煤化工工艺仿真实训教材新教材Word文档格式.docx

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4.变换-10-

二、仿真系统操作-10-

1.工艺仿真控制回路-10-

2.系统冷态开车操作-12-

3.系统正常停车操作-20-

4.事故处理-22-

任务二、合成氨净化工段工艺仿真实训-23-

一、认知工艺流程-23-

1.脱碳-23-

2.甲烷化-24-

二、仿真系统操作-24-

1.工艺仿真控制回路-24-

2.系统冷态开车操作-25-

3.系统正常停车操作-31-

4.事故处理-31-

任务三、合成氨合成工段工艺仿真实训-33-

一、认知工艺流程-33-

1.氨合成工艺原理-33-

2.氨合成主要设备-34-

3.工艺流程简述-36-

4.工艺仿真设备及控制回路-40-

二、仿真系统操作-41-

1.系统冷态开车操作-41-

2.系统正常停车-44-

3.事故处理-45-

【项目测评】-46-

项目二、甲醇工段工艺仿真实训-50-

任务一、甲醇合成工段工艺仿真实训-50-

一、认知工艺流程-50-

1.甲醇的特点及作用-50-

2.甲醇合成的方法-50-

3.合成机理及工艺路线-52-

4.设备简介-54-

二、仿真系统操作-55-

1.系统正常操作指标-55-

2.系统冷态开车操作-56-

3.系统正常停车-60-

4.事故处理-60-

任务二、甲醇精制工段工艺仿真实训-63-

一、认知工艺流程-63-

1.甲醇精制工艺特点-63-

2.甲醇精制工艺流程简述-63-

2.主要设备-66-

二、仿真系统操作-67-

1.系统正常操作指标-67-

2.系统冷态开车操作-70-

3.系统正常停车操作-72-

4.事故处理-73-

【项目测评】-74-

项目三、水煤浆加压气化工段工艺仿真实训-76-

任务一、认知工艺流程-76-

1.水煤浆制备工艺流程-76-

2.水煤浆加压气化工艺流程-77-

3.黑水处理工艺流程-79-

4.灰水处理工艺流程-81-

任务二、仿真系统操作-82-

1.系统正常操作指标-82-

2.系统冷态开车操作-83-

3.系统正常停车操作-89-

【项目测评】-93-

项目四、尿素合成工段工艺仿真实训-94-

任务一、认知工艺流程-94-

1.压缩工段工艺流程-94-

2.合成循环工段工艺流程-96-

3.工艺冷凝液处理-100-

任务二、仿真系统操作-100-

1.设备说明-100-

2.系统冷态开车操作-101-

3.系统正常停车操作-107-

3.事故处理-109-

【项目测评】-112-

项目五、10万吨二甲醚合成及精制工段工艺仿真实训-113-

任务一、认知工艺流程-113-

1．背景-113-

2．合成原理-113-

3.工艺流程简介-114-

任务二、仿真系统操作-115-

1.复杂控制方案说明-115-

2.系统正常操作指标-116-

3.系统冷态开车操作-117-

4.系统正常停车操作-122-

5.事故处理-124-

【项目测评】-124-

项目六、聚氯乙烯生产工艺仿真实训-127-

任务一、认知工艺流程-127-

1.PVC聚合原理及方法-127-

2.PVC聚合工艺流程简介-128-

3.PVC聚合原料简介-131-

任务二、仿真系统操作-132-

1.设备简介-132-

2.系统正常操作指标-133-

3.复杂控制系统说明-135-

4.仿真系统操作-136-

【项目测评】-143-

项目七聚丙烯聚合工段工艺仿真实训-145-

任务一、认知工艺流程-145-

1.聚丙烯聚合原理-145-

2.聚丙烯聚合工艺-146-

3.工艺流程简介-147-

任务二、仿真系统操作-148-

1.工艺仿真说明-148-

2.系统正常操作指标-149-

3.系统冷态开车操作-150-

4.系统正常停车操作-151-

5.事故处理-151-

【项目测评】-153-

绪论

仿真（simulation）是利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通过系统模型进行实验和研究的应用技术科学。

按所用模型的类型（物理模型、数学模型、物理一数学模型）分为物理仿真、计算机仿真（数学仿真）、半实物仿真，按对象的性质分为宇宙飞船仿真、化工系统仿真、经济系统仿真等。

