新一代动态模拟软件gPROMS及应用实例[1]

新一代动态模拟软件gPROMS 及应用实例

动态模拟(Dynam ic Sim ulation)现已越来越受到学术界和工业界的重视。过程动态模拟有助于研究者比较深入地了解过程的本质,使中试阶段的试验设计和组织更加合理、有效。对间歇过程而言,动态模拟则是唯一的选择。过程的动态模拟可以方便地比较各种控制方案,过程的优化则离不开动态模拟。动态模拟的另一功能是模拟开停车过程和其他异常现象,制定相应的程序和对策。此外,动态模拟是培训操作人员的工具。

动态模拟比定态模拟揭示的内容要丰富地多,所需要的过程信息也多。动态模拟实际上是对过程更为严格的描述。例如,动态模拟不仅需要确定设备尺寸(size)和积存量(holdups),还需要制定控制方案,对数据采集要求也高了。但是对化学工程研究者而言,应用动态模拟的最大困难可能是算法的选择和大量编程工作,计算方面的困难制约了动态模拟的应用。

gPROM S(g eneral PROcess M odelling System)是由英国帝国理工学院(IC,LON-DON)系统工程中心开发的新一代动态模拟软件,是SPEEDUP的后继产品。g PROM S 的特点是应用范围广:可以用于离散或连续过程,集总参数或分布参数系统,可以灵活地用于特殊过程的模拟和优化。

gPROM S的另一特点是使用方便。gPROM S将描述过程的化学、物理或生物规律的数学方程组构成MODEL模块;外部的作用(控制)或扰动构成TASK模块;由TA SK驱动M ODEL即成为PROCESS。gPROM S软件语言已非常接近通常的数学方程式。软件包含了常用的算法,如向前、向后、中心差分,正交配置有限元,只需要简单的调用语句即可。模拟计算的结果可能以数据文件的形式输出,也可以直接打印出二维或三维图形。

动态模拟软件应用两例:1.反应器和精馏塔耦联(Reactor/Separator Coupled Process)的过程模拟和优化。

三聚甲醛(T O)工程塑料聚甲醛(POM)的单体,一般从浓甲醛水溶液经酸催化三聚化反应而生成。由于液相中T O平衡转化率很低,工业上利用T O和水形成最低共沸物的特点,将TO以汽相形式蒸出反应器,使反应单程转化率达到30%。为充分利用能量,将精馏塔叠加在反应器上,反应器出口的汽相作为精馏塔的进料汽相,增浓的未反应的甲醛以及部分水从精馏塔底部以液相形式返回反应器。对这类反应器和精馏塔耦联过程,如果将反应器与精馏塔分开模拟,难以确定反应器和精馏塔耦联处的物流组成,模拟结果失真。如果将反应器与精馏塔耦联模拟,则很难地确定状态变量。采用g PROM S模拟这一过程,在TASK模块上加上反应器液位控制回路和回流控制回流,模拟系统的开车至达到定态的定态过程,与试验结果相当吻合。如果利用gPROM S中的优化程序,还可以实现多种目标的优化。

2.压力变换反应器PSR(Pressure Swing Re-actor)的动态模拟

PSR是一种将吸附过程与反应过程结合的多功能反应器,反应产物在反应器中被吸附剂吸附,在反应器轴向和气固相之间,反应物和产物发生一定程度的分离。因此PSR 可能可以突破反应平衡的限制,获得比平衡转化率更高的转化率。产物吸附至一定程度,降低系统压力,收集产物,然后开始新一轮循环。

PSR的潜在应用前景很有吸引力,但多功能反应器固有的多因素的综合影响,以及PSR所特有的非定态行为(压力变化、流向变化引起的速度分布和浓度分布变化),使得PSR的模拟非常困难。而gPROMS则可以比较方便地模拟这一非定态过程,它可以直接显示周期定态的模拟结果,还可以对PSR 的众多参数优化,得出有意义的结果。

华东理工大学联合化学反应工程研究所

胡　鸣　(200237)

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第5期化 学 世 界