第八讲化工过程热集成仿真

合集下载

化工过程系统模拟与仿真概述

如需对目标对象实施控制，必须建立其数学模型，对于炼
立一个准确的机理模型是不可能的。目前普遍使用的方法。
助研究方法、辅助生产及辅助教育等领域得到广泛应用。本油等繁琐的化工过程，由于其中涉及的变化非常复杂，要想建
运行电压、信号传输频率等。而不是简单地按照线路的走向来
二三级电涌保护器例如很多处于屋面的信息系（）８低压配电间、电箱、配卫生间（淋浴问）弱电设备机房、确定第一、、、但在电涌保护器的选电梯机房、电气竖井等宜在一些合适的地方预埋连接板，做局统设备虽然在线路走向上属于末端设备，部等电位连接及接地用。择上却应根据其所处的防雷区来确定，往往应选择第一或第二
化工过程系统模拟与仿真概述
口王树峰 … 宋建本ｎ夏树海乜
山东・淄博２５０；５４０（１山东化工职业学院【】
［】海炼化惠州炼油分公司广东・惠州５６８）２中１０６
摘ห้องสมุดไป่ตู้
要：介绍化工仿真的相关知识与应用，介绍相关概念与建模常识，并对其发展趋势做了简要叙述模型过程系统文献标识码：Ａ．文章编号：１０—９３２１）ｌ９．２０７３７（００Ｏ卜０２０

化工仿真实训教材

固体导热
流体导热
电磁波(高温)
返回目录
第六节加热炉仿真
• 二、传热设备
返回目录
第六节加热炉仿真
返回目录
第六节加热炉仿真
• 三、仿真工艺流程简述
返回目录
第一节概述
• 四、PISP平台评分系统（指导、诊断、评测）
返回目录
第一节概述
• 1.操作状态指示
返回目录
第二节离心泵仿真
一、流体输送机械概述
什么是流体
你见过流体输送机械吗
返回目录
第二节离心泵仿真
一、流体输送机械概述
作用
1.为流体提供动力,以满足输送要求; 2.为工艺过程创造必要的压强条件;
• 副反应如下：
+3Na2S2O3+(3n+4)S¯
→ • C6H4NClO2＋Na2Sn＋H2O
C6H6NCl+Na2S2O3+S¯
返回目录
第四节间歇反应釜仿真
• 三、控制要点
• 本工艺流程中，主反应的活化能要比副反应的活化能要高，因此升温后更利于主反应收率。在90℃的时候，主反应和副反应的速度比较接近，因此，要尽量延长反应温度在90℃以上时的时间，以获得更多的主反应产物。
ຫໍສະໝຸດ Baidu 第一节概述
• 仿真软件中仪表的表示：

化工过程热集成

•
夹点方法的设计原则
①• 夹为点达之到上最不小应加设热置和任何冷公却用公工用程工冷程却量器 ②• 夹—点—之下En不er应gy设T置ar任ge何t 公用工程加热器
③ 不应有跨越夹点的传热
•
2. 换热网络设计目标
1. 能量目标——最小公用工程量 2. 换热单元数目目标 3. 换热网络面积目标 4. 经济目标
化工过程热集成
2020年5月28日星期四
1. Pinch Technology
1. 温-焓图和组合曲线 2. 夹点的形成 3. 夹点的意义和设计原则
•Example-1
•
温-焓图（T-H）
•
Composite Curve
•
Composite Curve
•
Pinch Point
•
夹点的意义
•
最优夹点确定
•
3. 换热网络优化设计
• （1）夹点技术设计准则
•
Example-1
•Example-1
•
Aspen Energy Analyzer 简介
•1. S管tr理u员ctu（rMe a基na本ge术r）语
2. 项目（Project）——方案（Scenario）和设计（
Design）
3. 案例（Case）—— 只有一个设计 4. 改造模式（Retrofit Mode） 5. 案例/文档（Case/File） —— *.hcd 6. 事例（Session）

