发酵法生产乙醇的分离系统计算机模拟设计

陕西理工学院毕业设计2010届毕业设计题 目 发酵法生产乙醇的分离系统计算机模拟设计 学生姓名 学号 0611034004 所在院（系） 化学与环境科学学院专业班级 化学工程与工艺06班指导教师 2010 年 6 月 10 日陕西理工学院毕业设计发酵法生产乙醇的分离系统计算机模拟设计学生姓名：（陕西理工学院化学与环境科学学院化学工程与工艺专业06级，陕西 汉中 723000）指导老师：【摘 要】发酵法是生产食品级乙醇的常用工艺，发酵液的分离是其中重要的工序之一，工业上常采用精馏的方法进行分离。本论文以Aspen Plus为工具，采用化工流程模拟技术，对发酵液分离进行计算机模拟设计。论文主要完成了以下工作：1） 采用简捷法对过程进行模拟，主要完成最小回流比、理论塔板数等的计算。2） 采用RADFRAC模型对过程进行模拟核算，完成操作回流比、实际板数等的确定。3） 采用灵敏度分析对此过程进行了优化。【关键词】：过程模拟，精馏，Radfrac模型，分离Computer simulation design of separation system of produce ethanol fermentationCao Xiao-li（Grade06, Class1, Major Chemical Engineering and Technology, School of Chemical & Environmental science, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000，Shaanxi）Tutor： Liu Jun-haiAbstract: Fermentation is the common technology to produce food-grade ethanol, separation of fermented filtrates is one of most important processes, distillation method often be used in ethanol production. Computer simulation design of fermented liquid are completed through process simulation, to use Aspen Plus as tool. The jobs are mainly completed as following:In this paper use Aspen Plus tool, using chemical process simulation technology to make computer simulation design of fermented liquid. Paper mainly completed work as follows：1) The calculation of minimum reflux ratio, theory plates, et al, is completed through simple method to simulate the process.2) The reflux ratio, the actual number of plate, et al, is completed through RADFRAC model to check the accounting of process simulate.3) The process is optimized through sensitivity analysis.Keywords: Process Simulation, Distillation, the Modified Radfrac Model, Separation陕西理工学院毕业设计目 录 摘 要IAbstractII1 文献综述11.1化工系统工程概述11.2化工流程模拟技术的现状与发展21.2.1化工过程概述21.2.2化工流程模拟系统21.2.3国内外发展状况21.2.4流程模拟技术的应用31.2.4.1稳态流程模拟31.2.4.2动态流程模拟31.2.4.3 稳态模拟和动态模拟的比较31.2.4. 4 应用方面41.2.4.5应用实例41.2.5 ANN优化技术41.2.6 几点看法41.3化工模拟系统51.3.1 类型51.3.2 组成部分51.3.3 化工流程模拟基本方法61.1.3.1 序贯模块法61.1.3.2 联立方程法61.2.3.3 联立模块法61.3.4 化工流程模拟发展的新动向71.3.4.1 专家系统在流程模拟中的应用71.3.4.2 模糊系统理论在流程模拟中的应用71.3.4.3 系统模拟优化中的神经网络和遗传算法71.3.5 化工流程的仿真培训系统81.4 乙醇发酵液主要成分回收工艺概述91.5选题的目的及研究意义91.6本章小结102 乙醇发酵液分离系统的模拟计算基础112.1 Aspen Plus 化工流程模拟软件简介112.1.1 完整的单元操作模型112.1.1.1流股混合器MIXER112.1.1.2流股分流器FSPLIT112.1.1.3单级平衡112.1.1.4多级平衡112.1.1.5反应器112.1.1.6热交换器122.1.1.7压力变化122.1.1.8流股调节器122.1.2 工业上适用而完备的物性系统122.1.3 快速可靠的流段模拟及先进的收敛方法132.1.4 经济评价及其他功能132.1.5 方便灵活的用户操作环境132.2化工流程模拟软件Aspen