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1、單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,第七章 化工過程的模擬與分析,7.1 化工過程設計、化工過程模擬分析、化工技術經(jīng)濟三者之間相互關系,化工工藝設計的內(nèi)容與步驟,第一步：流程組織（過程合成）,第二步：物料衡算及熱量衡算,第三步：設備設計及選型,第四步：PFD圖及PID圖的設計與繪制,第五步：流程的平立面布置設計及配管設計,第六步：主要材料表及概（預）算（工藝部分）,第七步：對流程的技術經(jīng)濟分析,第八步：編寫工藝設計說明書,內(nèi)循環(huán)優(yōu)化,外循環(huán)優(yōu)化,內(nèi)循環(huán)優(yōu)化：,在流程結構不變的前提下，通過修改、調(diào)整流程內(nèi)部的部分設備參數(shù)和操作參數(shù)，來對流程進行
2、優(yōu)化設計。,外循環(huán)優(yōu)化：,在內(nèi)循環(huán)優(yōu)化不能滿足優(yōu)化目標的情況下，重新做流程組織，對流程結構進行改頭換面的大變動，而達到對流程進行優(yōu)化設計的目的。,內(nèi)循環(huán)優(yōu)化經(jīng)常用于老流程的改造，并對實驗室研究開發(fā)有指導意義。,外循環(huán)優(yōu)化經(jīng)常用于新廠設計時，對多個流程方案進行分析比較。,二層循環(huán)優(yōu)化設計，工作量巨大，手工設計很難完成，只有靠計算機輔助設計。,設計任務書提出設計任務,流程組織（過程合成）,工藝流程草圖,將流程結構輸入計算機系統(tǒng),將已知參數(shù)輸入計算機系統(tǒng),MB、HB計算,設備設計及選型,PFD與PID圖的設計與繪制,平立面布置與配管設計,材料表及工程概（預）算,流程的技術經(jīng)濟分析,設備參數(shù)、操作參數(shù)
3、的優(yōu)化調(diào)整,流程結構優(yōu)化調(diào)整,內(nèi)循環(huán)優(yōu)化,外循環(huán)優(yōu)化,現(xiàn)代計算機輔助化工過程設計與模擬運行示意圖,綜合階段,設計階段,優(yōu)化階段,一個實際運行的化工項目,或,它建成運行前的設計資料,首先，從其中提取出來其項目投資、產(chǎn)品成本、銷售收入、稅金、利潤等,基本經(jīng)濟數(shù)據(jù)。,然后，針對這些基本經(jīng)濟數(shù)據(jù)，用技術經(jīng)濟的觀點歸納、分析出其,技術經(jīng)濟指標,（投資利潤率、投資還本期等）。,最后，判斷其,經(jīng)濟合理性,。,化工過程設計與化工項目經(jīng)濟分析之間的關系,在實際化工過程設計工作中，設計、經(jīng)濟、模擬三者之間關系：,、設計出一個較好的流程是化工過程設計的最終目的；,、經(jīng)濟分析與評價是挑選和判斷流程優(yōu)劣的依據(jù)；,、計算
4、機輔助化工過程設計與模擬是設計的有力手段；,7.2 化工過程（系統(tǒng)）模擬的一些基本概念,一、化工系統(tǒng),為了實現(xiàn)一定目的，由若干相互聯(lián)系、彼此影響的化工單元設備組成的一個流程，稱為一個化工系統(tǒng)。,、化工系統(tǒng)，實質(zhì)就是化工過程設計或化工系統(tǒng)模擬處理的對象，就是過程合成（流程組織）得到的流程圖。,、化工系統(tǒng)根據(jù)設計或模擬的目的不同，化工系統(tǒng)可大可??；,、一個大的化工系統(tǒng)可以分成若干個子系統(tǒng)。,二、化工系統(tǒng)的工況特性及化工系統(tǒng)分析,化工系統(tǒng)的外界：化工系統(tǒng)范圍以外的一切事物。,有意義的化工系統(tǒng)，決不會是與外界隔絕的孤立系統(tǒng)，它與外界有,物料流、能量流、信息流,的輸入與輸出。,化工流程的特性參數(shù),流程的
