化工过程分析与合成(1-8h)

LiaoningShihuaUniversity化工过程分析与合成第1章绪论1.1本课程与化学工程学和系统工程学的关系（1）化学工程学研究物料在工业规模条件下，它所发生物理或化学状态变化的工业过程及这类过程所用装置的设计和操作的一门技术科学。包括化工热力学、传递过程、分离过程、反应工程和过程系统工程等分支学科。（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。LiaoningShihuaUniversity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等功能进行分析研究。目的：实现系统的最优设计、最优控制和最优管理。（3）过程系统工程学将系统工程学的理论、方法应用于化工过程领域的一门边缘学科，是化学工程学的一个分支。本课程“过程系统分析与综合”讲授的内容是“过程系统工程”分支学科的主要组成部分。LiaoningShihuaUniversity化工过程分析与合成示意图（4）本课程与化学工程学的关系化学工程学过程系统工程学过程系统分析与综合LiaoningShihuaUniversity化工过程分析与合成化学工艺以过程为研究目的，重点解决整个生产过程（流程）的组织、优化；将各单项化学工程技术在以产品为目标的前提下集成，解决各单元间的匹配、链接；在确保产品质量条件下，实现全系统的能量、物料、环保及安全诸因素的最优化。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。LiaoningShihuaUniversity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。化学工艺和化学工程相配合，可以解决化工过程开发、装置设计、流程组织、操作原理及方法等方面的问题；也可以解决化工生产实际中的问题。LiaoningShihuaUniversity化工过程分析与合成化学工艺个性研究具体过程从原料到产品化学工程共性单元操作工程因素尤其是放大两者相辅相承，密不可分LiaoningShihuaUniversity化工过程分析与合成1.2基本概念（1）过程系统(Processsystem)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（Supplychainoptimization)。（2）过程系统分析（Analysis)给定的过程系统指定的输入待求的输出LiaoningShihuaUniversity化工过程分析与合成（3）过程系统综合(Synthesis)过程系统综合的主要课题：（a）反应路径的综合（b）反应器网络综合（c）换热器网络综合（d）分离序列综合（e）公用工程系统综合（f）控制系统综合（g）全流程系统综合（h）过程系统能量、质量集成待综合的过程系统给定的或可选择的输入所要求的或希望的输出LiaoningShihuaUniversity化工过程分析与合成综合方法：(a)直观推断法(Heuristic)(b)调优法(Evolutionary)(c)分解法(Decomposition)(d)结构参数法(Structuralparameterapproach)(e)人工智能(Artificialintelligence)（4）过程系统优化（Optimization)参数优化：如温度、压力和流量等结构优化：设备类型、设备更新、设备间的联结等LiaoningShihuaUniversity化工过程分析与合成1.3本课程的特点特点：系统的方法论、研究对象为一个整体、优化的思想课程目的：研究化工过程系统设计的方法和策略。即：建立过程系统的数学模型，应用过程集成技术、数学规划方法、人工智能技术对过程系统进行综合优化。LiaoningShihuaUniversity化工过程分析与合成第2章过程系统模拟概论2.1过程系统的模拟模拟(Simulation)：A复杂B简单预测A（以B的行为模拟A的行为，从简单的预测复杂的）实验模拟：采用实验模型装置进行研究。数学模拟：采用数学模型进行研究。数学模型：（1）稳态模型和动态模型（2）机理模型和“黑箱”模型（经验模型）（3）集中参数模型与分布参数模型（4）确定性模型和随机模型LiaoningShihuaUniversity化工过程分析与合成2.1.1过程系统模拟的基本任务（1）过程系统的模拟分析（OperatingProblem）（2）过程系统的设计（DesignProblem）过程系统模型输入流股向量输出流股向量设备参数向量过程系统模型控制模型输入流股向量设备参数向量输出流股向量设计要求指标可调设备参数向量可调输入向量输出设计结果向量LiaoningShihuaUniversity化工过程分析与合成（3）过程系统的优化过程系统模型输出流股向量经济分析模型优化程序给定输入给定参数经济参数输出优化结果优化变量性能指标约束条件约束条件LiaoningShihuaUniversity化工过程分析与合成2.1.2过程系统模拟的基本结构管理系统执行模块单元过程模块物性数据库热力学数据库输入模块输出模块优化方法库经济分析模块计算方法库LiaoningShihuaUniversity化工过程分析与合成系统结构的表达方式：工艺流程图单元i，j之间的联系称为联结方程：xynjmi11223344556677889121091110121113LiaoningShihuaUniversity化工过程分析与合成（1）图形表示工艺流程图的有向图或信息流程图（Informationflowdiagram)基本概念：节点——设备单元边——流股子图路径循环回路或环路），，，（边：节点：14211221),,,(),(eeeExxxXEXG1271211121435467891011121368354910LiaoningShihuaUniversity化工过程分析与合成（2）矩阵表示（a）过程矩阵(ProcessMatrix)Rp表达过程系统单元设备与流股之间的关系，由流股将相关设备关联起来。