化工系統(tǒng)工程緒論

1、 化工系統(tǒng)工程化工系統(tǒng)工程 (Chemical Process Systems Engineering) 主講教師主講教師: 都健都健 王瑤王瑤 1、教學(xué)安排及要求、教學(xué)安排及要求 （1）學(xué)時：）學(xué)時： 32h 2學(xué)分學(xué)分 （2）成績評定：）成績評定： 期末考試期末考試：80分分 課程論文：課程論文： 20分分 2、教材、教材 （1）過程系統(tǒng)工程過程系統(tǒng)工程（華東理工大學(xué)出版社，（華東理工大學(xué)出版社，2009年年6月）月） 姚平經(jīng)姚平經(jīng) 主編主編 （2）化工過程分析與綜合化工過程分析與綜合（大連理工大學(xué)出版社，（大連理工大學(xué)出版社，2009年年1月）月） 都健都健 主編主編 姚平經(jīng)姚平經(jīng) 主審

2、主審 第第1章章 緒論緒論 1.1 過程系統(tǒng)工程的發(fā)展歷史和研究內(nèi)容過程系統(tǒng)工程的發(fā)展歷史和研究內(nèi)容 1.1.1 過程系統(tǒng)工程的發(fā)展歷史過程系統(tǒng)工程的發(fā)展歷史 （1）化工過程）化工過程 化工過程是指用適當(dāng)?shù)脑辖?jīng)過一系列物理單元操作和化工過程是指用適當(dāng)?shù)脑辖?jīng)過一系列物理單元操作和 化學(xué)反應(yīng)的單元過程而轉(zhuǎn)化為合乎需要的產(chǎn)品的過程。化學(xué)反應(yīng)的單元過程而轉(zhuǎn)化為合乎需要的產(chǎn)品的過程。 （2）過程系統(tǒng)工程（）過程系統(tǒng)工程（PSE） 以處理物料以處理物料-能量能量-資金資金-信息流的過程系統(tǒng)為研究對象，信息流的過程系統(tǒng)為研究對象， 其核心功能是過程系統(tǒng)的組織、計劃、協(xié)調(diào)、設(shè)計、控制和其核心功能是過程系統(tǒng)

3、的組織、計劃、協(xié)調(diào)、設(shè)計、控制和 管理。目的是在總體上達(dá)成技術(shù)及經(jīng)濟(jì)上的最優(yōu)化，以符合管理。目的是在總體上達(dá)成技術(shù)及經(jīng)濟(jì)上的最優(yōu)化，以符合 可持續(xù)發(fā)展的要求可持續(xù)發(fā)展的要求。（1961年AIChE討論會論文集上第一次 用到PSE, Process Systems Engineering) 20世紀(jì)世紀(jì)60年代初年代初，產(chǎn)生和發(fā)展時期。產(chǎn)生的基礎(chǔ)是化學(xué)，產(chǎn)生和發(fā)展時期。產(chǎn)生的基礎(chǔ)是化學(xué) 工程、系統(tǒng)工程、運(yùn)籌學(xué)、數(shù)值計算方法、過程控制論及計工程、系統(tǒng)工程、運(yùn)籌學(xué)、數(shù)值計算方法、過程控制論及計 算機(jī)技術(shù)等學(xué)科。算機(jī)技術(shù)等學(xué)科。 （3）發(fā)展歷史）發(fā)展歷史 20世紀(jì)世紀(jì)60年代末至年代末至70年代末年代

4、末，產(chǎn)生和發(fā)展的理論準(zhǔn)備時，產(chǎn)生和發(fā)展的理論準(zhǔn)備時 期，是學(xué)術(shù)醞釀期。明確了學(xué)科范疇為過程系統(tǒng)的分析、期，是學(xué)術(shù)醞釀期。明確了學(xué)科范疇為過程系統(tǒng)的分析、 過程綜合和過程控制。過程綜合和過程控制。 20世紀(jì)世紀(jì)80年代末至年代末至90年代末年代末，成長時期。一方面計算機(jī)，成長時期。一方面計算機(jī) 應(yīng)用的普及，研制出化工流程通用模擬系統(tǒng)。另一方面，應(yīng)用的普及，研制出化工流程通用模擬系統(tǒng)。另一方面， 石油危機(jī)，節(jié)能降耗。石油危機(jī)，節(jié)能降耗。 學(xué)術(shù)理論走向工業(yè)應(yīng)用。學(xué)術(shù)理論走向工業(yè)應(yīng)用。 新世紀(jì)開始至現(xiàn)在新世紀(jì)開始至現(xiàn)在，擴(kuò)展時期，研究范圍和研究內(nèi)容，擴(kuò)展時期，研究范圍和研究內(nèi)容 都在擴(kuò)大。都在擴(kuò)大。

