化工过程分析与合成第3章化工过程系统动态模拟与分析3
化工过程分析与合成
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第三化章工过过程程动分态析系与统合分成析
（2）约束条件
◆ 第k温度区间的热量平衡
Rk−1 +
Qi,k + Qi,k = Rk +
Qj,k + Qj,k , for all k TI
iHUk
iHPk
jCUk
jCPk
第k区间输入的能量（三个部分）=第k区间输出的能量（三个部分）
Papoulias, S. A., & Grossmann, I. E. (1983). A structural optimization approach in process synthesis—II.
Computers & Chemical Engineering, 7(6), 707–721.
min Z =
CiQi,k +
C Qj j,k
kTI iHUk
jCU k
Ci: Price for hot utility i, US$/(kw·yr) Cj: Price for cold utility j, US$/(kw·yr) TI: Set of all temperature intervals (k = 1, 2, …, K) HUk: Set of hot utility streams that provide heat to interval k. CUk:Set of cold utility streams that require heat from interval k.
东莞
货
(
源
6万件热物流
源
/
产
公用工程
地
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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6
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
化工过程分析与合成-31. 引言化工过程分析与合成是化学工程领域的重要分支，涉及到化学反应、原料处理、能量转换等方面的内容。
本文将介绍化工过程分析与合成的基本概念，以及常见的分析方法和合成技术。
2. 化工过程分析2.1 分析方法化工过程分析旨在确定化工过程中物质的组成、浓度、质量流动、能量转化等参数。
常用的分析方法包括：•质谱法：通过物质的质谱图谱扫描，确定物质的组成和相对分子质量。
•红外光谱法：通过物质对红外辐射的吸收特性，确定物质的官能团和化学键。
•核磁共振法：通过物质在磁场中的特殊核磁共振现象，确定物质的结构和组成。
•气相色谱法：通过物质在气相色谱柱中的分离和检测，确定物质的组分和浓度。
•液相色谱法：通过物质在液相色谱柱中的分离和检测，确定物质的组分和浓度。
2.2 过程分析的重要性化工过程分析是化工工艺改进和优化的基础，通过对化工过程的分析，可以确定问题所在，找到改进和优化的方向。
同时，过程分析还可以帮助实现化工过程的控制和监测，确保产品的质量和安全。
3. 化工合成技术化工合成技术是化学工程的核心内容之一，涉及到化学反应、反应器设计、反应条件控制等方面的内容。
常见的化工合成技术包括：3.1 催化剂催化剂在化工合成过程中起到重要的作用，可以加快反应速率、提高产率和选择性。
常见的催化剂有金属催化剂、酶催化剂和固体催化剂等。
3.2 反应器设计反应器是化工合成过程中的关键设备，其设计要考虑反应物料的性质、反应条件和反应速率等因素。
常见的反应器设计包括批量反应器、连续流式反应器和固定床反应器等。
3.3 反应条件控制反应条件控制是化工合成过程中的关键环节，可以通过控制温度、压力、反应物料配比等参数，实现反应的高效进行和产物的优化。
4. 实例分析4.1 乙烯制备过程分析乙烯是化工工业中重要的原料之一，其制备过程复杂，涉及到多个反应和分离步骤。
通过化工过程分析，可以确定乙烯制备过程中的关键问题，找到优化的方向，提高乙烯的产率和质量。
《化工过程分析与合成》教学大纲
化工过程分析与合成课程教学大纲一、课程的基本信息适应对象：化学工程与工艺、课程代码：41E01016学时分配：32赋予学分：2学分先修课程：高等数学、化工原理、化工设备机械基础、化学反应工程后续课程：化工设计、化工过程开发二、课程性质与任务1课程性质：《化工过程分析与合成》课程是一门具有综合性、应用性、研究性特色的化工类专业主干课程，以科学研究的方法论为主线，培养成人教育学生将实践经验与所学知识相结合分析和解决工程问题的能力。
