化工过程的模拟与分析.ppt

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1、第七章 化工过程的模拟与分析,7.1 化工过程设计、化工过程模拟分析、化工技术经济三者之间相互关系,化工工艺设计的内容与步骤,第一步：流程组织（过程合成）,第二步：物料衡算及热量衡算,第三步：设备设计及选型,第四步：PFD图及PID图的设计与绘制,第五步：流程的平立面布置设计及配管设计,第六步：主要材料表及概（预）算（工艺部分）,第七步：对流程的技术经济分析,第八步：编写工艺设计说明书,内循环优化,外循环优化,内循环优化： 在流程结构不变的前提下，通过修改、调整流程内部的部分设备参数和操作参数，来对流程进行优化设计。,外循环优化： 在内循环优化不能满足优化目标的情况下，重新做流程组织，对流程结

2、构进行改头换面的大变动，而达到对流程进行优化设计的目的。,内循环优化经常用于老流程的改造，并对实验室研究开发有指导意义。,外循环优化经常用于新厂设计时，对多个流程方案进行分析比较。,二层循环优化设计，工作量巨大，手工设计很难完成，只有靠计算机辅助设计。,设计任务书提出设计任务,流程组织（过程合成）,工艺流程草图,将流程结构输入计算机系统,将已知参数输入计算机系统,MB、HB计算,设备设计及选型,PFD与PID图的设计与绘制,平立面布置与配管设计,材料表及工程概（预）算,流程的技术经济分析,设备参数、操作参数的优化调整,流程结构优化调整,内循环优化,外循环优化,现代计算机辅助化工过程设计与模拟运

3、行示意图,综合阶段,设计阶段,优化阶段,一个实际运行的化工项目或它建成运行前的设计资料,首先，从其中提取出来其项目投资、产品成本、销售收入、税金、利润等基本经济数据。,然后，针对这些基本经济数据，用技术经济的观点归纳、分析出其技术经济指标（投资利润率、投资还本期等）。,最后，判断其经济合理性。,化工过程设计与化工项目经济分析之间的关系,在实际化工过程设计工作中，设计、经济、模拟三者之间关系：,、设计出一个较好的流程是化工过程设计的最终目的；,、经济分析与评价是挑选和判断流程优劣的依据；,、计算机辅助化工过程设计与模拟是设计的有力手段；,7.2 化工过程（系统）模拟的一些基本概念,一、化工系统,

4、为了实现一定目的，由若干相互联系、彼此影响的化工单元设备组成的一个流程，称为一个化工系统。,、化工系统，实质就是化工过程设计或化工系统模拟处理的对象，就是过程合成（流程组织）得到的流程图。,、化工系统根据设计或模拟的目的不同，化工系统可大可小；,、一个大的化工系统可以分成若干个子系统。,二、化工系统的工况特性及化工系统分析,化工系统的外界：化工系统范围以外的一切事物。,有意义的化工系统，决不会是与外界隔绝的孤立系统，它与外界有物料流、能量流、信息流的输入与输出。,化工流程的特性参数,流程的单元结构参数,单元的种类、数量,单元之间位置关系,流股走向,关键单元设备的特性参数,关键工艺工段的操作参数

5、,化工系统特性由系统（流程）的特性参数所决定：,化工系统（系统特性）,输入,输出,化工系统工况特性：,一个化工系统“输入系统特性输出”之间的规律性联系。,化工系统分析：,在一个化工系统的特性已知的前提下，给定其输入，预测分析其输出，这一分析过程称为化工系统分析。,三、模拟（仿真，Simulation）,模拟,物理模拟,数学模拟,物理模拟：用真实的物理试验手段研究某个化工过程；,数学模拟：不用真实的物理试验，而是列出过程的数学模型，然后用计算机 手段对此模型进行求解与分析，从而达到对某个化工过程进行研究 的目的；,数学模拟：,成本低,灵活性大,可靠性相对较低,物理模拟：,成本高,灵活性小,可靠性

