专利名称：监控过程的方法
技术领域：
本发明涉及一种使用计算流体动力学监控过程的方法。
计算流体动力学(CFD)是一种用于模拟流体流动的已知的方法，其通过使用计算方法来求解控制流体流动的动量和质量守恒方程。例如，在对混合容器进行设计时，CFD可被用于模拟流体流动，以便实现适当的混合。类似地，当设计反应容器时，CFD可用来确保反应物之间和/或其与可能存在的任何催化剂之间的最佳接触，这可以通过反应器设计实现。
当给定系统边界条件并使用连续介质的流体基本方程，即质量和动量守恒方程(或称为Navier Stokes方程)时，CFD计算出系统的流动结构和特性，即。CFD可以在稳定或者不稳定(与时间相关)的模式下运行。该技术无须预先假设最终的方程解，并且除初始边界条件外，无须输入其他数据(例如，其不需要测量导出方程解的压降)。换句话说，在之前时间t0给出的系统边界条件时，该技术计算出系统在时间t1的所要求的特性。
在一些简单的流动问题(例如二维非粘性流)上，可以分析性地计算该流动，然而，在大多数有实际意义的工程流都需要数字求解非线性的二阶微分方程。CFD通过将流态分解成许多小单元(一般大于100k)，并且在每个单元中迭代预测值来数字求解该方程直到得出方程解。
例如，在Fluent Inc，2002出版的，E.M.Marshall和A.Bakker所著的“Computational Fluid Mixing”中对CFD进行了描述。
通常，CFD模型需要计算机花费很多的小时，甚至是几天，即使是相当简单的系统，特别是当其方程解与时间相关时。然而，尽管计算需要时间，但已经证明，当结算时间并非是关键性问题时，CFD是一种设计混合和/或反应容器的重要工具，其计算时间不是关键问题。
在形成本发明之前，除初始边界条件外，对于系统无须预先假设的CFD模型从未被用于实时过程控制。EP398706描述了预测一种在反应器中由大量单体聚合形成的聚合物的物理性能和状态的方法，其结果可用于警告操作者存在异常的反应器问题。然而，上述方法需要输入在反应器的多个点上(并因此在时间t0时)已测量的实时过程数据(即之前进行操作的结果)，并且计算的结果得出一个不同的参数的估算值，但在测量初始数据的时间t0时。
现在我们已经发现计算流体动力学，特别是当在不稳定(与时间相关)的模式下运行时，可用于实时过程监控以改善过程控制。
因此，根据第一个方面，本发明提供一种过程控制的方法，所述的方法包括(a)提供第一过程的计算流体动力学模型，(b)将向上述第一过程进料的数据输入该计算流体动力学模型，所述的数据代表初始时间t0时的状态，以便该模型在未来时间t1时产生第一过程的一种或多种特性的实时模拟，以及(c)使用该模拟以控制所述的第一过程，或者控制第一过程所连接的第二过程。
所谓“实时模拟”是指这样的模拟，当过程发生时(或者更快地)在一个足以预测过程条件的很短时间内得到模拟输出(模拟结果)，并因此根据需要响应于该输出进行控制；即系统能够从可以在初始时间t0应用的数据计算在后时间t1时的特性，并且，如果需要，能够在时间t1之时(或者之前)使用该计算来控制该过程(或者第二过程)。
本发明的方法可以通过控制系统实现，因此按照本发明的进一步具体实施方案，提供一种用于过程的控制系统，其包括(a)一个计算机，其被编程以运行第一过程的计算流体动力学模型，(b)一个输入系统，其用于将第一过程进料的数据输入计算流体动力学模型，所述的数据代表初始时间t0时的状态，以便该模型在未来时间t1时产生所述第一过程的一种或多种特性的实时模拟，以及(c)一个控制器，其对所述的模拟作出响应，并且用于使用所述的模拟来控制所述的第一过程，或者控制第一过程所连接的第二过程。
