化工过程过程系统和模拟共40页
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第三章 化工过程系统动态模拟与分析CH31-profLi
数学模型化:模型的建立,性能模拟,参数估计, ★ 数学模型化:模型的建立,性能模拟,参数估计,
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3.1.2 化工过程系统的动态模型
◆ 确定性模型分类
表3-1 化工过程系统确定性动态模型的数学表达形式
模型表达形式 应用实例 代数—常微分方程组 代数 常微分方程组 代数—偏微分方程组 代数 偏微分方程组 代数—常微分方程组 代数 常微分方程组 上述二, 上述二,三类模型的 混合形式 理想搅拌罐反应器动态模型等 填料塔,管式反应器动态模型等 填料塔, 板式塔动态模型,串联 板式塔动态模型,串联CSTR动态 动态 模型等 多个单元过程组合而成的系统
★ 系统工程
以系统的优化为目标,以模型和模拟作为工具, 以系统的优化为目标,以模型和模拟作为工具, 研究系统组成,分解,综合, 研究系统组成,分解,综合,性能模拟与分析的工程 科学. 科学. 关键词:系统; 模拟; 关键词:系统; 模拟; 优化
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3.1 化工过程系统动态模型
★
化工过程系统
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�
数方程组的初,边值问题 数方程组的初,
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3.1.3 确定性模型的数学处理
逆问题—模型参数估计 ◆ 逆问题 模型参数估计
★
例1:已知一套管换热器,用120°C饱和水蒸 已知一套管换热器, 气加热水,水的流量,进,出口温度可测出, 气加热水,水的流量, 出口温度可测出, 求总传热系数K.
3.2.2 模型求解与应用
(2)定常态稳定性与相图(状态演化图) 定常态稳定性与相图(状态演化图)
求解3.2.1中动态模型(常微分方程组初值问题) 求解3.2.1中动态模型(常微分方程组初值问题)的 3.2.1中动态模型 数值解,结果为: 数值解,结果为:
化工过程分析与合成3.4 过程系统模拟的基本方法和步骤
方式Ⅰ：联结流股全部切断。简化模型以单元过程作为基本模块。 方式Ⅱ：仅将系统中所有回路切断。可将回路所含的全部节点
合并为一个虚拟的节点或虚拟的单元过程，并作为简 化模型的基本模块。 优点：不需要设收敛模块，避免了序贯模块法收敛效率低的缺 点；该法不需求解大规模的非线性方程，因而避免了联 立方程法不易给初值和计算时间长等缺点。并且，由于 简化模型在流程水平上联立求解，便于设计和优化问题 的处理。
（5）建立输入模块 （6）建立输出模块
3.4.2 联立方程法
基本思想：将描述过程系统的所有方程组织起来，形成一 大型非线性方程组，进行联立求解。
优点：对模拟型、设计型和优化型问题没有区别，只要给定方 程，其处理方法都是相同的；避免了多层次的嵌套迭代，计算 效率高，特别是设计和优化问题效果更加明显。
根据过程系统流程拓扑的信息流图按照流股方向依次调用单元模块前一模块解出的出口物流信息作为后一模块所需的入口物流数据逐个求解全系统的各个单元设备获取全系统的所有输出信息
3.4 过程系统模拟基本方法
序贯模块法、联立方程法和联立模块法
3.4.1 序贯模块法 模块：单元过程数学模型与求解方法。
模块功能：只要给定全部输入流股相关变量和设备主要结构尺寸，
方程—节点；变量—边。 ①识别不相关的子系统； ②识别回路和最大循环网； ③断裂回路或最大循环网，确定适宜的断裂变量； ④确定计算顺序，对系统进行联立求解。
b. 方程线性化法
将方程组中的非线性方程线性化，然后与系统中原线性方程 一起组成一大型的稀疏线性方程组，按稀疏线性方程的方法求解， 通过迭代计算，使之在规定的精度内收敛。
缺点：不能继承已开发的大量单元模块；给定初值比较严格； 如果计算中出现问题不易诊断排除；内存需求大；缺少高效的 非线性方程组求解算法。
