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gPROMS——领先的过程模拟平台
龚明 海基科技工程师
April 16, 2012 www.hikeytech.com
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概述
工艺过程、PSE 以及 gPROMS
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工艺过程系统的全周期
基础实验研究 工艺工程设计 实时运行监控
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工艺过程系统的全周期
基础实验研究
检验工艺是否可行
获得工艺基本参数
经常遇见的情况
实验太少,无法验证工艺效果
实验太多,累赘数据影响分析
要解决的问题
如何有效设计实验?
如何合理的分析实验数据?
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工艺过程系统的全周期
工艺工程设计
建立完备的工艺流程
实现实验设备的逐级放大
经常遇见的情况
设备放大需要太多经验
放大之后带来的各种问题
要解决的问题
如何可靠准确的放大设备?
如何控制放大后的负面影响?
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工艺过程系统的全周期
实时运行监控
设置简便稳定的控制系统
及时发现可能出现的故障
经常遇见的情况
各种干扰下运行的不稳定性
实际运行后的经济效益不佳
要解决的问题
如何调整到最佳运行状态?
如何控制外界干扰对过程的影响?
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PSE
工艺优化设计
新工艺开发
工程项目与研究
ModelCare
战略评估
具体工艺装置优化
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gPROMS
高级热力学模块
高级模型库
gPROMS 基础建模平台
火炬系统
专业解决方案
ModelBuilder
固体颗粒
溶解结晶
燃料电池
gO:CAPE-OPEN gO:Run gO:Simulink gO:MATLAB gO:CFD gO:mode FRONTIER
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为什么使用gPROMS
关键技术优势
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Reaction
Hydrodynamics
Feed and product withdrawal locations
Internals design, layout and geometry
Impeller type and spacing
关键技术优势
分布参数建模方法与全动态模拟
开放式建模与工程数学编程语言
高效的大型非线性方程组求解能力
增强的物性计算
基于用户角度的多级模型管理
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Reaction
Hydrodynamics
Feed and product withdrawal locations
Internals design, layout and geometry
Impeller type and spacing
关键技术优势
分布参数建模方法与全动态模拟
开放式建模与工程数学编程语言
高效的大型非线性方程组求解能力
增强的物性计算
基于用户角度的多级模型管理
2
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离散系统建模方法
通常情况的均匀性假设
温度T和浓度C取整个反应器的平
均值或特征值
忽略反应器的尺寸大小
在研究体系反应过程时,均匀性
假设运用更加普遍
均匀性假设合理么?
对于实验室尺度的设备来说是可
以接受的
对于中试甚至工业尺度的设备会
带来大量的问题
exp nE
R A CRT
C
T
CSTR
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分布参数建模方法
更准确的方法
温度T与浓度C均为反应器内
位置的函数T(x, y, z)、C(x, y, z)
出口浓度Cout为反应速率的函数
所有变量采用时间相关的瞬态求解方法
C
T
CSTR
(x,y,z)
( , , ) exp ( , , )( , , )
( ( , , ),.......)
n
out
ER x y z A C x y z
RT x y z
C fR x y z
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两种建模方法对比
均匀系统建模
物性参数与体系空间位置无关,以常微分方程与代数方程描述
不适于大范围、大尺度的设备、操作条件变化,以及动态过程
非理想状态混合、非平衡气液吸收、群体平衡
分布参数建模
物性参数与体系空间位置及其他独立变量相关
颗粒粒径、摩尔分数……
采用积分方程与偏微分方程描述体系参量变化
时间参数直接成为方程变量
分布参数模型几乎没有任何应用限制,完全的动态模拟
开停车、外界扰动、控制方案对比、不可逆变化……
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Reaction
Hydrodynamics
Feed and product withdrawal locations
Internals design, layout and geometry
Impeller type and spacing
关键技术优势
分布参数建模方法与全动态模拟
开放式建模与工程数学编程语言
高效的大型非线性方程组求解能力
增强的物性计算
基于用户角度的多级模型管理
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,
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开放式建模
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开放式建模
实验数据
模型方程
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Time (s)
Mo
le f
rac
tio
n o
f B
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开放式建模
gO:CAPE-OPEN
gO:Run
gO:Simulink gO:MATLAB
gO:CFD gO:mode FRONTIER
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工程建模语言
模型MODEL + 扰动TASK = 过程PROCESS
1
1 1 1
1
( )0 ( )
( ) ( )(1 ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )( )( ) , 1, 1
( )
NRi
ij jj
NC NR NCf
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k ik
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z
T z T zCp a H r z N z H z
t z z z
x z N z x z N zx zv z i NC
z D z
PARAMETER
UNIT
VARIABLE
BOUNDARY
EQUATION
……
PARAMETER
VARIABLE
SCHEDULE
ASSIGN
TOPOLOGY
MONITOR
INITIAL
SCHEDULE
……
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Reaction
Hydrodynamics
Feed and product withdrawal locations
Internals design, layout and geometry
Impeller type and spacing
关键技术优势
分布参数建模方法与全动态模拟
开放式建模与工程数学编程语言
高效的大型非线性方程组求解能力
增强的物性计算
基于用户角度的多级模型管理
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高效求解复杂模型
快速求解复杂非线性方程
代数方程(AEs)
微分方程 (DAEs)
积分-偏微分方程 (IPDAEs)
高级方程求解器
基于LU分解算法的LASolver
基于牛顿非线性算法的NLSolver
求解偏微分方程的DASolver
Steam Boiler feedwater
Disengagement
FT Wax
FT Wax + C
atalyst
Gas product
Catalyst make-up
Syngas feed (CO,H2)
