化工过程模拟——理论与实践

化工过程模拟作为过程系统工程基本的工具，不仅是化工及相关专业的必修课程，也被石油化工领域的研究者和工程师广泛使用，通过对新工艺和现有工艺的模拟计算，实现流程的设计与优化。涉及化工过程模拟的书籍，更多侧重于讲解过程模拟的理论方法，或通用流程模拟软件的使用，将过程模拟的方法与在实际过程中的应用相结合的书籍却是缺乏的。本书以《化工过程模拟——理论与实践》为题，首次将化工过程模拟技术的理论、模拟实践与工程实践相结合，系统展示如何将过程模拟技术的理论与方法应用于化工过程实践。

上篇“化工过程模拟的基本方法”，主要讲解化工过程模拟技术的理论部分，前三章分别介绍化工过程稳态模拟、动态过程模拟与控制，和过程模拟中常用的优化方法。第1章稳态过程模拟部分讲解如何从大系统的角度出发，分解和分析化工过程，并实现模拟计算。第2章动态过程模拟部分主要讲述动态化工过程的建模与求解，并结合简单的控制原理，讲解如何实现带有控制系统的过程模拟。第3章介绍在过程模拟中常用的优化方法，包括无约束化问题和有约束化问题的经典方法。上篇的内容包含了化工过程分析、过程模拟与过程优化，基本涵盖了一般化工及相关专业对化工过程模拟、化工系统工程基础等课程的理论部分内容，可以作为化工及相关专业本科生、研究生教材。

本书的中篇和下篇是过程模拟的实践部分，分为典型流程案例和工业应用实践，充分体现了本书理论与实践相结合的特色。

中篇“简单化工过程的模拟实践”，主要讲解如何利用商业软件（本书基于Aspen Plus和Aspen Dynamics软件）开展过程模拟。第4、5章分别讲述如何应用商业软件进行稳态过程模拟和动态过程模拟，将软件使用方法与步骤融入典型流程模拟的案例讲解中，让读者在做中学，既学习软件使用，又实践流程模拟，使读者更好地掌握模拟技巧。中篇的内容可以用于化工及相关专业的高年级本科生或研究生的化工过程模拟实践课程。

下篇“乙烯装置的动态模拟与优化实践”，以石油化工的龙头装置——裂解装置为例，讲述如何将流程模拟技术应用于工程实践。该部分是本书特色的部分，内容主要来源于实际工程项目实践，通过整理和提炼，方便石油化工研究人员和从事生产实践的工程师参考、学习和使用。根据乙烯装置的特点，下篇第6～8章分别介绍乙烯流程中的裂解、压缩、分离工段的模拟。其中，第6章介绍了典型的复杂反应过程——裂解炉的建模与模拟、优化，以及专用模拟软件的开发。第7章主要讲述了压缩系统的模拟，及压缩机在不同介质运行下的性能预测方法，用于乙烯装置开车过程的运行指导。第8章讲述乙烯深冷分离系统的开车过程模拟优化，以减少开车时间、火炬排放，并降低潜在风险。第9章讲述裂解系统、压缩系统和分离系统的综合动态模拟，形成满足压缩机安全运行、深冷系统开车时间较短、总火炬排放较低的综合性开车指导方案。

参与本书编写工作的人员既有来自大学的学者，也有来自工业界的专家，充分体现了理论与实践相结合的特色。本书的第2章由清华大学的邱彤教授负责撰写；第1、4、5章由四川大学的戴一阳副教授负责撰写，同时结合了清华大学化工系过程系统工程基础课程的教学实践；第3章由西南石油大学的罗文嘉副教授负责撰写；第6章由大连理工大学的张磊副教授负责撰写；第7～9章由山东京博石油化工有限公司的赵永臣工程师负责撰写，中石化国际事业上海有限公司张圣夫经济师和东北大学的宋光讲师参与了部分撰写工作。本书下篇内容依托于多个工程项目实践，要特别感谢中国石油兰州石化、大庆石化、独山子石化和中国石油石油化工研究院的多位工程师在项目完成期间给予的支持与指导。

由于本书涉及的学科内容较多、作者知识水平和精力有限，书中提出的一些方法、实践方案还存在不足，欢迎读者向我们提出批评意见和建议，以便于在未来的工作和书籍再版中更好地优化完善，以期给读者提供一本更系统、更科学、更实用的指导书籍。

编者

2019年9月

《化工过程模拟——理论与实践》将化工过程模拟技术的理论、模拟实践与工程实践相结合，系统展示了如何将过程模拟技术的理论与方法应用于化工过程实践。全书共分为三篇，上篇“化工过程模拟的基本方法”（第1～3章），介绍化工过程稳态与动态模拟理论和过程模拟中常用的优化方法；中篇“简单化工过程的模拟实践” （第4～5章），通过使用商业流程模拟软件实现典型化工过程案例的模拟，在实践中讲述稳态和动态过程模拟的方法和技巧；下篇“乙烯装置的动态模拟与优化实践”（第6～9章），通过凝练实际工程项目成果，讲述乙烯装置裂解、压缩、分离及全流程的模拟实践与优化，系统阐述如何将流程模拟技术应用于工程实践。

