化工系统工程论文

化工系统工程与化工设计

学院：化学工程学院

班级：化工01

姓名：贾鹏

学号：2011005

2012-11-13

在四个现代化建设中,如何使化工设计现代化,是广大设计人员共同奋斗的目标。人们都希望设计出的工厂,除产品的质量和数量满足要求外,力求资源和能源消耗也最少。若将设计做到如此完美地步,沿用传统的设计方法难以奏效。为实现这个目标,将化工技术与系统工程和技术经济理论有机结合起来,运用于化工设计之中,已成为必由之路。以下简要地介绍化工系统工程的基本内容,与技术经济的关系,阐明化工设计工作中应用系统工程方法的实际意义、必要性以及今后将会遇到的实际问题等做粗浅的探讨。

一、最优化与化工系统工程

所谓最优化，是指在满足给定的条件下,达到或接近最优目标,称之为有约束最优化。没有约束条件,即称无约束最优化,常见的是前者。关于化工系统工程,至今尚无公认的严格定义,不过,粗略地说,它是系统工程在化工中的应用,是实现复杂化工系统最优化的工程决策方法。它的核心是使整个系统达到最优目标,即不仅着眼于个别局部（化工单元）,而且,根据限定的范围（一个装置或整个工厂等）,协调各部分的要求,以谋求最大的、长期的效益。

上述最优目标,在设计中常遇到的是技术经济指标往往与节约能源相联系。其最优目标就体现在每年付出的设备投资额和水、电、汽等操作费用的总和最少。用目标函数表示为：

随着化工系统工程的不断发展,其内容也在不断地丰富。除经济因素之外,还应考虑对原料和能源质量与数量变化的适应性、开车与停车等的生产自动控制问题,不仅使设计的装置经济效益好,还便于操作,安全可靠。这就是近年来发展起来的多目标最优化问题。

二、化工设计中的过程合成

我国的化工设计部门,在建立化工过程模拟系统和物性数据库工作方面做了大量工作,并已成为化工设计的重要工具。通过不同条件下的化工过程的物料及能量平衡等方面的运算,对系统进行分析,为化工过程系统的最优化提供了重要信息。有的方法也需要结合过程模拟进行系统的最优化。

过程模拟的先决条件是工艺流程已经明确。虽然根据直观和过去的经验做一些方案比较,毕竟有限,而过程合成的任务却是在所有可行的流程中找出最优的。由于一个化工过程中的各单元设备可能有许多组合方式,因此,过程合成是挖掘经济效益潜力的一种有效的手段,在化工系统工程中占有十分重要的地位。Lee.K.F曾做过计算,由两股加热物流和两股冷却物流构成的换热系统,总共有4200种结合方式。炼油厂常减压装置中,为了提高原油预热温度和增加热量回收而建立的换热网络中,油品有

数种,其温度和数量各异,需要换热器达几十台,其可能的连接方式的数目是相当大的。在蒸馏过程中,将一种原料分馏为4种产品,通常需三座塔,可构成五种流程,而有四座蒸馏塔的过程,有14 种流程可供选择,如原料中有10个组份要进行分离,则可比较的方案将有4862 个。一个化工过程包含的化工单元的种类和数量越多,这个过程的合成越加复杂,寻找最优的流程也越加困难,需要用专门的合成方法。已开发的方法,大致可归纳为分解法、试择法、直接最优化法和调优法等四大类。虽不能说已臻成熟,但已有不少成功的例子报导,人们仍在不断努力,创造出新的方法。

应当指出,一般少有将过程最优化的全将过程最优化的全部结果直接应用到设计中去,需要进行化工过程的灵敏度分析。

三、灵敏度分析与设计裕度（安全系数）

灵敏度分析是化工系统工程设计的重要组成部分,是由自动控制系统理论发展而来。按D.J.Wilde提出的定义,它是确定约束函数（条件）的扰动而引起的最优值变化的速率。人们主观上,希望设计出的化工生产装置能够持续稳定地进行生产。实际上,由于各种内在因素或外界千扰,如原料质量和性质的变动,蒸汽和冷却水等的温度、压力以及供应量的波动等等,不可避免地引起操作条件的扰动,需要进行调节。因此,不可能使生产条件永久保持在原设计的最优值。若略微偏离了最优值,各项技术经济指标或生产状况显著恶化,则此系统的适应性太差,称之为灵敏度过高。实际生产需要建立一个灵敏度低的、稳定的生产系统现以脱丁烷塔为例加以说明；在提出设备设计、自动控制和管道设计技术条件时,应当考虑各种因素变动对设计结果的影响。这些因素包括

