化工过程模拟与计算(第2章)
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化工过程数学与计算机模拟
H2O
乙烯水合工段循环结构图
乙醇生产过程设计----分离系统（1）
乙烯水合工段各组分去向
组分
CH4 C2H4 C2H6 (C2H5)2O C2H5OH H2O
常压沸点, ℃
-161.49 -103.71 -88.63 34.60 78.32 100.00
去向
循环和放空 循环和放空 循环和放空 副产品 主产品 废弃
气体净化系统 通过物理和化学的方法，除去那些含 量不大但对后续操作和产品纯度有影响的的杂质。
精馏分离系统 它由一系列的精馏塔组成，是分离的 主体。
乙醇生产过程分析
290C、7.09Mpa下不同水/烯比（mol）时的乙烯平衡转化率
水/烯比（mol） 平衡转化率 水/烯比（mol） 平衡转化率
乙醇生产过程设计----分离系统（2）
气体分离系统 放空
反应器系统
蒸气 分凝器
液体
液体 副产物
液体分离系统
主产物
分离系统总体结构图
乙醇生产过程设计----分离系统（3）
1 甲烷 2 乙烯 3 乙烷 4 乙醚 5 乙醇 6水
粗乙醇分离流程
经济潜力 EP3(M$/a)
乙醇生产过程设计----经济潜力
0 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0 6.03 7.53 8.83 9.77 10.97 11.86 0.9 1.0 1.5 2.0 5.0 10 100 12.65 13.36 15.98 18.61 21.55 23.15 24.75
乙烯的极限平衡转化率通过计算为24.93%。实际选用时要 考虑到水的凝结将会破坏磷酸催化剂，并导致获得的粗醇 凝液中乙醇含量降低，分离提浓负荷增加。通常选择水/烯 比为0.6~0.7。
化工原理 第二章 流体流动.
内容提要
本章着重讨论流体流动过程的基本原理和流体 在管内的流动规律，并应用这些规律去分析和计 算流体的输送问题：
1. 流体静力学 3. 流体的流动现象 5. 管路计算
2. 流体在管内的流动 4. 流动阻力 6. 流量测量
要求 掌握连续性方程和能量方程 能进行管路的设计计算
概述 流体: 在剪应力作用下能产生连续变形的物体称
为流体。如气体和液体。
流体的特征：具有流动性。即
抗剪和抗张的能力很小； 无固定形状，随容器的形状而变化；
在外力作用下其内部发生相对运动。
流体的研究意义
流体的输送：根据生产要求，往往要将这些流体按照生产 程序从一个设备输送到另一个设备，从而完成流体输送的任
务：流速的选用、管径的确定、输送功率计算、输送设备选用
为理想气体)
解： 首先将摄氏度换算成开尔文：
100℃＝273+100=373K
求干空气的平均分子量： Mm ＝ M１y1 + M2y2 + … + Mnyn
Mm =32 × 0.21+28 ×0.78+39.9 × 0.01
=28.96
气体平均密度：
0
p p0
T0 T
0
T0 p0
p T
Mm R
解：应用混合液体密度公式，则有
1
m
a1
1
a2
2
0.6 0.4 1830 998
7.285 10 4
m 1370 kg / m3
例2 已知干空气的组成为：O221%、N278%和Ar1%(均为体积%)。 试求干空气在压力为9.81×104Pa、温度为100℃时的密度。(可作
本章着重讨论流体流动过程的基本原理和流体 在管内的流动规律，并应用这些规律去分析和计 算流体的输送问题：
1. 流体静力学 3. 流体的流动现象 5. 管路计算
2. 流体在管内的流动 4. 流动阻力 6. 流量测量
要求 掌握连续性方程和能量方程 能进行管路的设计计算
概述 流体: 在剪应力作用下能产生连续变形的物体称
为流体。如气体和液体。
流体的特征：具有流动性。即
抗剪和抗张的能力很小； 无固定形状，随容器的形状而变化；
在外力作用下其内部发生相对运动。
流体的研究意义
流体的输送：根据生产要求，往往要将这些流体按照生产 程序从一个设备输送到另一个设备，从而完成流体输送的任
务：流速的选用、管径的确定、输送功率计算、输送设备选用
为理想气体)
解： 首先将摄氏度换算成开尔文：
100℃＝273+100=373K
求干空气的平均分子量： Mm ＝ M１y1 + M2y2 + … + Mnyn
Mm =32 × 0.21+28 ×0.78+39.9 × 0.01
=28.96
气体平均密度：
0
p p0
T0 T
0
T0 p0
p T
Mm R
解：应用混合液体密度公式，则有
1
m
a1
1
a2
2
0.6 0.4 1830 998
7.285 10 4
m 1370 kg / m3
例2 已知干空气的组成为：O221%、N278%和Ar1%(均为体积%)。 试求干空气在压力为9.81×104Pa、温度为100℃时的密度。(可作
化工过程分析与合成-第二版
化工过程分析与合成
Analysis and Synthesis of Chemical Process
第二章 化工过程系统稳态模拟与分析
Chapter2 Steady-state Simulation and Analysis of CPS