合并为一个虚拟的节点或虚拟的单元过程，并作为简 化模型的基本模块。 优点：不需要设收敛模块，避免了序贯模块法收敛效率低的缺 点；该法不需求解大规模的非线性方程，因而避免了联 立方程法不易给初值和计算时间长等缺点。并且，由于 简化模型在流程水平上联立求解，便于设计和优化问题 的处理。
（5）建立输入模块 （6）建立输出模块
3.4.2 联立方程法
基本思想：将描述过程系统的所有方程组织起来，形成一 大型非线性方程组，进行联立求解。
优点：对模拟型、设计型和优化型问题没有区别，只要给定方 程，其处理方法都是相同的；避免了多层次的嵌套迭代，计算 效率高，特别是设计和优化问题效果更加明显。
根据过程系统流程拓扑的信息流图按照流股方向依次调用单元模块前一模块解出的出口物流信息作为后一模块所需的入口物流数据逐个求解全系统的各个单元设备获取全系统的所有输出信息
3.4 过程系统模拟基本方法
序贯模块法、联立方程法和联立模块法
3.4.1 序贯模块法 模块：单元过程数学模型与求解方法。
模块功能：只要给定全部输入流股相关变量和设备主要结构尺寸，
方程—节点；变量—边。 ①识别不相关的子系统； ②识别回路和最大循环网； ③断裂回路或最大循环网，确定适宜的断裂变量； ④确定计算顺序，对系统进行联立求解。
b. 方程线性化法
将方程组中的非线性方程线性化，然后与系统中原线性方程 一起组成一大型的稀疏线性方程组，按稀疏线性方程的方法求解， 通过迭代计算，使之在规定的精度内收敛。
缺点：不能继承已开发的大量单元模块；给定初值比较严格； 如果计算中出现问题不易诊断排除；内存需求大；缺少高效的 非线性方程组求解算法。
化工过程系统模拟与仿真概述
机之间的关系。
定量模型是应用最广泛的一类模型 ，定量模型通过构建
（） Ｔ ７ 在 Ｎ系 统 中 ， Ｅ或 Ｐ Ｎ 线 应 与 防雷 装 置 连 接 ， 入 波形 、 大 放 电 电流 、 Ｐ Ｅ 引 最 标称 放 电电 流 、 压 、 定 电压 、 大持 续 残 额 最
各楼层的 Ｐ Ｅ线应采用局 部等 电位连接方式重复接地 。
化工过程系统模拟与仿真概述
口 王树 峰 … 宋 建本 ｎ 夏树 海 乜
山东 ・ 淄博 ２ ５０ ； ５４０ （ １山 东化 工 职 业 学 院 【】
［】 海炼 化 惠 州 炼 油分 公 司 广 东 ・惠 州 ５６ ８ ） ２中 １０ ６
摘
要 ：介 绍化工仿真 的相关知识与应用 ， 介绍相关概念 与建模常识， 并对其发展趋 势做 了简要叙述 模型 过程系统 文献标识码 ：Ａ ． 文章编号 ：１０—９ ３ ２ １ ） ｌ ９ ．２ ０ ７３７ （ ０ ０ Ｏ 卜０２０
必 设 定。 且通 信线缆 的布放应尽量集 中在建筑物 的中部， 通讯缆线 了更 高要 求 ， 须 从 设 计 依 据 、 计 内容 和 设 计 深度 多方 面 把
槽布放应 尽量避免紧靠建筑物立柱或横梁 ， 设计时， 应尽可能 握 ， 障 防雷 工程 质 量 。 保 位于建筑物立柱或横梁较远 的位 置。 在综合布线时 ， 不仅要 以 合适的路径敷设线缆 ， 对弱 电系统的电缆宜采用屏蔽 电缆或穿 参考 文献 ： １ 雷电学原理【 ． Ｍ】 北京 ： 气象 出版社 ，０ ３ ２０． 金属管线敷设 （ 不宜穿 Ｐ ＶＣ管） 屏蔽层和金属管应有 良好接 【】陈谓民． ， ２ ５ ０７ ４ ２ ０ 建筑物防雷设计规 范［】 ９ ４ Ｓ． ９ ． １ 地 ， 将 对 线 路起 到 很好 的屏 蔽 效 果 ， 减 小 雷 电流通 过 对 电 【】ＧＢ ０ ５ － ９ （０ ０版 ） 这 可
2化工过程系统模拟
二是所有那些在设计师控制下的设计与操作 参数的说明。某种意义上也可以说，过程模拟的 一个主要目的就是决定一个最好的过程构型去完 成一个给定的任务。
设计问题比模拟分析问题增加了一层迭 代，因而求解起来要复杂一些。
而最优化问题不仅增加了循环迭代，而 且还增加了目标函数模型和最优化模型，以 致求解过程更加复杂。
1
2.1 过程系统模拟基本介绍
如果一个生产系统A是比较复杂的系 统，而不能预知其效果如何，则可以找另 外一个比较简单的系统B，其操作特性与系 统A相同，但是比A容易进行实验或解算。 因而，为了预知系统A的效果，就可以用实 验系统B的性能来代替A。