本书可作为高等学校化工及相关专业本科生和研究生的教学用书，也可为石油与化工等领域的研究人员和从事生产实践的工程师提供参考。

《化工过程模拟——理论与实践》将化工过程模拟技术的理论、模拟实践与工程实践相结合，系统展示了如何将过程模拟技术的理论与方法应用于化工过程实践。全书共分为三篇，上篇“化工过程模拟的基本方法”（第1～3章），介绍化工过程稳态与动态模拟理论和过程模拟中常用的优化方法；中篇“简单化工过程的模拟实践” （第4～5章），通过使用商业流程模拟软件实现典型化工过程案例的模拟，在实践中讲述稳态和动态过程模拟的方法和技巧；下篇“乙烯装置的动态模拟与优化实践”（第6～9章），通过凝练实际工程项目成果，讲述乙烯装置裂解、压缩、分离及全流程的模拟实践与优化，系统阐述如何将流程模拟技术应用于工程实践。

本书可作为高等学校化工及相关专业本科生和研究生的教学用书，也可为石油与化工等领域的研究人员和从事生产实践的工程师提供参考。

邱彤，清华大学，研究员，研究方向包括乙烯裂解过程机理建模与模拟、化工流程动态模拟与优化、炼油过程分子管理研究、过程模拟与稳定性分析、生物燃料的全生命周期分析、能源经济研究、过程大数据分析与校正，主持多项国家自然科学基金重点项目、973项目等。曾获国家科技进步奖二等奖1项，中国石油和化学工业联合会科技进步一等奖2项，中石油天集团科学技术进步一等奖1项，中国石油和化学工业科技进步一等奖1项

