71第七章化工过程动态模拟与分析

第七章化工过程动态模拟与分析第一节化工过程系统动态模拟简介化工进展CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS2000Vol.19No.1P.76-78化工过程模拟及相关高新技术(Ⅱ)化工过程动态模拟陆恩锡张慧娟随着化工过程稳态模拟的发展，动态模拟相继被提到日程上来。由于化工稳态过程只是相对的、暂时的，实际过程中总是存在各种各样的波动、干扰以及条件的变化。因而化工过程的动态变化是必然的、经常发生的。归纳引起波动的因素主要有以下几类：·计划内的变更，如原料批次变化，计划内的高负荷生产或减负荷操作，设备的定期切换等。·事物本身的不稳定性，如同一批原料性质上的差异和波动，冷却水温度随季节的变化，随生产时间的增加而引起催化剂活性的降低，设备的结垢等。·意外事故，设备故障、人为的误操作等。·装置的开停车。以上的种种波动和干扰，都会引起原有的稳态过程和平衡发生破坏，而使系统向着新的平衡发展。这一过程中，人们最为关心的问题是：·整个系统会产生多大的影响?产品品质、产量会有多大的波动?·有无发生危险的可能?可能会导致哪些危害?危害程度如何?·一旦产生波动或事故，应当如何处理、调整?最恰当的措施、步骤是什么?·干扰波动持续的时间有多久?克服干扰、波动到系统恢复正常需要多长时间?·开停车的最佳策略。这些问题就不是稳态模拟所能解决的，而必须由化工过程动态模拟来回答。也正是在这样一个背景下，动态模拟在近20多年来尤其是进入90年代后获得了长足的进展和广泛的应用［1～14］。1动态模拟的主要功能和应用领域1.1动态特性研究动态模拟广泛地应用于各种过程动态特性的研究。研究过程参数随时间变化的规律，从而得到有关过程的正确的设计方案，或操作步骤。过程的动态特性并非完全可以从静态特性或者根据经验推断而出，而且往往这类推断是片面的、有错误的。而认识判断的失误又往往是导致事故的根源。因而对于重要的过程，采用动态模拟，深入研究、分析其动态特性是十分必要的。兹以工业中常见的甲烷化反应为例，说明动态模拟的重要性。甲烷化反应在固定床反应器、有催化剂存在的条件下进行。进料为50%的合成气(H2和CO混合物)和50%的水蒸气。在反应器中有以下反应发生：CO+3H2=CH4＋H2OCO+H2O=H2＋CO2这两个反应均为放热反应，正常条件下，进入反应器物料的温度为755K，出反应器物料温度为1032K。水蒸气的通入是非常重要的，其作用有三个方面，一是可抑制甲烷化反应，二是促进水-汽转化反应，三是稀释反应热。假设水蒸气供应突然停止了3min，此时反应器将产生什么变化?图1是根据稳态模拟作出的有蒸汽和无蒸汽两种情况下沿反应器长度变化的温度曲线。可以看出，对于有蒸汽的工况，沿反应器管长温度呈上升趋势，在出口处达到最高，为1032K。而无蒸汽情况，约在24%的反应器长度上温度上升到最高，为1206K，此后该温度基本维持不变，直至反应器出口。图2则是根据动态模拟得出的结果，给出了在蒸汽正常供应、蒸汽停止3min及蒸汽恢复供应后三个阶段中，在不同反应器的长度方向上，温度随时间变化的曲线。可以看出，在蒸汽停止供应的时刻，反应器入口温度最低为750K，出口处温度最高为1032K。当蒸汽停止供应的3min期间，反应器出口温度先升后降，在不同反应器长度上温度变化均不同。在3min末，反应器长度0.4处温度升至最高约为1165K。然而在蒸汽恢复之后，反应器不同长度上温度的变化却超出常规的预料，温度不是立即下降，反而继续上升。靠反应器出口愈近，温度升高愈大。在反应器出口处，在第7min时，温度达到最高，为1250K，之后再缓缓下降。动态模拟求出的最高温度较稳态模拟高出44K左右。从动态模拟曲线还可看出，反应器中热点的形成非常之快，而热点的移动又是相当的缓慢，直至7min才开始下降，在10min时，反应器出口温度尚未恢复正常。