数学模拟的优越性
1、试验的经济性。 2、加大放大倍数。 3、外延性。 4、互换性。 5、研究稳定性和灵敏度。 6、研究控制方式。 7、提供深入系统的技术资料。
1、试验的经济性。用数学模型在电子计算 机上进行试验，可以省略大量物质装备及物料 消耗，因而比在实际装置上实验来的更加迅速、 经济和详尽。模拟可以压缩或放大时间刻度， 有点类似用电影摄像机使动作过程加速或减慢 一样，从而使系统特性更易于被观察。
化工系统过程
Chemical System Process
2 化工过程系统模拟
化学工程与工艺专业 2010-2011 学年第 1 学期
2 化工过程系统模拟
化工过程系统的稳态模拟与分析，就是 对化工工艺流程系统进行稳态模拟与分析。
模拟是对过程系统模型的求解。通过这 种求解可以解决下述的三类问题：
（1）过程系统的模拟分析 （2）过程系统设计 （3）过程系统参数优化
2.1.4 模拟问题的实质
为了归纳出稳态过程模拟问题的一 般化实质，明确地描述一个模拟问 题，我们必须对以下几个方面的信息 有一个精确的数学描述：
设计问题比模拟分析问题增加了一层迭 代，因而求解起来要复杂一些。
而最优化问题不仅增加了循环迭代，而 且还增加了目标函数模型和最优化模型，以 致求解过程更加复杂。
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2.1 过程系统模拟基本介绍
如果一个生产系统A是比较复杂的系 统，而不能预知其效果如何，则可以找另 外一个比较简单的系统B，其操作特性与系 统A相同，但是比A容易进行实验或解算。 因而，为了预知系统A的效果，就可以用实 验系统B的性能来代替A。
数学模拟的优越性
1、试验的经济性。 2、加大放大倍数。 3、外延性。 4、互换性。 5、研究稳定性和灵敏度。 6、研究控制方式。 7、提供深入系统的技术资料。
1、试验的经济性。用数学模型在电子计算 机上进行试验，可以省略大量物质装备及物料 消耗，因而比在实际装置上实验来的更加迅速、 经济和详尽。模拟可以压缩或放大时间刻度， 有点类似用电影摄像机使动作过程加速或减慢 一样，从而使系统特性更易于被观察。
化工系统过程
Chemical System Process
2 化工过程系统模拟
化学工程与工艺专业 2010-2011 学年第 1 学期
2 化工过程系统模拟
化工过程系统的稳态模拟与分析，就是 对化工工艺流程系统进行稳态模拟与分析。
模拟是对过程系统模型的求解。通过这 种求解可以解决下述的三类问题：
（1）过程系统的模拟分析 （2）过程系统设计 （3）过程系统参数优化
2.1.4 模拟问题的实质
为了归纳出稳态过程模拟问题的一 般化实质，明确地描述一个模拟问 题，我们必须对以下几个方面的信息 有一个精确的数学描述：
化学工程师中的化工流程模拟的方式
化学工程师中的化工流程模拟的方式化工流程模拟是化学工程师在设计和优化化工生产过程中应用的一种重要方法。
它通过建立数学模型，模拟和预测化工流程中的物质传递、能量转移和反应转化等过程，为工程实践提供可靠的依据。
本文将介绍化学工程师中常用的三种化工流程模拟方式：物质平衡模拟、能量平衡模拟和反应转化模拟。
一、物质平衡模拟物质平衡模拟是化工流程模拟中最基本也是最常用的方式之一。
它通过建立物质的输入输出平衡方程，描述化工系统中物质的流动和转化过程。
具体而言，物质平衡模拟涉及以下几个方面：1. 原料和产品流程分析：通过对化工系统进行调研和实地考察，了解原料的组成和性质，以及产品的规格要求。
在模拟过程中，需要将原料的输入流量、组成和物理性质与产品的产出进行平衡，确保产品质量和产能的稳定。
2. 系统流程图绘制：根据化工系统的特点和工艺流程，绘制系统的流程图。
流程图需要涵盖各个单元操作、设备和管道的连接关系，以及物料在流程中的流动方向和方式。
这有助于在模拟过程中更好地理解物质的传递路径和流动规律。
3. 过程参数测量与计算：在物质平衡模拟中，需要准确测量和估算化工系统中各个单元操作的参数。
例如，温度、压力、流量、浓度等关键参数的测量和计算，能够为物质平衡模型提供准确的输入数据。
