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化工工艺仿真

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化工工艺仿真

    化工产品种类繁多,生产工艺各不相同,选择典型的、有代表性的、有较强适应性的生产工艺作为流程级、规模化实训装置的实训载体是至关重要的。因而,选择原油炼制(常减压)、乙烯裂解和分离、合成氨、聚丙烯、精细化工(均苯四甲酸二酐)等方面典型的工艺进行系统的开发与建设,建成了化工工艺系列虚拟仿真实验。
    (1)原油常减压仿真
    以石化企业常减压真实装置为原型,结合计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术等先进科技开发而成。如图 1所示常-减压概貌DCS 仿真界面。
图 1 常-减压概貌DCS 仿真界面
    (2)聚丙烯聚合工段仿真
    聚丙烯(PP)作为热塑塑料聚合物在塑料领域内有十分广泛的应用,因所用催化剂和聚合工艺不同,所得聚合物性能、用途也不同。该仿真系统通过催化剂的引发,在一定温度和压力下单体聚合成聚合物。如图 2所示聚丙烯聚合工段仿真界面。
图 2 聚丙烯聚合工段仿真界面
    (3)合成氨仿真
    针对天然气的蒸汽转化法制取合成氨原料气而设计的,模拟的是某化工厂30万吨/年合成氨装置。工艺内容包括转化、净化、合成三个工段。通过建立动态数学模型,实时模拟合成氨生产装置的冷态开车、正常操作和正常停车等现象和过程,再现了一个离线的、能够亲自动手操作的仿真操作环境,使学员能够对工艺过程的主要指标进行控制和调节,结合对真实现场的感性认识和理解,从而使学习培训效果更加理想。培训工艺:合成氨净化工段仿真、合成氨转化工段仿真、合成氨合成工段仿真。如图 3所示为合成氨转化工段界面图。
图 3 合成氨工艺仿真界面图
    (4)均苯四甲酸二酐工艺仿真
    均苯四甲酸二酐(PMDA)是有机合成工业、新型化工材料和高附加值精细化工产品的基本原料。仿真工艺以均四甲苯和空气中的氧为原料在催化剂的作用下生成均苯四甲酸二酐为模型而开发。该系统包括氧化、水解、干燥、浓缩、脱水和升华六个工序。培训工艺:氧化工段单元、水解工段单元、浓缩工段单元、脱水工段单元、升华工段单元、干燥工段单元。如图 4为均苯四甲酸二酐浓缩工段仿真界面图。
图 4 均苯四甲酸二酐工艺仿真界面图
    (5)DCS控制30万吨/年乙烯裂解、分离智能虚拟工厂实习实训
    DCS控制30万吨/年乙烯裂解、乙烯分离智能虚拟工厂实习实训平台是由中心与秦皇岛博赫科技开发有限公司联合开发。走进这一“虚拟工厂”,先进的DCS控制系统,将电动、灯光、立体、透视、标识、色彩等现代化技术融合到虚拟工厂中,DCS仿真控制系统与模型通信结合,显示生产过程的温度、压力、物料流向、液位变化的情况,实现真正仿真工厂控制,使静态的模型动起来,形象生动,仿佛置身于现代化工厂场景。
    智能化虚拟工厂,涵盖了智能化模拟模型(图 5)、DCS控制系统(图 6)、三维虚拟VRS交互学习系统(图 7)、设备内部结构仿真系统,四个系统虚实结合形成一个完整的教学体系。
    DCS控制系统可进行实际生产各项工况的仿真实训,可实现单人、多人和分组操作;实现教师和学生协同操作实时监控,真正实现互动式教学。
    三维虚拟VRS交互学习系统,再现了工厂真实场景(图 8)。可通过键盘或鼠标操作行走于工厂中,完成对现场设备的操作;也可以进行交互学习,在总控室由班长(内操员)发出的指令,工人(外操员)进入工厂场景并进行操作和解决问题,真正实现了贴近实习现场的效果。
图 5  DCS控制30万吨/年乙烯裂解、分离智能模拟装置