1，能量因素，包括：

A、温度（进料温度、塔顶和塔底温度、冷却水和蒸汽温度等）；

B、压力（塔顶压力、进料、冷却水和蒸汽压力以及设备的压力降等）。

2，量的因素,,包括：

A、流量（进料、产品、回流量等）,

B、原料及产品的组份等,

C、液面（冷凝器、塔底和回流罐的液面）。

3，物性,（比重、粘度、比热及蒸发潜热等）。

4,各种系数（板效率和传热系数等）。

以下仅就理论塔板数、进料和馏出量一定的情况下,进料温度在150-180度范围内变动对其它方面的影响做粗略的分析。

由上表可以看出,进料温度由160升至180，回流量大幅度增加（为原来的1.57倍）。冷凝器热负荷增加45%,而再沸器的热负荷几乎不变,原料的汽化率增加到原来的2.87倍。由此可见,脱丁烷塔的精馏段对进料温度变动的灵敏度比较大而提馏段显示出的灵敏度比较低。所以必须控制进料温度,自动控制设计条件应当规定进料温度在160以下,以期达到稳定生产的目的。

进料温度波动对其它设备的影响,也应予以考虑,如根据冷凝器热负荷的变化幅度,确定出相应的设计裕量。由于对再沸器的影响微小,故其传热面的设计裕量可取得小些,甚至不加裕量。实际的影响因素不止一个,经对各种因素分析做出明确的判断之后,再确定出最终设计值。以上说明,经过灵敏度分析,可以确定出哪些设计变量对整个系统的技术经济指标和生产的稳定性影响比较大,以及设计裕量取多大才能弥补这些设计变量变化对系统所产生的不良影响。一个复杂的系统,影响因素非常多,显然只靠直观和经验确定出合理的设计裕量是不可能的。

除此之外,有时还要考虑基础数据和计算公式的不准确性,设备制造和安装上的误差等的不确定性,以及由于结垢引起的传热系数随时间变化等的不确定因素现在已有方法能比较合理地估计这些因素来确定设计裕量。过去,国内外在设计上有一个传统做法,即在实际承担的设计生产规模上,加一个总的安全系数。例如,按计划生产量的115%进行设计,以防各种不测。此外,在各局部的设计中,有时还按最不利的情况考虑,在总设计裕量15%的基础上,再加裕量。这种不加具体分析,简单的处理方法,其后果是增加不必要的投资,在经济上造成浪费,有时这种浪费相当可观。关于灵敏度分析和设计裕量的确定问题,近年来日益受到重视,已成为化工设计的重要课题。有的以技术经济指标作为目标函数,而将灵敏度作为约束条件。另一种做法是在进行系统最优化后,做灵敏度分析,估计某些设计参数不确定性对系统的影响,合理分配设计裕度。

四、技术经济问题

为了节约能源,总要付出一定的代价所以在付诸实现之前,需对设计做出经济评价。现以增设一台换热器为例,说明在设计中所应考虑的有关因素。

设每年耗用的设备费为F,每年回收能量的收益为E,二者与传热面的关系示于图1。图2所示为传热面与利润之间的关系。图中A、B为能源价格,N和M为使用年限。对于能源价格为A,使用年限为N时,其最大利润时的面积为P,能源价格上涨为B时,则移至Q。而当设备使用年限缩短为M年,能源价格为A，E保持不变,则传热面为R时利润为最大。但利润绝对值最大并不是经济效益的唯一指标。如F为10000元/年,E为13000元/年,而当F为10000元/年,E为104000元/年时,前者的利润率为30%,而后者只有4%,其利润率低于贷款利率,则这项投资无经济效益可言。一般资金回收期短,利润率高,但若一味追求最高的利润率,则传热面趋近于零,其利润也趋近于零。这是由于热回收率愈高,温差愈小,单位热回收量下降所致。通常的做法是将利润率作为约束条件,谋求最大利润。