系统仿真是20世纪40年代末以来伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新兴学科。

最初，仿真技术主要用于航空、航天、原子反应堆等价格昂贵、周期长、危险性大、实际系统试验难以实现的少数领域，后来逐步发展到电力、石油、化工、冶金、机械等一些主要工业部门，并进一步扩大到社会系统、经济系统、交通运输系统、生态系统等一些非工程系统领域。

可以说，现代系统仿真技术和综合性仿真系统已经成为任何复杂系统，特别是高技术产业不可缺少的分析、研究、设计、评价、决策和训练的重要手段。

其应用范围不断扩大，应用效益也日益显著。

本书所讲的过程系统仿真是指过程系统的数字仿真，它要求描述过程系统动态特性的数字模型，能在仿真机上再现该过程系统的实时特性，以达到在该仿真系统上进行实验研究的目的。

过程系统仿真由三个主要部分组成，即过程系统、数学模型和仿真机。

工业过程系统是过程系统的重要成员之一，在国民经济中占有极其重要的地位，包括化学、冶金、发电、造纸、食品、制药等行业。

各工业过程系统有许多共同点和规律，如化工过程系统，都是由一系列单元操作装置通过管道组合而成的复杂系统。

常见的单元操作装置有离心泵、压缩机、换热器、蒸汽透平机、蒸发器、干燥器、吸收塔、精馏塔、工业炉及各种化学反应器等，而这些单元操作装置及其所构成的化工过程系统，又是由各种调节器、调节阀、检测仪、变送器、指示仪、记录仪或较先进的集散型计算机控制系统（DCS—DistributedControlSystem,简称集散控制系统）所监测控制。

所以，仿真方法也十分相似。

所谓集散控制系统，是指利用计算机实现控制回路分散化、数据管理集中化的控制系统。

本书讲的化工仿真，主要是对集散控制系统化工过程操作的仿真。

二、过程系统仿真技术的工业应用

过程系统仿真技术的工业应用大约始于60年代，并于80年代中期随着计算机技术的快速发展和广泛普及取得很大进展。

过程系统仿真技术在工业领域中的应用已涉及辅助培训与教育、辅助设计、辅助生产和辅助研究等方面，其社会经济效益日趋显著。

1.辅助培训与教育

采用过程系统仿真技术辅助培训，简而言之就是人用仿真机运行数学模型建造一个与真实系统相似的操作控制系统（如模拟仪表盘、仿DCS操作站等），模拟真实的生产装置，再现真实生产过程（或装置）的实时动态特性，使学员可以得到非常逼真的操作环境，进而取得非常好的操作技能训练结果。

过程系统仿真技术在操作技能训练方面的应用近十年来在全世界许多国家得到普及。

大量统计结果表明，仿真培训可以使工人在数周之内取得现场2～5年的经验。

这种仿真培训系统能逼真地模拟工厂开车、停车、正常运行和各种事故状态的现象，它没有危险性，能节省培训费用，大大缩短培训时间。

许多企业已将仿真培训列为考核操作工人取得上岗资格的必要手段。

仿真技术在教学中的应用，尤其是在职业教育中的应用，更加显示出其优势。

职业教育的目标是让学生既要学会专业理论知识，又要掌握专业应用技能。

职业教育内容包括理论教学、实验教学和实习教学三个部分。

（1）理论教学

目标是让学生了解掌握专业基础理论和专业实践应用知识，目前国内各职业学校主要采用课堂模式的群体教学方式。

如引入仿真技术和计算机辅助教学CAI（ComputerAssistedInstruction）结合，既能弥补课堂教学中的不足，又能改变群体教学中无法适应学生个体差异的教学方式。

CAI软件对课堂教学中不易表现、描述、讲解的内容，起到补充的作用，其图文声像并茂的效果还可大大提高课堂教学质量，缩短教学时间；

其交互式的使用方式，可以极大地增强学生主动参与的兴趣，并给予学生充分的动手机会。

CAI软件主要用于课堂辅助教学，可替代部分课堂教学内容或帮助学生理解在课堂教学和书本学习中不易掌握的抽象的或实物的内容，教学中可以让学生集体上机操作，也可以让学生自由上机操作。