5、單元結構參數(shù),單元的種類、數(shù)量,單元之間位置關系,流股走向,關鍵單元設備的特性參數(shù),關鍵工藝工段的操作參數(shù),化工系統(tǒng)特性由系統(tǒng)（流程）的特性參數(shù)所決定：,化工系統(tǒng),（系統(tǒng)特性）,輸入,輸出,化工系統(tǒng)工況特性：,一個化工系統(tǒng)“輸入系統(tǒng)特性輸出”之間的規(guī)律性聯(lián)系。,化工系統(tǒng)分析：,在一個化工系統(tǒng)的特性已知的前提下，給定其輸入，預測分析其輸出，這一分析過程稱為化工系統(tǒng)分析。,三、模擬（仿真，Simulation）,模擬,物理模擬,數(shù)學模擬,物理模擬：,用真實的物理試驗手段研究某個化工過程；,數(shù)學模擬：,不用真實的物理試驗，而是列出過程的數(shù)學模型，然后用計算機,手段對此模型進行求解與分析，從而達到對某
6、個化工過程進行研究,的目的；,數(shù)學模擬：,成本低,靈活性大,可靠性相對較低,物理模擬：,成本高,靈活性小,可靠性相對較高,注意：化工過程的模擬經(jīng)常采用數(shù)學模擬與物理模擬相結合的方式進行。,化工過程（系統(tǒng)）模擬：,將描述某個化工過程的數(shù)學模型編成計算機軟件，將模型參數(shù)（系統(tǒng)的特性參數(shù)）也輸入計算機模擬軟件，然后計算機模擬軟件根據(jù)輸入信息，自動調(diào)用也編成了計算機軟件的模型求解方法，從而對化工過程進行分析，給出模擬計算的輸出結果。,化工系統(tǒng)（過程）模型,（計算機程序軟件）,模型參數(shù),（系統(tǒng)特性參數(shù)）,輸入,求解方法軟件程序,輸出,模擬是進行化工系統(tǒng)分析的有力手段。,注意：模擬是正向運行的。即已知系統(tǒng)
7、模型及特性，從輸入預測分析其輸出。,化工過程模擬,穩(wěn)態(tài)模擬,非穩(wěn)態(tài)模擬（動態(tài)模擬）,四、模擬型問題和設計型問題,按照化工過程（系統(tǒng)）模擬的定義，模擬是正向進行的，即：,化工系統(tǒng)（過程）,（系統(tǒng)特性）,輸入,輸出,然而，在實際化工過程設計時，經(jīng)常遇到過程的部分輸出數(shù)值是設計要求已知的，反過來去求滿足這些輸出要求的輸入值。這就是所謂的設計型問題。,也就是說，設計型問題是，根據(jù)已知的部分輸出及化工系統(tǒng)（過程）特性，去尋求足夠滿足輸出要求所對應的輸入條件。,現(xiàn)有的模擬軟件包只能直接用于解決模擬型問題。將現(xiàn)有模擬軟件用于設計型問題的方法有二個：,、正向試差模擬計算；,、將輸出規(guī)定改寫成模型求解的約束條件
8、方程；,7.3 化工系統(tǒng)（過程）的數(shù)學模型,一、化工過程（系統(tǒng)）數(shù)學模型的種類,化工（過程）系統(tǒng),輸入,輸出,化工（過程）系統(tǒng)數(shù)學模型的實質(zhì)：,主要根據(jù)化工過程“三傳一反”以及MB、HB衡算原理，將化工系統(tǒng)輸入變量、輸出變量、單元變量三者之間用數(shù)學關系有機地聯(lián)系在一起，而形成的數(shù)學方程或方程組。,數(shù)學模型的種類,理論模型,半經(jīng)驗半理論模型,經(jīng)驗模型,理論模型：,在嚴格理論分析基礎上建立起來的數(shù)學模型，模型中的所有系數(shù)（參數(shù)）都由理論推導出來。,這類模型可靠性最強，但在化工領域出現(xiàn)的幾率很小。,半經(jīng)驗半理論模型（灰箱模型）：,這類模型的建立，即有理論分析作基礎，又有試驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗的支撐，是化工領