从以上分析可以看出，应用动态模拟可以更加全面、正确地认识一个化工过程，认识当某一个干扰或波动发生时，会发生什么样的变化。对于甲烷化反应器，考虑到水蒸气供应可能中断的情况，则在设计时就必须考虑较高的设计温度，否则如仅按稳态模拟的温度进行设计就有可能造成严重的后果。动态模拟的重要性是显而易见的。1.2开停车指导化工生产中，开、停车是极其重要的环节。不仅因为有大量的设备需要开始投入使用或者停止操作和运转，而且有大量的物料需要处理。任何疏忽或处理不当都极易产生各种各样的事故，从而导致严重的经济损失或人员的伤亡。对于大型的石化装置，每开停车一次，即使是完全正常，也会造成数十万、甚至数百万的经济损失。因而历来无不对开停车过程给予高度的重视。然而在没有动态模拟的情况下，开停车过程主要根据经验进行操作，不可能，也不允许直接在装置上做任何试验。因而，对于操作者来说，开停车次数愈多，经验也就愈丰富，开停车步骤是否完全正确、恰当，很少能从理论上予以验证。自从有了动态模拟以来，已广泛应用于开停车过程的动态研究。从理论上探讨、分析开停车过程的特性，从而指导开停车过程的实施，其主要作用有：·缩短开停车时间，尽快达到稳定操作状态或安全停车；·降低物耗、能耗，减少开停车损耗；·避免可能产生的误操作或事故；·减少不合格产品；·保证开停车过程顺利进行；·取得最佳经济效益。1.3动态仿真系统建立动态仿真系统是动态模拟的一项重要用途。动态仿真系统用来模拟装置的实际生产，它不仅能得到稳态的操作情况，更重要的是当有波动或干扰出现时，系统会产生什么变化，通过动态仿真便可一目了然。因而动态仿真系统可以广泛地用于教学和培训。以往新装置开车前，操作人员必须事先在同类的装置进行培训、实习，以便取得第一手的实际经验。这样做不但费时，费用高昂，更重要的是难以在实际装置上进行事故状态及异常情况的操作培训，也难以保证能够进行开、停车的训练。而这一切在动态仿真系统上都是轻而易举的“常规”训练，操作人员可以反复应用计算机仿真系统进行实践、练习，直至完全掌握。因而动态仿真系统的出现已使计算机培训逐渐取代了传统的实际装置培训。国际上较有名的动态仿真系统有美国ABBSimconInc.的Simcon动态模拟器［1］。该模拟器提供用户统一的平台及智能化工具用来开发用户自己的工程和培训模型。用户可以：·开发操作规程；·开停车操作程序；·校验工艺控制系统及设计；·异常情况处理；·进行危害性操作研究；·正常操作培训。·检验工艺设计及分析操作性能；SIMCON动态模拟器由SIMCON智能图形化建模器GMB、SIMCON模拟语言、SIMCON培训管理器、标准的及用户的单元操作工艺模型等部分所组成。值得指出的是SIMCON智能图形化建模器GMB中采用了著名的GensymCorporation［13］的实时数据库G2软件，作为专家系统的基础。G2融合了以下若干强有力的技术：·基于规则的推理；·用户/服务器网络；·面向目标的设计；·交互式图形系统；·结构化的自然语言；·高性能实时数据接口。·动态建模；1.4设计先进控制系统先进控制是起源于70年代末，而在90年代获得了广泛应用的过程控制技术。先进控制系统设计的关键是了解装置的动态特性，而装置动态特性可以通过在线过程识别或者过程动态模拟获得。当没有动态模拟软件时，必须在现场进行动态测试，这就给生产带来极大的不便，同时生产装置的稳定运行要求，也给动态测试带来了种种限制，并非所有特性都可以通过现场测试得到。而动态模拟的发展，使得可以通过计算机模拟取代现场动态测试。这不仅节省了资金，加快了动态特性数据的获取，而且对生产无任何干扰，并可取得任何所需的数据。在国外，动态模拟已经大量地应用于先进控制系统的设计，尤其是在著名的过程控制公司如美国Setpoint公司和DMC公司(均于1996年为ASPENTECH公司兼并)等，并取得了极大的经济效益。2国外动态模拟的发展动态模拟的发展较稳态模拟略迟。国外有关动态模拟的研究成果的报道出现于70年代初期，如Bobrow,Ponton等人提出的DYNSYS系统，应用于指导丁二烯抽提装置的开车。