2课程任务：通过本课程教学，使学生在学习了化工原理、化工热力学、化学反应工程等课程的基础上，学会以系统工程的方法来处理化工过程的分析与合成问题。
三、教学目的与要求本课程以科学研究的方法论为主线，培养学生将实践经验与所学知识相结合、分析和解决工程问题的能力。
通过本课程的学习，使学生掌握将实验室研究成果（新工艺、新产品等）实现工业化的主要方法，掌握化工过程及系统工程的发展概况；氨合成工艺介绍了化工过程系统稳态模拟方法及其分析求解方法；化工过程系统动态模拟的特性、方法及数学处理；化工过程系统的优化和求解方法；化工生产过程操作工况调优的数学模型及调优计算，以及人工神经元网络的基础知识；间歇化工过程的基本概念、模型化方法及设计优化；换热网络的合成及其夹点技术进行了全面的介绍；分离塔序列合成的方法等环节的过程研究。
通过列举大量化工过程开发的实例，让学生了解正确的理论指导、科学的实验方法、以及工艺与工程相结合的工程观念在化工过程开发中的重要作用。
四、教学内容与安排第一章绪论（课堂讲授学时：2）1.1 化工过程1.2 化工过程生产操作控制1.3 化工过程的分析与合成1.4 化工过程模拟系统1.5 化工企业CIPS技术第二章化工过程系统稳态模拟与分析（课堂讲授学时：4）2.1 典型的稳态模拟与分析问题2.2 过程系统模拟的三类问题及三种基本方法2.3 过程系统模拟的序贯模块法2.4 过程系统模拟的面向方程法2.5 过程系统模拟的联立模块法2.6 氨合成工艺流程的模拟与分析第三章化工过程系统动态模拟与分析（课堂讲授学时：4）3.1 化工过程系统的动态模型3.2 连续搅拌罐反应器的动态特性3.3 精馏塔的动态特性第四章化工过程系统的优化（课堂讲授学时：4）4.1 概述4.2 化工过程系统优化问题基本概念4.3 化工过程系统最优化问题的类型4.4 化工过程中的线性规划问题4.5 化工过程中非线性规划问题的解析求解4.6 化工过程中非线性规划问题的数值求解第五章化工生产过程操作工况调优（课堂讲授学时：2）5.1 化工生产过程操作工况调优的作用与意义5.2 化工生产过程操作工况离线调优的方法第六章间歇化工过程（课堂讲授学时：6）6.1 间歇过程与连续过程6.2 过程动态模型及模拟6.3 间歇过程的最优时间表6.4 多产品间歇过程的设备设计与优化第七章换热网络合成（课堂讲授学时：4）7.1 化工生产流程中换热网络的作用和意义7.2 换热网络合成问题7.3 换热网络合成--夹点技术7.4 夹点法设计能量最优的换热网络第八章分离塔序列的综合（课堂讲授学时：6）8.1 精馏塔分离序列综合概况8.2 分离序列综合的基本概念8.3 动态规划法8.4 分离度系数有序探试法8.5 相对费用函数法8.6 分离序列综合过程的评价五、教学设备和设施多媒体教室、黑板、黑板笔六、课程考核与评估期末闭卷考试，考试时间100min。
分析与合成(学生参考)第三章
(5) 根据已算得的V, L, Y及X , M的初值，对给定的时间
步长求解常微分方程组的初值问题，求得稳定解为
止。
(6) 检验馏出液浓度和塔釜残液浓度是否都达到分离
要求，当两个设计值均满足要求，则输出M , X等随
时间变化的结果，计算终止；若不能同时满足，则
以所求得的当前值M , X去替换原始初值后，重新
第二节 连续搅拌罐应器的 动态特性
一.动态数学模型 连续搅拌罐反应器（均相反应器）是动态模型
中最简单、最基本的模型。
【例3－1】 敞口连续操作搅拌罐的流量计算。
设连续操作搅拌罐的进料量为Fi，罐中原有料
液高度为H0，试求取自开工后排料量的变化关系。
假设搅拌罐的横截面积为A，排液量FO与
罐中料液的高度成正比关系，即：FO = kH
分析可以较详细地考查开工条件对开工时间的影响，
以了解在开工过程中系统状态变化的规律与开工条 件的相互关系。从而，可以为化工过程的生产系统 最佳开工方案的制定提供依据。 目的： 是为了确定恰当的开工方案（开工条件以及所 对应的开工时间 ），以达到缩短过程系统开工时 间的目的。
2. 动态响应的数值仿真
定的初始状态出发，状态演变的过程。
（4）相轨线图(相图)
是指由众多轨线所构成的图。它表征了在所关心 的状态变量的变化范围内，系统所有动态学定性特 征的图形。
2. 状态空间分析 (相空间分析) 所谓状态空间分析也就是利用相图来分析系统
的动态特性。
【例3－3】假定发生在CSTR中的是一个均相一级不 可逆放热反应： A →B 反应速率为： r ＝ k CA , k
每块板上的温度Tn是泡点温度，关于泡点温度的 计算需要反复迭代。
二.模型的数学处理与应用
化工过程控制系统动态模型建立与分析