9、域最常見的數(shù)學模型。具有很高的實用價值。,這類模型的框架一般靠理論分析建立，模型中的參數(shù)一般靠試驗和經(jīng)驗確定。在一定使用條件下可靠性較強。,經(jīng)驗模型（黑箱模型）：,是純經(jīng)驗模型。一般出現(xiàn)在對系統(tǒng)機理一點不掌握，只能通過試驗獲得其輸入輸出之間的對應關系。,這類模型在模型試驗范圍內(nèi)可靠性較好，但超過試驗范圍的外推性較差。這類模型在化工領域出現(xiàn)的幾率也很小。,二、化工過程（系統(tǒng)）模型方程的形式,化工系統(tǒng)（過程）模型,方程的形式,決定于：,、穩(wěn)態(tài)還是動態(tài)過程,決定時間變量是否引入？,、是集總參數(shù)模型還是分布參數(shù)模型,決定空間坐標變量是否引入？,對穩(wěn)態(tài)集總參數(shù)模型,其方程形式必然是代數(shù)方程（組）,對動態(tài)
10、集總參數(shù)模型,其方程形式是以時間為變量的常微分方程（組）,對穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)模型,其方程形式是以空間為變量的常微分方程（組）或偏微分方程組,對動態(tài)分布參數(shù)模型,其方程形式是以時間和空間為變量的偏微分方程組,三、半經(jīng)驗半理論數(shù)學模型的建立,半經(jīng)驗半理論模型的建立一般分二步進行：,第一步：模型識別（確定模型的骨架（框架）形式）,依據(jù)：“三傳一反”、MB、HB等，以及試驗觀察到的現(xiàn)象。,第二步：模型參數(shù)估計（估值）,依據(jù)：試驗數(shù)據(jù)代入模型中，用數(shù)值方法進行處理。,例如：針對ABC，要建立其反應動力學模型,首先，確定動力學方程框架：,然后，確定以上動力學方程模型中的參數(shù)（k、i）：,設計試驗，得到C,A,
11、t的對應數(shù)據(jù)，再用最小二乘法、單純形法、Powell共軛法等數(shù)值方法完成模型參數(shù)估值。,例如：谷氨酸發(fā)酵過程的數(shù)學模型,X菌體濃度；,P產(chǎn)物（谷氨酸）濃度；,S基質(zhì)（葡萄糖）濃度；,CO,2,排氣CO,2,濃度。,t,X,P,S,CO,2,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,7.4 化工單元模型及模擬分析,一、換熱器模型及其模擬分析,換熱器,高溫苯蒸汽,F,2,、t,2,冷水,熱水,F,3,、t,3,F,4,、t,4,F,1,、t,1,低溫苯蒸汽,目的：回收高溫苯蒸汽的熱量。,要求：列出該換熱系統(tǒng)的通用模型。,1、通用模型,換熱器,高溫苯蒸汽,F,2,、t,2,冷水,熱水,F,3,、t,3
