化工过程分析与模拟-I

化工过程模拟培训2主要内容§1.过程系统工程简介§2.化工过程的数学模型与数学模拟§3.化工过程模拟的基本方法§4.化工流程动态模拟§5.稳态模拟实例及化工流程模拟软件简介3过程系统工程：是在系统工程、化学工程、过程控制、计算数学、信息技术等学科的边缘上产生的一门综合性学科，它以处理物料－能量－信息流的过程系统为研究对象。系统工程的形成与发展系统工程学科，产生于20世纪的40年代，在60年代形成了体系。1981年，在日本京都召开第一届国际过程系统工程学术会议，标志这一学科的正式形成。1991年，中国系统工程学会过程系统工程专业委员会正式成立。二战后，工程建设和军事的需要计算机技术的迅速发展提供了有力工具系统工程理论研究和应用技术的发展§1.过程系统工程简介4现代化工生产的发展要求系统工程方法的引入：（1）过程工业向规模化、大型化、综合化方向发展。（2）企业发展的综合化、多目标化。（3）能源紧张、自然资源短缺。（4）缩短开发到工业实践的时间。（5）过程工业信息化的要求。§1.过程系统工程简介5§1.过程系统工程简介企业信息化的发展进程基础自动化办公自动化过程自动化计算机集成制造CIMS信息网络定设实现数据库及关系数据库RTOPT流程模拟技术计划/调度优化管理控制一体化MIS系统APCCAPO企业虚拟化趋同化电子业务集成行业之间集成业务透明化虚拟组织数字化企业网络企业BRPERP供应链管理SCM电子商务电子业务数据仓库数据挖掘6过程系统模拟——过程系统工程研究的基础和核心工具过程系统分析（模拟）：对于系统结构确定的现有过程系统进行分析，即建立系统的数学模型，对整个系统进行数学模拟，预测在不同条件下系统的特性和行为，发现其薄弱环节予以改进。过程系统综合：按规定的系统特性，寻求所需的系统结构及其各子系统的性能，并使系统按规定的目标进行优化组合。过程系统优化：参数优化和结构优化。参数优化是指，在一已确定的系统流程中对其中的操作参数进行优选，以满足某些指标达到最优；如果改变过程系统中的设备类型或相互间的联结，以优化过程系统，称为结构优化。给定的过程系统指定的输入……待求的输出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7过程模拟设计操作管理计划与调度要生产什么，要生产多少，何时要生产，分销何处？供应链最优化从原始原料采购到管理过程模型预测工厂如何表现先进过程控制多重过程与设备限制实时最优化决定与改变工厂最佳操作状况操作训练发展标准化工厂操作技术过程信息管理监控工厂表现8过程模拟在节能中的应用以节能为目标的装置操作模拟优化——装置（设备）模拟换热网络的模拟——流程模拟24681012141613579111315初馏塔加热炉378渣油II378减二中I316减二中II316常四线340常三中I323常三中II323常三线30512303/303219/227172029271819渣油I303/303232/2279§2.化工过程的数学模型与数学模拟一、化工过程的数学模型模型：用物理或数学方法对真实过程中发生的现象进行描述。化工过程模型化：在现有理论、实验研究、工程实践的基础上，通过分析研究及科学、合理简化，抽象出能够深刻、正确反映过程系统本质的数学描述，即数学方程组。建立数学模型：找到尽可能简单的数学描述方法，使之能足够精确地描述所研究的过程特性。模型模拟前提求解10§2.化工过程的数学模型与数学模拟数学模型的分类：稳态模型：描述过程的状态不随时间变化的模型，一般为代数方程组。动态模型：描述过程的状态为时间的函数，即反映过程在外部干扰下引起的不稳定过程或开车、停车过程，或某些生产函数操作过程时间t是主要的自变量，一般为常微分方程组。