根据本发明的控制系统采用以下方式进行操作控制器(c)，如下所述，可以是自动过程控制系统或者可以由操作者进行操作，其能够在时间t1之时(或者之前)使用。
优选所述控制器(c)控制第一过程所连接的第二过程，所述的第一过程是在具有输出流(其中，该输出流被作为第二过程的进料)的适当的混合容器中的混合过程。例如，混合容器可以是原油储罐，且第二过程骤可以是一种原油蒸馏装置。该具体实施方案更详细的资料如下所述。
为了在未来时间t1时产生所述第一过程的一种或多种特性的实时模拟，在进料时的数据必须涉及在最长为时间t1的时间t0时输入第一过程的进料，并且可以包括，例如最长为该时间时将被输入第一过程的所有进料流的进料速度和组成。进料至一个过程的进料流的组成可以从在所述的料流进入该过程之前的足够时间对例如在合适的进料流储罐中的分析或者在上游管道(例如流量计)的分析获得。这些数据可以通过操作者或者自动化的输入监测系统而输入CFD模型。向CFD模型的输入本身可以是一个模型或者模拟的结果，例如，来自在上游储槽运行的独立CFD模型的输出。
本发明具有以下优点，即CFD模型用于预测所述第一过程的一种或多种特性，并且，必要时用于影响所述的输出，(i)在所述第一过程中出现预测特征之前，模拟输出用于控制所述的第一过程，或者(ii)在第二过程被预测特征影响之前，模拟输出用于控制第一过程所连接的第二过程。
相应于CFD模型预测对所述第一过程或第二过程的控制通常是通过操作者或者自动过程控制系统来实施的。尽管操作者或者自动化控制系统可以“使用”模拟输出来改变第一或第二过程的条件，但同样该模拟输出也可以用于确保第一或第二过程在预测的条件下合理地进行，而不必进行变化。
该模拟还可用于产生在后继时间t2、t3等时所述的第一过程的一种或多种特性的实时模拟。这可以通过连续运行或定期再运行(重复)该模拟以在未来时间t2、t3等时产生模拟来实现。这样，本发明可以用时间进行工艺过程监控。
“连续”运行是指不断更新模拟，以便一旦在时间t1时产生模拟输出，则继续模拟以产生用于后继时间t2的模拟输出。因此，在时间t1时的模拟可以通过输入在t1和t2之间进料到所述第一过程的数据来更新t1的模拟，从而在未来时间t2(t1之后)产生所述第一过程的一种或多种特性的实时模拟。在该具体实施方案中，运行模拟的时间周期与更新的时间周期相同(t2和t1之间的时间差)，即该模拟花费10秒钟，则t2和t1应该相差10秒钟。
或者，该模拟可以分别运行独立的实时模拟来运行(再运行)，以产生在未来时间t2、t3(在t1之后)等时的所述第一过程的一种或多种特性的实时模拟。尽管模拟可能开始于先前模拟之前且并联进行模拟，但通常在先前模拟进行之后开始。例如，模拟可以通过使用第一过程在时间t时的实际(即测量)数据和在时间t和t2之间进料到所述第一过程的数据来运行，以产生在未来时间t2(t1之后)时的所述第一过程的一种或多种特性的实时模拟。其中每个模拟开始于先前模拟进行之后，运行每个模拟的时间周期小于更新的时间周期(t2和t1之间有时间差)，即模拟需要花费10秒钟，那么t2和t1的差至少应当为10秒钟，以便使随后的模拟及时开始并完成。
也可以使用上述的组合。例如可以连续地进行模拟，即使用在t0时的初始数据并在全部的时间周期内对随后的时间周期(例如1小时)不断更新该模拟，随后使用一组可能来源于实际测量的新的初始数据重新开始模拟。实际上，时间t1被重新设置来表示新的时间t0。这样，新的数据提供了对连续运行的模拟的控制，并保证该连续运行的模拟不会变成实际条件的非代表性结果。
该模拟优选定期运行或更新，例如时间周期(即t3-t2，t2-t1等)为1秒～60分钟。