二、能量平衡模拟能量平衡模拟是化工流程模拟中考虑能量转移和转化的重要方式。
它通过建立能量的输入输出平衡方程，揭示化工系统中能量的流动和转化规律。
以下是能量平衡模拟的主要内容：1. 热力学分析：在能量平衡模拟过程中，需要进行热力学分析，确定化工系统中各个单元操作的热力学性质。
例如，焓、熵、比热等参数的测量和计算，能够为能量平衡模型提供准确的物理数据。
2. 热流分析：通过对化工系统中热能流动路径和传热方式的研究，建立热流分析模型。
该模型可以描述热能在系统中的传递和转化过程，为能量平衡模拟提供必要的理论支持。
3. 能量损失计算：在能量平衡模拟中，要考虑能量的损失和利用效率。
化工系统工程课件_化工过程系统稳态模拟与分析
②过程系统设计 当对某个或某些系统变量提出设计规定 要求时，通过调整某些决策变量使模拟结 果满足设计规定要求，如图2—2所示。
③过程系统参数优化 过程系统模型与最优化模型联解得到一 组使工况目标函数最佳的决策变量(优化 变量)，从而实施最佳工况，如图所示。
2 化工过程系统稳态模拟与分析
1 S3 S2
S1
3
S4
S5 S7
2 S6
4
5
S8
在Lee – Rudd 法中，首先分析信息流图，再用 环路矩阵表示出来.
分析：在这个信息流程图中有 8个流股：S1，S2， …,S8。 五个节点：1，2，3，4，5。 构成了A，B，C，D四个环路。
1 S3 A S2 S1 C
3
S4 D
S5 S7 B S8
过程系统中的简单回路可以用回路矩阵(1oop／ stream Matrix)表示。 矩阵中的行代表回路，列代表物流。若某回路i 中包括有物流J则相应的矩阵元素aij＝1，否则为 空白或零。
（4）流股断裂方法
流股断裂方法一：L - R 分解法 L – R分解法遵循的原则：断裂流股数目最少， 且将所有循环路打开。 例： 现有一个为最大循环网的不可分割子系统， 其信息流图如下：
1、断裂的流股数目最少； 2、断裂流股包含的变量数目最少； 3、对每一流股选定一个权因子，该权因子数值 反映了断裂该流股时迭代计算的困难程度，应 当使所有的断裂流股权因子数值总和最小； 4、选择一组断裂流股，使直接代入法具有最好 的收敛特性。 四条准则是一般性的原则。
(3)回路矩阵
相关的基本概念： 1 系统：为了某种目标，由共同的物料流或信 息流联系在一起的单元组合而形成的整体称为 系统。 2 子系统： 组成系统的，系统下一层次的事物 简单系统：子系统就是某个单元。 复杂系统： 它的子系统又可能包含有子系统。
化工过程分析与模拟-I
外部变量－系统输入变量，控制变量。 内部变量－系统给定输入变量后出现的变量，不可控制变量。 状态变量－系统内部在某一时间t所处状态的一组变量。
函数关系－描述组成模型的各种常数、参数、变量之间的相互关系， 通过函数关系可建立所需数学模型。
13
§2. 化工过程的数学模型与数学模拟
数学模型的包含的内容：
化工过程模拟培训
主要内容
§1. 过程系统工程简介 §2. 化工过程的数学模型与数学模拟
§3. 化工过程模拟的基本方法
§4. 化工流程动态模拟
§5. 稳态模拟实例及化工流程模拟软件简介
2
§1. 过程系统工程简介
过程系统工程：是在系统工程、化学工程、过程控制、计算数学、信息技术等学
科的边缘上产生的一门综合性学科，它以处理物料－能量－信息流的过程系统为 研究对象。
操作训练 发展标准化工厂操作技术
过程信息管理 监控工厂表现
7
过程模拟在节能中的应用
以节能为目标的装臵操作模拟优化——装臵（设备）模拟 换热网络的模拟——流程模拟
常三中II
323 11 9 17
27
18
减二中I
316 7
常四线
340 5 3
渣油I
378
219/227
1 15 13 1
303/303
对过程参数的约束。模拟某些过程时，必需注意客观存在的对某些参数 变化范围的约束。
14
§2. 化工过程的数学模型与数学模拟
模型的简化：
科学的简化 ——能更深刻地反映事物的本质
——解决复杂过程与有限手段和方法的矛盾
简化的要求：
主要矛盾、重要变量得以反映
满足过程模拟的需要或其他目的 适应当前的实验条件和数学描述