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高效求解复杂模型
模型特点
复杂的气-液-固三相反应体系
模型方程包含30~40万的变量
由流动与反应两个子模型组成
其他模拟工具
两个子模型分别迭代计算
花费约35分钟的计算时间
用gPROMS重新计算
冷态流动:5分钟
热态反应:30秒
Steam Boiler feedwater
Disengagement
FT Wax
FT Wax + C
atalyst
Gas product
Catalyst make-up
Syngas feed (CO,H2)
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Reaction
Hydrodynamics
Feed and product withdrawal locations
Internals design, layout and geometry
Impeller type and spacing
关键技术优势
分布参数建模方法与全动态模拟
开放式建模与工程数学编程语言
高效的大型非线性方程组求解能力
增强的物性计算
基于用户角度的多级模型管理
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物性计算
gPROMS 物性数据库及热力学技术
Multiflash® 技术
DIPPR 数据库
每年更新的专业物性数据库
其它广泛的选择
CAPE-OPEN 物性包
Aspen Properties® PRO/II®, SIMULIS®
OLI® -电解质系统
自定义物性
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gSAFT – 高级热力学模型
基于SAFT- Mie 状态方程
英国帝国理工大学及PSE特有的技术和专利
由基本量子力学原理获得未知物质的热力学性质…
…分子间相互作用
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gSAFT – 高级热力学模型
0 2 4 6 8 10 12 14 160
50
100
150
200
Methanol+Water n-Hexane+Water
HF+Water
NaCl+Methane+Water P
[M
pa
]
103 xCH4
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Hydrodynamics
Feed and product withdrawal locations
Internals design, layout and geometry
Impeller type and spacing
关键技术优势
分布参数建模方法与全动态模拟
开放式建模与工程数学编程语言
高效的大型非线性方程组求解能力
增强的物性计算
基于用户角度的多级模型管理
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gPROMS的用户模板
第一级别用户:模型开发人员
依据基本原理开发新的模型
设计模型的通用操作界面及交互接口
创建并维护模型库
第二级别用户:工艺设计人员
利用模型库的基本模型开发工艺流程
通过设定流程输入获得关键参数的输出结果
第三级别用户:过程操作人员
直接使用第一或第二级别用户开发的模型或工艺流程
操作人员培训系统、运行状态测试系统、工程计算
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Americas Air Products • BP Chemicals
Carus Corporation CD Tech • C&I Engineering Dow Chemicals • DuPont
ExxonMobil • Ineos Praxair
Energy Solutions Folgers
Johns Manville Minera EXAR
Procter & Gamble Pfizer • SQM
Toyota Motor US United Technologies RC
United Technologies Power
他们选择了gPROMS
EMEA Arkema • BP Chemicals
BP Exploration • BASF • CEPSA Infineum • Indorama
Jacobs Engineering Linde • Morgan Stanley
Plaxica • Repsol • SASOL Shell Global Solutions Süd-Chemie • Sulzer
TOTAL • Wacker Chemie Wolff Cellulosics
Anglo Platinum • Atomic Weapons Establishment Cadbury’s • Ceres Power
det Norske Veritas FL Smidth • Friesland Foods
National Nuclear Labs Nestlé • Purac
RWEnpower • Tetrapak Topsøe Fuel Cells
Veolia • Voith Paper
APAC
Idemitsu Petrochemicals GS E&C • Hyosung
JGC • LG Chem Mitsubishi Chemical
Posco • Samnam Petrochemical SKC • SK Chemicals
SK Energy SK Petrochemicals
Taiyo Nippon Sanso
Denso • KIER Samsung Electronics
Samsung SDI Sugar Australia
Toshiba Fuel Cell Toyota CRDL
Toyota Motor Company
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列管式反应器故障修正与设计
日本,三菱化学
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列管式反应器故障修正
冷却液
产物
原料
列管式反应器
22000 根催化剂管道
熔融盐冷却
强放热反应
低选择性、低产率
主要挑战
反应器内热点与飞温
出现热点与飞温后的矫正行动
冷却液
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模型方法与结果
壳层CFD模型 催化反应管 gPROMS模型
催化剂颗粒反应动力学模型
催化剂床层与管壁传热
温度与组分含量在管道轴向与径向二维分布
催化反应管 计算壳层冷却液流动与温度
模型:CFD+gPROMS 结果:
获得催化反应管内详细的温度与组分含量分布情况
Applications
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达到的效果
效果:
预测热点与飞温部位
调整催化剂颗粒分布
在更高温度下运行以提高选择性
产量提高
Temperature at tube centres
ΔT = 16
Tube surface temp [°C]
ΔT = 90
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高性能对苯二甲酸反应器设计
韩国, LG化学
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320
340
300
280
260
240
温度
0.0 1.0 管道轴向位置
89
90
88
87
86
85 0.8 1.0 管道轴向位置
产率
% 不同径向位置管道 不同径向位置的管道内
转化率不相同
不同径向位置的管道内
温度分布不相同
壳层冷却液温度沿轴向与径向变化不统一
列管式反应器 – 初始设计
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壳层冷却液温度沿轴向与径向变化相一致
320
340
300
280
260
240
温度
0.0 1.0 管道轴向位置
89
90
88
87
86
85 0.8 1.0 管道轴向位置
产率
% Tubes at different radial locations
列管式反应器 – 优化设计
不同径向位置的管道内
转化率达到相同水平
不同径向位置的管道内
温度分布一致
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优化结果
列管式反应器 – 优化结果
更高的转化率与选择性
更简便的工艺控制
可以运行在更高的温度下运行
减少热点生成
延长催化剂寿命
初始设计 优化设计
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石油化工减压容器设计
英国, BP石油
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减压容器工作状态
-100 °C低温气体 气体进入火炬系统
火炬系统缓冲罐
15m
火炬系统缓冲罐
长达15米的大尺度容器
入流气体温度: –100 °C
储存气体中残余液体
工作状态:
如何选择容器材料?