化工原理中的化工过程集成与优化

化工原理中的化工过程集成与优化化工工程中的过程集成与优化是一项重要的技术，旨在通过优化化

工过程中的各个单元操作，提高生产效率、降低能耗以及减少对环境

的污染。本文将介绍化工原理中的化工过程集成与优化的基本概念、

方法和应用案例，并探讨其在化工工程中的重要性和前景。

一、化工过程集成与优化的基本概念

化工过程集成与优化旨在通过将化工过程中的各个单元操作进行整

合和优化，以实现整体性能的提升。过程集成是指将不同的单元操作

相互结合，形成一个具有相互关联和协同作用的整体系统；过程优化

则是通过对该整体系统进行综合分析和调整，以实现最佳的生产效果。化工过程集成与优化的目标包括降低能耗、提高产量和质量、降低成

本和减少对环境的影响。

二、化工过程集成与优化的方法

1. Pinch Analysis（突破分析）

Pinch分析是一种常用的化工过程集成与优化方法，主要用于能量

系统的优化。该方法通过对热量的流动进行分析，确定热量交换装置

的最佳配置，以最大程度地降低能量消耗和损失。

2. Mathematical Programming（数学规划）

数学规划是一种利用数学模型和计算方法来优化化工过程的方法。

它通过建立数学模型，将目标函数和约束条件进行数学描述，然后使

用优化算法求解最优解。常用的数学规划方法包括线性规划、整数规划、动态规划等。

3. Process Simulation（过程模拟）

过程模拟是一种将化工过程进行数字化描述和仿真的方法，旨在通

过对过程进行模拟和分析，找出优化的空间和改进的方向。过程模拟

常用的软件工具包括ASPEN Plus、HYSYS等。

化工过程模拟与分析(第八章经验建模方法)

05
经验建模展望与挑战
深度学习在经验建模中的应用
深度学习技术
利用神经网络和深度学习算法，构建复杂的非线性模型，模拟化工过程的动态行为。
优势ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
能够处理大规模数据，自动提取特征，提高模型的预测精度和泛化能力。
挑战
需要大量的标注数据，模型训练时间长，对计算资源要求高，且易受数据噪声和过拟合问题影响。
定义
线性回归模型是一种通过最小化预测值与实际值之间的平方误差来拟合数据的方法。
特点
简单易用，适用于线性关系明显的预测问题。
应用场景
适用于预测单一因变量的数值，如温度、压力等。
多元线性回归模型
定义
多元线性回归模型是一种处理多个自变量对因变量影响的线性回归模型。
特点
能够处理多个影响因素，提高预测精度。
特点
经验建模方法具有简单、易操作、快速等优点，适用于对化工过程进行初步分析和优化。
经验建模的重要性
快速评估
01
经验建模方法能够快速建立化工过程的数学模型，为初步分析
和评估提供支持。
优化设计
02
通过经验建模，可以对化工过程进行优化设计，提高生产效率
和降低能耗。
故障诊断
03
经验建模方法还可以用于化工过程的故障诊断，及时发现和解
应用场景

化工仿真原理

化工仿真是指利用计算机软件模拟化工过程的运行和变化规律，通过对化工系

统的数学建模和仿真计算，来预测和分析化工过程中的各种现象，以及优化和改进化工过程的操作。化工仿真原理是指在进行化工仿真时所遵循的基本原理和方法，下面将对化工仿真的原理进行详细介绍。

首先，化工仿真原理的基础是化工过程的数学建模。化工过程是一个复杂的系统，包括各种物质的流动、传热、传质、化学反应等多种过程，因此需要建立相应的数学模型来描述化工过程中各种物理、化学和动力学现象。数学建模是将现实中的化工过程抽象为数学方程或模型的过程，通过对化工过程的物质平衡、能量平衡、动量平衡等方面进行建模，从而形成化工过程的数学描述。