化工过程控制系统动态模型建立与分析随着科技的进步和工业的飞速发展，化工行业对于过程控制技术的需求越来越高。
化工过程控制系统动态模型的建立与分析是实现优化控制和自动化的关键步骤，它能够帮助工程师们更好地理解和管理化工过程，提高生产效率和安全性。
本文将介绍化工过程控制系统动态模型的建立方法，以及分析该模型的重要性和应用前景。
一、化工过程控制系统动态模型的建立方法化工过程控制系统动态模型的建立是通过对化工过程的各个环节进行建模和参数估计来实现的。
主要的方法包括基于物理原理的建模方法和基于数据挖掘的建模方法。
1. 基于物理原理的建模方法基于物理原理的建模方法是通过对化工过程的质量守恒、能量守恒和动量守恒等基本原理的数学表示，得到控制系统的动态模型。
这种方法需要对化工过程的基本原理有深入的了解，以及对各个环节的参数进行准确的估计。
常见的基于物理原理的建模方法包括质量平衡模型、热力学模型、动力学模型等。
这些模型可以通过微分方程、代数方程或差分方程等形式进行描述，并可以通过数值方法进行求解和仿真。
2. 基于数据挖掘的建模方法基于数据挖掘的建模方法是通过对化工过程的历史运行数据进行分析和处理，建立系统的动态模型。
这种方法不需要对化工过程的基本原理有深入的了解，而是通过对数据的挖掘和分析，找出变量之间的关联性和规律性，并利用这些关联性和规律性建立模型。
常见的基于数据挖掘的建模方法包括回归分析、神经网络、支持向量机等。
这些方法可以对大量的历史数据进行处理和分析，并可以预测未来的过程变量。
二、化工过程控制系统动态模型的分析化工过程控制系统动态模型的分析是通过对模型进行数学和统计方法的应用，得到有关系统行为和性能的信息。
主要的分析方法包括稳定性分析、动态响应分析和灵敏度分析等。
1. 稳定性分析稳定性分析是衡量控制系统是否稳定的重要指标。
通过对控制系统动态模型的特征值进行分析，判断系统的稳定性和稳定裕度。
常见的稳定性分析方法包括根轨迹分析、Nyquist稳定性判据和Bode稳定性判据等。
化工过程分析与合成第3章化工过程系统动态模拟与分析3
3.1 化工过程系统的动态模型
过程系统的动态特征
★动态特性是化工过程系统最基本的特性之一
间歇过程、连续过程的开停工、
连续过程本征参数依时变化、
控制系统的合成、过程系统局部与全局特性分析 利用人为非定常态操作强化过程系统性能和实现技术目标
★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
Min F (u u ) f ( )
d i, j c 2 i, j i j
N
M
其中 F称为最优化的目标函数，或评价函数。 udi,j代表第i个状态变量在j时刻的采集数据。 uci,j代表第i个状态变量在j时刻的模型计算值，即在j 时刻的解。 • 最优化的目标函数被定义为在M个离散时刻状态变量的采 集值与模型计算值偏差的平方和。 • 状态变量在不同时刻的采集值是已知的，因而F的值取决 于求解时待定参数向量µ的取值，F是µ的函数。 • 参数估计就是寻找µ的最优值，使F达到全局最小值。
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；
反应区能量守恒
N dT VC p FC p (T f T ) UA(T TC ) V R j (H j ), dt j j 1,2,..., N。
• 多级集中参数模型
• 一般用于描述多级串连、级内状态变量均匀分布的过程 （板式塔内的传质分离过程）
根据建立模型的不同方法
• 统计模型（经验模型）
化工过程分析与合成
化工过程分析与合成第一章绪论（2学时）●化工过程●系统工程→化工过程系统工程●化工过程的分析与合成●化工过程系统模拟（稳态模拟、动态模拟）●过程系统模拟的三种基本方法（序贯模块法、面向方程法、联立模块法）第一节化工过程化工过程是以天然物料为原料，经过物理或化学加工制成产品的过程。
其往往由多种多样的单元过程组成，如最重要也是最多用的单元过程是：化学反应过程、换热过程和分离过程。
第二节系统工程系统工程是20世纪50年代形成的新兴学科，目前正处于兴旺的发展时期。
1984年郑春瑞在《系统工程学概论》中，对系统工程做出下列综合性的阐述：系统工程是以系统（尤以大系统）为研究对象的一门跨学科的边缘学科。
它是根据总体协调的需要，把自然科学和社会科学中的某些思想、理论、方法、策略和手段等从横的方面有效地组织起来应用于人类实践中，是应用现代数学和电子计算机等工具对系统的构成要素、组织结构、信息交换和自动控制等功能进行分析研究，从而达到最优设计、最优控制和最优管理的目标，是为更加合理地研制和运用系统而采取的各种组织管理技术的总称，归根结底是一种工程学的方法论。