6、相对较高,注意：化工过程的模拟经常采用数学模拟与物理模拟相结合的方式进行。,化工过程（系统）模拟：,将描述某个化工过程的数学模型编成计算机软件，将模型参数（系统的特性参数）也输入计算机模拟软件，然后计算机模拟软件根据输入信息，自动调用也编成了计算机软件的模型求解方法，从而对化工过程进行分析，给出模拟计算的输出结果。,化工系统（过程）模型,（计算机程序软件）,模型参数（系统特性参数）,输入,求解方法软件程序,输出,模拟是进行化工系统分析的有力手段。,注意：模拟是正向运行的。即已知系统模型及特性，从输入预测分析其输出。,化工过程模拟,稳态模拟,非稳态模拟（动态模拟）,四、模拟型问题和设计型问题,按

7、照化工过程（系统）模拟的定义，模拟是正向进行的，即：,化工系统（过程） （系统特性）,输入,输出,然而，在实际化工过程设计时，经常遇到过程的部分输出数值是设计要求已知的，反过来去求满足这些输出要求的输入值。这就是所谓的设计型问题。,也就是说，设计型问题是，根据已知的部分输出及化工系统（过程）特性，去寻求足够满足输出要求所对应的输入条件。,现有的模拟软件包只能直接用于解决模拟型问题。将现有模拟软件用于设计型问题的方法有二个：,、正向试差模拟计算；,、将输出规定改写成模型求解的约束条件方程；,7.3 化工系统（过程）的数学模型,一、化工过程（系统）数学模型的种类,化工（过程）系统,输入,输出,化工

8、（过程）系统数学模型的实质：,主要根据化工过程“三传一反”以及MB、HB衡算原理，将化工系统输入变量、输出变量、单元变量三者之间用数学关系有机地联系在一起，而形成的数学方程或方程组。,数学模型的种类,理论模型,半经验半理论模型,经验模型,理论模型：,在严格理论分析基础上建立起来的数学模型，模型中的所有系数（参数）都由理论推导出来。,这类模型可靠性最强，但在化工领域出现的几率很小。,半经验半理论模型（灰箱模型）：,这类模型的建立，即有理论分析作基础，又有试验数据和经验的支撑，是化工领域最常见的数学模型。具有很高的实用价值。,这类模型的框架一般靠理论分析建立，模型中的参数一般靠试验和经验确定。在一

9、定使用条件下可靠性较强。,经验模型（黑箱模型）：,是纯经验模型。一般出现在对系统机理一点不掌握，只能通过试验获得其输入输出之间的对应关系。,这类模型在模型试验范围内可靠性较好，但超过试验范围的外推性较差。这类模型在化工领域出现的几率也很小。,二、化工过程（系统）模型方程的形式,化工系统（过程）模型方程的形式决定于：,、稳态还是动态过程,决定时间变量是否引入？,、是集总参数模型还是分布参数模型,决定空间坐标变量是否引入？,对稳态集总参数模型,其方程形式必然是代数方程（组）,对动态集总参数模型,其方程形式是以时间为变量的常微分方程（组）,对稳态分布参数模型,其方程形式是以空间为变量的常微分方程（组

10、）或偏微分方程组,对动态分布参数模型,其方程形式是以时间和空间为变量的偏微分方程组,三、半经验半理论数学模型的建立,半经验半理论模型的建立一般分二步进行：,第一步：模型识别（确定模型的骨架（框架）形式）,依据：“三传一反”、MB、HB等，以及试验观察到的现象。,第二步：模型参数估计（估值）,依据：试验数据代入模型中，用数值方法进行处理。,例如：针对ABC，要建立其反应动力学模型,首先，确定动力学方程框架：,然后，确定以上动力学方程模型中的参数（k、i）：,设计试验，得到CAt的对应数据，再用最小二乘法、单纯形法、Powell共轭法等数值方法完成模型参数估值。,例如：谷氨酸发酵过程的数学模型,X