2-I
[学习目的] 掌握图的分隔、切断和排序； 掌握序贯模块法、联立方程法、联立模块法及其不同点； 了解图论的基本概念； 了解图的数学表达； 了解常见的经典序贯模块方法。
S6
S5 S1 e1 e2 S4 S 7 S3 S2 e3 e4
子图 S5 e2
S6 S4 S2 e3 S7 ,e1,e4
C、几种重要的子图
路：图中任意两个节点之间，由其它节点和相互顺序连接的 边构成的交替序列。 通路：两节点间按有向边方向与其它节点连接的点、边交替序列。 回路：起始节点与终止节点为同一节点的通路，即封闭的通路。
[学习重点与难点] 图的分隔、切断及排序方法； 序贯模块法、联立方程法、联立模块法。
例 发酵液的分离问题
例 1 发酵液流率=50 kg/min，其中含97%(wt)的水和3%(wt) 的乙醇。 建立蒸发器的模型：计算产品和废液的总流率，同时计算产 品和废液中水和乙醇的流率。
物料衡算关系: F1= F2+ F3 组分衡算关系: F1x1= F2x2+ F3x3
在一个图中，若两个点由一条边连接起来，则称为邻 接点。 若用图来表示化工过程系统的网络结构，则单元过程为 图中的结点，而这些单元过程之间的物料流、能量流等 信号流即为图中的有向边，故可用有向图来描述相应过 程系统的结构，然后通过图论的方法来研究过程系统的 结构特性。
在有向图中，射入一个结点的边的数目称为该结点的入度， 由一个结点射出的边数称为该结点的出度，而结点的入度 和出度之和为该结点的度数。 如一个系统可以分解成子系统，则所对应的图可以分解为子图。
Analysis and Synthesis of Chemical Process
第二章 化工过程系统稳态模拟与分析
Chapter2 Steady-state Simulation and Analysis of CPS
2-I
[学习目的] 掌握图的分隔、切断和排序； 掌握序贯模块法、联立方程法、联立模块法及其不同点； 了解图论的基本概念； 了解图的数学表达； 了解常见的经典序贯模块方法。
S6
S5 S1 e1 e2 S4 S 7 S3 S2 e3 e4
子图 S5 e2
S6 S4 S2 e3 S7 ,e1,e4
C、几种重要的子图
路：图中任意两个节点之间，由其它节点和相互顺序连接的 边构成的交替序列。 通路：两节点间按有向边方向与其它节点连接的点、边交替序列。 回路：起始节点与终止节点为同一节点的通路，即封闭的通路。
[学习重点与难点] 图的分隔、切断及排序方法； 序贯模块法、联立方程法、联立模块法。
例 发酵液的分离问题
例 1 发酵液流率=50 kg/min，其中含97%(wt)的水和3%(wt) 的乙醇。 建立蒸发器的模型：计算产品和废液的总流率，同时计算产 品和废液中水和乙醇的流率。
物料衡算关系: F1= F2+ F3 组分衡算关系: F1x1= F2x2+ F3x3
在一个图中，若两个点由一条边连接起来，则称为邻 接点。 若用图来表示化工过程系统的网络结构，则单元过程为 图中的结点，而这些单元过程之间的物料流、能量流等 信号流即为图中的有向边，故可用有向图来描述相应过 程系统的结构，然后通过图论的方法来研究过程系统的 结构特性。
在有向图中，射入一个结点的边的数目称为该结点的入度， 由一个结点射出的边数称为该结点的出度，而结点的入度 和出度之和为该结点的度数。 如一个系统可以分解成子系统，则所对应的图可以分解为子图。
化工原理第二章.
u1
4qv
d12
4 15 103 3.14 0.12
1.91m/s
u2
4qv π d22
2.98 m/s
H 0 f ,12
H 0.5 2.55105 2.67104 2.982 1.912
1000 9.81
2 9.81
29.5m
能适应物料特性（如黏度、腐蚀性、易燃易爆、 含固体等）要求。
流体输送设备分类：
按流体类型 按工作原理
输送液体—泵(pumps) 输送气体—通风机、鼓风机、压缩机
及真空泵
离心式 往复式 旋转式 流体动力作用式
第一节 离心泵
一、基本结构及工作原理
离心泵(centrifugal pump)
1.基本结构
第二章 流体输送机械
1. 本章学习的目的 通过学习，了解制药化工中常用的流体输送机
械的基本结构、工作原理及操作特性，以便根据生 产工艺要求，合理地选择和正确使用输送机械，并 使之在高效率下可靠运行。 2. 本章重点掌握的内容
离心泵的基本结构、工作原理、操作特性、安 装及选型。
概述
生产过程中的流体输送一般有以下几种情况：
效率64％ 轴功率2.6kW
重量363N
(1)流量(qv):单位时间内泵所输送的液体体积。m3/s 常用单位为L/s或m3/h qv与泵的结构、尺寸、转速等有关 ，实际流量还与 管路特性有关。
(2)扬程或压头(H):是指单位重量（1N）液体流经 泵所获得的能量，单位：m 。H与泵的结构、转速 和流量有关。
旋转的叶轮(impeller) 固定的泵壳（Volute）
2、离心泵的工作原理
化工过程模拟与计算(第1章绪论)
递现象》出版，“三传一反”特征确立； 第三次飞跃？ 过程系统工程、产品工程、多尺度。
3
.
