1 化工行业主要问题

化工过程在从工程工艺设计到工厂实际运行之中都面临着诸多问题及挑战,主要体现在一下几个方面:

1)工艺设备放大过程中的放大效应控制;

2)关键操作单元的详细结构和操作设计;

3)原料不稳定等外界扰动对工艺稳定运行的影响;

4)设备及流程控制方案的有效、稳定性验证;

5)工艺设备开停车的操作方法;

6)最大程度提高经济效益的过程优化;

2 gPROMS过程模拟平台概述

gPROMS过程模拟软件是对工艺设备及流程进行仿真建模及设计优化的新一代通用过程模拟平台,起源于英国帝国理工大学。众多的国际顶级研究机构及世界500强企业都在使用gPROMS进行工艺设备及过程的设计与优化工作,领域涵盖传统化工、石油化工、制药、汽车、电子等诸多行业。

1)更加详细准确的分布参数模型,各种参数变量与设备空间位置或其他独立变量相关,准确考察设备的放大效应,使放大设计不再过度依赖工程师个人经验。

2)真实动态模拟,研究设备开停车过程、原料不稳定的外界扰动、各种控制调整下的状态变化等常见的动态问题。

3)基于联立方程法的高效数值求解器,使工程设计人员完全摆脱了繁琐的数值算法编写工作,节省大量计算时间,并实现强大的多目标优化功能。

4)gPROMS使用全世界最权威的专业学术物性数据库DIPPR,以及目前最全面的热力学计算工具Multiflash,保证物性及热力学计算的准确性。

5)gPROMS包含丰富的高级模型库,如包含复杂精馏塔和气液吸收塔的GLC模型库,包含各式固定床催化反应器类型的FBCR模型库等等。

3 应用案例

3.1 西班牙Repsol公司:新HPPO工艺设计与优化

环氧丙烷作为重要的有机化工合成原料,其生产过程易产生严重的环境污染。过氧化氢直接氧化法(HPPO)作为一种过程简单、产率高、环境友好的新工艺,得到了业界广泛关注与研究。

西班牙Repsol公司与PSE合作,在已有HPPO工艺基础上,利用gPROMS独有的新一代优化算法,对初始设计工艺中的49个结构和操作变量进行了整体优化,设计出更加简单高效的新HPPO工艺,年经济效益提高了数千万欧元。

3.2 德国Süd-Chemie公司:新型催化剂与现有反应器适应性分析

催化剂性能与适应性一直是催化剂生产商和工厂使用者最关心的问题,必须有充分了解之后方可对使用该催化剂的设备与工艺设计最合适的结构和最优化的操作方法,以延长催化剂的使用寿命、提高经济效益。

德国Süd-Chemie公司通过gPROMS的固定床催化反应器模型,对其生产的催化剂性能和适应性进行了广泛的测试和评估,得到了大量符合真实运行状态的数据,并据此为客户设计性能最佳的催化反应器和操作方案,大大提高了催化剂使用寿命。

3.3 PTA工艺优化

精对苯二酸是重要的大宗有机原料之一,广泛用于化学纤维、轻工、电子、建筑等与国民经济密切相关的各个方面。目前,国内PTA大量依赖进口,又以从韩国的进口量最大。

全球各大主要PTA生产厂商均使用gPROMS进行PTA工艺的优化,如Samsung、Hyosung、SK、KP、SamNam、BP等。通过对工艺细节的详尽分析,有效提高了PX和醋酸原料的利用率,每年可节约成本200~400万美元。

3.4 荷兰壳牌化学:苯乙烯反应器催化剂利用率优化

催化剂失活是化工反应器中不可避免的问题,实际操作均需要对活性降低的催化剂颗粒进行再生操作,因此反应时间和再生时间如何选择,直接关系着产品纯度、生产量、能耗和经济效益。

荷兰壳牌化学使用gPROMS对包含六个催化反应器的苯乙烯生产工艺进行了操作方案的改进,以结合产品纯度、生产量和能耗的综合指数作为优化目标,得到了最佳的反应时间和再生时间,显著提高苯乙烯产量的同时大大降低了生产成本。

3.5 日本三菱化学:结晶工艺研究

日本三菱化学的某结晶工艺系统在运行时存在回流率过高、结晶体过小、连续生产困难的问题,采用常规手段无法确定导致此问题的关键原因。

通过与PSE公司的合作,采用gPROMS-CFD的Multizonal耦合方法,首先获得了与实际情况高度吻合的结晶体产物粒径分布,确认了结果的可信度。随后对该结晶工艺包含的两个结晶器内部状态进行详细分析,发现几乎所有结晶都发生在一级结晶器,而二级结晶器对工艺产生了负面效果。以此依据,直接省去二级结晶器,不但解决了原工艺存在的问题,而且提高了数百万美元的产出。

3.6 固定床催化反应器设计研究

各种化学产品的生产工艺中,70%以上的反应器均为列管式固定床催化反应器。相对成熟的设计方法、简单易行的操作方法、稳定高效的生产能力,使列管式固定床催化反应器成为工艺设计人员的首选。然而,在实际使用中同样面临着不少挑战,最关键的就是管束中催化剂颗粒的配比和工作温度的控制。gPROMS的固定床催化反应器高级模型库(AML:FBCR)是迄今为止唯一切实可靠的成熟解决方案,为客户解决了许多其他方法难以解决的切实问题。

韩国LG化学的某对苯二甲酸的列管式固定床催化反应器,通过对其折流板结构进行简单调整,轻松实现了壳程冷却液温度的径向均匀分布,大大降低了催化剂颗粒的配置难度;日本三菱化学采用同样的方法,解决了某反应器中困扰已久的管内飞温问题,使反应器能够稳定运行在更高的反应温度下,提高产物选择性和产率。

3.7 英国BP石油:LNG储罐和火炬系统研究

液化天然气(LNG)储存和运输在整个LNG产业链都是十分重要的环节和基础设施。LNG的温度在-160℃以下,因此储罐必须采用特殊材料建造,技术要求很高,安全措施相当严格,投资巨大。英国BP石油公司采用gPROMS,对LNG储罐的结构、进出料运行、内部相态平衡进行了细致研究,并设计建造出了全混凝土结构的LNG储罐,极大的节约了成本。

同样的技术,亦应用在火炬系统设计之中。火炬系统的压力缓冲罐需要承受-100℃的低温,普通碳钢在此温度下将会脆裂,而耐低温的合金材料成本高昂。通过与LNG储罐同样的分析方法,准确获得了罐内的温度分布,为BP石油公司设计出耐低温合金材料使用最少的压力缓冲罐,其制造成本降低了150万美元。