11、菌体浓度；P产物（谷氨酸）浓度；S基质（葡萄糖）浓度；CO2排气CO2浓度。,7.4 化工单元模型及模拟分析,一、换热器模型及其模拟分析,换热器,高温苯蒸汽,F2、t2,冷水,热水,F3、t3,F4、t4,F1、t1,低温苯蒸汽,目的：回收高温苯蒸汽的热量。,要求：列出该换热系统的通用模型。,1、通用模型,换热器,高温苯蒸汽,F2、t2,冷水,热水,F3、t3,F4、t4,F1、t1,低温苯蒸汽,其中：U（总传热系数）、cp（苯）、cp（水）为常数,2、模型自由度分析,、通用模型的自由度分析,变量：Q、A、tm、F1、F2、F3、F4、t1、 t2、 t3、 t4 共11个,方程：共六个,通用

12、模型的自由度：1165,、手工计算时的自由度分析,变量：F1、F4、t1、 t2、 t3、 t4 共六个,方程：共一个,手工计算时的自由度：615,二者是可以统一起来的。,3、系统的模拟型问题,模拟型问题：已知系统特性，根据已知输入，来计算输出。,换热器,高温苯蒸汽,F2、t2,冷水,热水,F3、t3,F4、t4,F1、t1,低温苯蒸汽,已知：A、F1、F4、t1、t4,计算求解：F3、F2、t3、t2、Q、tm,通用模型的自由度是5，因此，模拟型问题能解决。,4、系统的部分设计型问题,换热器,高温苯蒸汽,F2、t2,冷水,热水,F3、t3,F4、t4,F1、t1,低温苯蒸汽,、如果要求t2已

13、知（苯蒸汽出口温度限制），并已知输入F1、t1、F4、t4。 反过来求系统特性A和其它未知输出F3、t3、F2、Q、tm,、如果要求t3已知（热水出口温度已知），并已知输入F1、t1、F4、t4。 反过来求系统特性A和其它未知输出F3、t2、F2、Q、tm,、已知： F1、 t1、 t2、t3、A。 求：F4、F3、F2、t4、Q、tm,、已知：F1、t1、 t2、 F4、A。 求：F2、F3、t3、t4、Q、tm, ,问题：设计型问题一共有多少组可能情况？,表面上，从11个模型变量集中，挑选5个变量（自由度要求）作为设计变量组，就可以解出其它未知的6个变量。,可能共有：,但有两个问题值得注意

14、：, tm一般不可能作为设计变量；, 挑选出来的设计变量不能使模型方程失出独立性（使方程恒等）；,实际上从变量集：Q、A、F1、F4、t1、 t2、 t3、 t4 共8个中挑选5个变量作为设计变量组。就缩小了选择范围。但仍然要注意以上两个问题中的第二个问题。,二、连续非绝热平衡闪蒸的系统模型及其模拟分析,P，T,非绝热平衡闪蒸单元操作示意图,其中，,分别是进料、气相出料、液相出料流股的组成向量，均含有C种组份。,1、通用模型,MB,HB,物性数据关联方程,2、模型自由度分析,、通用模型的自由度分析,共4c8个,方程数：c1c3c3c4个,通用模型的自由度：4c8（3c4）c4,、手工计算时的自

15、由度分析,共3c5个,方程数：c1c2c1个,通用模型的自由度：3c5（2c1）c4,MB,HB,物性数据方程,3、系统模拟分析时设计变量的选择,系统模型的自由度是C4，所以无论是模拟型问题还是设计型问题，必须先从总变量系列中已知C4个变量，才能唯一正确的对模型进行求解。,表面上看，共有：,种挑选设计变量组的情况。,但其中，有大量设计变量组挑选组合是不成立的。例如：,、F、L、PF、TF、Zi （i1,2, , C）,、F、V、TF、HV、yi （i1,2, , C）,、F、V、TF、PF、Ki （i1,2, , C）, ,为了保证挑选出来的设计变量相互独立，一般采取从手工计算的独立变量中进行挑选的原则。,挑选原则之一,即使在手工计算变量中来挑选设计变量组，仍然要注意挑选出来的变量之间不要使模型方程变为恒等式。,挑选原则之二,以下几组设计变量在模拟或设计时是可能、可行的情况：, ,