（2）实验教学

目标是让学生通过实验来认证理论和进一步理解理论知识，同时使学生通过亲自动手来锻炼和提高专业操作技能。

采用仿真技术开发用于不同专业的实验教学的仿真系统具有明显的优势。

①可以开发出实际无法实现的某些实验的仿真教学系统，来满足教学需求。

如：

某些大型复杂仪器或设备系统，某些有危害或条件要求极高的实验（核反应、高电压类试验等）。

②开发投资费用高的实验仿真教学系统，既能很好地完成实验教学的要求，又能节省教学投资。

③开发实验消耗很大，而仿真实验教学系统既达到了实验教学效果，又减少了教学消耗。

④仿真实验教学系统，除替代真实的实验操作外，还具有一些真实实验无法实现的功能和效果。

（3）实习教学

目标是让学生通过接触客观实际，来了解和认识所学的专业知识，更重要的是让学生了解和掌握专业知识在客观实际中的应用方法和应用技能，将所学专业与实践相结合。

仿真实习为学生提供了充分动手的机会，学生可以在仿真机上反复进行开车、停车训练，进行事故判断和排除训练，从而提高学生分析能力和在复杂情况下的决策能力。

学生可以根据自己的具体情况有选择地学习，如自行设计、试验不同的开车、停车方案，试验复杂控制方案、优化操作方案等。

在仿真实习过程中，学生变成了学习的主体，可以充分发挥学习主动性。

另一方面，仿真软件提供快门设定、工况冻结、时钟设定、成绩评定、趋势记录、报警记录、参数设定等特殊功能，便于教师实施各种新的教学与培训方法。

仿真实习软件中的自动评价功能还能对学生掌握知识的水平随时进行测评。

这些在真实工厂都无法实现。

采用仿真实习替代传统的实习教学，可以节省设备运行费、物料能量损耗费、实习人员下厂经费等大量开支，并能突出实习效果。

2.辅助设计

仿真技术用于辅助工程设计已不是新概念。

不同行业，不同领域，仿真技术用于辅助设计的侧重面不同，在化工过程领域通常有以下几个方面的应用。

（1）工艺过程设计方案的试验与优选。

（2）工艺参数的实验与优选。

（3）设备选型和参数设计的实验与优选。

（4）工艺过程设计的开、停车方案的可行性实验与分析。

（5）自控系统方案设计的试验、优选及调试。

（6）联锁系统和自动开停车系统设计方案的试验和分析。

3.辅助生产

在工业生产领域中，仿真技术辅助生产在大型复杂工业过程中逐渐被采用，目前仿真技术辅助生产应用较多的有如下几个方面。

（1）装置开停工方案的论证与优选。

（2）工艺和自控系统改造的实验与方案的论证、分析。

（3）生产优化可行性试验与生产优化操作指导。

（4）事故预定的试验与事故分析和处理方案论证。

（5）紧急救灾方案实验与论证。

4.辅助研究

仿真技术用于辅助研究，也是一个老课题。

近年来，随着计算机硬件软件技术的发展，越来越受到人们的重视，在以下几个方面仿真技术应用于研究已收到了很好的效果。

（1）计算流体力学，尤其在航空、航天领域，进行了很深的应用，也取得了非常好的效果。

（2）分子工程研究中的仿真设计与试验。

例如：

美国分子仿真技术公司开发的用于分子设计与试验的软件。

尤其在生物学，分子生物学，药物分子研究等领域的应用较为深入。

（3）化工新工艺研究与试验，采用仿真技术完成炼油、化工等过程新工艺的研究和从小试、中试到工业规模的试验方法与试验。

三、化工仿真培训系统简介

化工仿真培训系统是系统仿真技术应用的一个重要分支，主要用于化工生产装置操作人员开车、停车、事故处理等过程的操作方法和操作技能的培训。

仿真培训可以在短时间内使操作人员的操作水平大幅度提高，是一种为绝大多数化工企业和职教部门所认同的、先进的高效率的现代化培训手段。

1.化工仿真培训系统的建立

化工仿真培训系统的建立必须以实际生产过程为基础。

首先，要通过建立生产装置中各种过程单元的动态特征模型及各种设备的特征模型模拟生产的动态过程特性。

其次，要创造一个与真实装置非常相似的操作环境，各种画面的布置、颜色、数值信息动态显示、状悉信息动态指示、操作方式等方面要与真实装置的操作环境相同，便于学生有一种身临其境的真实感。