Plus各模块的介绍142.2.1 Aspen Plus-静态过程模仿软件142.2.2 ASPEN DYNAMICS-动态过程模拟软件152.3 乙醇发酵液回收分离系统流程简介162.3.1 生产原理及物料性质162.3.2 生产信息162.3.3 分离系统流程162.4模拟计算物性方法的选择及条件的确定182.4.1 多元气-液平衡的热力学基础及模型182.4.2 模拟计算物性方法的选择192.4.3 操作条件的确定202.5 本章小结213 乙醇发酵液分离系统的模拟计算223.1 分离系统的流程建模基础223.2 以B1精馏塔为例介绍各组分精馏塔的建模及模拟计算223.2.1 利用DSTWU模型对轻组分精馏塔的模拟计算223.2.1.1选择DSTWU模型223.2.1.2物料组分输入233.2.1.3物料流量的输入243.2.1.4选择物性方法243.2.1.5 理论板数的确定243.2.1.6 回流比的确定243.2.1.7轻组分精馏塔的各项参数输入253.2.1.8 模拟结果显示273.2.2 利用模型对模拟结果模拟校核283.2.2.1利用RadRrac精馏塔模型进行核算283.2.2.2规定精馏塔的规格283.2.2.3模拟结果303.2.2.4模拟结果分析313.2.2.5修改后的模拟结果323.2.2.6理论塔板数对分离效果的影响323.2.2.7回流比对分离效果的影响323.2.3 B1精馏塔最终模拟结果343.3 整个分离流程的建模及模拟计算343.3.1 B2精馏塔的模拟及结果分析353.3.1.2精馏塔理论塔板数的确定353.3.1.1精馏塔回流比的确定353.3.1.4精馏塔模拟计算的结果353.3.2 B3塔乙酸分离精馏塔的模拟及结果及分析383.3.2.1乙酸精馏塔的模拟计算结果383.3.2.2乙酸精馏塔的模拟结果分析383.3.3 B4乙酸乙酯分离精馏塔的模拟及结果分析393.3.3.1乙酸乙酯精馏塔的模拟计算结果393.3.3.2乙酸乙酯精馏塔的模拟结果分析403.3.4 B9甲酸分离精馏塔的模拟及结果分析403.3.4.1甲酸精馏塔的模拟计算结果403.3.4.2甲酸精馏塔的模拟结果分析403.3.5 B10乙酸乙酯与水分离的精馏塔的模拟及结果分析413.3.5.1乙酸乙酯精馏塔的模拟计算结果413.3.5.2乙酸乙酯精馏塔的模拟结果分析413.3.6 B5多组分分离精馏塔的模拟及结果分析423.3.6.1B5多组分分离离精馏塔的模拟计算结果423.3.6.2多组分精馏塔的模拟结果分析423.3.7 B6异戊醇与丙醇分离精馏塔的模拟及结果分析433.3.7.1异戊醇与丙醇分离精馏塔的模拟计算433.3.7.2异戊醇丙醇分离精馏塔的模拟结果分析433.3.8 B7甲醇与甲酸乙酯分离精馏塔的模拟及结果分析443.3.8.1甲醇与甲酸乙酯精馏塔的模拟计算结果443.3.8.2甲醇与甲酸价值精馏塔的模拟结果分析443.3.9 B8乙酸乙酯与乙醇分离精馏塔的模拟及结果分析453.3.9.1乙醇与乙酸乙酯精馏塔的模拟计算结果453.3.9.2乙酸与乙酸乙酯精馏塔的模拟结果分析453.4精馏操作的热负荷简单计算463.5 本章小结464 总结与讨论474.1 总结474.2 讨论47参考文献49致谢50- IV -陕西理工学院毕业设计1 文献综述1.1化工系统工程概述化学系统工程，或过程系统工程，是将系统工程学的理论和方法应用于过程工业领域的一门边缘学科，是化学工程学的一个分支。现代化的化工生产日益朝着综合化方向发展，对一个装置或一个单元过程和设备孤立地进行研究、设计操作管理的传统做法已不能适应要求，必须将其作为一个整体系统来研究。随着石油化工装置日趋大型化，要求实现最优设计、最优控制和最优管理，以达到节省装置投资、降低生产操作费用和成本费用以及符合环保要求的目的；生产过程的连续化和为节省能源而集成度不断提高的装置使设备的操作条件愈来愈苛刻，对过程的自动化提出了更高的要求，过去只对个别回路进行 PID 调节的方法已不能满足要求，必须结合过程的动态和定态数学模型，将整个控制对象当作一个整体进行研究，采用电子计算机建立数学模型进行系统优化控制。化工产品的不断更新与工业逐级放大技术落后间的矛盾，要求将过去的相似模拟、逐级放大的方法改为数学模拟方法指导放大和设计以缩短工业化周期，减少人力物力的消耗；电子计算机技术的迅猛发展和现代应用数学方法及现代控制论方法在化学工程中的应用，使解决复杂的设计计算和过程控制问题得以实现。正是基于以上因素，促使人们在化工企业的组织管理、生产过程的开发研究、设计中采用新的概念，于是在化学工程学、运筹学、控制论和计算技术等学科的边缘产生了化工系统工程这一新兴的学科。化工系统工程（Process System Engineering， PSE）是研究如何制定复杂化工系统的最优决策最优规划、最优设计、最优操作、最优控制和最优管理的工程学科。运用化工系统工程的方法，可以定性和定量地预测化工技术未来的发展趋势，对化学工业的发展制定科学的决策；可按照化工系统的要求，根据给定的输入和输出条件，确定系统的结构，寻求在满足一定约束条件下，使系统的目标函数取极大值或极小值时各个单元过程和设备的最优操作条件；可设计一个控制系统，保证系统稳定在最优条件下运行；可将企业组织管理系统和技术经营中的各项有限资源合理地组织，有效地利用，最大限度地发挥各自的作用，并不断调整企业内部活动以适应系统内在和外部环境因素的变化，以最优地达到预定目标。化工系统工程从系统的整体出发，不仅研究整个系统的定态特性和动态特性，而且研究组成系统的各个子系统之间的相互影响，对系统的最优化问题作定量的计算，采用数学模拟和物理模拟相结合的方法，对化工系统进行最优设计并确定最优控制方案。