12、,F,4,、t,4,F,1,、t,1,低溫苯蒸汽,其中：U（總傳熱系數(shù)）、c,p（苯）,、c,p（水）,為常數(shù),2、模型自由度分析,、通用模型的自由度分析,變量：Q、A、t,m,、F,1,、F,2,、F,3,、F,4,、t,1,、t,2,、t,3,、t,4,共11個,方程：,共六個,通用模型的自由度：,1165,、手工計算時的自由度分析,變量：F,1,、F,4,、t,1,、t,2,、t,3,、t,4,共六個,方程：,共一個,手工計算時的自由度：,615,二者是可以統(tǒng)一起來的。,3、系統(tǒng)的模擬型問題,模擬型問題：已知系統(tǒng)特性，根據(jù)已知輸入，來計算輸出。,換熱器,高溫苯蒸汽,F,2,、t,2,冷水
13、,熱水,F,3,、t,3,F,4,、t,4,F,1,、t,1,低溫苯蒸汽,已知：A、F,1,、F,4,、t,1,、t,4,計算求解：F,3,、F,2,、t,3,、t,2,、Q、t,m,通用模型的自由度是5，因此，模擬型問題能解決。,4、系統(tǒng)的部分設計型問題,換熱器,高溫苯蒸汽,F,2,、t,2,冷水,熱水,F,3,、t,3,F,4,、t,4,F,1,、t,1,低溫苯蒸汽,、如果要求t,2,已知（苯蒸汽出口溫度限制），并已知輸入F,1,、t,1,、F,4,、t,4,。,反過來求系統(tǒng)特性A和其它未知輸出F,3,、t,3,、F,2,、Q、t,m,、如果要求t,3,已知（熱水出口溫度已知），并已知輸入
14、F,1,、t,1,、F,4,、t,4,。,反過來求系統(tǒng)特性A和其它未知輸出F,3,、t,2,、F,2,、Q、t,m,、已知：F,1,、t,1,、t,2,、t,3、,A。,求：F,4,、F,3,、F,2,、t,4,、Q、t,m,、已知：F,1,、t,1,、t,2,、F,4,、A。,求：F,2,、F,3,、t,3,、t,4,、Q、t,m,問題：設計型問題一共有多少組可能情況？,表面上，從11個模型變量集中，挑選5個變量（自由度要求）作為設計變量組，就可以解出其它未知的6個變量。,可能共有：,但有兩個問題值得注意：,t,m,一般不可能作為設計變量；,挑選出來的設計變量不能使模型方程失出獨立性（使方程
15、恒等）；,實際上從變量集：Q、A、F,1,、F,4,、t,1,、t,2,、t,3,、t,4,共8個中挑選5個變量作為設計變量組。就縮小了選擇范圍。但仍然要注意以上兩個問題中的第二個問題。,二、連續(xù)非絕熱平衡閃蒸的系統(tǒng)模型及其模擬分析,P，T,非絕熱平衡閃蒸單元操作示意圖,其中，,分別是進料、氣相出料、液相出料流股的組成向量，均含有C種組份。,1、通用模型,P，T,MB,HB,物性數(shù)據(jù)關聯(lián)方程,MB,HB,物性數(shù)據(jù)關聯(lián)方程,2、模型自由度分析,、通用模型的自由度分析,共4c8個,方程數(shù)：c1c3c,3c4個,通用模型的自由度：4c8（3c4）,c4,、手工計算時的自由度分析,共3c5個,方程數(shù)：
16、c1c,2c1個,通用模型的自由度：3c5（2c1）,c4,MB,HB,物性數(shù)據(jù)方程,P，T,3、系統(tǒng)模擬分析時設計變量的選擇,系統(tǒng)模型的自由度是C4，所以無論是模擬型問題還是設計型問題，必須先從總變量系列中已知C4個變量，才能唯一正確的對模型進行求解。,表面上看，共有：,種挑選設計變量組的情況。,但其中，有大量設計變量組挑選組合是不成立的。例如：,、F、L、P,F,、T,F,、Z,i,（i1,2,C）,、F、V、T,F,、H,V,、y,i,（i1,2,C）,、F、V、T,F,、P,F,、K,i,（i1,2,C）,為了保證挑選出來的設計變量相互獨立，一般采取從手工計算的獨立變量中進行挑選的原則。,挑選原則之一,即使在手工計算變量中來挑選設計變量組，仍然要注意挑選出來的變量之間不要使模型方程變?yōu)楹愕仁健?挑選原則之二,以下幾組設計變量在模擬或設計時是可能、可行的情況：,P，T,
天津大學化工過程的模擬與分析
