化工过程模拟与分析(第五章序贯模块法)

第五章序贯模块法（Sequentialmodularmethod）主要内容1.系统自由度确定2.序贯模块法基本思想3.不可再分块的计算示例4.序贯模块法解设计型问题5.1系统自由度的确定一、过程系统的描述物性估算方程、单元模型方程、流股连接方程、设计规定方程单元模型方程流股连接方程设计规定方程二、系统自由度的确定研究目的为了知道在系统模拟时应设定哪些必要的决策变量。Dsys=∑Di-∑KjDi为系统对应模块i的自由度Kj为系统中单元之间第j个联接的限制数，即独立的连接方程数用环路切断的方法来解算不可再分块，以切断流股上的变量作为切断变量，通过迭代计算得到不可再分块的解。5.2序贯模块法的基本思想132456789迭代收敛框的作用：修正迭代变量、判断是否达到收敛，要求满足收敛准则修正迭代变量的方法：直接迭代法/加权迭代法、韦格斯坦法、离散牛顿法、拟牛顿法、综合算法。混合器反应器分割器分离器收敛块X0X1X2X3X5X4X6iX111iX序贯模块法步骤1、过程系统分块和计算顺序确定；2、不可再分块的切断；3、序贯求解各单元（或不可再分块）闪蒸器1闪蒸器2闪蒸器3闪蒸器4混合器1混合器1P1S1R1Z1R2S2R3S3Z2P2FCavett四单元闪蒸示意图13个组分，进料温度、压力和组成已知各闪蒸器温度压力已知不可再分块计算示例R1闪蒸器1R1模拟步骤1、根据需要，列出系统所包含单元种类，根据已知条件建立各单元模型；混合器模型出口流量出口流股组成假设只需计算组成闪蒸模型（等温平衡）给出气液相组成x和y的估计值计算ki=Ki(x,y,PF,TF)计算气相分率β计算出x,y和其他所有状态变量x,y是否收敛？是计算结束否以x,y的计算值作为新的估计值2、根据模拟要求，列出所需物性数据种类和计算方法；各单元输出的物料组成所需信息混合物气液平衡常数Ki混合物中各组分逸度系数状态方程、混合法则各纯组分的饱和性质平衡常数计算公式计算方法可用状态方程+活度系数法非高压3、不可再分块的切割（无多余切断）闪蒸器1闪蒸器2闪蒸器3闪蒸器4混合器1混合器2P1S1R1Z1R2S2R3S3Z2P2F4、列出系统模型的显式非线性方程组x=φ(x)22121,,,FFeTPflashZSS11111,,,FFTPflashSRPemix322,RSZ33232,,,FFTPflashZSR33232,,,FFTPflashZRP211,,RFRZmixeecavvet3131,,RZRZ可用Wegstein法求解5、选定算法，求解上述方程组。注：1.用Wegstein法时不必列出具体函数形式；2.需要解析导数信息时，须写出具体函数形式；3.各单元具体函数形式比较难以写出；4.可综合各种解法优缺点，构造新的算法。5.3序贯模块法解设计型问题1、设计型问题通过调整系统中某个过程参数或控制系统中某系统输入流股变量的数值、比例满足设计规定的要求的系统模拟计算称之为解设计型问题。以惰性气体含量为设计规定的环氧乙烷生产流程2、求解方法在流程中设置控制框。控制框的作用是不断监督、调整和反馈传递有关设计规定的信息，通过适当的调节方式改变对应的过程参数，最后得到期望的设计规定。分流器换热器设计求解问题示例FhotaFhotFcooltspec设计规定方程控制块闪蒸器1闪蒸器2闪蒸器3闪蒸器4混合器1P1S1R1Z1R2S2R3S3Z2P2F13个组分进料温度、压力和组成已知闪蒸器2，3，4温度压力已知闪蒸器1压力已知，温度未知，气相分率须满足设计值设计型问题示例3、解设计型问题的具体步骤(1)对不可再分块中的环路进行无多余切断，设定切断变量和设计规定参数u的初值；(2)沿流程方向序贯地计算模块，直到算出设计规定所表示的变量；(3)计算φ(u)=G(u)-SP；(4)判断是否满足收敛精度，满足结束，否则返回(2)。(5)按解模拟问题的方法修正切断变量，收敛则结束，否则返回(2)。控制框迭代G(u)-SP=0切断变量的迭代注：在外层切断流股变量迭代收敛尚远的情况下，强制进行内层控制框的迭代收敛显然是不合理的。4、解设计型问题的方法改进(1)改进方法之一不必待内层控制框迭代收敛后才进行外层切断变量的迭代，不管其控制框是否已经收敛就转入外层迭代。(2)改进方法之二采用控制框与切断流股变量的迭代收敛框同时收敛的方法。在数学上可理解为联立解切断流股变量方程与设计规定方程。序贯模块法的迭代层次示意图5、序贯模块法的优点1.十分便于化工技术人员理解与应用；2.迄今所开发和积累下来的各种单元操作模块都可得列充分利用。6、序贯模块法的缺点1.迭代层次多导致计算量大；2.不适于设计型问题和优化问题。作业由氯气和乙烯制二氯乙烷（Cl2+C2H4→C2H4Cl2）的流程简图如下所示，已知氯气和乙烯的进料流量均为100kmol/h，假设反应器内无副反应发生，乙烯的转化率为90%。分离塔顶出口氯气的回收率为99.9%，乙烯回收率为10%，塔底二氯乙烷的回收率为99%，分割器的放空分率F6/F5=5%，假设物流5中不含二氯乙烷，要求用序贯模块法求解出该流程中所有物流的组成。