（1）化工实际生产过程

如图0-1所示，实际生产过程包括几个主要因素：

控制室、生产装置、操作人员、干扰与事故，控制室和生产现场是生产的硬件环境，在生产装置建成后，工艺或设备基本上是不变的。

操作人员分为内操和外操。

内操在控制室内通过DCS对装置进行操作和过程控制，是化工生产的主要操作人员。

通常，外操在生产现场进行诸如生产准备性操作、非连续性操作、一些泵的就地操作和现场巡检。

操作人员是生产的关键因素。

其操作技能的高

低直接影响产品质量和生产的效率。

干扰是指生产环境、公用工程等外界因素的变化对生产过程的影响，如环境温度的变化等。

事故是指生产装置的意外故障或因操作人员的误操作所造成的生产工艺指标超标的事件，本书所介绍的事故主要指生产装置（如设备、仪表等）的意外故障。

干扰和事故是生产中的不定因素，但对生产有很大的负面影响，操作人员对干扰和事故的应变能力和处理能力是影响生产的重要因索。

整个生产过程可以简述为：

操作人员根据自己的工艺理论知识和装置的操作规程在控制室和装置现场进行操作，操作信息送到生产现场，在生产装置内完成生产过程中的物理变化

图0-2仿真培训过程示意图

和化学变化，同时一些主要的生产工艺指标（生产信息）经测量单元、变送器等反馈到控制室。

根据内操观察、分析反馈回来的生产信息，判断装置的生产状况，进行进一步的操作，使控制室和生产现场形成了一个闭合回路，逐渐使装置达到满负荷平稳生产状态。

（2）仿真培训过程

图0-2是根据实际生产过程设计的仿

真培训过程。

学生在“仿控制室”（包括图

形化现场操作界面）进行操作，操作信息经网络送到工艺仿真软件。

生产装置工艺仿真软件完成实际生产过程中的物理变化和化学变化的模拟运算，一些主要的工艺指标（仿生产信息）经网络系统反馈到仿控制室，学生观察、分析反馈回来的仿生产信息判断系统运行状况进行进一步的操作。