集中参数模型：描述过程的参数不随空间位置变化，而被看作在整个系统中是均一的。模型中各种参数的位置与空间位置无关。一般为代数或常微分方程组。分布参数模型：描述过程的状态常数随空间位置变化，即过程参数变化与空间位置有关。一般为常微分或偏微分方程组。11§2.化工过程的数学模型与数学模拟机理模型：在对过程本质进行理论分析基础上得到的模型。概念清晰，物理意义明确，但往往很难做到。经验模型（黑箱模型）：靠回归实验或生产数据得到的模型。只反映输出与输入的关系，不能反映过程本质。适用范围有局限性。由大量数据中归纳出有用的经验模型的方法形成了一个新的热点分支，称为“数据挖掘与知识获取（dataminingandknowledgediscovery）”半经验半理论模型：介于以上二者之间，既有一定的理论基础（模型方程形式），又有实验数据支持（模型参数的取值）。是最具有实际意义，最常用的模型。12§2.化工过程的数学模型与数学模拟化工过程的数学模型：把与过程有关的数量关系归纳成为反映过程机理与特性的数学方程组。主要包括三个部分：①单元模型：描述各种化工单元操作的模型；②过程结构模型：表达各单元在系统中的排列结构；（①＋③＝单纯对系统工况进行模拟的模拟型问题）③表述设计要求部分：流程结构已知条件下的设计计算，求取某些满足设计要求下的参数或变量。（①＋②＋③＝流程结构已知的设计型问题）13§2.化工过程的数学模型与数学模拟数学模型的组成：常数－数值已确定的量，在运算过程中一直保持不变。参数－常数的一种，但每次计算后可以改变数值，用于再次计算。变量－外部变量－系统输入变量，控制变量。内部变量－系统给定输入变量后出现的变量，不可控制变量。状态变量－系统内部在某一时间t所处状态的一组变量。函数关系－描述组成模型的各种常数、参数、变量之间的相互关系，通过函数关系可建立所需数学模型。14§2.化工过程的数学模型与数学模拟数学模型的包含的内容：物料衡算和能量衡算方程。考虑物流运动的流型，表示物流的温度、组成以及有关的一些性质，例如密度、粘度、热容等的分布；物流局部微元的“基本”过程方程，包括传质、传热过程和化学反应过程的描述；各种过程参数间理论的、半经验的或纯经验的关联式，例如传质系数和物流速度的关联式，物流的热容及其组成的关联式等；对过程参数的约束。模拟某些过程时，必需注意客观存在的对某些参数变化范围的约束。15§2.化工过程的数学模型与数学模拟模型的简化：科学的简化——能更深刻地反映事物的本质——解决复杂过程与有限手段和方法的矛盾简化的要求：主要矛盾、重要变量得以反映满足过程模拟的需要或其他目的适应当前的实验条件和数学描述适应现有计算机的处理能力16二、稳态过程单元操作模型稳态过程（单元操作）:进入单元的质量流量=排出单元的质量流量特征：1、过程单元边界以内质量累积流量为零；2、所有各物流质量流量都是恒定的。17过程系统分析与模拟的主要研究对象：性能模型即：从已知输入变量计算输出变量X0=G•XI表征输入－输出的过渡状态的算子，用适宜的函数来表达性能模型：主要包括两大类－物理器械模型－化学器械模型18举例：流股分流器流动器械流股混合器精馏塔吸收塔活性分离器械萃取塔等温闪蒸器平衡级器械绝热闪蒸器泵压缩机膨胀机压力变化器节流阀换热器再沸器冷凝器冷却冷凝器物理器械模型传热温度变化器加热炉固定床反应器流化床反应器化学器械模型化学反应器间歇反应釜191.