单元设备序号相关物流号流入该节点的流股+流出该节点的流股-12341112-11-2LiaoningShihuaUniversity化工过程分析与合成(b)邻接矩阵（AdjacencyMatrix)RA一个由n个单元或节点组成的系统，其邻接矩阵或相邻矩阵可表示为n×n的方阵。。jijiAARijijA没有边联结到节点从节点有边联结到节点从节点,0;,1][123456789101112流入节点j流出节点i121112111011LiaoningShihuaUniversity化工过程分析与合成RA=j123456789101112i214357689101211010000000000001000000000000100000001000010000000000001000000000000101000000000001000001001000000000000000100000001000010000000000000000000000000空的列（元素都为零）：系统中没有输入的节点；空的行（元素都为零）：系统中没有输出的节点。邻接矩阵：LiaoningShihuaUniversity化工过程分析与合成（c）关联矩阵（IncidenceMatrix)RI元素Sij=-1，边（流股）j为节点（单元设备）i的输出流股1，边（流股）j为节点（单元设备）i的输入流股0，边（流股）j与节点（单元设备）i无关联RI=j1234567891011121314i214357689101211-100000000000001-100000000000001–10000010000-1001-100000000000001-100000000000001-1010-10100000001-100000000000001-1-1000000000000001-100000000100001-1-100000000000001000000000000001关联矩阵LiaoningShihuaUniversity化工过程分析与合成说明：Ⅰ.若有向图中有n个节点m条边，则关联矩阵为n行m列的矩阵。Ⅱ.每一流股(边)在矩阵中标出两次，即同一条边可是一个节点的输出又是另一节点的输入边。Ⅲ.列的元素之和为零。LiaoningShihuaUniversity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。LiaoningShihuaUniversity化工过程分析与合成基本步骤（与实际过程的一致性）：（1）搜集相关的资料和数据操作及设计数据、设备结构尺寸；验证模型所需要的生产数据或实验数据。LiaoningShihuaUniversity化工过程分析与合成（2）建立过程系统的结构模型a.过程系统的拓扑获取信息流图b.信息流图表示成矩阵形式c.系统的分隔d.断裂回路选定适宜断裂流股和初值e.模拟计算的求解顺序，管理模拟计算过程LiaoningShihuaUniversity化工过程分析与合成（3）建立单元设备模块（4）热力学数据及物性数据模块（5）输入模块（6）输出模块缺点：物性参数、单元模块及系统断裂流股三层嵌套迭代。设计型问题：不断调节输入参数和设备工艺结构参数。LiaoningShihuaUniversity化工过程分析与合成2.2.2联立方程法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。基本步骤：（1）建立过程系统的数学模型a.物料平衡方程b.能量平衡方程c.化学反应速率方程及化学平衡方程d.热量、质量和动量传递方程e.物性推算方程f.过程拓扑、生产工艺指标及约束条件LiaoningShihuaUniversity化工过程分析与合成（2）方程组联立求解的基本方法a.方程组降维法方程组的稀疏性—降维求解成为可能。方程—节点；变量—边。①矩阵法识别不相关的子系统；②回路和最大循环网的识别；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。LiaoningShihuaUniversity化工过程分析与合成b.方程线性化法Taylor展开法稀疏阵通常避开求逆方法，LU（高斯消去法的改进）因次分解。LUAbAxa11a12a13a14a21a22a23a24a31a32a33a34a41a42a43a44=l11000l21l2200l31l32l330l41l42l43l441u12u13u1401u23u24001u340001LUAbAxxbUxbLUxAx'省去了嵌套迭代，但对初值要求严格。xbUxbLUxAx'LiaoningShihuaUniversity化工过程分析与合成2.2.3联立模块法又称双层法：取序贯模块法及联立方程法两者之长。两个层次：单元模块的层次；系统流程的层次。不可分隔相关子系统按严格单元模型进行单元模拟计算生成简化模型的模型参数简化模型联结方程的求解进行系统模拟或优化收敛判据1输出计算结果收敛判据2YYNNLiaoningShihuaUniversity化工过程分析与合成简化模型的三种表达方式：方式Ⅰ：联结流股全部切断，表示为上游节点输出流股，下游节点输入流股，系统流股数增加一倍。流股向量