“三传”为动量传递（流体输送、过滤、沉降、固体流态化 等，遵循流体动力学基本规律）、热量传递（加热、冷却、 蒸发、冷凝等，遵循热量传递基本规律）和质量传递（蒸馏、 吸收、萃取、干燥等，遵循质量传递基本规律），“一反” 为化学反应过程。
1.4.2 旧装置改造
12
.
1.4.3 新工艺.
1.4.5 科学研究 1.4.6 工业生产的科学管理 1.4.7 动态模拟、实时优化的基础
14
.
1.5 化工过程稳态模拟系统的构成 1.5.1 模拟系统的主要组成部分
➢ 模拟系统的分类： • 专用型：早期模拟软件，仅适用于某一确定的化工流程。 • 通用型：通用化工模拟系统指的是该模拟软件适用于任何 工艺流程。
国际单位制三种单位）
（2）组分数据：库组分，石油馏分，用户定义的组分。 （3）热力学方法：对准确性起决定性作用。 （4）物流数据：物流的温度、压力、流量和组成 （5）单元过程数据：各个单元过程的工艺条件及可能有
的约束条件。
18
.
1.6 课程内容及要求
1.6.1 课程内容
第2章 化工过程模拟及相关高新技术 第3章 石油馏分 第4章 热力学方法 第5章 化工单元过程计算 第6章 蒸馏过程计算
15
图1-1 稳态模拟系统的结构
流程图
数据文件
流程图拓扑分析及数据检查
调度系统
.
物 热 库化 功 收 经 系输
性 力 工 能 敛 济 统出
数 学单 模 方评 文
据 方元 块 法价 件
库 法过 库 库库 生
库程
成
16
3
.
“三传”为动量传递（流体输送、过滤、沉降、固体流态化 等，遵循流体动力学基本规律）、热量传递（加热、冷却、 蒸发、冷凝等，遵循热量传递基本规律）和质量传递（蒸馏、 吸收、萃取、干燥等，遵循质量传递基本规律），“一反” 为化学反应过程。
1.4.2 旧装置改造
12
.
1.4.3 新工艺.
1.4.5 科学研究 1.4.6 工业生产的科学管理 1.4.7 动态模拟、实时优化的基础
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1.5 化工过程稳态模拟系统的构成 1.5.1 模拟系统的主要组成部分
➢ 模拟系统的分类： • 专用型：早期模拟软件，仅适用于某一确定的化工流程。 • 通用型：通用化工模拟系统指的是该模拟软件适用于任何 工艺流程。
国际单位制三种单位）
（2）组分数据：库组分，石油馏分，用户定义的组分。 （3）热力学方法：对准确性起决定性作用。 （4）物流数据：物流的温度、压力、流量和组成 （5）单元过程数据：各个单元过程的工艺条件及可能有
的约束条件。
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1.6 课程内容及要求
1.6.1 课程内容
第2章 化工过程模拟及相关高新技术 第3章 石油馏分 第4章 热力学方法 第5章 化工单元过程计算 第6章 蒸馏过程计算
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图1-1 稳态模拟系统的结构
流程图
数据文件
流程图拓扑分析及数据检查
调度系统
.