化工系统的最优设计是化工系统工程重要的核心一环。不论系统过程的综合、分析还是优化，都是以流程模拟为基础的。其实用化程度最高，不论从学科发展还是从对国民经济发展的角度看，都占有中心地位。化工系统工程和多门学科联系紧密。化工原理、化工热力学、传递原理、反应工程等学科提供流程模拟所需的基本数学模型；运筹学提供了系统优化的数学工具；数值计算等应用数学学科提供了模型求解的数学手段；计算机科学则为复杂的数学计算提供了强有力的硬件支持。近年来，化工系统工程与另两门技术科学过程控制技术、管理科学的结合日益紧密。过程控制技术使得化工系统工程与实际工业生产紧密结合，是实施系统优化的重要技术保证。两者相辅相成，在理论与技术方面相互渗透，对各自的技术进步都起到了促进作用。 广义的说，过程系统包括硬技术系统和软技术系统，硬技术系统是过程系统的设计、运行到控制各个环节，通过信息流、物质流和能量流将设备工艺与反应、分离、传递、能量转换等单元操作过程联结起来；软技术系统则是指人员与组织、质量管理、采购、市场营销及投资决策等方面。它通过物质流、能量流、信息流及人员流、资金流、工作流，将上述控制、运行、设计及管理、市场营销、投资决策等六个方面联结起来，构成了一个描述过程系统包括技术和管理全过程的多层次结构模型。从某种意义上说，过程系统工程包括一定意义上的管理，目前过程系统技术正朝着管理的综合集成方向发展。一些跨国公司和专家也在这些方面进行了较深刻的研究，并取得了一定的成果，如过程工业 CIPS、供应链管理、虚拟制造等方面的研究与探索。化工系统工程在下个世纪究竟应朝什么方向发展，这是国内外许多学者都关心的问题，一些专家学者在做了广泛的研究，并做了许多的实际工作，成思危于 1995 年在大连召开的中国系统工程学会过程系统工程专业委员会上指出，“综合集成，整体优化”是化工系统工程的新潮流，并提出了以模型为核心实现综合集成、软技术模型与硬技术模型相结合等思路。其中在1998，1999 年过程系统工程学术讨论会上，基本确立了以“综合集成，整体优化”为我国化工过程系统工程的发展方向。1.2化工流程模拟技术的现状与发展1.2.1化工过程概述任何一种化工过程都是由若干单元过程（或设备）按一定的流程组成的。人们对化工生产过程的认识也在不断深化，从本世纪20年代至今已发生了三次飞跃。第一次飞跃发生在20年代，是从各种化学工业中抽象出“操作单元”的概念，从而奠定了化学工程的基础；第二次飞跃是在50年代，从操作单元中又进一步归纳出其共同的基本规律，提出了“传递过程”的概念；第三次飞跃是60年代后，将各种操作单元所组成的化工系统作为一个整体，用系统工程方法进行系统模拟与分析，研究其整体特性，萌生出一门边缘学科“化学系统工程”。 目前，化工系统工程在各个领域的发展极为活跃。因为化工行业日趋大型化、集中化和连续化，对生产过程的优质、高产、低消耗，以及环境等方面提出了更高的要求，特别是在当今能源紧张、自然资源短缺的情况下，如何实现生产过程的最优化，最大限度的提高生产效率，是工业上亟需解决的问题。1.2.2化工流程模拟系统为科学地管理和操作化工生产过程，人们一般采用物理模拟和数学模拟两种方法模仿生产过程。物理模拟需要实验装置，投资大，而且实验装置比实际生产装置小很多，许多参数会发生变化，很难保证模拟的真实性。而数学模拟则是综合热力学方法、单元操作原理、化学反应等基础科学，利用计算机建立化工过程仿真数学模型，进行物流平衡、能量平衡、相平衡等计算，以模拟化工过程的性能，达到生产过程的最优化。这种技术早在50年代后期已开始在化工中应用，经过40多年的发展，现在己成为一种普遍采用的手段，广泛应用于化工过程的研究开发、设计、生产操作的控制与优化、操作工培训及老厂技术改造等。化工过程系统模拟从模拟的对象看，一般包括分子模拟、传递过程及反应动力学模拟、操作单元过程模拟和流程模拟。其中，流程模拟是过程系统工程中最基本的技术，不论过程系统的分析和优化，还是过程系统的综合，都是以流程模拟为基础的。流程模拟技术所用数学模型主要有两种方式：一是稳态数学模型，用于离线调优；二是动态数学模型，用于在线实时控制。化工流程模拟系统程序结构包括化工单元程序库、物性计算程序包和计算方法程序库等。其中化工单元程序库中通常储有：反应、换热、闪蒸、蒸馏、吸收、气体压缩、物料混合等子程序；物性计算程序包中包括多种纯物质的物性数据库和可以计算多种纯物质或混合物热力学性质、传递过程性质、气液相平衡数据等的子程序；计算方法程序库中有模拟计算用以解算求根、插值、回归、积分及最优化计算方法的子程序。1.2.3国内外发展状况国外化工流程模拟系统的发展大致经历了三代。第一代模拟系统是在（5060）年代开发的，规模较小，功能有限。其主要代表为美国的Kellogg公司的GFS系统和Simsei公司的SSC/100系统，以及美国普渡大学（Purdueuniversity）的PACER；美国休斯顿（Houston）大学的CHESS等。开发工作量一般为5人年，成本费不超过20万美元。第二代流程模拟系统是在70年代出现的，比第一代有更为齐全的化工单元模块和规模较大的数据库，使用高级语言编程，计算方法较先进。其主要代表有美国51msci公司的PROCESS系统，Chemshore公司的DESIGN/200系统，孟山都（Monsanto）公司的FLOWTRAN：日本千代田工程公司的CAPES等。开发工作量为（20-60）人年，开发费用在100万美元左右。80年代开发成功了第三代流程模拟系统，其代表是美国麻省理工学院的Aspen Plus系统和Simsei公司的PRO/11系统。