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化工过程分析与合成第二章化工系统的稳态模拟与分析Ch2simulationandanalysisofchemicalprocesssysteminsteadystate化工系统的稳态模拟与分析2.1过程系统模拟的三种基本方法2.2过程系统模拟的序贯模块法2.3过程系统模拟的面向方程法2.4过程系统模拟的联立模块法2.5氨合成工艺流程的模拟与分析化工系统的稳态模拟与分析关键词：化工系统、稳态、模拟、分析重点：序贯模块法、面向方程法和联立模块法的思想、方法发酵液的分离问题多效蒸发器发酵液水乙醇废液水乙醇废液水乙醇产品水乙醇•发酵液流率=50kg/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平衡闪蒸单元模型321FFF332211FHFHQFH32Kxx332211xFxFxF物料衡算关系组分衡算关系热量衡算关系相平衡关系例2•将上例中加入如下要求，•必须使乙醇回收率达到99%，另外，产品中必须含50%的乙醇。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例3•要求进一步提高产品中的乙醇含量，达到90%Flash1Flash2Flash312345678例4•再进一步要求乙醇的回收率也必须达到90%，即，对废液中乙醇的浓度提出了要求Flash1Flash2Flash312345768例5•乙醇在反应器中通过发酵而得到，在这个理想流程中，通过发酵可以将2kg的谷物转化为1kg水和1kg乙醇进料流率为100kg/min,含谷物20%(wt),水80%(wt)。反应器效率为0.25发酵产物经过滤后，在浆液中，每10kg的谷物中仍含1kg的水/乙醇溶液5%(wt)的浆液排放掉发酵反应器过滤器排放含谷物、乙醇、水采出乙醇、水循环流含谷物、乙醇、水进料100kg/s谷物（20%）水（80%）1234567用EXCEL求解此问题模拟是对过程系统模型的求解过程系统的模拟分析对某个给定的过程系统模型进行模拟求解，可得出该系统的全部状态变量，从而可以对该过程系统进行工况分析P11过程系统的模拟分析过程系统模型决策变量状态变量参数图2-1过程系统的模拟分析P11过程系统设计图2-2过程系统设计状态变量参数参数过程系统模型满足设计规定否？决策变量调整初值设计结果P11过程系统参数优化图2-3过程系统参数优化约束特性指标状态变量目标函数模型参数参数过程系统模型最优否？决策变量最优化模型初值优化结果P12过程系统模拟的三种基本方法序贯模块法（SequentialModularMethod）面向方程法（EquationOrientedMethod）联立模块法（SimultaneouslyModularMethod）P12过程系统模拟的序贯模块法•SMM的基本部分是模块（子程序），用以描述物性、单元操作以及系统其它功能。•SMM对过程系统的模拟以单元模块的模拟计算为基础。•SMM按照由各种单元模块组成的过程系统的结构，序贯的对各单元模块进行计算，从而完成该过程系统模拟计算。P12优点：与实际过程的直观联系强模拟系统软件的建立、维护和扩充都很方便，易通用化计算出错时易于诊断出错位置缺点：计算效率较低，尤其是解决设计和优化问题时计算效率更低P12优化计算设计规定计算流程计算过程单元计算物性计算图2-4序贯模块法的迭代循环圈P12过程系统模拟的面向方程法•EOM又称联立方程法，将描述整个过程系统的数学方程式联立求解，从而得出模拟计算结果•EOM解算快速有效，对设计、优化问题灵活方便。效率较高•EOM的形成通用软件比较困难；不能利用现有大量丰富的单元模块；缺乏实际流程的直观联系；计算失败之后难于诊断错误所在；对初值的要求比较苛刻；计算技术难度较大P13优化计算物性计算单元计算流程计算设计计算12图２－５ 面向方程法的迭代循环圈P13过程系统模拟的联立模块法联立模块法又称双层法，将过程系统的近似模型方程与单元模块交替求解联立模块法兼有序贯模块法和面向方程法的优点。既能使用序贯模块法积累的大量模块，又能将最费计算时间的流程收敛和设计约束收敛等迭代循环合并处理，通过联立求解达到同时收敛P13状态变量图２－６ 联立模块法（双层法）开 始赋 初 值严 格 模 型收 敛 否？结 束简化模型参数简 化 模 型优化计算流程设计单元１２３４计算计算计算物性计算图联立法的迭代循环圈过程系统稳态模拟三种方法的比较方法优点缺点代表软件系统序贯模块法与工程师直观经验一致，便于学习使用；易于通用化，已积累了丰富的单元模块；需要计算机内存较小；再循环引起的收敛迭代很费机时；进行设计型计算时，很费机时；不宜用于最优化计算；PROCESS（美）CONCEPT（英）CAPES（日）ASPEN（美）FLOWTRAN（美）面向方程法解算快；模拟型计算与设计型计算一样；适合最优化计算，效率高；便于与动态模拟联合实现；要求给定较好的初值，否则可能得不到解；计算失败后诊断错误所在困难；形成通用化程序有困难有，故使用不便；难以继承已有的单元操作模块。ASCEND－Ⅱ（美）SPEEDUP（英）（双层法）联立模块法可以利用前人开发的单元操作模块；可以避免序贯模块法中的循环流迭代；比较容易实现通用。将严格模型做成简化模型时，需要花费机时；用简化模型来寻求优化时，其解与严格与严格模型优化解是否一致，有争论。TISFLO（德）FLOWPACK－Ⅱ（英）P14