许留建 陈海
山东省方明化工股份有限公司
摘 要：为了提高化工工艺设计质量、促进我国化工产业的发展，对过程模拟优化在化工工艺设计中的应用进行了研究。首先，对过程模拟优化技术进行了分析，指出了其定义及应用优势。然后，详细阐述了过程模拟优化技术在生产设备优化及调整、新工艺研究、装置设计中的应用方法。最后，结合实例具体阐述了过程模拟优化在化工工艺设计中的应用。
关键词：过程模拟优化；化工工艺设计；应用
随着我国计算机技术的发展，其在化工生产中的应用越来越深入。其中，最成熟的应用技术就是过程模拟优化技术。这种优化技术可以有效保证工艺设计的科学性[1-3]。基于此，应结合生产实际，深入研究过程模拟优化技术的应用，从而充分发挥出该技术的优势，为化工工艺优化设计提供基础保障。
1 过程模拟优化技术简介
1.1 定义
过程模式优化技术是指借助计算机技术进行化工生产过程的模拟，并进行相应的计算，调整工艺参数，从而提升化工工艺的科学性、合理性。其中，需要计算的有相比平衡、压力平衡、热平衡等。此外，还会对化工工艺介质进行计算、调整。
1.2 应用优势
传统化工工艺设计包括流程组织、物料衡算（Material Balance，MB）及热量衡算（Heat Balance，HB）、设备设计及选型、工艺物料平衡图（Program Flow Diagram，PFD）设计与绘制、流程平立面布置及配管设计、概算、流程的技术经济分析、编制工艺设计说明书。该流程主要包括两个循环：（1）从物料及热量衡算到流程技术经济分析的内循环。（2）涉及全部流程的外循环。结合实际来看，外循环优化的工作量最大，且必须依靠计算机辅助设计。
借助计算机进行化工工艺过程模拟优化主要从流程组织阶段入手，在模拟软件中输入工艺流程草图，然后输入流程结果、已知参数，以便进行设备参数、操作的优化、调整。接下来，还要进行MB、HB计算、设备设计及选型、PFD图绘制、流程平立面布置及配管设计、概算、流程的技术经济分析。具体来说，是将描述某个化工过程的数学模型及参数输入到计算机模拟软件中，由模拟软件完成数学模型的求解，然后依据输出结果就可进行化工工艺的优化。在整个过程中，主要就是进行物理模拟和数学模拟。其中，物理模拟是指借助物理试验手段，进行化工过程的模拟，具有成本低、灵活的优点。数学模拟是指通过构建数学模型，对模型进行求解、分析，进而达到对化工过程进行研究的目的，具有可靠性高的特点。一般在实际化工工艺过程模拟优化中，大多将数学模拟和物理模拟结合在一起。另外，大多应用Aspen Plus模拟软件、Capes软件进行过程模拟。其中，Aspen Plus模拟软件的功能更齐全、规模更大。
总之，传统化工工艺存在许多不足。通过应用过程模拟优化技术可以提高化工工艺的经济性，降低生产成本，提升化工生产效益。最重要的是，能为产品的研发、设计提供保障，促进化工企业的可持续发展。
2 过程模拟优化技术在化工工艺设计中的应用
2.1 生产设备的调整、优化
在生产设备调整、优化方面，过程模拟优化技术起到了不可替代的作用。通过模拟化工工艺流程，可以找到最佳的工艺条件，实现化工生产的节能、降耗。相对于传统的优化方法，借助计算机进行化工设备优化，可以得到最佳的工艺参数，保证化工生产效率。
目前，过程模拟优化技术已经实现了动态模拟、实时优化。但是，其基础仍是稳态模拟。毕竟，只有通过稳态模拟确定各项数值，才可开展动态模拟、实施优化。通过应用这两种模拟优化技术可以对复杂装置进行调整、优化。例如，可以利用Fluent软件对旋风分离器内流场进行模拟分析，并依据模拟结果，对其流体速度、压力变化进行观察分析，从而为调整、优化设备提供参考。这样就可依据化工工艺实际，对旋风分离器参数进行调整，提升其使用性能。
2.2 新工艺研究
在20世纪60年代以前，化工工艺新流程的研究主要采用试验方法，费时费力。后来，随着计算机技术的发展，过程模拟优化技术逐渐得到了人们的重视，并被应用在新工艺研究中。现如今，化工新工艺研究的主要手段就是应用过程模拟优化技术，必要时配合试验。这样不仅能缩短新工艺研究流程、提升新工艺研究效率，还能增强新工艺的适用性。
以现有的环丁砜抽提工艺为例。其产品中的芳烃含量比较高，且流量大、能耗大。因此，可以用过程模拟优化技术进行新工艺的研究，弥补传统工艺的不足。例如，可应用PRO/ II模拟软件，模拟环丁砜溶剂芳烃抽提过程、结果，建立新的工艺路程：将原料送入抽提蒸馏塔中段，溶剂则送入塔上段。这样芳烃、原料就能逆向接触，且芳烃选择性地溶解。