其次，化工仿真原理还包括了仿真计算的方法和技术。在进行化工仿真时，需

要选择合适的仿真计算方法和技术，如有限元法、有限体积法、离散元法等，来对化工过程的数学模型进行求解和计算。通过仿真计算，可以得到化工过程中各种物理量的分布和变化规律，如温度、浓度、压力等，从而对化工过程进行全面的分析和评估。

另外，化工仿真原理还涉及了模拟实验的设计和验证。在进行化工仿真时，需

要设计合理的模拟实验方案，通过对化工过程的各种操作条件和参数进行变化，来验证仿真模型的准确性和可靠性。通过模拟实验的设计和验证，可以对化工过程的优化和改进提供科学依据和参考。

此外，化工仿真原理还包括了对化工过程中各种现象和规律的分析和解释。通

过对化工仿真结果的分析，可以揭示化工过程中的各种物理、化学和动力学现象，如传热传质过程的特点、化学反应的动力学规律等，从而为化工过程的优化和改进提供理论支持。

化工过程热集成Aspen Plus

§2 夹点技术与换热网络
在石油化工生产过程中，一些工艺
物流需要加热，而另一些工艺物流需要冷却，如何合理地将这些物流匹配在一起，充分利用热物流去加热冷物流、提高过程的热回收率，以便尽可能减少公用工程加热和冷却负荷是一个多方案、多目标的集成问题。
§2 夹点技术与换热网络
换热网络合成就是确定出这样的流程，
及特性。
问题表格法求解步骤：（1）以垂直轴为温度的坐标，把各物流按其初温和终温标绘成有方向的垂直线。在标绘时，处于同一水平位置的冷、热物流
之间刚好相差 ΔTmin ，这样就保证了热、冷物流间
有 ΔTmin的传热温差。基于所有冷、热物流的初温
和终温作出的水平线将换热网络划分成若干个子
网络。
问题表格法求解步骤：（2）依次对每个子网络进行热量衡算。
化工过程热集成
——Aspen Energy Analyzer
主要内容
§1 夹点技术 §2 夹点技术与换热网络的合成
§3 Aspen Energy Analyzer的应用
§1 夹点技术
夹点技术（ Pinch technology ）是以热力学为
基础，以最小能耗为主要目标的换热网络综合方法。
1978年，Linnhoff等提出了换热网络的夹点问题，
h c
△Hc
△Hr
△ຫໍສະໝຸດ Baiduh

化工仿真模拟过程系统操作要点

大型化工装置无论是流量、物位、压力、温度或组成的变化，都呈现较大的惯性和滞后特性。初学者或经验不足的操作人员经常出现的操作失误就是工况的大起大落。典型的操作行为是当被调变量偏离期望值较大时，大幅度调整阀门。由于系统的大惯性和大滞后，大幅度的调整一时看不出效果，因而继续大幅度开阀或关阀。一旦被调变量超出期望值，又急于扳回，走入反向极端。这种反复的大起大落形成了被调变量在高、低两个极端位置的反复振荡，很难将系统稳定在期望的工况上。
依据同样的道理，设备和管道的局部过冷也要防止。例如脱丁烷塔进料前先用C4升压，用以防止进料闪蒸引起局部过冷。
PPT文档演模板
化工仿真模拟过程系统操作要点
过程系统操作要点
n 建立推动力的概念
差异就是推动力，差异越大推动力越强。压力差是管道中流体流动的推动力。温差是热量传递的推动力。密度差实质上是压力之差，也是流动的推动力。
热态停车的原则是：处理事故所消耗的能量及原料最少，对产品的影响最小，恢复正常生产的时间最短。在满足事故处理的前提下，局部停车的部位越少越好。
PPT文档演模板
化工仿真模拟过程系统操作要点
过程系统操作要点
n 找准事故源从根本上解决问题
这是处理事故的基本原则。如果不找出事故的根源，只采用一些权宜方法处理，可能只解决一时之困，到头来问题依然存在。或者付出了更多的能耗以及产品质量下降等代价。当然对于复杂的流程找准事故源常常不是一件容易的事情，需要有丰富的经验、冷静的分析、及时且果断的措施，在允许的范围内甚至要作较多的比对试验。

