第2章
化工过程模拟及相关高新技术
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课程内容
2.1 化工过程模拟 2.2 化工过程先进控制 2.3 化工过程模实时优化 2.4 四项高新技术之间的关系和效益
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2.1 化工过程动态模拟 一、概述 二、动态模拟的主要功能和应用领域 三、国外动态模拟的发展 四、稳态模拟与动态模拟的异同
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一、概述
1、引起化工过程动态变化的因素：
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二、动态模拟的主要功能和应用领域
（一）动态特性研究
1、内容：研究过程参数随时间变化的规律，从而得到有关过 程的正确的设计方案或操作步骤。
2、作用：应用动态模拟可以更全面、正确的认识一个化工过 程，预测某一个波动或干扰发生时系统会发生怎样的变化。 3、例子：在固定床，催化剂条件下的甲烷化反应，进料为 50%的合成气和50%的水蒸气。
(1)计划内的变更：如原料的批次，计划内的高负荷或减负荷， 设备的定期切换等
(2)事物本身的不稳定性：如同一批次原料质量的差异与波动， 催化剂活性的降低。
(3)意外事故，设备故障，人为的误操作等；
(4)装置的开停车。 原有稳态与平衡破坏，系统向着新的平衡发展。
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2、动态变化中最为关心的问题：
（1）波动对整个系统产生多大的影响？产品质量与产量有 多大波动？ （2）有无发生危险的可能？可能会导致哪些危害，危害程 度如何？ （3）一旦产生波动或事故，应当如处理、调整？最恰当 的措施、步骤？ （4）干扰波动的持续时间多长？克服之使之恢复正常又需 多久？ （5）开停车的最佳策略。
动态模拟
同时有微分方程和代数方程 物料平衡用微分方程描述 能量平衡用微分方程描述 严格的热力学方法 有水力学限制 有控制器
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2.2 化工过程先进控制
一、概述
二、先进控制和DCS（集散型控制系统）控制的主要区别
三、先进控制的特点 四、多变量预估控制的执行步骤 五、先进控制的经济效益 六、国外发展概况 七、先进控制实施的外部条件
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（三）动态仿真操作工培训系统
➢ 建立动态仿真系统是动态模拟的重要用途； ➢ 动态仿真系统既有稳态又有波动干扰引起的变化；
（四）先进控制系统的设计工具
➢ 先进控制：起源于20世纪70年； ➢ 过程控制技术： 20世纪90年； ➢ 过程控制技术必要条件：过程的动态特性
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三、国外动态模拟的发展
➢ 20世纪70年代初期：动态研究报道，丁二烯抽提装置开 车。专业型
精馏塔的先进控制理论：
由先进控制包发出信 号，同时进行调节。
先进控制包：所有控制变化的变化（塔顶、塔釜产品质量
波动、塔内压力差），考虑操作变量对不同控制影响的大
小，通过模型的预估计算，分别得到对塔顶回流量，塔顶
压力及再沸器加热介质流量的调节值。
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一、概述
2.2 化工过程先进控制
1、化工过程控制的巨大变化：
硬件：手动阀门——自动控制阀——PID控制器（比例-积
分-微分控制器）——集散型控制系统（DCS）——计算机 控制系统
软件：填充式的控制软件——新的数据库软件——新的改
进了的优化算法——基于模型的多变量预估控制软件
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2、典型化工装置的生产操作特性(常规控制手段下)：
➢ 80年代：通用型商品化的动态模拟软件；美国的普度大 学的BOSS；英国剑桥的QUASLIN。
➢ 90年代中期：加拿大Hyprotech公司推出动态模拟软件 HYSIS，同时兼具稳态模拟和动态模拟的功能。
➢ 模拟软件推出的基础：机理模型
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四、稳态模拟与动态模拟的异同
稳态模拟
仅有代数方程 物料平衡用代数方程描述 能量平衡用代数方程描述 严格的热力学方法 无水力学限制 无控制器
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3、DCS的缺点： （70年代初进入工业装置）
➢ 基本不考虑变量之间的相互影响，将操作变量 （manipulated variable ,MV）和控制变量（controlled variable，CV）之间的关系设定为一一对应的关系。
➢ 一一对应的关系忽略了变量之间的耦合关系，不能反 映装置的实际情况，因此难以真正实现装置的平稳控 制。
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（二）开停车指导
1、开停车的重要性 大型石化装置，每开停车一次损失为几十万甚至几百万元。
2、动态模拟对开停车的重要指导作用：
（1）缩短开停车时间，尽快达到稳定操作状态或安全停车； （2）降低物耗、能耗，减少开停车损耗； （3）避免可能产生的误操作或事故； （4）减少不合格产品； （5）保证开停车过程顺利进行； （6）取得最佳经济效益。
（1）对动态反应存在实质性的时间延迟和滞后； （2）要求控制的变量未能在线检测； （3）非线性动态响应； （4）相互耦合； （5）存在约束； （6）存在大的外部干扰。
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3、基本操作系统的弊端： 1）DCS控制器的基础的常规算法是PID算法，这种算 法对于具有较大滞后的回路其效果很差。 2）控制变量对于操作变量的改变而引起的响应经常 是非线性的。
➢ 21世纪，先进控制技术在许多方面发展十分成熟：
• 各种多变量预估控制的理论基础已被广泛认同； • 多变量预估控制涉及的范围不断地扩充； • 多变量预估控制软件包不断涌现； • 大量的先进控制正在在各种工业装置中实施。 16
2、实际上，众多过程变量之间的相互影响是必然 的，操作变化和控制变化之间的关系如图2-3
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精馏塔的传统控制理论：
如：塔釜加热量的变化，其 影响经过一段时间，必然会 到塔顶，引起塔顶产品质量 的变化，对于传统的DCS控 制方法，只有等到这一刻， 塔顶控制器才能动作调节流 量。
三个彼此独立的控制回路：
1）调节回流量（FC）来控制塔顶产品质量； 2）通过调节塔内压力差（ΔPC）控制塔顶压力； 3）通过调节再沸器加热介质的流量来控制塔釜产品的质量。19
3）化工过程操作的叠加的结果使得化工装置的某部 分难以控制，即使采用标准控制器和标准方法。
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二、先进控制和DCS（集散型控制系统）控制的主要区别
1、先进控制的历史
➢ 先进控制理论20世纪70年代初提出；
➢ 工业上的最初应用始于70年代末；
➢ 90年代以来，先进控制的工业应用获得了蓬勃发展，获 得巨大经济效益，大量工业装置纷纷在已有的DCS的基 础上配备了先进控制系统。