Aspen Plus的开发工作从1976年起，历时5年，耗资600万美元。第三代模拟系统的主要进步是：开放式结构、可随意组合单元、物性数据更丰富、应用领域更广泛、窗口图形技术使用更方便。80年代后化工过程模型化更重要的发展方向是人工智能的开发环境。专家系统的模型化开发环境是80年代后期发展的标志。1987年美国麻省理工学院首先推出了DE51GN-KIT系统，育数量级分析及自由度分析，支持面向对象的过程模拟设计。90年代后，神经元网络（ANN）在化学工程各个领域中的应用增长很快，ANN提供了一种新的优化问题求解方法，即ANN优化技术。最具代表的有MP模型、H0pf1eld网、BP网络、动态BP网络、BMAc以及模糊神经网络等等。我国自60年代中期开始流程模拟软件的开发工作，主要有兰州石化设计院。到70年代，北京石化工程公司、洛阳石化工程公司和北京设计院相继开发了一批油品分离塔、多组分精馏塔、冷换设备等专用工艺计算程序。80年代后期，兰州石化设计院和大连理工大学合作开发的合成氨模拟程序、青岛化工学院的EC55系统、北京设计院以布兰丁方程为基础开发的催化裂化反应-再生模拟软件CC505等具有较高水平。大连理工大学也于1989年推出CHEEST开发环境，它集成了化工领域知识库、常用模型库、图形库及面向对象的化工数据库。但是，这些软件就其综合水平看，在应用深度和广度、软件的商品化程度等各个方面，还远不及发达国家。1.2.4流程模拟技术的应用1.2.4.1稳态流程模拟从算法来看，稳态流程模拟一直沿着两条平行的路线发展，即序贯模块法和联立方程法。序贯模块法自1958年美国Kellogg公司推出第一个实用软件FlexibleFlo，sheet以来，发展到目前的Aspen Plus和Simsci公司的PRO/I工。其主要应用方面有： 1）优化操作。运用该技术，研究实际工况，建立准确的模型，使用严格的和最新的计算方法进行单元和全过程的计算，以评价现有装置的优化操作或新建改建装置的优化设计。雪弗隆公司的合成氨工艺应用Aspen Plus调优，效益为96万美元/年。通用电器公司应用Aspen Plus模拟精确分离过程，由模型得出操作条件，并得到纯度为99%的溶剂可循环使用。2）指导开工。美国通用电器公司在开发新工艺中设计了一个实验单元操作，并由此直接放大到实际规模，整个过程使用Aspen Plus模拟，缩短了开工期，由此获利15万美元，3）分析”瓶颈”。通用电气公司还应用Aspen Plus分析装置，对一个装置进行标定，提高了产率，为工厂每年增收10万美元。大庆石化总厂于1992年1993年引进Aspen Plus和SPYRO，并与ASPENTECH公司合作，在乙烯裂解装置上进行模拟计算，将裂解炉出口温度由848提高到852，以增加裂解深度，多产乙烯，调整生产后的2个半月增加经济效益87.3万元。1994年1l月该厂对合成氨装置进行了利润最大的优化计算，调整合成塔出口温度，控制在490，模拟计算纯利润为105.2元/小时。联立方程法从60年代首先由英国帝国理工学院5argent所倡导，开发出SPEEDUP软件，此外还有剑桥大学Hutchison的即ASILIN和美国wwsterberg的AscEND等。其特点是：将操作单元模型方程、物性方程、流程拓扑方程及设计规定等组成联立方程组联立求解，不必进行迭代计算。由于一个化工流程往往需要涉及几千/万个等式，这就要求大规模代数方程组算法、较好的初值及防止收剑失败的措施，不如模块法容易实现。51msci公司的PRO/n是基于联立方程和序贯模块两种技术混合求解法，具有完善的、快速收敛的流程模拟能力。1.2.4.2动态流程模拟90年代以来，动态模拟技术得到迅速发展，这主要是由于计算机的性能价格比提高很快，计算速度大大提高。而且化工操作过程也要求能够随时调整、控制操作参数，从而推动了动态模拟技术的发展。这种在线动态模拟优化技术把模拟优化模型直接与DCS控制系统相连，实时地找出生产装置的最佳操作条件。它主要由数据采集和存储系统、模拟优化控制系统、模拟优化计算系统三个层次组成。1.2.4.3 稳态模拟和动态模拟的比较稳态模拟是在装置的所有工艺条件都不随时间而变化的情况下进行的模拟，而动态模拟是用来预测当某个干扰出现时，系统的各工艺参数如何随时间而变化。就模拟系统而言，二者之间的比较如表 1-1 所示：对于稳态模拟，尽管从理论上讲，存在多种流程计算的方法，但几乎所有的商业化稳态模拟软件都采用序贯模块法进行流程计算，该方法将在后面加以详细论述。对于动态模拟，其单元过程的模型是描述该过程的一组如下形式的具有初值问题的微分方程和代数方程组：表 1-1 稳态模拟和动态模拟的比较稳态模拟 动态模拟仅有代数方程同时有微分方程和代数方程物料平衡方程用代数方程描述物料平衡方程用微分方程描述能量平衡方程用代数方程描述 能量平衡方程用微分方程描述严格的热力学方法 严格的热力学方法无需有关水利学方面计算的方程n 需要有关水利学方面计算的方程无须考虑控制系统及其数学模型一般需要考虑控制系统及其数学模型由于动态模拟是联立解所有的方程，要求计算速度很快，因此必须要有较好的算法才能满足整个过程实时性和稳定性的要求。1.2.4.4应用方面美国51msei公司的严格在线模拟技术（ROM）可以说是建模技术方面的一个突破，它把工厂的实时数据与经济目标数据综合到一起考虑，是连接过程自动化（PA）和管理信息系统（M15）的纽带，可以对变化的内外部环境作出及时的反应，成为工厂经营者和生产者决策和优化的重要工具。