热仿真原理

热仿真原理是指通过数学模型模拟热传导、传热和热辐射等热学现象的过程。在热仿真中，热量的传递和分布可以通过计算机模拟得出，以便更好地理解和预测热学系统的行为。

热仿真在工程领域中应用广泛，例如在建筑设计、航空航天、汽车制造、电子设备设计等方面。通过热仿真，可以设计更加高效、节能的系统，减少能源消耗和环境污染，同时提高产品的可靠性和安全性。

热仿真的模型和方法有多种，包括有限元法、有限体积法和边界元法等。这些方法可以应用于不同的热学问题，例如热传导、对流传热、辐射传热和相变等。同时，热仿真也需要考虑诸多因素，例如材料的物性参数、边界条件、初始条件等，以保证仿真结果的准确性。

总之，热仿真的原理和方法为我们提供了一种有效的手段，使我们能够更好地理解和预测热学系统的行为，从而设计出更加高效、节能的系统。

- 1 -

ASPEN ENERGY ANALYZER-化工过程热集成仿真学习课件.ppt

精品
最大能量回收网络的换热单元数目标
如果要使系统能量最大回收，需将系统分成夹点之上和夹点之下两个独立网络设计：
夹点之上： U min ，1 N1 L1 S1 夹点之下： U min ,2 N 2 L2 S2
U min U min ，1 U min ，2
如果有热量穿过夹点传递，则会使公用工程量增加（不满足能量最大回收），此时夹点上下就不再是独立网络了。
极限情况是夹
QE
点温差为零。
H
精品
夹点的形成 -Pinch Point (3)
对于有限大的传热面积，最小传热温差不能为零。设定最小传热温差值，就可根据(T-H)图中的
冷、热组合曲 T
线得到系统内
部换热量QE、
冷公用工程量 QC 和热公用工
夹点
程量QH。
QE （h j A j T j）
j
QC
1. 能量目标 2. 换热单元数目标 3. 换热网络面积目标 4. 经济目标
精品
Energy Target — 能量目标
能量目标就是指以系统能量的最大回收为目标，即最小热公用工程和最小冷公用工程。能量目标随夹点温差而变。夹点温差确定后，
所分析系统的能量目标为一确定值。若夹点温差增大，加热公用工程和冷却公用
蒸汽动力子系统
产品
副产蒸汽

化工原理实验及虚拟仿真教材

化工原理实验及虚拟仿真教材是指通过虚拟仿真技术来模拟化工原理实验的教学辅助材料。该教材可以通过计算机软件或互联网平台来实现，让学生能够在虚拟环境中进行实验操作和观察，以增强他们对化工原理的理解和实践能力。

化工原理实验及虚拟仿真教材应该包括以下内容：

1.化工实验操作的虚拟模拟：通过虚拟场景模拟实验室的环境

和设备，学生可以进行各种化工实验的操作，如混合、反应、分离、测量等，从而学习化工实验的基本技能和过程。

2.实验数据的记录和分析：学生进行虚拟实验后，可以得到各

种实验数据，包括温度、压力、浓度等参数的测量结果。然后，学生可以使用虚拟软件进行数据的处理和分析，如绘制曲线、计算结果等，以帮助他们深入理解化工原理。

3.化工反应机理的模拟演示：通过虚拟仿真技术，可以模拟化

工反应的机理和动力学过程。学生可以观察和分析反应过程中不同物质的转化规律和反应速率的变化，从而了解化学反应的基本原理和特点。

4.安全操作和应急处理的模拟：化工实验中存在一定的风险和

安全隐患，虚拟仿真教材应该包含安全操作指导和应急处理模拟，让学生了解实验中的安全问题，培养他们的安全意识和应急处理能力。

综上所述，化工原理实验及虚拟仿真教材可以为化学工程专业的学生提供更加直观、实践的学习方式，帮助他们更好地掌握化工原理和实验技能。

化工过程的热动力学仿真模拟

近年来，化工工业的发展如日中天，化工企业也在加速提升其生产效能、降低成本、减少环境污染等方面做出了大量的努力。而在化工过程中，热动力学仿真模拟则成为了不可或缺的一部分，通过对化工过程的热动力学行为进行仿真模拟，可以为化工生产过程的优化提供有力支持。

