化工中的模拟方法及其应用

化工中的模拟方法及其应用
摘要：化工过程模拟是计算机化工应用中的最为基础、发展最为成熟的技术。

本文主要介绍了近年来国内外化工过程模拟的一些发展情况，并对化工过程模拟中的分子模拟和流程模拟两个方面做了简要介绍。

关键词：过程模拟分子模拟
利用计算机高超的能力解算化工过程的数学模型，以模拟化工过程系统的性能，这种技术早在50年代已开始在化学工业中应用。

经过40年的发展，现已成为一种普遍采用的常规手段，广泛应用于化工过程的研究开发、设计、生产操作的控制与优化，操作工的培训和老厂技术改造。

而且随着计算机硬件的性能/价格比的迅速提高、软件环境的改善与丰富，过程模拟技术发展的势头有增无减。

一、国内外化工过程模拟技术发展现状[1-8]
化工过程模拟技术始于20世纪50年代中后期，1958年美国KELLOGG公司推出了世界上第一个化工模拟程序-FLEXIBLE FLOW SHEETING。

60年代，为化工过程模拟初始发展期；从70年代起，过程模拟逐渐进入了它的成长壮大期，美国MONSANDO公司的FLOWTRAN和SIMULATION SCIENCE公司的PROCESS都是这一时期比较优秀的软件，当时，模拟软件的运行环境主要是大型计算机。

进入80年代后，化工过程模拟走向了它的成熟期，模拟软件的开发、研制主要由专门的化工软件公司进行，模拟计算的准确性、可靠性大大加强，功能更加丰富，各项工作走向专业化、商品化，ASPENTECH、SIMULATION SCIENCE、HYPROTECH公司成为著名的软件供应商，这时计算环境已从大型机转向小型机、工作站和微机。

从90年代开始，是化工过程模拟的深入发展期，最主要的特点是从稳态模拟发展到动态模拟，从单纯的稳态计算发展到和工业装置紧密相连，这一时期，化工过程模拟获得了大范围的推广应用，成为工业界的重要技术手段。

二、化工中的分子模拟方法
从分子水平来研究化工过程及产品的开发和设计，无疑是21世纪化学工程的一个重要方向[9]。

许多化工新技术的出现，如膜分离技术、超临界技术、双水相技术、电泳技术、界面技术、纳米技术等，伴随而生的是一些复杂分子，如高聚物大分子、生物大分子、两亲分子等。

化学工程工作者迫切需要从分子水平来研究系统的微观结构及其宏观热力学性质及传递性质。

1.分子模拟在化工中的应用
1.1分子模拟用于建立状态方程
自20世纪90年代以来，已发展了一类分别以统计缔合流体理论和硬球链理论为基础的状态方程，可用于链状流体和氢键缔合流体的PVT计算，现已为国内外普遍关注和应用。

另一类是用统计力学平均球近似方法求解ORNSTEINZERNIKE积分方程而得到的状态方程，可用于YUKAWA流体的PVT 计算。

还有一类状态方程是在硬球一阶微扰理论基础上，直接从流体的分子模拟数据回归得到的维里展开多参数状态方程。

该方程覆盖了很大温度范围（T=7TC，TC为临界温度）的LJ分子模拟数据[10]。

目前由统计力学微扰理论和平均球近似建立的电解质非原始模型状态方程还很不完善。

在化工界至今仍普遍采用经典的电解质活度模型以及在电解质原始模型平均球近似基础上建立的状态方程[11]。

1.2 分子模拟用于研究分子微观结构
分子模拟是研究分子微观结构的强有力手段。

如在采用TIP3P及TIP位能函数分别对水和甲醇进行MC分子模拟时，即可区分氢键缔合和非氢键缔合的分子数，确定分子周围氢键的配位数分布，从而得出：水分子的氢键平均缔合点数为293，而甲醇分子的氢键平均缔合点数为1 5。

在采用SAFT状态方程时，即可参考上述分子模拟结果。

尽管已有多种描述水分子的位能函数模型（如SPC，TIP3P，TIP4P等），但由于函数过于复杂，不便于直接建立统计力学状态方程。

1.3 用分子模拟研究相界面[13]
分子模拟不仅能测定流体主体内分子的近程有序（即所谓局部组成），还能测定汽液界面、液液界面以及气固、液固界面的分子分布。

对纯流体垂直于汽液界面的分子密度剖面分布及界面层厚度均可从分子模拟得出的双曲正切函数表示，还可用分子模拟获得界面张力数据。

三、化工中的流程模拟方法
流程模拟是过程系统工程中最基本的技术，不论过程系统的分析和优化，还是过程系统的综合，都是以流程模拟为基础的。

稳态流程模拟是发展得比较成熟的技术，80年代已成为工艺设计及过程分析的常规手段。

过程系统最优化是我们追求的目标，过去一直是理论研究的热点，现在已有部分实用化。

现有工厂的模拟与优化是老厂技术改造面临的课题，与一般设计模拟不同，是流程模拟中的新课题。

动态模拟是相对新的研究领域，也是80年代开发的热点。

1.流程模拟的作用和主要应用方向
1.1流程模拟的作用
流程模拟技术的作用表现在以下几方面：
1.1.1它是工艺设计的基础。

利用热力学状态方程和反映过程特性的微分方程，进行各个设备的物料及能量衡算，才能进一步确定设备尺寸；
1.1.2通过流程模拟为工厂技术改造提供依据，找到“瓶颈”部位。

并可计算出各种消除瓶颈的方案效果；
1.1.3它是设计和操作优化的基础。

显然，只有模拟出装置的特性、才谈得到搜索特性优化的方向，从而使得整体达到最优；
1.1.4它是优化控制的基础。

优化控制的机理模型往往是流程模拟计算简化或回归的结果；
1.1.5它是仿真技术的基础。

利用动态模拟技术，可模拟工厂的开车、停车阶段以及运转换作，对事故进行诊断。

开发的模拟培训器可进行人员培训，提高技术水平。

1.2 流程模拟技术的应用[15]
流程模拟技术的上述特点，决定了它在生产领域中有多种应用：
1.2.1改进装置操作条件
降低操作费用，提高产品产量。

技术人员利用计算结果.进行工艺技术分析，从而确定更好的操作条件。

例如ASPEP4TECH公司曾为某厂做合成氨模拟计算.严格计算合成反应器的每段温降，发现计算结果与工艺操作实际数据相差较大，经分析发现，是短路跑气而造成，经改进后，生产正常，氨产量增8%。