全部的模拟输出可用于控制所述的第一或第二过程，或者该控制可以仅仅使用间隔较长时间的模拟输出。例如，当每10秒重复该模拟时，那么可能仅仅需要使用每分钟或每10分钟的输出之一用于过程控制。因此，模拟的时间周期可以小于用于过程控制的更新时间步长，其取决于控制模式所要求的精度。
用于计算的时间步长不必是恒定的时间步长，其可以是在模拟内部根据变量的变率而变化的，以便于优选该计算时间。
所述第一过程的“一种或多种特性”可以包括化学或物理特性。一般化学特性包括化学组成。一般物理特性包括例如密度和粘度。特性还可以包括分散的或第二相的浓度，例如油包水。
该CFD模型将产生“特性图”(或一种或多种特性图)，其显示了一种或多种特性在第一过程内部如何改变，例如反应容器内化学试剂的浓度图，或者混合容器内部流体的密度或组分组成图。
在本发明的第一方面中，第一过程是在适当的反应容器中的反应。
在第一方面的一个优选的具体实施方案中，该模拟的输出是反应容器内部的组成变化图，且用于控制所述的反应。该模拟的输出还可以包括，例如反应容器内部的温度和压力值。该输出还可以包括排出容器的物流的特性。由于所述的输出用于控制所述反应，所以在反应容器中出现实际条件以前，操作者或自动过程控制系统应可以获得该输出，这样，如果预测到任何不希望的情况时，该操作者或控制系统可以进行响应以防止其发生。
不希望条件可以包括，例如反应容器内部超过可燃或爆炸的安全极限的区域，具有过低或过高的一种或多种反应物或催化剂浓度，具有不合适的流动特征，例如静态区域和/或可形成热点或冷点的区域。
替代地或另外地，在反应容器中出现实际条件以前就从该模拟获得该输出使得操作者或过程控制系统能够针对进料的何改变优化反应条件。
在第一方面中，进料的数据可以包括例如进料速度和全部进料流(包括任何循环流)的组成。例如“新鲜”进料流的组成可以在所述的流进入反应容器前的足够时间内从适当的进料贮槽或上游管道中的分析得到，且任何循环流的组成可以在所述流再次进入反应容器之前的足够的时间内从在循环回路中对循环流的分析得到。或者，任何循环流的组成可以从模拟输出本身得到。
在该第一方面中，输入CFD模型的数据还可以包括其他的工艺参数，例如催化剂活性(包括例如由于失活或根据需要加入新鲜催化剂所带来的变化)、温度和压力条件。例如，催化剂活性可以基于预测的失活率和/或新催化剂的引入计划，催化剂温度和压力可以基于过程条件的预定的或预计的变化，例如温度增加导致催化剂失活。
在第二优选方面中，第一过程是在适当的混合容器中的混合过程。在第二方面的一个优选的具体实施方案中，混合容器具有作为第二过程进料的输出流，其条件可以基于输出流的组成进行优化。在这种情况下，在所述组成的流出流到达第二过程之前，第二过程的操作者或自动过程控制系统可以获得模拟的输出，以便于操作者或过程控制系统可以在流出流“到达”所述的第二过程时针对该流出流优化第二过程。
本发明第二方面的实例包括，作为混合容器的原油储罐和作为第二过程的原油蒸馏单元。
原油蒸馏单元是原油再精炼不可分割的一部分。所述的单元从一个或多个原油储罐进料，而储罐又是从油罐车或管道批量加入原油的。一般一个原油蒸馏装置具有若干个原油储罐。
每个原油储罐的容积通常能到达100,000m3。原油从原油储罐任选经过预处理(例如原油脱盐)之后送至原油蒸馏装置。然而，通常不可能完全清空一个原油储罐，并在有些情况下，在原油储罐中最多可以保留高达20％最大储罐容量的原油。然后从例如油罐车中再次注满该储罐。由于原油在化学特性(例如烃组成和水含量)和物理特性(例如粘度和密度)方面都可能存在很大的差别，在储罐中的原油的总体或局部特性将取决于罐中剩余原油和“新鲜”原油的相对体积和特性。
