化学工艺设计中应用过程模拟优化研究

何腾跃

浙江龙盛染料化工有限公司  浙江绍兴   312300

摘要：随着中国社会经济和科技的不断发展与进步，化工工艺发展水平也有了显著的提高。其中，化工工艺设计是化学工业生产中的一个重要环节，化工工艺设计是工程师需要依据单一或数个化学反应，设计出一个能将原料转变为客户所需求产品的生产流程和工艺。化工生产原料大多易燃易爆，生产过程中有着较高的安全风险。化工企业在该环境下通过创新技术，实现化学工艺设计优化，从根本上加强企业在市场上的竞争力。化工企业不断探索研究，将过程模拟优化技术应用在化学工艺设计的各个阶段，与此同时与计算机技术相结合使得化工工艺设计效率显著提升，全面实现化工工艺设计的规范化与自动化。

关键词：化学工艺；设计；过程模拟优化

引言

随着化工产业向着自动化、大型化趋势发展，为保障化工企业可以高效、高质量的生产，其核心在于提高化工产业自动化。化工产业中运用过程模拟的本质是运用过程模拟系统与化学装置相结合构建的数学模型，利用该模型优化化学工艺设计方程，以此实现对化工工艺优化的目标。目前绝大多数化工工艺使用的过程模拟有两种，即控制式过程模拟与开放式过程模拟。过程模拟是在计算机技术基础上形成，如今已经在不同行业与领域中应用，其中最典型的是在化工工艺设计中运用过程模拟技术。

1化工工艺设计

化工工艺设计指的是以相关工艺流程和工艺要求为依据，对其进行设计和制造，它是将化工原料转化为产品的过程。化工产品的生产可分为三个主要步骤，即原料处理，化学反应，产品净化。其中，原料的化学处理是在生产前必须经过的步骤。在各种原料的加工过程中，加工程序包括混合、清洗、研磨等，只有经过这些初步加工，原料才能进入实际生产。化学反应是指物质发生化学变化产生新物质的过程，对化学工艺和安全生产有着重要的影响。只有满足原料的化学反应条件，比如，原料加工的温度、湿度、压力等，才能生产出化学品。纯化在化学工艺设计中是必不可少的最后一步。化学反应残余的杂质就是通过纯化来除去的，除去杂质后即得目标产物。上述所有步骤都必须精心准备，所有工作都必须在合适的环境中进行，并且必须包含和储存危险化学品。化工生产就是在这样严密的过程中得以顺利发展。

2化工过程模拟优化

传统化工生产工艺实际应用时会出现各种问题，所以一些企业利用化工过程模拟技术来优化化工工艺，使得化工生产质量更高，也能保障生产效果理想。而化工系统内优化、模拟均要对应技术模型，而应用最多的为数学模型与物性模型，因此必须确保模型中的数据精准，以此来优化生产过程，合理规避生产中的问题。另外，模拟生产过程时要先建立单元模型方程，基于该模型获得相关数据。现如今市场上应用多种类型的化工过程模拟优化软件，如ASPEN/PLUS、CAPES等。该软件的核心全部是序贯模块，利用该模块进行稳态模拟与优化模拟。

3过程模拟优化在化工工艺设计中的应用

化工工艺设计时运用过程模拟优化技术可以达到改进与优化设计结构的目的，使得化工生产效率得到大幅提升。因而本文在研究时为了更好的体现化工模拟优化效果，选择企业真实案例进行分析。本文选择某家化工企业举例说明，该公司在生产经营早期已经引进多项先进技术，如AspenPlus、SPYRO，还与多家专业性强的企业保持长期合作关系。该企业在化工工艺设计时使用过程模拟优化技术模拟分析乙烯裂解装置，公司技术工作人员利用过程模拟精准控制出口温度，提高裂解炉出口位置温度到4℃。利用该方式能增加裂变速度，使得乙烯生产产量快速增加。公司在模拟生产结果与产量基础上调节原有生产模式，将调整后装置应用于实际生产，经过两个月时间的实际应用经济效益出现明显提升，达到利益最大化。

4化工行业工艺流程设计控制方法

4.1提前了解反应流程中使用的物料

化工行业整个工艺流程中使用的物料种类很多，主要包括原材料、中间产物、主要产物、副产物以及半成品等，这些物料存在的方式并不相同，哪怕是一种物质，在不同的环境中所发生的化学反应也不相同，进而其化学性质各有差异。因此，在进行设计前，需要提前了解好各个物料的物理性质、化学性质、危险隐患等。进行工艺设计时，需要对所掌握的资料进行详细分析与总结，有针对性地重点关注危险系数高的物质。这种在工艺流程设计前将所有信息熟记于心的行为，会使得工艺流程设计时更加得心应手，而且可以熟练地推断出各类风险发生的可能，这不仅可以较高质量地完成工艺流程设计，还可以保证此工艺流程的安全系数达到最大。

