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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

2

2

0

2

, ,, 1 ,1 1 1

,

, 10, ln

20,

, ,1 , ,

,1 , 0,1 , 0,1

diff conv I i

i

v r

H

water

conv e

v r a

e

p

E z x E z xT z x X j z x

z z z z z x

a Pt z j z xRT x

P x Fx x

P

E z x j z xa Pt z j z x z x

z

T z xC z x

t

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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

2

0

2

, ,, 1 ,1 1 1

,

, 10, ln

20,

, ,1 , ,

,1 , 0,1 , 0,1

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i

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H

water

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p

E z x E z xT z x X j z x

z z z z z x

a Pt z j z xRT x

P x Fx x

P

E z x j z xa Pt z j z x z x

z

T z xC z x

t

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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

2

2

0

2

, ,, 1 ,1 1 1

,

, 10, ln

20,

, ,1 , ,

,1 , 0,1 , 0,1

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i

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H

water

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v r a

e

p

E z x E z xT z x X j z x

z z z z z x

a Pt z j z xRT x

P x Fx x

P

E z x j z xa Pt z j z x z x

z

T z xC z x

t

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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

i ij j i isol soli j i

NCi ii k k

k ik

N za r z

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

2

2

0

2

, ,, 1 ,1 1 1

,

, 10, ln

20,

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,1 , 0,1 , 0,1

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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

2

2

0

2

, ,, 1 ,1 1 1

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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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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

2

0

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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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龚明 Tel: 010-8231-8880-209 工程师 Mobile: 182-1117-1739 海基科技 e-Mail: gongming@hikeytech.com Website: www.hikeytech.com