由于原油蒸馏塔可以基于原油的特性进行优化，因此原油的特性是重要的。通常假定在原油储罐中剩余的和“新鲜”的原油完全混合，以得到均匀的组合物。尽管这样假定，但即使在原油储罐中进行了混合，在储罐内的组合物也可以变化。因此，当原油被送入原油蒸馏塔时，其特性随着时间而变化，且蒸馏将是次优化的。
在本发明过程中，将“新鲜”原油的特性，例如总体积、流速、化学组成、密度和粘度输入该原油储罐的CFD模型。该CFD模型已经包含了储罐中剩余原油的细节(通过基于之前对该原油储罐的注入和清空进行模拟而得到)，并且以罐内位置的函数的形式计算原油的特性。这个“特性图”定期更新，例如每隔几分钟到几小时，只要“新鲜”原油随时间加入(将空原油储罐变成原油储罐可能需要24小时或更久)或混合(一旦完成了注入并且从储罐中取出原油时就会发生)。在罐中的混合可以来自侧进料混合器，且用于此及其效果的模型包括在CFD模型中。
该模型将模拟从原油储罐内放出原油、以及将其进料至原油蒸馏单元、以及随后从原油储罐注入期间的原油的“特性图”，因此可以预测进料至原油蒸馏单元的原油随时间的变化。
这使得可以基于原油特性随时间的变化对原油蒸馏装置进行定期优化。例如，如果在时间t0时已知某种流体以给定的流速注入罐中共x小时，那么CFD可用于在小于x小时的时间周期内预测罐中混合物在x小时的末端的状态如何。这是之前还未曾使用CFD实现或者预期过。本发明的方法中，除了初始数据的输入之外，没有进一步的储罐状态的测量或模型的调整。这就是与EP398706的方法的不同之处，在EP398706中，计算法用于计算在时间t0时的系统特性(具体来说，数均和重均分子量)，得到在同一时间t0时的另一个特性(例如压降)的测量值。因此，EP398706的方法直至该事件已经实际发生了并且已经采取了措施之时才能够预测所需要的条件。
尽管上面已经针对“间歇式”操作进行了描述，其中原油储罐分批“清空”并再次注满，但连续或半连续的操作也是可能的，其中原油罐具有原油供应，同时还提供原油向外输出至原油蒸馏单元，本发明也可以被用于这类操作。
在本发明的最优选的具体实施方案中，平行运行两个或任选的更多个计算流体动力学模型。
在该具体实施方案中，第一模型提供第一过程在特殊时间的实际内容和表现的记录，第二模型用于模拟和控制。第一模型从实际工厂控制系统获取输入数据，并将第一过程内的条件模型化得尽可能接近“实际时间”，即如同它们正在发生。该第一模型并不直接用于任何控制目的，而是用作用于下述第二(预测性)模型的输入。第一模型还可以用作“质量控制”模型来监视第二模型预测输出的精度。第一和第二模型可以基于从任何差异的学习而进一步精制。
第二模型用于模拟和控制，其被输入当前特性，优选基于来自第一模型的当前特性和进料的数据。如上所述，根据这些信息，第二模型产生所述第一过程的一种或多种特性的实时模拟，并使用该模拟输出控制所述的第一过程，或者控制上述的第一过程所连接的第二过程。
CFD模拟可以连接用于实施特定特性计算的其他模拟模型，例如其可以连接热力学反应模型来预测物理性能和组成。
现参照
图1和下列实施例对本发明进行说明。
图1表示当加入原油时储罐中原油的混合。储罐有入口1和出口2，入口1位置靠近储罐的底部且沿径向穿过罐的半径，出口2的位置也靠近罐的底部且与入口呈90度角。
实施例1计算流体动力学模型是一个使用6.1版本的Fluent作为CFD编码对大容量储罐中的混合的3D时间相关性模拟。
储罐如上针对图1所述，直径80m，高17m，为了该模拟，假定进料流等于出料流，以便于储罐保持注满状态。(如果需要，可以通过调整计算网格(grid)，使液体表面可以随着储罐的清空和注满而上升和下降)储罐入口直径0.6m，出口直径也是0.6m。