Franks、Nuttal、及Himmelblan等人开发的DYFLO软件用于可控CSTR反应器。Briggs等人的DYSCO软件用于SO2吸收装置的开车等。这些初期的动态模拟软件，处理的变量少，应用范围较狭窄，只能对个别具体装置进行动态研究。这一时期尚未能形成通用化的动态模拟系统。进入80年代以来，众多动态模拟软件纷纷推出，如美国普度大学的BOSS、英国剑桥大学的QUASLIN、美国威士康星大学的POLYRED、德国BASF公司的CHEMSIM、Linde公司的OPTSIM等［10］。然而商品化、通用化较好的动态模拟软件还是出自专业化的化工过程模拟公司。如80年代后期，美国ASPENTECH公司推出了著名的通用动态模拟软件SPEEDUp［2］，美国ABBSimcon公司推出了SIMCON系统，并成功地将其应用于大型乙烯装置的动态模拟，在工业界有较大的影响。90年代中期，加拿大HYPROTECH公司在其稳态模拟软件HYSIM的基础上，又推出了动态模拟软件HYSIS［11］。HYSIS同时兼有稳态模拟和动态模拟的功能，用户可以很方便地在稳态和动态模拟之间切换。ASPENTECH公司则综合了其稳态模拟软件ASPENPLUS和动态模拟软件SPEEDUp的特点，于1997年推出了同时具有稳态和动态模拟功能的软件DYNAMICS［12］。可以说DYNAMICS和HYSIS是到目前为止仅有的两个通用的、功能强大、使用方便、用户界面十分友好的将稳态和动态模拟合二为一的著名商品化软件。需要指出的是，当前国外推出的各种动态模拟软件均是基于严格的机理模型，因而它可以较准确地模拟各种化工过程，进行先进系统控制设计、开发动态仿真软件、模拟开停车过程、进行事故状态分析研究等等。3稳态模拟和动态模拟的异同稳态模拟是在装置的所有工艺条件都不随时间而变化的情况下进行的模拟，而动态模拟是用来预测当某个干扰出现时，系统的各工艺参数如何随时间而变化。就模拟系统构成而言，它们之间的比较如表1所示。表1稳态模拟和动态模拟的比较稳态模拟动态模拟仅有代数方程同时有微分方程和代数方程物料平衡用代数方程描述物料平衡用微分方程描述能量平衡用代数方程描述能量平衡用微分方程描述严格的热力学方法严格的热力学方法无水力学限制有水力学限制无控制器有控制器对于稳态模拟，尽管从理论上讲，存在多种流程计算的方法，但几乎所有的商业化的稳态模拟软件都采用序贯法(sequentialmethod)来进行流程计算。序贯法要求每一单元过程的模型(model)和算法(algorithm)组合在一起，构成所谓的模块(module)。计算过程按模块逐一进行。每次只能解算一个模块。处于后面的模块必须待前面的模块解算完毕才能进行计算。如果流程中存在返回物料，就需要通过多次迭代，才能获得收敛解。对于动态模拟，其单元过程的模型则仅仅是描述该过程的一组方程组。每一单元过程中并不包括该方程组的任何解法。模型的组集方式称之为开放型式的方程或面向方程的型式(openformequation,equation-orientedform)。其特点是可以随意指定约束和变量。流程的计算是采用通用的解法软件，同时处理所有单元过程的全部方程组，并联立解所有的方程。由于动态模拟是联立解所有的方程，它的计算速度很快，但是必须要求有较好的初值，否则无法收敛。故通常都采用稳态模拟的结果作为动态模拟的初值。■作者单位：陆恩锡（华南理工大学传热与节能教育部开放研究实验室，广州，510640）张慧娟（华南理工大学传热与节能教育部开放研究实验室，广州，510640）参考文献：［1］Simcon.DynamicSimulationSystem,ABBSimconInc,1995［2］SPEEDUP,ASPENTechInc,1991［3］RobertAStott,JohnCaldwell.DynamicProcessSimulationforAdvancedControlProject