主要应用方面：1）计划工具一可作为企业领导生产经营决策手段，作出最经济的投入产出生产方案；2）生产工具一可进行日常的”瓶颈”分析和趋势分析，评估并监督装置性能；3）指导操作工具一根据市场变化，随时应变生产需求；4）维护工具一可对系统数据进行检查和监测，确定数据误差位置，识别测量仪表是否不足；5）培训工具一随时在线培训操作工和技术人员，掌握装置操作技术，尽快理解装置与设备改变后产生的影响；6）控制和优化工具一得出每日每班的最优控制点，特别是进料改变时提供最佳控制点，严格遵守装置的各种约束及环境约束条件，提高控制质量，优化生产操作，最终提高生产效率。1.2.4.5应用实例美国一炼油厂利用ROM严格模拟技术跟踪炼油单元中40个换热器，通过工况研究，按ROM的节能方案己对其中11个进行了清洗。ROM也已用于技术评价和监控换热器去污剂的性能。国外500万t/a处理量的炼油厂，在常减压蒸馏装置上实行ROM技术。建模后可进行工况研究，以便在多项操作条件改变的情况下，得出操作的状态值，预测工艺改变时和市场变化时的最佳操作条件并生成报告。在线模拟优化技术给该厂带来了每年320多万美元的经济效益。1.2.5 ANN优化技术实际生产中许多实际问题利用传统的基于数学模型的方法很难解决，如：1）反应机理复杂和大量的物性数据缺乏；2）工艺流程复杂，前后流程具有严重的反馈和关联藕合；3）随机因素多。应用ANN优化技术在处理复杂系统建模问题上表现出它的优越性。ANN不需要预先对模型的形式和参数加以限制。网络只要据训练样本输入、输出数据来自动寻找相互关系，给过程对象以具体的数学表达。广泛应用于化工过程故障诊断、过程控制、过程预报、过程优化等方面.应用H0pf1eld网求解换热网络的组合设计问题，通过研究发现，Hopfield网在组合设计方面有很大潜力。对于反应器的设计问题，人们还采用BP网或改进的BP网建立定量化的”黑箱”模型，使系统定量化优化计算成为可能。文献利用ANN对处理量为9万t/a的加氢反应器进行优化设计。1.2.6 几点看法化工流程模拟优化技术同任何一门新的科学技术一样，都不是万能的和孤立的，需要对其有一个充分的认识和了解。计算机技术的发展，为流程模拟工作开辟了更加广阔的前景。为充分发挥化工流程模拟技术的功效，我们认为：1）在大力发展和应用上述通用化工过程模拟系统的基础上，还应注重开发专用化工过程模拟系统。因为通用化工过程模拟系统一般涉及面过宽，对某一特定单元操作的模拟结果显得不够深入。所以对特定生产过程的模拟还是应开发专用的化工过程模拟系统。目前我国一些大型化工企业已从国外购买通用化工流程模拟软件，用于开发本企业的专用化工模拟软件和生产模拟优化操作，这是企业提高经济效益的有效途径。2）稳态模拟与动态模拟技术有合并的趋势。有些模拟系统软件既可作动态模拟，又可作为稳态模拟用，使在线调优与离线分析、设计有机结合起来。3）ANN技术将随着计算机技术的迅猛发展而在化学工程中得到更加广泛的应用，并得到进一步的丰富和发展。模糊神经元网络作为一种更接近人脑思维的网络，采用模糊模式识别技术，来模拟熟练操作工操作，进行操作参数优化是其发展的一个方向。预计今后十年，将可能是化工流程模拟技术高速发展、普遍应用的十年，模拟技术也可能成为石油化学工业节能降耗、内涵发展的最为重要的技术。1.3化工模拟系统 又称工艺流程模拟系统，指的是一种计算机辅助工艺设计软件，这种软件接受有关化工流程的输入信息，进行对过程开发、设计或操作有用的系统分析计算。 这种软件是20世纪50年代末期随着计算机在化工中的应用而逐步发展起来的。开始只有适用于特定工艺流程（如氨合成、烃类裂解制乙烯等）的专用流程模拟系统，后来逐步发展到适用于各种工艺流程的通用流程模拟系统，到60年代后期化工模拟系统已得到推广应用，成为化工过程的开发和设计以及现有生产操作改进的主要常规手段。 1.3.1 类型化工模拟系统目前主要有四种类型：1）稳态流程模拟系统。其基本功能是进行物料和能量衡算，有的还包括设备尺寸计算、成本估算和经济评价等高级功能。2）动态流程模拟系统。用于系统的动态特性计算、控制性能的研究和系统开停车操作的模拟，也用于操作人员的培训。3）流程的优化系统。用于系统或全流程的决策变量（操作参数）的优化搜索。4）分批处理操作的模拟系统。用于模拟间歇过程的时间安排顺序。1.3.2 组成部分模拟系统的组成部分 通用流程模拟系统（以稳态流程模拟为例）一般至少有以下几个组成部分： 1.单元操作和反应过程模块 如精馏、换热、蒸馏、流体输送等以及各种反应模块。调用这些基本单元操作模块，在计算机中可以搭成各种各样模拟流程，来描述实际工艺流程。2.物性估算系统 包含基础物性数据库和估算关联模型。前者存贮各种化合物的基本物性数据，如分子量、密度、临界压力、临界温度、标准沸点、偏心因子等，以便计算时调用；后者是为计算各种物质（纯物质和混合物）在给定条件下的各种物性所需的估算方程式。例如状态方程、计算液相活度系数的关联式、计算热焓和自由能的关联式等，物性估算系统用以为单元操作模块计算提供所需要的各种物性数据。 3.数学方法程序 主要有两大类数学程序：一类是系统分解方法，能够使大系统自动分隔和断裂，并排出单元模块的计算顺序；另一类是加速迭代计算收敛和其他通用的数学方法。 4.执行系统 具有输入语言自动翻译、模拟程序装配和结果打印等功能。 模拟系统的用途 化工模拟系统是化工系统工程发展产生的实用性成果，目前在下列各领域已得到广泛应用：1）规划工作阶段。对于工艺过程进行可行性分析，对多种方案进行经济评价。2）科学研究阶段。进行概念设计可以弄清研究的重点，也可以与实验同时开展数学模拟试验，两者互相补充，加快研究进度。3）放大设计阶段。对于基础设计和初步设计的多方案进行比较，寻求最优化设计，节约基本建设投资。4）现有工厂的技术改造和操作优化。