铬镍铁合金(确保安全性)?
碳钢(低成本)?
碳钢-43℃低温下脆裂
需要获得非常准确的温度分布
主要挑战:
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传热模型
三维导热模型
液相、碳钢壁面、合金垫圈
轴向、径向、周向变化
一维传热模型
气相
轴向变化
关键的传热系数
容器与环境间传热系数
气-液、气-固间传热系数
模型:
Heat fluxes
Discretisation: axial, azimuthal and through the wall thickness
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精确的碳钢壁面温度分布
碳钢壁面温度保持在-43℃以上
证实低成本设计方案的可行性
碳钢为主体材料
附加铬镍铁合金垫圈
模拟长达15天的运行工况
此结论同样可用于管网设计
结果:
“这项研究让我们的缓冲罐建造成本节省了150万美元”
– Stephen Leng, BP Operational Excellence
结论与效益
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工业结晶设备故障排除
日本,三菱化学
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工业尺度冷却结晶工艺设备
Reproduced with permission from Mitsubishi Chemical Corporation
Feed
C
P
C
P
大型工业结晶设备
总容积200m3
两个结晶器串联
过程: Turbulent energy dissipation at opt of draught tube
Flow up crystalliser annulus
Flow lines from CFD calculation
问题:
高回流率
结晶体过小!
连续生产非常困难
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要求
详细的结晶体粒径分布
流动与结晶的相互作用
成核、生长、磨损
受湍流耗散率影响
采用gPROMS/CFD耦合
模型:
结晶器 – gPROMS/CFD耦合模型
CFD模型 – 划分为多个区域单元 – 速度分布 – 能量耗散率分布
gPROMS单元模型 – 群体平衡
– 晶体生长动力学
– 成核及磨损动力学
– 结晶质量和能量传递
– 单元网络间质量和能量守恒
CFD gPROMS – 区域单元间的物质流率
– 区域单元内平均能量耗散率
gPROMS CFD
–区域单元内平均密度和粘度
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实际工业收益
产品质量的准确数据
与工厂实际检测数据高度吻合
重新理解发生结晶的位置
第二级结晶器是多余的!
最佳的操作方式
新的设备启动策略
提高了数百万美元的产出
结果:
X
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提高苯乙烯反应器催化剂利用率
荷兰,壳牌
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Rn Cn
Rn Cn
Rn Cn
苯乙烯生产
生产过程
6个反应器串联的工艺流程
催化剂选择性与活性随时间变化
每次只有一个反应器进行再生
放热催化反应器 中间冷却器
太快: 影响生产率
太慢: 产物纯度下降
生产能耗增加
最优化的催化剂再生频率?
主要挑战:
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模型方法与结果
依据经济效益的动态优化
动态优化结果
获得最优的催化剂再生频率
最低的操作成本
苯乙烯产量明显提高
] [ ] [ 1
] [ 2 2 + +
= B K A K
B K k r
B A
B
反应动力学方程
催化剂失活模型
t
模型: 结果: 最佳再生频率
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固体氧化物燃料电池(SOFC)优化设计
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燃料电池系统优化设计
电池系统概况:
民用型SOFC系统
供给大量家用电器
频繁的用电负荷变化
优化设计要点:
优化稳态操作以保持燃料的高利用率
理解并设计多种瞬态操作状态
电池系统开启
输出功率频繁调整
AMS
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电力系统级动态模型
SOFC 高级模型
电力系统动态模型: 燃料供给子模型 空气供给子模型 用电设备子模型
所有子模型均包含关键的控制器组件
模型:
AMS
Fuel cell
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SOFC电力系统瞬态操作
燃料电池堆
家用交流电源
空气供给压缩机
燃料供给压缩机
外部用电设备 启动 低压供给 高压供给
燃料消耗显著降低
结果:
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