物 热 库化 功 收 经 系输
性 力 工 能 敛 济 统出
数 学单 模 方评 文
据 方元 块 法价 件
库 法过 库 库库 生
库程
成
16
化工计算第二章
第二章 化工过程
2.1.4 过程参数
温度、压力、流量及物料的 百分组ห้องสมุดไป่ตู้或浓度等参数 .这 些参数也常作为控制生产过 程的主要指标。
温度、压力、流量及物料的百分组成或浓度等， 在指定条件下它的数值恒定，条件改变其数值也 随之变化，这些物理量称为过程参数
第二章 化工过程
如临界常数（临界压力、 临界温度、临界体积）、 如内能、焓、熵、 密度或比容、状态方程参 (1) 基本物性数据 热容、相变热、 数、压缩系数、蒸气压、 自由能、自由焓 气一液平衡关系等。 如反应热、生成 (2 )热力学物性数据 热力学物性数据 等。 热、燃烧热、反 应速度常数、活 (3) 化学反应和热化学数据 如粘度、扩散系数、 衡 化能，化学平 导热系数等。 常数等。 (4) 传递参数 得到基础化工数据
1.化学反应；2.分离或提纯，3.改变温度，4.改变压力，5.混合等。 化学反应； 分离或提纯 分离或提纯， 改变温度 改变温度， 改变压力 改变压力， 混合等 混合等。 化学反应
第二章 化工过程
利用物质在相变化过 平衡收率、 平衡收率、反应速 程中某些物理性质 度、控制或减少副 如沸点、熔点、 （如沸点、熔点、溶 反应的可能性等。 反应的可能性等。 解度等） 解度等）的差异来进 行的。 行的。 。 1.化学反应。化学反应是整个化工过程的核心。 2、分离或提纯。化工生产中的分离过程就是将两种或 两种以上组分的混合物分成纯的或比较纯的组分。 3. 混合。混合是与分离相反的一个过程。 能耗较少。 能耗较少。 三个基本的化工过程
第二章 化工过程
第一节 化工过程及过程参数
1.化工过程； 化工过程； 化工过程 2. 化工工艺流程； 化工工艺流程； 3. 化工过程开发； 化工过程开发； 4 化工过程基本参数 化工过程基本参数——温度、 温度、 温度 压力、流量、 压力、流量、化学组成等基 本概念
化工——第二章_3(衡算)
分析： 求流量qv 已知d 求u 直管
qv 3600u
判断能否应用？
4
d2
任取一截面
气体
柏努利方程
解：取测压处及喉颈分别为截面1-1’和截面2-2’
截面1-1’处压强 ：
P1 Hg gR 13600 9.81 0.025 3335 Pa(表压）
截面2-2’处压强为 ：
1.20kg / m
2
3
2
u1 3335 u 2 4905 2 1.20 2 1 .2
化简得：
u 2 u1 13733
由连续性方程有：
2
2
(a)
2
u1S1 u2 S 2
0.08 d1 u1 u 2 u1 d 0.02 2
求△Z
柏努利方程
并以截面2-2’的中心线为基准水平面，在两截面间列柏努利
方程式：
u p1 u2 p2 gZ1 H e gZ 2 hf 2 2
2 1
2
式中： Z2=0 ；Z1=?
P1=0(表压) ； P2=9.81×103Pa(表压）
qv qv 5 u2 1.62 m / s 2 S d 2 3600 0.033 4 4
④静压能（流动功）
1 2 单位质量流体所具有的动能 u ( J / kg ) 2
通过某截面的流体具有的用于
克服压力功的能量
流体在截面处所具有的压力
F pS
流体通过截面所走的距离为
V pV ( J ) 流体通过截面的静压能 Fl pS S V 单位质量流体所具有的静压能 p p / ( J / kg ) m
《化工数值计算及化工过程模拟2》课程教学大纲
《化工数值计算及化工过程模拟2》课程教学大纲课程代码：080131020课程英文名称：Chemical Engineering Numerical Calculation and Chemical Process Simulation 2课程总学时：32 讲课：22 实验：0 上机：10适用专业：化学工程与工艺大纲编写（修订）时间：2012.10一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标化学工程是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共同规律的一门工程学科。
化学工程的研究对象通常是非常复杂的，解析方法在化学工程研究中往往失效。
从20世纪50年代开始，人们就利用计算机解算化工过程的数学模型，使研究方法出现了一个革新。
经过40多年的发展，化工过程模拟已成为普遍采用的常规手段，广泛应用于化工过程的研究开发、设计、生产操作的控制与优化、操作培训和技术改造。
本课程介绍了化工过程模拟的基本概念和方法，提供利用相关模拟软件进行实际化工过程的模拟的步骤和技巧，同时介绍了化工流程模拟和单元模拟过程中常见的大型应用软件及其实际应用实例。
通过本课程的学习，学生将达到以下要求：1．掌握化工模拟的基本概念；2．掌握化工流程模拟的基本知识，并结合Aspen Plus、Pro/Ⅱ软件介绍化工流程模拟的具体方法和步骤；3．掌握化工单元模拟的基本概念、过程和方法；4．掌握单元模拟软件中CFX和Fluent的应用实例，掌握具体操作过程；5．了解化工模拟技术的新发展。
（二）知识、能力及技能方面的基本要求1.基本知识：掌握化工流程模拟和单元模拟基本概念、基本知识和具体操作步骤和过程等。
2.基本理论和方法：学习和掌握化工模拟基本理论，掌握化工流程模拟软件Aspen Plus和Pro/Ⅱ软件的基本操作方法，掌握化工单元流程模拟软件Fluent基本理论及操作方法。