可以分析现有生产的能耗或原料消耗漏洞，发现提高生产能力的关键所在，以便有针对性地提出改造方法。1.3.3 化工流程模拟基本方法从数学上看，化工流程模拟实质上就是对整个化工系统的模型进行求解。到目前为止，典型化工流程模拟方法有以下三种：1.1.3.1 序贯模块法序贯模块法（Sequential Modular Method）一直是最常用的流程模拟算法，特别是在工程应用方面。序贯模块法的设计思想是从软件的组织结构上模拟实际流程，其基本思路是：从系统入口物流开始，经过接受该物流的单元模块计算得到输出流股变量，依次逐级进行计算，经过过程系统的各个单元，最终达到系统的输出流，从而可以解得系统中所有流股的变量值。对于单元模块而言，信息的流动方向是固定的，只能根据模块的输入流股信息计算输出流股信息。若有再循环流存在，则需要切断再循环流股，确定断裂的流股集与运算顺序，然后给定全部设备参数向量，按排定的顺序逐个单元进行模拟计算，各单元的输出流股向量就作为下一个单元模块的输入，逐个单元计算并迭代使各断裂的流股收敛。序贯模块法在模块的结构和功能方面模拟了实际装置的结构功能，模块之间的信息传递、上下游关系与实际对应，这些模块是由数学模型与解算方法集成而来。多数用模拟系统软件采用的就是序贯模块法，这样进行求解较为直观易解。由于序贯模块法的求解与系统结构有关，当系统为无反馈联接（无再循环流）的树型结构时，系统的模拟计算与过程单元的排列顺序完全一样。而当系统具有环路回流时，系统中就至少存在这样一个单元，其某个输入流为后面某一单元的输出流，求解这样的系统，需要用到流股切割和收敛技术。这些技术在很多书籍和论文都有论述和实例介绍。序贯模块法的优点是：在模块水平上，可以使用一种或多种专门的算法去求解描述某种单元设备的模型方程，模块计算可以达到很高的效率；在模块水平上，无论直接迭代还是加速迭代，一般都能稳定收敛；程序中的信息流和生产过程中的物流或能流能互相对应，与化工工程师直观经验一致，易于为工程师理解使用；当计算不收敛或出现错误时，便于进行诊断；目前已经积累了丰富的单元模块，使得这种方法更加通用化，模块的算法有利于继承和发展。一些书中还提到它的缺点是：再循环引起的收敛迭代及进行设计型计算和解决过程优化问题时很费机时，影响其计算效率，不宜用于最优化计算。1.1.3.2 联立方程法联立方程法（Equation Oriented Method）指的是对列出的一个作为整个复杂化工系统的模型的庞大方程组，直接进行联立求解的方法。描述某一化工流程的所有方程同时求解，同步收敛，将不存在嵌套迭代问题。其优点是：可以根据问题的要求灵活地确定输入输出变量，不受实际物流和流程结构的影响；对简单的问题，解算过程系统模型快速有效，对设计约束问题和优化问题灵活方便，效率较高，便于与动态模拟联合实现。缺点是：要求给定较好的初值，否则可能得不到解；计算失败后，诊断错误所在相当困难；形成通用软件比较困难；难以继承现有的大量丰富的单元模块；缺乏与实际流程的直观联系；尤其是难于处理工程上的复杂问题和实际大系统问题。1.2.3.3 联立模块法联立模块法（Simultaneously Modular Method）是将流程模拟分成模块水平的计算和流程水平的计算两个层次。一方面流程中的每个单元都选取一个常规的单元模块，整个流程有一个由常规模型模块组成的严格模型；另一方面为每个单元提供一个简化的模型，简化模块连同单元间物流联系方程一起，形成整个流程的一个简化模型。在计算中，对简化模型和严格模型交替进行求解，直至收敛到原问题的解。联立模块法兼有序贯模块法和联立方程法的优点，这种方法既能继承序贯模块法多年来积累的大量模块，又可将其最费计算时间的流程收敛和设计约束收敛迭代循环圈合并，通过联立求解达到同时收敛。联立模块法具有很好的发展前景，但还需做大量的工作，以扩大它的使用范围。如建立复杂反应器和蒸馏塔的简化模型；解决可能由于简化模型的局限性和不准确性而带来的收敛困难。就这三种模拟的基本方法的发展而言，目前序贯模块法在各种实用的化工模拟软件中得到了广泛的应用，有着广阔的发展空间；联立方程法由于计算方面的困难和其脱离实际应用的现实，必定会走入死胡同；而联立模块法在很多专家看来也就是特殊意义上的序贯模块法，它和序贯模块法没有本质上的区别，它的发展还主要依靠于序贯模块法。所以序贯模块法才是应该研究的主要对象。1.3.4 化工流程模拟发展的新动向1.3.4.1 专家系统在流程模拟中的应用随着计算机和人工智能技术的发展，专家系统开始进入实用阶段。1985 年美国首次将人工智能中的专家系统用于化工过程物性数据的选择，建立了”物性数据决策专家系统”，用以指导气液平衡的计算；我国大连理工大学也于 1989年推出 CHEEST 开发环境，集成了化工领域知识库、常用模型库、图形库以及面向对象的化工数据库；90年代初，美国的 Gensym 公司开发的 G2 实时专家系统开发平台不仅能方便地开发动态流程模拟，而且还可以实现故障诊断、优化控制、甚至可以与外部模拟器乃至 MIS 系统衔接，一些化工模拟软件有向此平台转移的趋势。基于知识的交互式模型化环境是九十年代的发展标志，这种面向对象化的系统将化学组分、物流、设备、物性等均视为对象，智能化的人-机界面不仅应提示用户应输入什么信息，而且应自动检验输入的信息是否有不合理之处。1.3.4.2 模糊系统理论在流程模拟中的应用工业过程系统的建模，目前大多采用明确的数学模型。对于没有明确数学关系的单元，通常也采用实验的手段，通过实验数据的回归拟合得到简化的数学模型。然而由于测量数据的误差，或实验设备和时间的限制，以及化工过程系统的日益复杂化，使实验研究常常难于达到足够的深度来建立变量之间精确的数学关系。