在仿控制室和工艺仿真软件间形成了一个闭合回路，逐渐操作、调整到满负荷平稳运行状态。

仿真培训过程中的干扰和事故由培训教师通过工艺仿真软件上的人/机界面进行设置。

（3）实际生产过程与仿真过程的比较

仿真培训系统中以工艺仿真软件通过数学模型计算出仿生产信息，即用数学模型来模拟实际生产的动态过程特性。

“仿控制室”是一个广义的扩大了的控制室，它不仅包括实际DCS中的操作画面和控制功能，同时还包括现场操作画面。

仿真培训系统中无法创造出一个真实的生产装置现场，因此现场就地操作也只能放到仿控制室中。

仿真培训系统中的现场操作通常采用图形化流程图画面。

由于现场操作一般为生产准备性操作、间歇性操作、动力设备的就地操作等非连续控制过程，通常不是主要培训内容，因此，把现场操作放到仿控制室并不会影响教学效果。

干扰和事故在实际生产过程中是由于风吹日晒、摩擦腐蚀等综合作用引起的偶发事件，仿真培训系统中的软件运行不会受这些因素的影响。

因此，仿真培训系统中由授课教师通过软件的人／机界面设置来实现干扰和事故处理操作的培训。

2.化工仿真培训系统的结构

首先，仿真对象不同，装置规模和复杂程度差异很大。

如乙烯装置不仅工艺流程长而且工艺过程极其复杂；

离心泵等单元仿真培训软件工艺流程短，工艺过程简单。

其次，仿真培训系统的使用对象不同。

化工企业在岗职工的培训，接受培训人员相对较少，通常需要针对性较强的装置级仿真培训软件，这类软件要求与实际生产装置一致。

而大中专学校及职业技术学校等，接受培训人员多而且广，通常需要面较宽通用性较强的单元级和工段级仿真培训软件，这类软件要求与群体和个体教学的实施形式和要求相适应。

仿真培训系统应根据仿真对象和应用对象的不同采用不同的结构，设置不同的培训功能。

仿真培训系统产品有两种不同的结构形式。

一种是PTS结构（PiantTrainingSystem），用于针对装置级仿真培训系统，适合于化工企业在岗职工的培训；

另一种为STS结构（SchoolTeachingSystem），用于单元级和工段级仿真培训软件，适用于大中专及职业技术学校学生和工厂新职工的基础培训。

本书所介绍的化工单元仿真教学系统就是STS结构。

图0-3STS结构示意图

如图0-3所示，STS的硬件系统是由一台上位机（教师指令台）和多台下童机（学员操作站）构成的网络系统。

教师指令台上运行以下2种软件。

①教师指令台总体监控软件

该软件是整个仿真培训系统的控制中心和教师的操作界面用于培训内容选择、培训功能设置等。

②学员档案管理软件是学员接受仿真培训的档案管理。

学员操作站上运行以下软件。

Ⅰ.工艺仿真软件主要进行工艺仿真模型的计算，同时具有培训内容选择、培训功能设置等功能（在教师指令台上授权时）。

Ⅱ.OGS（OperationGuiding＆GradingSystem）学员工艺操作指导主要进行操作结果诊断和评定，它与工艺仿真软件之间通过DDE进行信息交换。

Ⅲ.DCS仿真软件

该软件是学员进行仿真培训的操作界面。

它不仅包括实际DCS中的操画面和控制功能，同时还包括现场操作画面，它与工艺仿真软件进行实时数据交换。

STS结构的仿真培训系统具有以下主要特点：

①系统容量大，可同时进行50人，甚至更多人的培训。

②工艺仿真软件和仿DCS软件同时在学员操作站上运行，使每台学员操作站可以进行单机培训。

③采用竞争操作方式，即各个学员操作站之间互不影响，各自操作目己的工艺仿真软件。

这与教学要求相一致。

项目一、合成氨工段工艺仿真实训

知识目标

能力目标

素质目标

1.掌握一氧化碳变换的基本原理、工艺条件及工艺流程分析；

2.掌握氨合成反应的基本原理、工艺条件及工艺流程分析；

3.理解氨合成塔的操作控制要点。

1.能独立解读各个工段工艺流程图；

2.能熟练进行工艺仿真操作，实现各个工艺点的自动控制；

3.能熟练处理日常出现的故障；

1.具有团队精神和与人合作能力；

2.具有自我学习和自我提高能力；

具有发现问题、分析问题和解决问题的能力；

具有创新能力。

任务一、合成氨转化工段工艺仿真实训

一、认知工艺流程

制取合成氨原料气的方法主要有以下几种：

1.固体燃料气法；

2.重油气法；

3.气态烃法。

其中气态烃法又有蒸汽转化法和间歇催化转化法。

本仿真软件是针对蒸汽转化法制取合成氨原料气而设计的。

制取合成氨原料气所用的气态烃主要是天然气（甲烷、乙烷、丙烷等）。

蒸汽转化法制取合成氨原料气分两段进行，首先在装有催化剂的一段炉转化管内，蒸汽与气态烃进行吸热的转化反应，反应所需的热量由管外烧嘴提供。

一段转化反应方程式如下：

气态烃转化到一定程度后，送入装有催化剂的二段炉，同时加入适量的空气和水蒸汽，与部分可燃性气体燃烧提供进一步转化所需的热量，所生成的氮气作为合成氨的原料。

二段转化反应方程式如下：

1.催化床层顶部空间的燃烧反应

2.催化床层的转化烧反应

二段炉的出口气中含有大量的CO，这些未变换的CO大部分在变换炉中氧化成CO2，从而提高了H2的产量。

变换反应方程式如下：

转化工段工艺流程图如图1-1所示。

图1-1合成氨转化工段工艺流程图

1.原料气脱硫

原料天然气中约含有6.0ppm左右的硫化物，这些硫化物可以通过物理的和化学的方法脱除。

天然气首先在原料气预热器（141-C）中被低压蒸汽预热，预热后的天然气进入活性碳脱硫槽（101-DA、102-DA一用一备）进行初脱硫。

然后进用蒸汽透瓶驱动的单缸离心式压缩机（102-J），压缩到所要求的操作压力。

经压缩后的原料天然气在一段炉（101-B）对流段低温段加热到230℃（TIA37）左右与103-J段间来氢混合后，进入Co-Mo加氢和氧化锌脱硫槽（108-D），经脱硫后，天然气中的总硫含量可降至0.5ppm以下，原料气直接被送往下一工段。

2.原料气的一段转化

脱硫后的原料气与压力为3.8MPa的中压蒸汽混和。

混合后的蒸汽和天然气以分子比4：

1的比例通过一段炉（101-B）对流段高温段预热后，送到101-B辐射段的顶部，气体从一根总管被分