图 6 乙烯裂解分离装置智能化工厂仿真DCS系统


图 7 乙烯裂解分离装置智能化工厂仿真系统-教学系统

图 8 乙烯裂解分离智能化工厂仿真系统-三维虚拟工厂

    (6)催化加氢工艺仿真

    氢与其他化合物相互作用的反应过程,通常是在催化剂存在下进行的。加氢反应属还原的范畴。反应类型加氢过程可分为两大类:(1)氢与一氧化碳或有机化合物直接加氢;(2)氢与有机化合物反应的同时,伴随着化学键的断裂,这类加氢反应又称氢解反应,包括加氢脱烷基、加氢裂化、加氢脱硫等。
    自原料油缓冲罐(V301)来的原料油经加氢进料泵(P301A/B)升压,在流量控制下与混合氢混合后经反应流出物/原料油换热器(E301AB)、反应进料加热炉(F301)加热至反应温度后,进入加氢精制反应器(R301)进行加氢精制反应。精制反应流出物进入加氢裂化反应器(R302)进行加氢裂化反应。加氢精制反应器(R301)设二个催化剂床层,加氢裂化反应器(R302)设三个催化剂床层,各床层间及反应器之间均设急冷氢注入设施。加氢精制反应器(R301)混合进料的温度通过调节反应进料加热炉(F301)燃料气量控制。
    自加氢裂化反应器(R302)来的反应流出物依次经反应流出物/混合原料油换热器(E301A)、反应流出物/边界物流换热器(E302)、反应流出物/混合原料油换热器(E301B),分别与热混合原料油、冷混合原料油换热,以尽量回收热量。换热后反应流出物温度降至230℃,进入热高压分离器(V302)进行气液分离。热高分气经热高分气/冷低分油换热器(E303)、热高分气/混合氢换热器(E304)换热后,再经过热高分气空冷器(A301)冷却至50℃进入冷高压分离器(V303)。为了防止热高分气在冷却过程中析出铵盐堵塞管路和设备,将除氧水注入热高分气/混合氢换热器及热高分气空冷器(A301)上游管线。冷却后的热高分气在冷高压分离器(V303)中进行油、气、水三相分离。顶部出来的循环氢(冷高分气)经循环氢分液罐(V306)分液,进行循环氢压缩机(C301)升压,然后分成两路:一路作为急冷氢去反应器控制反应器床层温度,另一路与边界来的新氢混合成为混合氢。
    冷高分油在液位控制下进入冷低压分离器(V305)。热高分油在液位控制下经加氢进料泵液力透平回收能量后进入热低压分离器(V304)。热低分气经热低分气空冷器冷(A302)却到50℃后与冷高分油混合进入冷低压分离器(V305)。冷低分油与热高分气换热后再与热低分油混合后出装置。冷高压分离器、冷低压分离器底部排出的酸性水及分馏部分排出的酸性水合并后送至装置外。冷低分气至装置外脱硫。


    (7)单釜、多釜串联反应器返混性能远程实验测
    该实验项目模块由实验操作和仿真实训组成。如下图所示。主要用于化学工程与工艺及相关专业的教学培训,使参加培训的学生都能够充分的理解停留时间分布和非理想流动的实验测定,一对一亲自动手操作,观察实验现象,对学生进行操作过程和结果进行客观的考核和评定。
    在研究工业生产反应器内进行的液相反应时,不仅要了解浓度、温度等因素对反应速度的影响,还要考虑物料的流动特性和传热与传质对反应速度的影响。由于种种原因造成的涡流、速度分布等使物料产生不同程度的返混。返混不仅会改变反应器内的浓度分布从而影响反应率,同时还会给反应的放大、设计带来很大的困难。
    在连续流动釜式反应器中,激烈的搅拌使反应器内物料发生混合,反应器出口处的物料会返回流动与进口物料混合,这种空间上的反向流动就是返混,通常称为狭义上的返混。反应器的返混程度是很难直接观察和度量的。返混会产生两个孪生现象:其一是改变了反应器内的浓度分布;其二是造成物料的停留时间分布。测定物料的停留时间分布是一种比较简单的方法。因此,通常采用测定停留时间分布的来探求反应器的返混程度。通过测定反应器的停留时间分布,对过程的物理实质加以概括和简化,可以概括出流动模型。
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