3.基本技能:对于化工流程模拟过程，掌握流程图设计，模块选择、参数设置等技能；对于化工单元模拟技术，掌握几何模型建立、数学模型建立、边界条件设置等技能。
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36
一、 概述
先进控制： • 解决的是给定的设定值下装置的平稳操作问题 • 不负责各个设定值是否最佳工艺条件，是否有最大经 济效益。 实时优化的诞生： • 实际生产中经常会遇到原料和公用工程条件的变化。 （与原来设计不同）
•
工艺调整必然性：催化剂的老化、换热器结垢、设备 状况变差的情况，需要适时调整工艺。
七、先进控制实施的外部条件
多专业、多学科的紧密合作；
要求工作人员具备丰富的工程能力和经验。
由工艺专家和自控专家共同合作完成； 公司技术人员应具备化工背景。
35
2.3 化工过程模实时优化
一、 概述
二、实时优化的应用范围和功能 三、实时优化系统主要结构框图
四、实时优化的方程组集形式 五、实时优化的目标函数
14
3、基本操作系统的弊端： 1）DCS控制器的基础的常规算法是PID算法，这种算 法对于具有较大滞后的回路其效果很差。 2）控制变量对于操作变量的改变而引起的响应经常 是非线性的。 3）化工过程操作的叠加的结果使得化工装置的某部 分难以控制，即使采用标准控制器和标准方法。
15
二、先进控制和DCS（集散型控制系统）控制的主要区别
(1)计划内的变更：如原料的批次，计划内的高负荷或减负荷， 设备的定期切换等
(2)事物本身的不稳定性：如同一批次原料质量的差异与波动， 催化剂活性的降低。
(3)意外事故，设备故障，人为的误操作等； (4)装置的开停车。 原有稳态与平衡破坏，系统向着新的平衡发展。
4
2、动态变化中最为关心的问题：
（1）波动对整个系统产生多大的影响？产品质量与产量有 多大波动？ （2）有无发生危险的可能？可能会导致哪些危害，危害程 度如何？ （3）一旦产生波动或事故，应当如何处理、调整？最恰当 的措施、步骤？ （4）干扰波动的持续时间多长？克服之使之恢复正常又需 多久？
（5）开停车的最佳策略。
5
二、动态模拟的主要功能和应用领域
（一）动态特性研究
1、内容：研究过程参数随时间变化的规律，从而得到有关过 程的正确的设计方案或操作步骤。 2、作用：应用动态模拟可以更全面、正确的认识一个化工过 程，预测某一个波动或干扰发生时系统会发生怎样的变化。 3、例子：在固定床，催化剂条件下的甲烷化反应，进料为 50%的合成气和50%的水蒸气。
31
Setpoint公司：
成立于1977年
曾承担过大量石油化工装置的先进控制项目的设计工 作。 特点：工程经验丰富，工程业绩遍及全世界 最早进入中国的过程控制公司，中国有多套由它设计
的先进控制在运行。
32
Dynamic Matrix Control公司：
• • • 1984年创办。 创办人：Dr. Charlie Culter，先进控制理论创始人之一。 该公司长期从事动态矩阵控制软件的研究和应用，其软
（5）保证开停车过程顺利进行；
（6）取得最佳经济效益。
8
（三）动态仿真操作工培训系统
建立动态仿真系统是动态模拟的重要用途； 动态仿真系统既有稳态又有波动干扰引起的变化；
（四）先进控制系统的设计工具
先进控制：起源于20世纪70年； 过程控制技术： 20世纪90年； 过程控制技术必要条件：过程的动态特性
卡边控制 • 先进控制从整体上提高了装置的控制水平，使控制变量的 波动更小，操作更加平稳 • 控制变量波动的平均值将更贴近规定的工艺规定或约束条 件（是否合理，不是先进控制的任务）。 • 带来可观的经济效益
22
卡边控制
23
2、先进控制的核心是多变量预估控制
先进控制软件根据装置的实时数据，采用多变量模型 预估计算，计算出最优的设定值，送往控制器执行。 3、控制范围
鲁棒性/抗变换性（英文：robustness）原是统计学中的一
个专门术语，20世纪70年代初开始在控制理论的研究中流行起 来，用以表征控制系统对特性或参数扰动的不敏感性。
25
7、投资回收期短
投资回收期都在半年到一年之间，装置的规模越大， 效益越明显。
26
四、多变量预估控制的执行步骤
1、预估计算
利用装置的动态模型和当前装置的工艺参数，计算出控制变
6
1206
1250
7
（二）开停车指导
1、开停车的重要性 大型石化装置，每开停车一次损失为几十万甚至几百万元。 2、动态模拟对开停车的重要指导作用： （1）缩短开停车时间，尽快达到稳定操作状态或安全停车； （2）降低物耗、能耗，减少开停车损耗； （3）避免可能产生的误操作或事故； （4）减少不合格产品；
1、先进控制的历史 先进控制理论20世纪70年代初提出；
工业上的最初应用始于70年代末； 90年代以来，先进控制的工业应用获得了蓬勃发展，获 得巨大经济效益，大量工业装置纷纷在已有的DCS的基 础上配备了先进控制系统。 21世纪，先进控制技术在许多方面发展十分成熟：
• • • • 各种多变量预估控制的理论基础已被广泛认同； 多变量预估控制涉及的范围不断地扩充； 多变量预估控制软件包不断涌现； 大量的先进控制正在在各种工业装置中实施。
16
2、实际上，众多过程变量之间的相互影响是必然 的，操作变化和控制变化之间的关系如图2-3Biblioteka 173、DCS的缺点：
