格机理模型为基础，还逐步发展起来了一系列针对不同用途、不同层次的软件产品，此即为Aspen 工程套件(Aspen Engineering Suite,简称AES)。 Aspen Plus 软件做为目前最流行的国际通用性化工流程模拟软件，其广泛应用于科研、生产和工程中。该软件的主要特征是：序贯和联立方程的模拟方法、最快的速度和最高的可靠性及庞大的纯组分和混合物的数据库；其主要功能是：数据回归和数据拟合、物性分析、灵敏度分析、设计和校核及多变量优化。 利用该软件，可以进行以下具体的工作：（1）物料平衡、热平衡，热负荷、流率、组成及物性等设计基础数据的计算；(2) 设备单元主要工艺参数，并可进行冷换设备核算及塔板水力学估算；(3) 流程合成和工艺包开发；(4)原料及加工路线的筛选与评价；(5) 工艺参数优化和消除装置“瓶颈”；（6）装置操作优化，扩产与节能；（7）参数显著性分析，提供总流程的优化LP模型参数和“影子价格”等参数；(8) 操作参数的灵敏度分析；(9)自控方案、DCS或APC中建模提供依据；（10）利用动态模拟功能分析控制参数的动态特性，如自控和开、停工方案及火炬排放系统的设计等。 20 20 九月九月 2024 20247 7内容概论过程系统工程的基本概念过程系统工程包含的内容过程系统工程研究方法稳态模拟基础知识20 20 九月九月 2024 20248 8概 论60年代过程系统工程产生和发展的理论准备时期70年代过程系统工程走上实用的时期80年代过程系统工程普及时代20 20 九月九月 2024 20249 9过程系统工程的基本概念过程系统工程是将系统工程学的理论和方法应用于过程工业领域的确一门边缘学科，是化学工程的一个分支。过程系统工程的基本内容就是从过程系统的整体目标出发，根据系统内部各个组成部分的特性及其相互关系，确定在规划、设计、操作和控制等方面的最优策略。20 20 九月九月 2024 20241010研究开发市场调查设备设计设备制造建设工程试运转操作运行过程设计外协检查经营管理控制环境的变化20 20 九月九月 2024 20241111过程系统工程包含的内容过程系统分析过程系统集成过程系统优化过程系统设计20 20 九月九月 2024 20241212过程系统输入输出过程系统分析示意图（待求）20 20 九月九月 2024 20241313过程系统（待求）输入输出过程系统集成示意图20 20 九月九月 2024 20241414过程系统优化过程系统优化或系统优化可分为参数优化和结构优化参数优化：在一确定的系统流程中对其操作参数进行优化。结构优化：改变过程系统中设备类型或其相互间的联结，以优化过程系统。20 20 九月九月 2024 20241515过程系统设计过程系统的设计原则上讲，是过程系统集成与过程系统分析交替过程的整体。包括三个主要的步骤：过程系统集成、分析与优化20 20 九月九月 2024 20241616过程系统经济评价综合参数优化需求计算设备尺寸、费用结构优化最终的过程系统热量物料衡算决策变量优化20 20 九月九月 2024 20241717数学模拟数学模拟：对数学模型求解的过程优 点：经济、灵活、可以减少中间试验，可获得实验条件下难以得到的性能信息，可以利用已有的理论成果来研究复杂过程系统的性能。20 20 九月九月 2024 20241818过程系统模型过程系统模型是借助有关概念、变量、规则、逻辑关系、数学表达式、图形和表格等对系统的总体描述。20 20 九月九月 2024 20241919数学模型的类型与建立按建模的方法分为：机理模型和经验模型按建模是否考虑时间分为：动态模型和稳态模型按建模是否考虑空间分为：集中参数模型和分布参数模型按过程的特征分为：确定模型和随机模数学模型的建立过程称为模型化，模型化的最基本要求，数学模型与所研究的过程系统具有客观的一至性。20 20 九月九月 2024 20242020过程系统模型组成及表示过程单元模型过程系统结构过程系统结构表示：有向图表示、矩阵表示20 20 九月九月 2024 20242121稳态模拟的基本知识数学模型的基本类型与主要形式稳态模拟所研究问题的基本类型稳态模拟的基本方法稳态模拟软件化工过程物性系统化工过程的数学模型20 20 九月九月 2024 20242222数学模型的基本类型集中参数模型与分布参数模型确定模型与随机模型机理模型与经验模型20 20 九月九月 2024 20242323稳态模拟所研究的基本问题标准型问题设计型问题最优化问题20 20 九月九月 2024 20242424单元模块输入流股向量输出流股向量标准型问题20 20 九月九月 2024 20242525单元模块输入流股向量输出流股向量设计型问题控制模块设备参数向量要求的输出向量特性20 20 九月九月 2024 20242626过程模拟模型给定输入物理特性最优化问题经济模拟模型给定的参数控制变量约束条件优化程序约束条件20 20 九月九月 2024 20242727公用工程及原料量成本数据物料与能量衡算设备尺寸计算成本估算经济评价输入条件设备尺寸计算投资费用数据收益流程模拟的一般步骤20 20 九月九月 2024 20242828稳态模拟的基本方法序贯模块法（SM）联立方程法（EO）最优联立模块法20 20 九月九月 2024 20242929流程模拟系统软件模拟系统 开发者 结构 特点ASCEND 美国Carnegie-Mellon 联立方程法 模拟与优化ASPEN PLUS 美国ASPEN公司 序贯模块法 模拟与优化CAPES 日本 序贯模块法 有优化费用 CHESS 美国Washington大学 CONCEPT III 英国CAD中心 序贯模块法 交互作用方式DESIGN 2000 美国Chem Share 序贯模块法FLOWPACK II 英国德国ICI-LINDE 序贯模块法 批处理与交互FLOWSIM 美国Connecticut 大学 联立方程法 图形输入FLOWTRAN 美国Monsanto Co. 序贯模块法 有费用和尺寸GMB 美国Badger Co. 序贯模块法 交互作用方式20 20 九月九月 2024 20243030流程模拟系统软件模拟系统 开发者 结构 特点HYSIM 加拿大HYPROTECH Co.序贯模块法 交互作用方式PRO/II 美国Simulation公司 序贯模块法 批处理与交互QUASLIN 英国CAD中心 联立方程法 模拟与优化 SIMMOD 美国Illinois大学 序贯模块联立模块法 模拟与优化SPEEDUP 英国Imperial大学 PASCAL编程SYMBOL 英国Cambridge大学 联立方程法 线性化法ECSS 青岛化工学院 序贯模块法 Micro SAPROSS 兰州设计院 序贯模块法 合成氨专用系统程 大连理工大学 华东理工大学20 20 九月九月 2024 20243131流程模拟系统的基本结构计算方法库单元模块库物性数据库热力学性质库输入输出管理系统执行程序求解优化经济分析20 20 九月九月 2024 20243232物性系统的作用根据模拟计算的进程与要求向程序提供所需的各种物性数据允许用户输入自己的数据并转换成模拟系统所要求的形式当缺少化合物的物性时，可为用户提供物性推算模型当用户自己有实验数据时，可以按要求的模型形式进行回归，给出回归模型的参数20 20 九月九月 2024 20243333化工过程的数学模型基本定律质量守恒定律能量守恒定律传递速率方程，包括热量、质量、动量传递速率方程状态方程化学平衡化学反学动力学20 20 九月九月 2024 20243434八步法流程模拟画流程图定义组分选择方法定义物流定义单元操作运行模拟察看结果修改参数20 20 九月九月 2024 20243535谢谢！谢谢！