化工工艺虚拟仿真与安全分析

化工专业的实践环节有助于培养学生对化工生产的感性认识,但近年来化工企业考虑到安全问题,普遍不愿接收学生实习,即使接收也仅限于现场参观,导致学生不能深入了解实际化工生产过程,无法掌握工艺操作技能,理论知识与实际生产脱节。虚拟仿真技术为学生提供了一个可靠、安全和经济的虚拟仿真实践环境,帮助学生了解化工装置操作原理、动态控制行为和事故演变过程,提高对工艺过程的运行控制能力和应急处置能力。

《化工工艺虚拟仿真与安全分析》立足在校化工专业学生的知识结构,以及化工过程管理、运行和控制对该专业的切实需求,从化工专业的典型工艺出发,系统介绍化工工艺的虚拟仿真与安全分析过程。教材以商业软件Aspen Dynamics以及我们自研的动态模拟与分析系统DSAS为工具,融入大量的动态模拟案例和软件使用说明,结合常见化工设备和流程的动态模拟原理,融合流程模拟、自动控制、DCS操作,系统地介绍了化工动态模拟与虚拟仿真过程,提高学生对化工装置的整体操控能力。为方便读者练习,本教材主要章节均给出了案例模拟的详细步骤截图,并列出了软件输入所需的数据列表,以及终运行结果的数据表和软件截图,力图使读者能够顺利地重复书中案例,加深对具体动态模拟过程的理解。

与本书配套的《化工过程计算机应用基础》和《化工过程计算机辅助设计基础》教材已分别于2007年和2012年由化学工业出版社出版。这两本教材以Matlab、GAMS、Fluent、AspenPlus等软件为工具,详细介绍了各类化工单元和流程的模拟、设计和优化思路,并附有大量例题和源代码,可作为本书的基础教程参考使用。

《化工工艺虚拟仿真与安全分析》共分三篇,一共12章。上篇为基础知识篇,分3章介绍化工工艺操作原理、DCS控制系统运行机制以及虚拟仿真技术在这两方面的应用情况。中篇以动态模拟与分析系统DSAS为例,介绍典型化工工艺的仿真操作过程,包括精馏、吸收两种单元操作,以及乙炔、合成氨、乙醛三种工艺,共6章。下篇为化工工艺运行安全分析篇,分3章介绍安全分析原理、动态模拟在安全分析中的应用、安全与防护等。本书由青岛科技大学化工学院的田文德、陈秋阳、李正勇、曹婺编写,其中第7至第11章由田文德编写,第1章由陈秋阳编写,第3和第12章由李正勇编写,第2、第4至第6章由曹婺编写。青岛康安保安全咨询公司的韦洪龙参与了部分章节的修订工作,在此一并表示感谢。

本教材适用于化学工程与工艺及相关专业,包括化工、石油、生物化工、食品、制药、材料、轻纺、冶金、环境工程、轻化工程以及过程装备与控制等专业,可用于这些专业的本、专科学生的计算机仿真和实习实训教材,也可以供这些专业的应用技术人员参考使用。