函数关系－描述组成模型的各种常数、参数、变量之间的相互关系， 通过函数关系可建立所需数学模型。
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§2. 化工过程的数学模型与数学模拟
数学模型的包含的内容：
化工过程模拟培训
主要内容
§1. 过程系统工程简介 §2. 化工过程的数学模型与数学模拟
§3. 化工过程模拟的基本方法
§4. 化工流程动态模拟
§5. 稳态模拟实例及化工流程模拟软件简介
2
§1. 过程系统工程简介
过程系统工程：是在系统工程、化学工程、过程控制、计算数学、信息技术等学
科的边缘上产生的一门综合性学科，它以处理物料－能量－信息流的过程系统为 研究对象。
操作训练 发展标准化工厂操作技术
过程信息管理 监控工厂表现
7
过程模拟在节能中的应用
以节能为目标的装臵操作模拟优化——装臵（设备）模拟 换热网络的模拟——流程模拟
常三中II
323 11 9 17
27
18
减二中I
316 7
常四线
340 5 3
渣油I
378
219/227
1 15 13 1
303/303
对过程参数的约束。模拟某些过程时，必需注意客观存在的对某些参数 变化范围的约束。
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§2. 化工过程的数学模型与数学模拟
模型的简化：
科学的简化 ——能更深刻地反映事物的本质
——解决复杂过程与有限手段和方法的矛盾
简化的要求：
主要矛盾、重要变量得以反映
满足过程模拟的需要或其他目的 适应当前的实验条件和数学描述
第三章化工过程系统动态模拟与分析
Fi 1 dC dt Ci C ( Fi Fo )t V0
积分得到
Fi ln(Ci - C) lnFi - Fo t V0 B Fi Fo
• 其中，B为积分常数。 • 将初期条件：t=0时，C=0代入式，可以解出B，于是 可以化简为：
C Ci - Ci V
HINT
• 运用化学反应工程课程中关于化学反应计量学的 知识，还可以对上述模型进行简化。 • 仅对几个着眼组分写出质量守恒式（3－20）,减 少模型涉及的常微分方程的个数。
• 其它非着眼组分的浓度，可以利用“在化学反应 过程中，所涉及的每一种元素的总原子数守恒” 这一化学计量学基本原理，通过相应的代数方程 （组）来推算。
dci V F (ci , f ci ) VRi , dt
i 1,2,...,M。 (3 - 20)
其中，V、F分别代表反应区容积和加料容积流量； Ci 、Ci,f分别代表反应器内和加料中第i组分的浓度； t表示时间；Ri表示因化学反应引起的第i个组分浓度 的变化速率
• 反应区能量守恒
•根据对过程系统中状态变量分布特征的不同描述方式：
集中参数模型 分布参数模型 多级集中参数模型
•根据建立模型的不同方法：
统计模型 确定性模型 介于两者之间的半经验模型
根据对过程系统中状态变量分布特征的不同 描述方式
• 集中参数模型
状态变量在系统中呈空间均匀分布 （强烈搅拌的反应罐）
• 分布参数模型
• 动态特性还可以用于辨识某些系统的结构、过程的机 理和估计描述系统性能的模型参数，甚至作为诊断过 程系统运行故障的手段
精细化学品生产中: 间歇蒸馏、间歇反应、半连续反应； 连续过程的开、停工阶段，系统的状态也随时间变化的。 非线性过程系统的操作、设计和控制等工程实际问题，定 态多重性、定态稳定性、参数敏感性等系统定性分析的内 容也只有通过其内在的、动态分析的角度才能解决。
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66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
化工过程过程系统和模拟
11、用道德的示范来造就一个人，显然比用法律来பைடு நூலகம்束他更有价值。—— 希腊
12、法律是无私的，对谁都一视同仁。在每件事上，她都不徇私情。—— 托马斯
13、公正的法律限制不了好的自由，因为好人不会去做法律不允许的事 情。——弗劳德
14、法律是为了保护无辜而制定的。——爱略特 15、像房子一样，法律和法律都是相互依存的。——伯克