一、热动力学仿真模拟的概念

热动力学仿真模拟是指运用数学、物理学、计算机科学等知识，通过对化工过程的物化行为、热学行为、动力学行为等多种因素进行仿真模拟，以便更好地评估化工过程的性能、控制化工过程、改进现有过程运行等。

二、热动力学仿真模拟的类型

1. 动态模拟

动态模拟是对化工过程中各种因素变化作出反应的一种仿真模拟，其建模依据主要来自于过程的基础理论及实验数据。动态模拟的目的是为了探究过程中的各种变化和存在的问题，并找到针对这些问题的解决方案。

2. 静态模拟

静态模拟是指对过程中处于平衡状态下各种变量的仿真模拟，其主要目标是对化工过程进行分析。静态模拟一般是构建一个静态的数学模型，并且将化工过程中各种参数挖掘出来，进而进行研究。

三、热动力学仿真模拟的优势

1. 提高化工生产的效率

通过热动力学仿真模拟，在化工过程中我们可以很好地模拟出各种影响因素，帮助企业优化生产工艺，减少生产周期，提高生产效率。

2. 降低化工企业成本

热动力学仿真模拟是一种全面的仿真技术，可以在化工生产之前，模拟各种生

产情况，这样可以在节约归档方面降低化工企业成本，节约机械设备、人工和原材料等各种成本。

3. 控制化工生产过程

热动力学仿真模拟是一种优秀的控制技术，它可以更好地控制化工生产过程中

化工过程热集成PPT

Composite Curve
Pinch Point
夹点的意义
夹点方法的设计原则
为达到最小加热和冷却公用工程量 —— Energy Target
① 夹点之上不应设置任何公用工程冷却器 ② 夹点之下不应设置任何公用工程加热器 ③ 不应有跨越夹点的传热
2. 换热网络设计目标
1. 能量目标——最小公用工程量 2. 换热单元数目目标 3. 换热网络面积目标 4. 经济目标
qj hj
经济目标
能量费用，设备投资费用和总年度费用 CN Umin [a b( A/Umin )c ] CE CHQH CCQC CT CE B CN / R
最优夹点确定
3. 换热网络优化设计
（1）夹点技术设计准则
物流数目：夹点之上 NH NC
夹点之下 N H NC
热容流率：夹点之上 CPH CPC
得到Energy Target：QH,min 7.5 MW;QC,min 10.0 MW
习题-1
习题-2
要求：对现有换热网络改造综合
考虑：
• 现行的换热网络是否合理？ • 若不合理，那些用能不合理？ • 系统有多大的节能潜力？ • 应Hale Waihona Puke Baidu何进行节能改造？
化工过程热集成
Heat Integration by
Aspen Energy Analyzer

ASPENENERGYANALYZER化工过程热集成仿真

ASPENENERGYANALYZER化工过程热集成仿真ASPENENERGYANALYZER集成了ASPENPLUS（一个流程模拟软件）和ASPENHYSYS（一个流程模拟和优化软件）的功能，通过对过程数据进行收集、处理和分析，提供了对能源消耗和热能流的全面评估，以及能效改进的建议。

