用MATLAB和Simulink在HUGO PETERSEN GmbH建模工业化学过程

硫酸被用于制造化肥、石油化工产品、合成纤维、钢铁和其他广泛的工业材料。2022世界杯八强谁会赢？使用过的酸和废气在加工厂回收，加工厂必须满足处理这些化学品的严格安全和环境要求。

HUGO PETERSEN GmbH拥有数十年的安全高效的硫酸和气体净化设备的工程记录。然而，直到最近，我们的开发过程都是高度劳动密集型的。所有初步设计工作和流程建模都是使用复杂的电子表格系统完成的。这种手动方法减慢了开发速度，并引入了人为错误的可能性。

基于模型的MATLAB设计^®和仿真软件^®通过使化学工艺工程师和控制工程师在相同的环境下工作，提供了一种具有成本效益的方法来简化和自动化我们的设计工作流程。化学过程工程师模拟工厂内复杂的热力学和动力学相互作用，而控制工程师模拟控制算法。然后，该装置及其控制系统可以在动态和稳态闭环模拟中进行测试。

这种新方法比基于电子表格的方法快5到10倍，而且更不容易受到人为错误的影响。

对于电子表格来说太复杂了

一个典型的硫酸装置包括许多子系统，如化学反应器、热交换器和吸收塔。计算每个子系统内部的热力学和动力学相互作用本来就很困难。在电子表格中捕获这些过程使挑战更加复杂。需要许多手动步骤:必须将来自一个子系统的输出复制到一个新的电子表格中，以便作为流程中下一步的输入，等等。一个阶段的一个错误可能会影响整个过程的结果。由于有如此多相互关联的电子表格，很难识别和修复此类错误。

创建子系统模型库

新工作流的第一步是创建一个可重用模块库，每个子系统一个，然后化学过程工程师可以在Simulink系统模型中组合这些模块。为了管理设计的整体复杂性，我们将每个模块定义为一个MATLAB类，使我们能够将面向对象的设计模式应用于整个库的开发。

例如，吸收塔被定义为一个MATLAB类，它作为输入的流体和气流也是如此。在实际的塔中，气体从塔柱的底部进入，部分被液体吸收，液体从塔顶进入，并通过塔柱向下流动。我们在MATLAB中使用我们开发的类对热力学和动力学过程进行建模。

这些类执行以前在电子表格中完成的所有操作，以及通过切换到matlab实现的一些新计算——例如，计算在不同浓度的硫酸中吸收SO3产生的热量。吸收塔模型的输出，一个气体对象和一个流体对象，捕获结果，并用作工厂中下一个子系统的输入。我们的流程工程师可以通过简单地将这些块拖放到Simulink环境中来使用它们，但他们也可以研究底层的MATLAB代码并开发新的MATLAB类，以及在Simulink中创建新的库。

模拟化学过程

使用关键工厂子系统的MATLAB模型库，我们的化学工艺工程师可以在Simulink中快速构建更大的工厂设计并进行模拟。例如，可以在Simulink中连接几个吸收塔，以形成一个更大的吸收单元(图1)。

使用库中的子系统块，工程师可以快速设计和模拟复杂的新工厂，评估现有工厂的变更，或评估新过程。例如，它们可以连接两个化学反应器和一个用于淬火气体的静态混合器(图2)。传感器可以在整个模拟过程中监测温度、压力、流量和其他变量。

模拟使工程师能够可视化过程的关键方面(图3)，并帮助确保它符合环境法规。例如，如果空气没有经过充分处理以满足监管标准，这种情况将被标记为红色标记，这表明可能需要进一步处理或对过程进行其他更改。

一旦化学过程工程师在Simulink中设计、模拟和验证了整个过程，他们就会使用电子表格链接™将仿真结果导出到Microsoft^®Excel^®该报告通常包括各个子系统的尺寸，以及流程中关键点的流量、温度和压力。它与发起该项目的HUGO PETERSEN客户、将建造工厂的施工团队以及将提供组件的供应商共享。例如，鼓风机供应商可以通过从报告中提取相关流量和气体密度来确定所需鼓风机的尺寸和类型。

模拟控制系统和工厂启动

为了验证控制算法，工程师们将控制系统模型与工厂模型结合起来，并进行闭环仿真。这些模拟使两个团队能够评估整个工厂的稳态和动态性能。它们可以模拟启动和关闭程序，以及在实际工厂上难以或不安全测试的故障和危险条件。

在工厂启动过程中，我们继续使用系统模型。如果现场工程师需要了解工厂在特定条件下的运行情况，我们会在办公室进行模拟，并将结果发送给他们。这大大降低了创业公司固有的风险，因为团队知道他们将要执行的步骤将按照预期工作。

从想法到生产

基于MATLAB和Simulink的模型设计使我们能够评估每个项目的许多设计思想。因为我们的设计是灵活的，我们可以快速响应不断变化的客户需求。共享环境改善了控制和化学工艺工程师之间的沟通，使协作解决问题和优化性能变得容易。

总体而言，MATLAB和Simulink使我们能够降低成本，并将开发时间缩短5到10倍。我们设计并模拟了包括世界上最大的发烟厂在内的系统，这些系统过于复杂，无法用我们基于电子表格的方法处理。同样重要的是，质量提高了，因为我们现在可以更快地发现和消除错误。

这种方法使我们更容易向客户展示工厂和新的设计概念。我们可以模拟一个生产工厂的模型，并表明模拟结果与工厂的实际性能相匹配。这给了新客户很大的信心，我们的能力，设计和交付工厂的规格。