上篇化工过程模拟的基本方法/1

第1章化工过程稳态模拟原理与步骤/3

1.1化工过程数学模型与自由度分析3

1.1.1化工过程的数学模型3

1.1.2系统的自由度分析4

1.1.3氨合成系统的数学模型5

1.2基于序贯模块法的过程模拟6

1.2.1带有循环的化工系统序贯求解过程6

1.2.2不可分割子系统的识别7

1.2.3不可分割子系统的切割12

1.2.4不可分割子系统的收敛19

1.3基于联立方程法的过程模拟22

1.3.1大型稀疏非线性方程组的降维解法23

1.3.2大型稀疏非线性方程组的联立线性方程组解法25

1.4基于联立模块法的过程模拟26

1.4.1简化模型的建立方法27

1.4.2摄动法求简化模型系数矩阵30

习题31

第2章化工过程动态模拟与控制/33

2.1基本概念33

2.2动态数学模型37

2.2.1总质量守恒方程38

2.2.2组分守恒方程39

2.2.3能量守恒方程42

2.2.4动量守恒方程44

2.2.5状态方程46

2.2.6平衡方程46

2.3动态过程模型的实例47

2.3.1串联的等温、等持液量全混釜47

2.3.2串联的等温、变持液量全混釜49

2.3.3串联带加热的反应釜49

2.3.4气相带压CSTR50

2.4常微分方程的数值解法51

2.4.1显式数值积分算法51

2.4.2隐式数值积分算法55

2.5动态模拟的实例57

2.5.1重力流槽57

2.5.2串联CSTR58

2.5.3非等温CSTR60

2.6动态响应与系统动态特性分析62

2.6.1分类与定义62

2.6.2线性化与扰动变量64

2.6.3简单线性系统的响应67

2.7过程控制系统简介79

2.7.1简单控制回路介绍79

2.7.2PID控制80

习题87

第3章化工过程模拟中常用的优化方法/89

3.1优化问题的基本概念与分类89

3.1.1优化问题的基本概念89

3.1.2优化问题的分类90

3.1.3局部解与全局解，凸规划91

3.2无约束化问题93

3.2.1无约束化问题的特点和求解方法概述93

3.2.2一维小化96

3.2.3速下降法101

3.2.4共轭梯度法103

3.2.5牛顿法104

3.2.6拟牛顿法107

3.3带约束化问题111

3.3.1带约束化问题解的判定条件111

3.3.2罚函数法、障碍法和增广Lagrangian函数法118

3.3.3二次规划123

3.3.4序贯二次型法129

习题133

中篇简单化工过程的模拟实践/134

第4章基于Aspen Plus的稳态化工过程模拟应用/135

4.1乙烯、丁二烯合成环己烯反应模拟实例135

4.1.1组分与物性方法输入136

4.1.2反应器模拟137

4.2脱丙烷模拟实例140

4.2.1脱丙烷工艺简介141

4.2.2单塔脱丙烷简捷计算142

4.2.3单塔脱丙烷严格计算147

4.2.4脱丙烷塔的灵敏度分析与设计规定150

4.2.5高、低压脱丙烷塔模拟156

4.3甲苯加氢制苯工艺实例160

4.3.1原料进料单元162

4.3.2反应单元165

4.3.3闪蒸单元169

4.3.4精馏单元172

4.3.5建立循环178

4.4联立方程法在Aspen Plus模拟中的应用180

4.4.1Aspen Plus中的EO模型180

4.4.2基于联立方程法的模拟与参数估计181

4.4.3基于联立方程法的优化183

4.4.4基于联立方程法的参数校正186

习题188

第5章基于Aspen Plus Dynamics的动态化工过程模拟应用/190

5.1重力流槽190

5.1.1稳态模拟190

5.1.2稳态转动态191

5.1.3动态模拟192

5.2串联CSTR196

5.2.1稳态模拟196

5.2.2稳态转动态199

5.2.3动态模拟199

5.3非等温CSTR202

5.3.1稳态模拟202

5.3.2稳态转动态204

5.3.3动态模拟205

5.4乙醇-水精馏塔开车动态模拟208

5.4.1稳态模拟209

5.4.2稳态转动态211

5.4.3动态模拟212

习题216

下篇乙烯装置的动态模拟与优化实践/217

第6章乙烯裂解炉的模拟与优化/218

6.1乙烯裂解炉稳态模拟219

6.1.1过程模型219

6.1.2反应模型221

6.1.3分子模型224

6.1.4裂解炉模拟求解算法226

6.1.5算例：石脑油裂解过程计算227

6.2多周期裂解炉动态模拟与操作条件优化228

6.2.1结焦动力学模型229

6.2.2裂解炉多周期模拟计算230

6.2.3裂解炉多周期操作条件优化模型230

6.2.4算例：石脑油多周期裂解操作条件优化231

思考题232

第7章乙烯装置压缩系统的模拟与优化/234

7.1进料组成变化情况下的压缩机性能预测234

7.2进料组成变化情况下的压缩机性能模拟238

思考题240

第8章乙烯装置分离系统的开车动态模拟与优化/241

8.1深冷系统混合烃开车的动态模拟研究241

8.1.1基于参数修正的开车状态初始化算法242

8.1.2开车方案的动态模拟研究243

8.2精馏塔全回流操作与全回流组分的选择247

8.2.1精馏塔开车过程简介247

8.2.2精馏塔全回流操作的适用性248

8.2.3精馏塔全回流开车介质组分选择251

思考题253

第9章乙烯装置的开车动态模拟与优化/254

9.1基于动态模拟的开车介质组成分析254

9.1.1混合烃组成的计算算法254

9.1.2确定氢气含量254

9.1.3确定混合烃分子量下限256

9.1.4确定混合烃的组分种类257

9.1.5选取混合烃的总流量及操作压力257

9.1.6确定混合烃的分子量上限258

9.1.7透平提供的功率259

9.1.8实例研究260

9.2基于动态模拟的开车过程操作优化260

9.2.1裂解、压缩系统建模与分析260

9.2.2前脱乙烷系统建模与分析264

9.2.3综合分析优化266

思考题267

参考文献/268

《化工过程模拟——理论与实践》将化工过程模拟技术的理论、模拟实践与工程实践相结合，系统展示了如何将过程模拟技术的理论与方法应用于化工过程实践。全书共分为三篇，上篇“化工过程模拟的基本方法”（第1～3章），介绍化工过程稳态与动态模拟理论和过程模拟中常用的优化方法；中篇“简单化工过程的模拟实践” （第4～5章），通过使用商业流程模拟软件实现典型化工过程案例的模拟，在实践中讲述稳态和动态过程模拟的方法和技巧；下篇“乙烯装置的动态模拟与优化实践”（第6～9章），通过凝练实际工程项目成果，讲述乙烯装置裂解、压缩、分离及全流程的模拟实践与优化，系统阐述如何将流程模拟技术应用于工程实践。

本书可作为高等学校化工及相关专业本科生和研究生的教学用书，也可为石油与化工等领域的研究人员和从事生产实践的工程师提供参考。

邱彤，清华大学，研究员，研究方向包括乙烯裂解过程机理建模与模拟、化工流程动态模拟与优化、炼油过程分子管理研究、过程模拟与稳定性分析、生物燃料的全生命周期分析、能源经济研究、过程大数据分析与校正，主持多项国家自然科学基金重点项目、973项目等。曾获国家科技进步奖二等奖1项，中国石油和化学工业联合会科技进步一等奖2项，中石油天集团科学技术进步一等奖1项，中国石油和化学工业科技进步一等奖1项