（70年代初进入工业装置） 基本不考虑变量之间的相互影响，将操作变量 （manipulated variable ,MV）和控制变量（controlled variable，CV）之间的关系设定为一一对应的关系。 一一对应的关系忽略了变量之间的耦合关系，不能反 映装置的实际情况，因此难以真正实现装置的平稳控 制。
量，如产品组成、温度等的预期的变化值。
2、最优目标计算
利用适当的计算方法，如线性规划，确定符合所有约束的最 优的稳态工艺条件。
27
3、控制设定值计算
• 基于预估的控制变量的预期轨迹以及根据线性规划得到的 最优控制目标，计算出各个操作变量的预期的设定值的最 佳组合。 • 通过操作变量的调整，驱动装置朝所希望的操作区域移动， 而不违反所有的约束条件，或者操作变量的极限值。
件的高品质和先进控制的高性能吸引了大量的客户，至
1994年，已经实施了500多个先进控制项目。
33
2、英国
Predictive Control Ltd.公司成立于1988年；
专门从事先进控制系统的设计； 有名的控制软件包：CONNOISSEUR。
3、美国——Honeywell公司
原是著名 的DCS的供应商； 近年来向着先进控制和实时优化的方向发展。 兼并了美国的Profimatics公司，先进控制业务有较大发 展。 有部门专门从事先进控制和优化业务，推出工厂一体化 化解决方案（TPS）由先进控制包和实时优化包两部分 34 组成。
第2 章
化工过程模拟及相关高新技术
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课程内容
2.1 化工过程模拟
2.2 化工过程先进控制
2.3 化工过程模实时优化
2.4 四项高新技术之间的关系和效益
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2.1 化工过程动态模拟
一、概述
二、动态模拟的主要功能和应用领域
三、国外动态模拟的发展
四、稳态模拟与动态模拟的异同
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一、概述
1、引起化工过程动态变化的因素：
1、美国（1996年之前）
Setpoint公司的SMCA Dynamic Matrix Control公司的DMC
1998年加拿大 Treiber Control公司
1996年 Aspen Tech公司收购
Aspen Tech公司： 软件DMC Plus融合上述2个软件的优点， 1997年底，全世界实施先进控制的项目有1500套， Aspen Tech完成了1050套，占70%。 全世界最大的五套催化裂化装置全部采用的Aspen Tech的 DMC技术。
多变量预估控制使得控制整个装置成为可能，可控制整个装 置的所有变量。
4、显著的经济效益
先进控制可使装置在最大经济效益的条件下操作：最大的产量、 最大的转化率和最低的装置操作费用。
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5、在各种条件下均有较高的在线因子 通常是95%或更高。 6、维护工作量较小
先进控制具有很高的鲁棒性，且各项技术都纳入一个统一的软 件包，便于运行和安装。
控制系统
软件：填充式的控制软件——新的数据库软件——新的改
进了的优化算法——基于模型的多变量预估控制软件
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2、典型化工装置的生产操作特性(常规控制手段下)：
（1）对动态反应存在实质性的时间延迟和滞后；
（2）要求控制的变量未能在线检测； （3）非线性动态响应； （4）相互耦合； （5）存在约束；
（6）存在大的外部干扰。
二、先进控制和DCS（集散型控制系统）控制的主要区别
三、先进控制的特点
四、多变量预估控制的执行步骤
五、先进控制的经济效益 六、国外发展概况 七、先进控制实施的外部条件
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2.2 化工过程先进控制
一、概述 1、化工过程控制的巨大变化： 硬件：手动阀门——自动控制阀——PID控制器（比例-积
分-微分控制器）——集散型控制系统（DCS）——计算机
装置 常减压 催化裂化 催化重整 加氢裂化 烷基化 规模（万吨/年） 750 370 215 265 130 年净增效益/万美元 225-450 420-1050 150-450 225-450 135-315
延迟焦化
异构化 乙烯
212
155 45
144-480
50-150 300-500
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六、国外发展概况
• 现代化的工业生产要求整个装置经济效益最大，要求 在给定约束条件下，按照适时的生产数据，求出各个 工艺参数的匹配，并随时适时优化控制。
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一、 概述
先进控制： • 解决的是给定的设定值下装置的平稳操作问题 • 不负责各个设定值是否最佳工艺条件，是否有最大经 济效益。 实时优化的诞生： • 实际生产中经常会遇到原料和公用工程条件的变化。 （与原来设计不同）
•
工艺调整必然性：催化剂的老化、换热器结垢、设备 状况变差的情况，需要适时调整工艺。
七、先进控制实施的外部条件
多专业、多学科的紧密合作；
要求工作人员具备丰富的工程能力和经验。
由工艺专家和自控专家共同合作完成； 公司技术人员应具备化工背景。