20世纪30年代美国雷德无线电公司在对电视广播系统的电波覆盖问题进行研究时，首先提出“系统”和“系统模拟研究”的思想。
40年代，美国贝尔电话公司在研究微波通讯网络的覆盖传输效率时，提出了“系统工程”的概念。
50年代各工业国对系统工程尤为重视，如1954年美国MIT首先在大学讲授系统工程课程。
1957年美国正式出版了第一本专著《系统工程》。
60年代起系统工程逐步推广应用于工业、宇航、交通、经济规划等部门。
如60年代初，在系统工程、运筹学、化学工程、过程控制及计算机技术等学科的基础上，产生和发展起来一门新兴的技术学科——化工过程系统工程（简称化工系统工程）。
70年代是化工系统工程走上实用的时期。
随着计算机应用的普及，采用化工系统工程方法，陆续研制出有效的工业用化工流程通用模拟系统，并对过程生产实现计算机控制，取得显著经济效益。
化工过程分析与合成(1-8h)
主要研究对象： 生产过程中的原料特点、生产原理、工艺流程、最适宜生
产条件、产品质量以及所用的设备类型及其结构材料等内容的 课程。
Liaoning Shihua University
化工过程分析与合成
化学工程
主要研究化学工业和其他过程工业生产中所进行的化学 过程和物理过程的共同规律，它的一个重要任务是研究有关 工程因素对过程和装置的效应，特别是放大中的效应。
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化工过程分析与合成
1.2 基本概念
（1）过程系统 (Process system) 过程系统是对原料进行物理的或化学的加工处理的系统，它
由一些特定功能的过程单元按着一定的方式相互联结而组成，它 的功能在于实现工业生产中的物质和能量的转换。
“过程系统”的含义已不局限于生产工艺过程，而逐步延伸到 经营管理业务和决策过程—供应链的优化（Supply chain optimization)。
的输出又是另一节点的输入边。 Ⅲ.列的元素之和为零。
Liaoning Shihua University
化工过程分析与合成
2.2 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
2.2.1 序贯模块法
逐个单元模块依次序贯计算求解系统模型的一种方法。 回路（环路）—输入流股与后续的单元设备输出有关。
（2）系统工程学 以系统（特别是大系统）为对象的一门跨学科的边缘科
学。是更为合理研制和运用系统而采取的各种组织、管理技 术的总称，是工程的方法论。
Liaoning Shihua University
化工过程分析与合成
理论：社会与自然科学某些理论、方法、策略和手段。 对象：系统—由一信息联系的一个整体。 手段：现代数学和计算工具——计算机等。 内容：对系统的构成要素、组织结构、信息交换和自动控制
化工系统工程课件_化工过程系统稳态模拟与分析
2 S6
4
5
1 S3
S1
S2 5 C
3 S4 D
S5
2 S6 S7 B S8 4
A
（流股）
A S1 0 0 1 0 S2 1 0 1 0 S3 1 0 0 0 S4 0 0 1 1 S5 0 0 0 1 S6 0 0 0 1 S7 0 1 0 1 S8 0 1 0 0
R
环 B 路 C
D
f
矩阵做法：Si 流股若在 A 环中出现则标 1，若 不出现则标 0 。 例如： A 环，由S2，S3 两流股构成，其余为零。 矩阵中还有： 加和行，用 f 表示：它由每一列中的非零元素 加和构成。 加和列（R）：它将每一行非零元素加和构成 f 称为环路频率：代表某流股出现在所有环路中 的次数 R 称为环路的秩：代表某环路中包含的流股总数。
断裂物流迭代计算步骤如下：
Step1 :假定断裂物流S4’ 的变量值，然后依次计 算单元模块A，B，C得 到物流S4的变量值。 Step2:利用收敛单元比 较S4与S4’的相应变量值。 若不等，则改变S4’为新 的变量值，重复Step1过 程直到S4与S4’两个变量 值相等为止。
问题： 收敛单元设置在哪个物流处?既如何选择断裂 物流？本问题中不仅可以是物流S4处，也可以 设置在物流S2或S3处。对于复杂系统，收敛单 元设置的位置不同，其效果也将不同。究竟设 置在何处为好，这要通过断裂技术去解决。 如何得到新的S4’变量值?如何保证计算收敛? 如何加快收敛，取决于收敛算法，还与断裂物 流变量的特性有关。
2. 1.2 过程系统模拟的面向方程法
面向方程法：将描 述整个过程系统的 数学方程式联立求 解，从而得出模拟 计算结果的方法。 面向方程法又称联 立方程法