由于编者水平有限,书中不足之处在所难免,恳请读者批评指正。

编 者

2017年12月

于青岛科技大学

上篇 基础知识

第1章  化工工艺仿真 2

1.1 化工工艺简介 2

1.1.1 化工工艺定义 2

1.1.2 化工工艺过程 3

1.2 虚拟仿真定义 4

1.2.1 系统仿真的概念 4

1.2.2 虚拟现实的概念 5

1.2.3 虚拟仿真的概念 6

1.2.4 虚拟仿真训练系统的概念 7

1.3 虚拟仿真技术概述 8

1.3.1 虚拟仿真技术的发展 8

1.3.2 虚拟仿真技术的特点 9

1.3.3 虚拟仿真技术的应用 9

1.4 化工生产中的虚拟仿真技术 10

1.4.1 化工虚拟仿真技术的应用背景 10

1.4.2 化工虚拟仿真技术的现状与发展 11

1.4.3 化工虚拟仿真技术的作用及意义 12

1.5 化工工艺仿真的主要用途 13

1.5.1 工艺开停车 13

1.5.2 工艺分析 15

1.5.3 控制方案研究 16

1.5.4 安全分析 16

习题 17

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第2章  控制系统  25

2.1 化工工艺中的控制系统 25

2.1.1 概述 25

2.1.2 基本控制系统的组成 28

2.1.3 常见的控制结构 29

2.1.4 典型化工设备的控制方案 32

2.1.5 控制系统操作要点 35

2.2 DCS系统 38

2.2.1 概述 38

2.2.2 DCS系统操作 39

2.2.3 DCS画面 40

习题 42

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参考文献 44

第3章  化工工艺操作 45

3.1 设备投运 45

3.1.1 开车安全检查 45

3.1.2 水运和汽运 46

3.1.3 耐压试验 47

3.1.4 吹扫与置换 49

3.1.5 抽加盲板 49

3.2 仪表使用 50

3.2.1 液位计的投用与检查 50

3.2.2 压力表的投用与检查 51

3.2.3 温度计的投用与检查 52

3.2.4 流量表的投用与检查 53

3.2.5 调节阀失灵的判断和处理 54

3.3 操作安全 55

3.3.1 设备运行前的钝化防爆技术 55

3.3.2 设备的启停 55

3.3.3 设备运行中阀门的使用和维护 58

3.3.4 设备中的排液(水) 59

3.3.5 设备运行中管线跑料的处理 60

3.3.6 劳保用品的正确使用 61

3.3.7 安全生产措施的应用 62

习题 65

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中篇 典型化工工艺虚拟仿真

第4章  DSAS虚拟仿真软件 70

4.1 仿真软件简介 70

4.2 化工过程动态模拟系统结构 71

4.2.1 软件功能说明 71

4.2.2 学员台SStation 
71

4.2.3 教师台TStation 
72

4.2.4 动态模拟与分析系统DSAS 
73

4.2.5 仿集散控制系统VDCS 
73

4.3 VDCS操作方法 75

4.4 3D虚拟现场操作系统3DField 
77

习题 79

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参考文献 80

第5章  脱丙烷精馏塔仿真软件操作 81

5.1 脱丙烷精馏工艺流程描述 81

5.2 主要设备、主要调节器及仪表说明 82

5.3 装置开车程序 83

5.4 装置停车程序 85

5.5 异常工况及事故处理 85

习题 86

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参考文献 89

第6章  催化裂化吸收塔仿真软件操作 90

6.1 催化裂化吸收工序流程描述 90

6.2 主要设备、主要调节器及仪表说明 91

6.3 装置开车程序 93

6.4 正常操作 94

6.5 装置停车程序 94

6.6 异常工况及事故处理 95

习题 96

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参考文献 100

第7章  电石法生产乙炔工艺仿真操作  101

7.1 乙炔工艺流程描述 101

7.1.1 乙炔生产方法简介 101

7.1.2 电石法生产乙炔工艺描述 101

7.2 主要设备 103

7.3 装置开车程序 103

7.3.1 破碎岗位 103

7.3.2 发生上料岗位 104

7.3.3 发生排渣岗位 104

7.3.4 清净岗位 105

7.4 装置停车程序 106

7.4.1 破碎岗位 106

7.4.2 发生上料岗位 106

7.4.3 发生排渣岗位 107

7.4.4 清净岗位 107

7.5 事故处理 107

习题 107

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参考文献 109

第8章  合成氨合成工序仿真操作  110

8.1 合成氨合成工序流程描述 110

8.1.1 合成氨生产方法简介 110

8.1.2 合成工序流程描述 111

8.2 主要设备 112

8.3 装置开车程序 112

8.4 装置停车程序 114

8.5 事故处理 114

8.5.1 IS04501-氨合成部分 114

8.5.2 IS04502-开工加热炉 115

8.5.3 IS04503-氨分离器低液位联锁 115

8.5.4 IS04504-缓冲槽D04502高液位联锁
115

8.5.5 IS04601-氨压缩机的跳闸 116

8.5.6 I04505-缓冲槽D04502低液位 116

8.5.7 IS04602-尾气放火炬跳闸 116

8.5.8 I04603-闪蒸槽D04601低液位联锁 117

8.5.9 I04604-氨排放泵P04602联锁 117

习题 117

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参考文献 119

第9章  乙烯直接氧化法生产乙醛工艺仿真操作 120

9.1 乙烯直接氧化法生产乙醛工艺流程描述 120

9.1.1 反应单元 121

9.1.2 蒸馏单元 122

9.1.3 再生单元 122

9.1.4 中间罐区 123

9.2 主要设备、主要调节器及仪表说明 123

9.3 装置开车程序 128

9.3.1 开车前的准备工作 128

9.3.2 反应单元开车 128

9.3.3 蒸馏单元开车 129

9.3.4 中间罐区开车 130

9.3.5 再生单元开车 130

9.4 装置停车程序 131

9.4.1 反应单元停车程序 131

9.4.2 蒸馏单元停车程序 131

9.4.3 再生单元停车程序 132

9.5 事故处理 132

习题 134

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下篇 化工工艺运行安全分析

第10章  化工安全分析  138

10.1 化工安全分析的基本概念 138

10.1.1 化工安全分析的由来 138

10.1.2 化工安全分析的分类 139

10.1.3 化工安全分析的目的和作用 140

10.2 化工工艺安全分析方法 141

10.3 HAZOP分析方法 145

10.3.1 HAZOP分析的原理 146

10.3.2 HAZOP分析的实施过程 146

10.3.3 HAZOP分析的优势 149

10.3.4 HAZOP分析的不足 150

10.3.5 HAZOP分析的国内外现状和发展趋势 150

10.4 化工工艺安全分析的发展趋势 152

习题 153

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参考文献 155

第11章  基于动态模拟的化工工艺安全分析  156

11.1 化工过程动态模拟的基本概念 156

11.2 化工过程动态模拟平台 158

11.2.1 Aspen Plus稳态模拟平台简介 158

11.2.2 Aspen Dynamics动态模拟平台简介 159

11.2.3 Aspen HYSYS动态模拟平台简介 161

11.3 基于Aspen Dynamics的HAZOP分析 162

11.3.1 DynSim-HAZOP方法的原理 162

11.3.2 DynSim-HAZOP方法的流程 163

11.3.3 DynSim-HAZOP方法的定量化方法 164

11.4 合成氨合成工序案例 164

11.4.1 合成氨合成系统中潜在危险因素分析 164

11.4.2 合成氨合成系统的稳、动态模拟 167

11.4.3 合成氨合成系统的DynSim-HAZOP分析
172

习题 174

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参考文献 177

第12章  安全与防护  178

12.1 化学工业发展伴生的新危险 178

12.2 化学工业对安全的新要求 179

12.3 石油化工安全生产的有关法律和规范 179

12.4 化工生产中的危险化学品 183