物流混合器（MIN）（绝热混合，不发生相变）已知：FI，TI，XI；FJ，TJ，XJ求：FK，TK，XK1)总物料平衡式FK＝FI＋FJ2)组分平衡式FKxKi＝FIxIi＋FJxJi(i=1,2,…,c表示混合物的各个组分)xKi＝(FIxIi＋FJxJi)/FKMINIFI,TI,XIJFJ,TJ,XJKFK,TK,XK求FK求xKi(c-1个方程，c-1个变量)20CiKJiKJiKJiKJiJiJCiIKiIKiIKiIKiIiITTdTTcTTbTTaxFTTdTTcTTbTTaxF144332214433224324323)热量平衡方程∵两股物流温度不同∴物流I吸热（放热）QI＝QJ物流J放热（吸热）不妨设TJ＞TICpi－组分定压摩尔比热T－绝对温度dTCpxFdTCpxFdTCpxFdTCpxFJKKIJKKITTiCiJiJTTiCiIiITTCiiJiJTTCiiIiI111132TdTcTbaCpiiiii求TK（非线性方程）212.流股分割器（SPL）将一股物流分成组分完全相同的N个分流SPLF…12NSPLIFI,TI,XIJFJ,TJ,XJKFK,TK,XK分流i，分割率（N-1个）1)1,,1(1NiiiiniFF已知：FI，TI，XI，分割率α求：FJ，TJ，XJ；FK，TK，XK22两股输出物流的流股分割器数学模型：1)总物料平衡式FJ＝α·FIFK＝（1－α）FI2)组分平衡式xJi＝xIixKi＝xIi(i=1,2,…,c－1)3)温度平衡式（热量平衡——无吸热、散热，温度不变）TJ＝TITK＝TI4)压力平衡式（可以不考虑）PJ＝PIPK＝PISPLIFI,TI,XIJFJ,TJ,XJKFK,TK,XK233.等温闪蒸闪蒸器：在一定压力和由热交换器维持的一定温度下。V，yiF，ziP，TL，xiQ已知：F，zi，P，T，Ki，求：L，V，xi，yi1)总物料平衡式：F＝L＋V2)组分平衡式：Fzi＝Lxi＋Vyi(i＝1，…，C-1)3)归一化方程：4)相平衡方程：yi＝Kixi(i＝1，…，C)1111CiiCiiyx24整理与计算：通过整理上述2C＋2个方程，可得：其中：V/F为汽化率。采用Rachford-Rice建议，利用：进行收敛计算代入，得：单调函数，近似线性，没有极值，初值不影响收敛，V/F在[0，1]变化。1111FVKzKyFVKzxiiiiiii或0)(1Ciiixy01111CiiiiFVKKzFVfFVf25迭代求解：迭代方法：牛顿－拉尔森法，Wegstein法等iiiiiiiCiiiikkKyxFVFVfKyxPTKFVKKzFVfFVfFVfFVFV,,,,01111221，计算假设：其中：26例：4组分混合物ziki丙烷0.14.2正丁烷0.21.75正戊烷0.30.74正己烷0.40.34温度366.5K压力689.5kPak1234V/F(k)0.50000.09820.12110.1219f(V/F)-0.25150.02090.00070.0000f'(V/F)-0.6259-0.9111-0.8539-0.8521V/F(k+1)0.09820.12110.12190.1219-0.80370.23350.00650.0000kkkFVFVFV///1-0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0V/Ff(V/F)27相态判断：在流程模拟中，当物流的温度、压力或组成发生变化时，需要判断物流的相态——汽相、液相、汽液两相。判断物流相态＝作一次等温闪蒸计算若f(0)0且f(1)0，存在汽液两相若f(0)0，过冷液体若f(1)0，过热蒸汽-0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0V/Ff(V/F)284.绝热闪蒸（无换热）在一定压力PF，温度TF下的流体，通过阀门绝热膨胀到较低的压力PV＝PL＝P，流体部分液化（或汽化），在闪蒸器中发生分相作用。由于热量未得到补充，在膨胀前后的流体温度（T）会发生变化。已知：HF，PF，F，zi，P(=PV=PL)，Ki，求：L，V，xi，yi，TV，y