在储罐中的混合是通过入口喷射机实现的。
计算网格包含穿过罐的主体的标称大小为1m3的96000个单元，但使用较小的单元围绕入口和出口。
该模型连续运行并每10秒钟产生更新的模拟。
储罐最初仅使用油a填充，其粘度为10厘泊(cP)，比重(SG)0.8。在时间t＝0时，粘度为400厘泊(cP)、比重(SG)0.9的油c经入口1注入储罐中，速度10m/s(相当于2500kg/s)。330分钟以后，停止注入油c，经入口1注入油a，速度10m/s。
图1表示100分钟步长内储罐组成随时间的结果。
时间0时储罐仅包含油a。然后经入口1注入油c，经过100分钟、200分钟、300分钟的时间周期，储罐内的组成改变，表示提高油c的平均质量分数。然而，从图1可见混合不均匀，油a中存在高浓度的油c区域。t＝400分钟时，油a经入口注入，且观察发现在储罐中的混合再次出现严重的不均匀性。
这些不均匀性从表1可以看出，其显示了基于图1模拟的罐中油a的平均浓度以及在出口2的实际浓度。
表1
如表1所示，模拟结果使得能够使用时间并“实时地”计算出口2的组成，以便于如果有必要，在反应中在原油到达所述第二过程之前，可以控制出口的原油进料至第二过程的后续工艺步骤，例如原油蒸馏单元。
权利要求
1.一种过程控制的方法，所述的方法包括(a)提供第一过程的计算流体动力学模型，(b)将向上述第一过程进料的数据输入该计算流体动力学模型，所述的数据代表初始时间t0时的状态，以便该模型在未来时间t1时产生第一过程的一种或多种特性的实时模拟，以及(c)使用该模拟以控制所述的第一过程，或者控制第一过程所连接的第二过程。
2.如权利要求1所述的方法，其中连续或反复运行模拟以在后继时间t2、t3等时产生所述的第一过程的一种或多种特性的实时模拟，并实现工艺过程随时间的监控。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述的第一过程的一种或多种特性包括化学组成、密度和粘度的一种或多种。
4.如上述权利要求任一项所述的方法，其中模拟用于控制所述的第一过程，且所述的第一过程是在适当的反应容器中的反应。
5.如上述权利要求任一项所述的方法，其中模拟用于控制连接第一过程的第二过程，且所述的第一过程是具有用于所述第二过程的进料的出口流的在适当容器中的混合过程。
6.如权利要求5所述的方法，其中混合容器是原油储罐，且第二过程是原油蒸馏单元。
7.一种用于过程的控制系统，其包括(a)一个计算机，其被编程运行第一过程的计算流体动力学模型，(b)一个输入系统，其用于将第一过程进料的数据输入计算流体动力学模型，所述的数据代表初始时间t0时的状态，以便该模型在未来时间t1时产生所述第一过程的一种或多种特性的实时模拟，以及(c)一个控制器，其对所述的模拟作出响应，并且用于使用所述的模拟来控制所述的第一过程，或者控制第一过程所连接的第二过程。
8.如权利要求7所述的控制系统，其中控制器(c)控制连接第一过程的第二过程，且所述的第一过程是具有用作所述第二过程的进料的出口流的在适当容器中的混合过程。
9.如权利要求8所述的控制系统，其中混合容器是原油储罐，且第二过程是原油蒸馏单元。
全文摘要
一种过程控制的方法，所述的方法包括(a)提供第一过程的计算流体动力学模型；(b)将上述第一过程进料的数据输入该计算流体动力学模型，所述的数据代表初始时间t
文档编号G05B17/02GK1965274SQ200580018540
公开日2007年5月16日 申请日期2005年6月2日 优先权日2004年6月7日
发明者D·A·科尔曼, J·A·汤森 申请人:英国石油化学品有限公司, 英国石油国际有限公司