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2.3 化工过程模实时优化
一、 概述
二、实时优化的应用范围和功能 三、实时优化系统主要结构框图
四、实时优化的方程组集形式 五、实时优化的目标函数
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3、基本操作系统的弊端： 1）DCS控制器的基础的常规算法是PID算法，这种算 法对于具有较大滞后的回路其效果很差。 2）控制变量对于操作变量的改变而引起的响应经常 是非线性的。 3）化工过程操作的叠加的结果使得化工装置的某部 分难以控制，即使采用标准控制器和标准方法。
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二、先进控制和DCS（集散型控制系统）控制的主要区别
(1)计划内的变更：如原料的批次，计划内的高负荷或减负荷， 设备的定期切换等
(2)事物本身的不稳定性：如同一批次原料质量的差异与波动， 催化剂活性的降低。
(3)意外事故，设备故障，人为的误操作等； (4)装置的开停车。 原有稳态与平衡破坏，系统向着新的平衡发展。
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2、动态变化中最为关心的问题：
（1）波动对整个系统产生多大的影响？产品质量与产量有 多大波动？ （2）有无发生危险的可能？可能会导致哪些危害，危害程 度如何？ （3）一旦产生波动或事故，应当如何处理、调整？最恰当 的措施、步骤？ （4）干扰波动的持续时间多长？克服之使之恢复正常又需 多久？
（5）开停车的最佳策略。
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二、动态模拟的主要功能和应用领域
（一）动态特性研究
1、内容：研究过程参数随时间变化的规律，从而得到有关过 程的正确的设计方案或操作步骤。 2、作用：应用动态模拟可以更全面、正确的认识一个化工过 程，预测某一个波动或干扰发生时系统会发生怎样的变化。 3、例子：在固定床，催化剂条件下的甲烷化反应，进料为 50%的合成气和50%的水蒸气。
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Setpoint公司：
成立于1977年
曾承担过大量石油化工装置的先进控制项目的设计工 作。 特点：工程经验丰富，工程业绩遍及全世界 最早进入中国的过程控制公司，中国有多套由它设计
的先进控制在运行。
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Dynamic Matrix Control公司：
• • • 1984年创办。 创办人：Dr. Charlie Culter，先进控制理论创始人之一。 该公司长期从事动态矩阵控制软件的研究和应用，其软
（5）保证开停车过程顺利进行；
（6）取得最佳经济效益。
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（三）动态仿真操作工培训系统
建立动态仿真系统是动态模拟的重要用途； 动态仿真系统既有稳态又有波动干扰引起的变化；
（四）先进控制系统的设计工具
先进控制：起源于20世纪70年； 过程控制技术： 20世纪90年； 过程控制技术必要条件：过程的动态特性
卡边控制 • 先进控制从整体上提高了装置的控制水平，使控制变量的 波动更小，操作更加平稳 • 控制变量波动的平均值将更贴近规定的工艺规定或约束条 件（是否合理，不是先进控制的任务）。 • 带来可观的经济效益
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卡边控制
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2、先进控制的核心是多变量预估控制
先进控制软件根据装置的实时数据，采用多变量模型 预估计算，计算出最优的设定值，送往控制器执行。 3、控制范围
鲁棒性/抗变换性（英文：robustness）原是统计学中的一
个专门术语，20世纪70年代初开始在控制理论的研究中流行起 来，用以表征控制系统对特性或参数扰动的不敏感性。
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7、投资回收期短
投资回收期都在半年到一年之间，装置的规模越大， 效益越明显。
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四、多变量预估控制的执行步骤
1、预估计算
利用装置的动态模型和当前装置的工艺参数，计算出控制变
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1206
1250
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（二）开停车指导
1、开停车的重要性 大型石化装置，每开停车一次损失为几十万甚至几百万元。 2、动态模拟对开停车的重要指导作用： （1）缩短开停车时间，尽快达到稳定操作状态或安全停车； （2）降低物耗、能耗，减少开停车损耗； （3）避免可能产生的误操作或事故； （4）减少不合格产品；
1、先进控制的历史 先进控制理论20世纪70年代初提出；