简化模型有时并不能反映系统运行的真实情况。近年来，过程工程领域出现了一个重要的趋势，充分利用非数值化的信息（如专家知识和经验规则等）对难以精确模拟的过程系统建模和优化控制，出现了专家系统、人工神经网络、模糊控制等新的研究方向。至今已有将模糊系统理论应用于过程系统控制的例子。例如，将模糊逻辑用于处理系统变量间的不精确近似关系，对以冗余经验方程为基础的不精确系统提出了”最大隶属度原则”，使模型方程间的冲突和不协调性趋于最小，实现对模糊系统的建模和优化；对以经验规则为基础的不精确过程单元，采用语言型产生式规则建模，建立相应的输入-输出转换关系，并完善其界面。对既有模糊关系模型又有常规数学模型的过程系统进行模拟分析。模拟方法和常规的流程模拟方法基本上相同，只是由于有模糊模块的存在，模块的模拟结果不是常规的数值而是模糊数，最后在输出结果时进行脱模糊化处理，将结果转换成数值形式。对循环回路的断裂流股的选取和常规流程模拟中选取的判据基本上一致。但是需考虑到有模糊关系模块，尽量选取模糊程度较小的流股。进收敛单元前将所有的模糊变量脱模糊化。在模糊关系模型中更多的是逻辑运算而不是复杂的数学运算，而且由于模糊变量的描述具有一定的柔性，从而使得在模拟中输入变量在一定范围内的改变不会给整个过程带来敏感的变化。运算时间较短，从模拟过程可以看到，由于模糊模块的存在，模块之间的衔接不再是简单的数值输入与输出。尽管如此，模糊变量也有其明确的定义，模块的模糊性并不会影响其下游单元模块的性质。无论下游单元是常规数学模块或模糊模块，采用复化求和的方法可以将其连接起来。对于一个复杂的流程，规则的定义、知识的表述直接影响模糊模型的准确性。如何解决因对流程认识的偏差而出现的产生式规则之间的矛盾和冲突，如何完善专家知识和操作经验，解决知识的冗余和冲突问题显得十分重要。前人已经提出了一种基于模糊集合理论的过程工业系统的建模方法。运用复化求和的方法衔接各个模块。将模糊关系模型用于过程系统的建模和模拟，充分利用专家知识和操作经验。结果表明，该方法可以解决那些机理比较复杂而无法用常规方法模拟分析的过程系统单元，扩展了过程系统模拟的功能和范围。1.3.4.3 系统模拟优化中的神经网络和遗传算法目前对于化工系统的操作优化，通常采用通用的化工模拟软件，如 PROII、Aspen Plus 等，对现有系统进行模拟，在模拟结果与实际过程基本相吻合的情况下，再继续用模拟软件对各种操作参数进行优化，以取得更好的经济效益。为了用尽可能少的模拟试验，摸清各影响因素对某一指标的影响规律，通常采用正交试验方法。通过正交分析和回归分析，选取各因素的较优水平再进行验证试验。但这样分析得到的结果，往往与实际情况不符，有时优化结果还不如原来正交试验中的某一次试验，在多影响因素情况下更是这样。本文提出用神经网络（NeuralNetwork，NN）和遗传算法（Genetic Algorithm，GA）代替正交分析和回归分析，寻找优化结果的方法。先用正交试验数据建立系统的神经网络模型，然后用遗传算法求解模型的最优解，之后再进行验证试验。这种方法称为 NN-GA 方法。由于神经网络的高度非线性映射能力和遗传算法的全局搜索能力，用这种方法可以找到试验区间内的最优解或近似最优解。用 BP 网络来建模。为克服标准 BP 算法和遗传算法存在的问题，对改进算法作了大量的研究工作，使 BP 算法速度提高几十、几百甚至上千倍，基本解决了遗传算法的过早收敛问题。 选择原则：1）在系统模拟优化中，用正交设计方法安排多因素试验，能在很多试验条件中选出代表性强的少数试验条件，这一点是无可非议的。用正交试验数据来训练神经网络可以使之具有很好的泛化（推广）能力。2）在多影响因素情况下，而且在各因素之间相互作用比较复杂的情况下，传统的正交分析（极差、方差和回归分析）局限较大。而用 NN-GA 方法更加有效可靠。3）根据经验取水平点不如正交分析得到的水平点，而正交分析得到的水平点又不明显NN-GA 方法建模求解得到的水平点。人工神经网络与其它模拟方法相比，其优点表现为：1） 根据样本（即历史数据）进行学习和训练，适合于机理不明确的过程；2） 具有自适应性，可以随时增加新的样本来对网络进行训练，因而系统易于维护；3） 由于神经网络的分布式储存知识，即使在信息不全或有误差的情况下，系统仍能利用已有知识运行，系统的抗干扰能力好；4） 可以表示非常复杂的知识；5） 人工神经网络的并行式处理信息方式使研究训练期和工作期可以分开，因而工作期响应时间快，适合于实时优化操作。1.3.5 化工流程的仿真培训系统仿真培训是化工过程模拟的用途之一。化工过程仿真培训系统是由化学工程学、化工热力学、系统工程、计算方法及计算机技术等多学科理论在计算机上实现的综合性模拟系统。虽然 60 年代末已经出现过程工业用的动态模拟培训系统，但80 年代才大量推广应用，出现了一些专营培训器的公司。近十年来，人们对过程仿真培训系统的重要性认识越来越深刻。这是因为，过程工业向大规模、连续化、自动化方向发展，过程集成度不断提高，操作越来越复杂，其控制系统也由仪表盘操作向集散控制系统转移，工人操作水平的高低直接关系到装置的稳定运行。化工过程仿真培训系统作为一个新兴的高科技领域，具有很高的应用价值。它再现了一个真实系统，在研究、设计、制造、和评价仿真培训系统时，要求更接近于化工装置实际中出现的各种正常异常现象，实行实时仿真。这样，对操作人员在仿真培训系统上训练，既可使操作管理系统的人员具有高度的熟练水平，提高系统运行的可靠性，发挥系统的最大潜力，又可避免在真实系统上训练，缺少安全性、开销大、周期长的弱点，收到安全、经济、快速的效果。