1.数据采集：收集化工过程的相关数据，包括原料成分、物料流量、温度、压力等参数。可以通过实测数据、工艺流程图和设备参数来获取这些数据。

2.模型建立：使用ASPENPLUS或ASPENHYSYS建立化工过程的模型。模型包括各个单元操作的参数设置、能量平衡和物质平衡方程等。

3.模拟运行：通过输入数据，运行模型进行仿真，计算出过程的能量消耗和热能流。

4.数据分析：对仿真结果进行分析，了解过程中的能源利用情况和热能流的分布。通过能量平衡和热能流图，可以识别出能源浪费和热能不足的地方。

5.优化方案：根据分析结果，提出改进和优化的方案。例如，通过增加换热器、改变工艺参数或使用其他能源替代品等方式，来降低能耗和提高能源利用效率。

ASPENENERGYANALYZER的优势在于它能够针对复杂的化工过程提供全面的能耗和热能利用评估，帮助企业降低能源成本、优化生产过程，提高环境可持续性。它还可以与其他软件和工具进行集成，实现更复杂的能耗和热能管理。

总结起来，ASPENENERGYANALYZER是一种先进的化工过程热集成仿真

工具，通过数据采集、模型建立、模拟运行、数据分析和优化方案等步骤，提供了全面的能耗和热能利用评估，帮助企业优化能源消耗和提高环境可

化工仿真技术

化工仿真技术是以软件为平台，以真实的工厂单元及工段为背景，以仿真机为工具，用实时运行的动态数学模型来模拟了真实的带有控制点的设备和工艺流程实际操作。以完成如何开车、停车、及常见的事故处理的全过程。具体来说就是将过程工业中的典型的单元操作如：离心泵单元、热管式交换器单元、液位单元控制、脱丁烷塔单元、固定床单元、流化床单元等包括控制系统的一系列可独立运行的单元操作，此外还包括大型的合成氨、常减压蒸馏、催化裂化反应再生等流程工段。总之系统仿真技术是计算机在化工生产中的应用。是计算机与化工的有机接合。

系统仿真（System Simulation）是运用物理模型或数学模型代替真实物体或系统的模型进行实验和研究的一门应用技术科学，按所用模型分为物理仿真和数字仿真两类。物理仿真是以真实物体或系统，按一定比例或规律进行微缩或扩大后的物理模型为实验对象。数字仿真是以真实物体或系统规律为依据，建立数学模型后，在仿真机上进行研究。与物理仿真相比，数字仿真具有更大的灵活性、能对截然不同的动态特性模型做实验研究，为真实物体或系统的分析和设计提供了十分有效而经济的手段。

过程系统仿真（Process System Simulation)：过程系统仿真是指过程系统的数字仿真。它要求描述过程系统动态特性的数学模型，能在仿真机上再现该过程系统的实时特性，以达到在该仿真系统上进行实验研究的目的。过程系统仿真由三个主要部分组成即过程系统、数学模

型和仿真机。这三部分由建模（Modeling)和仿真（Simulation)两个关系联系在一起。

ASPEN ENERGY ANALYZER-化工过程热集成仿真

H
夹点的形成 -Pinch Point (3)
对于有限大的传热面积，最小传热温差不能为零。设定最小传热温差值，就可根据 ( T-H ) 图中的冷、热组合曲 T 线得到系统内部换热量QE、冷公用工程量夹点 QC 和热公用工程量QH。
QE （ h j A j T j）
j
QC
QE
QH
8. 选定Tmin, 进入Recommend Designs 选择推荐网络数目 9. 比较各种设计方案的经济性
10.选择经济性好的方案进入(Retrofit) 模式优化 11.以经济性为目标选择优化方案
1. 启动 User Interface
从Windows系统菜单中启动能量分析
器的用户界面
开始所有程序
Grand Composite Curve — 总组合曲线
如果将每个温区中的冷、热流股的焓变加和起来，计算总焓变，并在温焓图上表示，则可得到总组合曲线。
T
H
总组合曲线的意义
由总组合曲线可知不同温位下的传热通量分布，能更合理地配置公用工程。
换热网络(HEN)设计目标
1. 能量目标 2. 换热单元数目标
化工过程的洋葱模型
Hierarchy
洋葱模型分层结构的能量关系如右图所示：热回收子系统通过内部物流之间的换热来减少对外部公用工程的依赖，提高系统能效；蒸汽动力子系统是适用于大量高温放热过程的可选项。