4.2掌握工艺流程中发生化学反应的特点

在进行工艺流程设计之前，需要了解工艺流程中所包含化学反应的特点，包括反应原料、反应产生的中间产物和最终产物、反应发生的条件、反应产生的副产物以及需要的催化剂等。只有综合掌握好上述资料，才能设计好工艺流程中的各个环节，控制好各个环节中的安全因素，从而降低安全隐患发生的可能。

4.3科学化选用反应装置的材料

化工行业整个工艺流程的实现与运用，都离不开反应装置，所有的原材料、主产物、中间产物等也都需要在反应装置中进行相关反应。因此，反应装置的好坏直接影响到化工企业的生产效率与生产质量。由于化工行业的高风险性，在进行反应装置的设计时，需要对该反应存在的潜在风险以及可能出现的安全隐患进行详细分析与考虑。对反应装置型号大小的选择，在工艺流程设计中也是较为重要的一个环节。因此，选择反应装置时，需要根据工艺流程的具体特点进行选择。此外，在对反应装置进行选择的同时，还要考虑反应装置的工艺适用性、风险评估等多方面因素，并且将其与此工艺流程的类型、操作步骤等环节相结合，最后选择出安全系数最高、稳定性最强及以及经济效益最优的反应装置。在选择反应装置时，还需要考虑的一个因素就是反应装置的材料，选择时应充分考虑其物理性质、化学性质以及介质类型，比如温湿度、压力流速、腐蚀性等，然后根据工艺流程的要求，选择出质量较高且抗腐蚀性较强的材料。此外，在考虑工艺流程需要的基础上，需要对反应装置材料的可加工性进行充分考虑，因为这些因素对于后期反应装置的生产加工都会产生直接的影响，所以在选用反应装置时需要考虑以上所有因素。

4.4选用耐腐蚀的材料制作化工设备

这种材料主要包含合金，高分子聚合材料以及一些抗强酸、抗强碱、抗腐蚀能力较强的非金属材料。通过这些材料制作的化工设备，通常耐腐蚀能力较强，不仅可以延长化工设备的使用寿命，还可以增强工艺流程操作的安全性。虽然耐腐蚀性材料的成本通常很高，但是从长远的经济效益考虑，选用耐腐蚀性较强材料制成的化工设备，使用寿命远超于其他设备，而且化工设备有时会置于高温潮湿的环境，如果选用普通材料，设备的维修更换频率也会极大提高。因此，从长远考虑来看，选用耐腐蚀性强的材料制作化工设备并不会造成投入成本的增多。

4.5危险作业条件分析方式

使用半定量分析来分析安全工作条件。该方法用于评估在潜在危险环境中工作的人员的风险级别。工作场所的危险主要来源于三个因素：发生危险事故的可能性、操作者暴露在危险环境中的具体情况、事故可能造成的后果。分析这三个要素的数据是一个比较复杂的工作。因此，对这三个因素的数据进行了半定量分析，以对风险进行指数化。这种方法简单易行，能够科学地评估对建筑环境的破坏程度，更好地保护操作人员的生命财产安全。

结束语

因此目前大部分化工企业在化工工艺设计时均运用过程模拟优化技术，通过该技术可以准确排查化工工艺上的问题，诊断生产阶段中的漏洞。而采用传统方式诊断生产中的问题时要投入大量人力，耗费人们更多宝贵时间，且投入成本较多。运用过程模拟优化技术能在短时间内迅速制定解决方案，还能创新与优化企业化工工艺，实现传统化工工艺突破。通过该技术可以转换物质为简单的计算问题，虚拟化实验过程，提高参数与过程精准性，也有效补充实验期间的不足，使得工艺技术科学性更强。

参考文献

[1]刘春峰，茅琪.化工企业工艺安全管理与安全生产标准化的对比与整合[J].化工管理，2023（2）：147-150.

[2]曹二美.化工工艺设计与安全评价对安全生产的影响分析[J].清洗世界，2022，38（11）：173-175.

[3]巫丽君.化工工艺设计与安全评价对安全生产的影响探析[J].化工管理，2021（21）：64-65.