所以，为增加总的生产率，保证生产装置长期、安全、稳定地运行，避免人为操作失误造成的风险，良好的培训越来越重要。过程仿真培训系统成为培训学员的一种快速、经济、有效的途径。随着现代化工技术和过程控制技术的发展，化工装置的仿真培训系统对迅速提高操作人员的素质占有十分重要的地位。化工过程培训是一种现代化、高效率的培训手段，具有很高的社会效益和经济效益。化工过程仿真培训系统最根本的要求就是能很好地实现操作培训的目的。仿真培训系统是用计算机来模拟实际装置、DCS 操作、现场操作，这样使学员能迅速熟悉 DCS 的各种功能和操作，掌握生产工艺及变化规律。培训系统上还能模拟装置的开停车、事故状态，这些在实际装置上是难以遇到和做到的。一旦发生故障又要求操作工能迅速采取措施避免损失。这是传统培训方式无法比拟的优点。过程仿真培训系统的核心和难点是能够正确反映过程动态行为的过程仿真。过程仿真的关键是建立过程的动态数学模型，即过程的建模和模拟。在对一个流程进行仿真建模之前，首先必须了解仿真培训系统对模型都有那些技术要求，从而有目的的、有取舍地建模。1）精度要求：随着技术的发展和生产实际的需要，目前对仿真培训系统的精度要求越来越高。在开、停车过程中，各种参数变化趋势相一致，其中关键性参数地变化趋势要与现场完全吻合；开车到稳态时，各参数数值应在实际操作的正常值的 12%范围之内。2）计算速度的要求：由于仿真培训系统是一种实时化的复杂仿真系统，要求模型计算实时化，由各种途径推导出的模型，对其中较为复杂的、计算时间较长的，要根据不同情况利用各种简化手段对模型进行适当的简化处理。3）通用性要求：即使两个刚投产时流程即工艺条件相同的厂家，经过各自多年的技术革新、改造，也会有很多差异。为了使仿真模型不仅能适用于这一厂家，而且稍加修改后也可以用于另一厂家，且在今后现场作过调整改造之后，不至于将现有的仿真模型全盘否定，而能方便地加以相应调整、修改，这就要求仿真模型具有通用性和模块化结构。综上所述，仿真培训系统的关键是要平衡实时性和精确性之间的尺度，在达到设计要求逼真度的前提下使其满足实时性要求，同时注意软件的通用性。因此要对动态仿真模型进行处理使之满足要求。处理方法包括：1） 复杂分布参数系统的分块集中化方法可以得到一个分布参数系统的分段集中的集中参数模型。仿真培训系统要求数学模型着重描述对象的外部特性，运用此方法可以避开非线性偏微分方程的迭代求解过程。2） 自衡对象的稳态模型动态化方法。化工过程中描述其原理的数学模型不少是稳态模型，利用这种方法将给问题的解决带来方便并且有效。3） 建立面向对象的程序，增进程序的模块化和易移植性。1.4 乙醇发酵液主要成分回收工艺概述近几十年来，由于燃料酒精不仅能缓解能源短缺的问题，而且可以缓解因地球温室效应加剧带来的气温升高及地球气候恶化等严重后果。酒精生产受到世界各国的普遍关注。作为一种可再生能源和农副产品转化的途径，发酵法生产酒精在我国也得到了大力的扶持和快速发展。我国现有乙醇总生产能力约为500万吨，生产厂家有200多家。然而乙醇发酵液中乙醇的含量仅仅为12%-15%（体积分数），其它的都作为废液被排出，废液中的大多数成分没能得到合理利用，反而污染了环境。近年来也有很多学者研究乙醇发酵废液的研究，如：木薯、马铃薯等淀粉渣及废水综合利用技术、利用糖蜜酒精废液生产活性有机复合肥料工艺、从酒精发酵醪中提取食用玉米油的方法等，但是没有对乙醇发酵液主要成分做过系统的研究。特别是利用Aspen Plus软件来做其主要成分的精馏塔模拟分离。1.5选题的目的及研究意义 现代流程工业的发展日趋大型化、复杂化、自动化，系统的模型化、模拟与优化一直是过程系统工程领域的核心研究内容（杨友麟，1989），也是企业综合自动化实施的关键环节。模拟、优化、灵敏度分析和系统综合等构成过程系统工程的主要内容。其中模拟是基础，是至关重要的环节（姚平经，1992）。化工过程的稳态模拟作为计算机辅助化工过程系统工程的核心，是对化工流程建立适当的数学模型，并在约束条件下，用计算机进行求解，去预测一个过程。它通过物热衡算可以确定化工过程原料的需求和整个过程的经济性。稳态模型为动态模拟提供初值和起始状态，同时还是过程综合和优化的基础。稳态模拟实际的流程工业中，由于较大的设计裕度往往导致保守的设计能力，设计的最优点往往不是操作的最优点，这时候优化将扮演着重要角色。我国现有乙醇总成产能力约为500万吨，一般情况下发酵液中的质量分数约为6%15%，并含有其他一些有机杂质，而工艺生产中主要是提取乙醇，其它有机杂质如：异戊醇、甲酸、乙酸、丙醇、乙酸乙酯、甲酸乙酯、甲醇等，虽然含量很小，但是对于一个年产10万吨的乙醇生产工艺来说，假设乙醇的质量分数为：12.4%，则可以获得副产品一些副产品质量约为：乙酸（单价：大约4800元/吨）：1.21万吨，异戊醇（单价：大约9000元/吨）：1.29万吨，甲酸（单价：大约5600元/吨）：2.33万吨，丙醇（单价：大约6800元/吨）：0.56吨，甲醇：（单价：大约2000元/吨）0.241万吨、乙酸乙酯（单价：大约7000元/吨）：2.98万吨，甲酸乙酯（单价：大约35000元/吨）：0.725万吨。而这些副产品如果可以回收回来将会带来非常可观的经济效益。本课题的任务是就乙醇发酵液的回收利用流程模拟。通过对工艺过程的机理分析，利用数学方法建立主要设备的机理模型，运用序贯模块法对流程中的主要设备依次进行计算，以得到整个生产过程中各个流股和设备的工艺参数。精馏塔是生产中的重要设备，本课题在一定的假设条件下，建立了该精馏塔的数学模型，并根据一系列守衡原理和物理、化学定律写出描述精馏过程的数学模型，然后在某些约束条件下进行解，从而得到气液两相的组成、温度