工业上的最初应用始于70年代末； 90年代以来，先进控制的工业应用获得了蓬勃发展，获 得巨大经济效益，大量工业装置纷纷在已有的DCS的基 础上配备了先进控制系统。 21世纪，先进控制技术在许多方面发展十分成熟：
• • • • 各种多变量预估控制的理论基础已被广泛认同； 多变量预估控制涉及的范围不断地扩充； 多变量预估控制软件包不断涌现； 大量的先进控制正在在各种工业装置中实施。
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2、实际上，众多过程变量之间的相互影响是必然 的，操作变化和控制变化之间的关系如图2-3Biblioteka 173、DCS的缺点：
（70年代初进入工业装置） 基本不考虑变量之间的相互影响，将操作变量 （manipulated variable ,MV）和控制变量（controlled variable，CV）之间的关系设定为一一对应的关系。 一一对应的关系忽略了变量之间的耦合关系，不能反 映装置的实际情况，因此难以真正实现装置的平稳控 制。
量，如产品组成、温度等的预期的变化值。
2、最优目标计算
利用适当的计算方法，如线性规划，确定符合所有约束的最 优的稳态工艺条件。
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3、控制设定值计算
• 基于预估的控制变量的预期轨迹以及根据线性规划得到的 最优控制目标，计算出各个操作变量的预期的设定值的最 佳组合。 • 通过操作变量的调整，驱动装置朝所希望的操作区域移动， 而不违反所有的约束条件，或者操作变量的极限值。
件的高品质和先进控制的高性能吸引了大量的客户，至
1994年，已经实施了500多个先进控制项目。
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2、英国
Predictive Control Ltd.公司成立于1988年；
专门从事先进控制系统的设计； 有名的控制软件包：CONNOISSEUR。
3、美国——Honeywell公司
原是著名 的DCS的供应商； 近年来向着先进控制和实时优化的方向发展。 兼并了美国的Profimatics公司，先进控制业务有较大发 展。 有部门专门从事先进控制和优化业务，推出工厂一体化 化解决方案（TPS）由先进控制包和实时优化包两部分 34 组成。
第2 章
化工过程模拟及相关高新技术
1
课程内容
2.1 化工过程模拟
2.2 化工过程先进控制
2.3 化工过程模实时优化
2.4 四项高新技术之间的关系和效益
2
2.1 化工过程动态模拟
一、概述
二、动态模拟的主要功能和应用领域
三、国外动态模拟的发展
四、稳态模拟与动态模拟的异同
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一、概述
1、引起化工过程动态变化的因素：
1、美国（1996年之前）
Setpoint公司的SMCA Dynamic Matrix Control公司的DMC
1998年加拿大 Treiber Control公司
1996年 Aspen Tech公司收购
Aspen Tech公司： 软件DMC Plus融合上述2个软件的优点， 1997年底，全世界实施先进控制的项目有1500套， Aspen Tech完成了1050套，占70%。 全世界最大的五套催化裂化装置全部采用的Aspen Tech的 DMC技术。
多变量预估控制使得控制整个装置成为可能，可控制整个装 置的所有变量。
4、显著的经济效益
先进控制可使装置在最大经济效益的条件下操作：最大的产量、 最大的转化率和最低的装置操作费用。
24
5、在各种条件下均有较高的在线因子 通常是95%或更高。 6、维护工作量较小
先进控制具有很高的鲁棒性，且各项技术都纳入一个统一的软 件包，便于运行和安装。
控制系统
软件：填充式的控制软件——新的数据库软件——新的改
进了的优化算法——基于模型的多变量预估控制软件
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2、典型化工装置的生产操作特性(常规控制手段下)：
（1）对动态反应存在实质性的时间延迟和滞后；
（2）要求控制的变量未能在线检测； （3）非线性动态响应； （4）相互耦合； （5）存在约束；
（6）存在大的外部干扰。
二、先进控制和DCS（集散型控制系统）控制的主要区别
三、先进控制的特点
四、多变量预估控制的执行步骤
五、先进控制的经济效益 六、国外发展概况 七、先进控制实施的外部条件
12
2.2 化工过程先进控制
一、概述 1、化工过程控制的巨大变化： 硬件：手动阀门——自动控制阀——PID控制器（比例-积
分-微分控制器）——集散型控制系统（DCS）——计算机
装置 常减压 催化裂化 催化重整 加氢裂化 烷基化 规模（万吨/年） 750 370 215 265 130 年净增效益/万美元 225-450 420-1050 150-450 225-450 135-315
延迟焦化
异构化 乙烯
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六、国外发展概况
• 现代化的工业生产要求整个装置经济效益最大，要求 在给定约束条件下，按照适时的生产数据，求出各个 工艺参数的匹配，并随时适时优化控制。
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