另外，非芳烃会被塔顶引出，混合物则从塔底进入回收塔。然后，对回收塔排出的芳烃、水分进行冷凝、冷却、油水分离就可得到混合的芳烃产物。相对来说，新工艺不仅能降低能耗，还能节约成本、保证化工生产效益。总之，过程模拟优化技术非常有利于化工新工艺的研究。
2.3 新装置设计
化工过程模拟的主要应用途径之一就是新装置设计。因为应用过程模拟优化技术可以更加精确地计算物料平衡、能量平衡，以便进行后续的设备工艺参数修改、调整、优化。尤其是对乙烯装置、催化裂化装置、气体分馏装置等的设计，其过程模拟效果更好，最终的模拟结果也更准确，甚至可以用于检验现场生产操作的规范性、合理性。
具体来说，应用模拟软件可以实现以下功能：（1）可判断化工装置是否在优化状态下，若不在则应如何改进；（2）可通过模拟发现装置在实际生产中的应用瓶颈，并提供相应的参数、结果，方便设计人员改进装置，突破瓶颈；（3）无需进行实际投资，就可完成装置优化，降低装置能耗；（4）当装置出现异常时，可通过模拟找到装置异常点，并提出相应的解决措施；（5）可為装置的改造、技改提供基础保障；（6）可方便技术人员的综合素养培养。现如今，过程模拟在装置设计中的应用已经非常广泛。例如，青岛炼化通过应用过程模拟优化技术对其实际生产装置进行了优化。结果证明，通过应用新装置，不仅节约了燃料，还提高了节能效益、产品回收效率。荆门石化则通过应用过程模拟优化技术对气分装置进行了降压操作优化，使得节能效益大幅度提升。由此可见，过程模拟优化技术非常有利于新装置设计，且能有效促进装置的节能、降耗。
3 过程模拟优化技术在化工工艺设计中的应用
3.1 应用案例分析
在化工工艺设计中应用过程模拟优化技术，可以有效提升化工生产效率、改进化工工艺。本研究以某石化企业为例，对过程模拟优化技术的应用进行了分析，重点研究其裂解工艺。该工艺的主要应用装置是裂解炉。裂解炉装置包括急冷锅炉、对流室、对流室管组、辐射室、裂解管等部分。
3.2 應用过程
3.2.1 假设
在充分掌握乙烯裂解工艺的基础上，提出科学性的假设，进行裂解工艺的简化。技术人员要做的是：（1）进行物质的量比计算。即对化学反应原料进行分析、计算；（2）对影响乙烯裂解的各项影响因素进行计算，例如热平衡、压力平衡等；（3）进行化学反应介质的计算。具体步骤是：首先，依据等价原则，在连续操作状态下获得化学生产全过程。然后，进行模拟计算，并忽略各种特殊情况的影响及整个生产过程的能耗。需要注意的是，在计算气液平衡的过程中，若无化学反应，则可不进行计算，以免计算难度过高。
3.2.2 模拟
结合实际来看，乙烯裂解的产量会受到热负荷、反应压力等因素的影响。所以，技术人员要进行技术分析，结合相关条件对系统热量进行优化。但是，技术人员仍需注意，裂解炉的操作会受到各种条件影响。如果这时应用过程模拟优化技术，就可以对原料加工、乙烯裂解数据信息、生产状态等进行分析，并得到相关数据。接下来，技术人员就可结合相关参数，构建质量指标预估模型，实现数据资源的转化。在该案例中，技术人员通过过程模拟，实现了出口温度的控制，将裂解炉出口温度提升了4 ℃，以此加深裂解程度，增加乙烯产量。
3.3 应用效果
总体来说，通过过程模拟优化技术对化工艺进行了再次调整，并取得了以下应用效果：（1）对工艺故障进行了诊断。在以往的生产工艺中，大多对工艺进行试验测试，不仅浪费时间，还消耗了更高的成本。但是通过应用过程模拟优化技术，工艺改进的周期明显缩短，且投入成本有所降低。（2）工艺改造更加有效。在实际生产中，通过应用过程模拟优化技术对工艺参数进行了精准计算，消除了传统不良因素对生产工艺的影响。在该厂进行生产工艺调整后，其经济效益直线提升，并在两个半月后实现了利益最大化。
4 结语
过程模拟优化技术对化工工艺设计有非常重要的促进作用，不仅能为技术人员提供各种数据信息，有助于进行装置、工艺、设备的改造、优化，还能落实节能、降耗理念，促进化工产业的可持续发展。最重要的是，能大幅度提高化工工艺设计的科学性和合理性，提升化工生产的经济效益，增强化工企业的核心竞争力。
[参考文献]
[1] 林晓辉，伊海亮.过程模拟优化在化工工艺设计中的应用研究[J].中国石油和化工标准与质量，2019，39（14）：199-200.
[2] 康荣鑫.过程模拟优化在化工工艺设计中的应用[J].中国石油和化工，2016（增刊1）：85-86.
[3]田新.化工工艺安全设计中存在的风险因素及应对措施[J].现代盐化工，2017，44（2）：7-8.