5、20世紀(jì)世紀(jì)90年代年代，環(huán)境問題的突出，環(huán)境問題的突出，“綠色過程系統(tǒng)工綠色過程系統(tǒng)工 程程”。 1.1.2 過程系統(tǒng)工程的研究內(nèi)容過程系統(tǒng)工程的研究內(nèi)容 （1）基礎(chǔ)部分）基礎(chǔ)部分 過程穩(wěn)態(tài)模擬過程穩(wěn)態(tài)模擬 過程系統(tǒng)優(yōu)化過程系統(tǒng)優(yōu)化 過程系統(tǒng)綜合與集成過程系統(tǒng)綜合與集成 過程動態(tài)分析與控制過程動態(tài)分析與控制 （2）擴(kuò)充部分）擴(kuò)充部分 面向過程工業(yè)的經(jīng)營管理系統(tǒng)工程，如：面向過程工業(yè)的經(jīng)營管理系統(tǒng)工程，如： 計劃與調(diào)度計劃與調(diào)度 計算機(jī)集成加工系統(tǒng)計算機(jī)集成加工系統(tǒng) 供應(yīng)鏈管理供應(yīng)鏈管理 1.2 基本概念基本概念 （1）過程系統(tǒng)）過程系統(tǒng) (Process system) 過程系統(tǒng)是對原料進(jìn)行

6、物理的或化學(xué)的加工處理的系統(tǒng)，它過程系統(tǒng)是對原料進(jìn)行物理的或化學(xué)的加工處理的系統(tǒng)，它 由一些特定功能的過程單元按著一定的方式相互聯(lián)結(jié)而組成，它由一些特定功能的過程單元按著一定的方式相互聯(lián)結(jié)而組成，它 的功能在于實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)中的物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)換。的功能在于實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)中的物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)換。 “過程系統(tǒng)過程系統(tǒng)”的含義已不局限于生產(chǎn)工藝過程，而逐步延伸的含義已不局限于生產(chǎn)工藝過程，而逐步延伸 到經(jīng)營管理業(yè)務(wù)和決策過程到經(jīng)營管理業(yè)務(wù)和決策過程供應(yīng)鏈的優(yōu)化（供應(yīng)鏈的優(yōu)化（Supply chain optimization)。 （2）過程系統(tǒng)模擬分析（）過程系統(tǒng)模擬分析（Analysis) 給定的過程系

7、統(tǒng)指定的輸入待求的輸出 從傳統(tǒng)的過程系統(tǒng)擴(kuò)展到聯(lián)合裝置，整個企業(yè)，從傳統(tǒng)的過程系統(tǒng)擴(kuò)展到聯(lián)合裝置，整個企業(yè)， 甚至于一個地區(qū)的工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，向甚至于一個地區(qū)的工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，向巨型系統(tǒng)巨型系統(tǒng)發(fā)展。發(fā)展。 為了研究過程機(jī)理和產(chǎn)品設(shè)計，為了研究過程機(jī)理和產(chǎn)品設(shè)計，微觀尺度微觀尺度的原的原 子子/分子模擬用來洞察分子結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的分子模擬用來洞察分子結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的 定量關(guān)系定量關(guān)系 。 過程系統(tǒng)模擬的一般步驟有：過程系統(tǒng)模擬的一般步驟有： （a）需要立足于堅實工程實踐基礎(chǔ)上的創(chuàng)造性思維，明）需要立足于堅實工程實踐基礎(chǔ)上的創(chuàng)造性思維，明 確研究目標(biāo)和預(yù)期結(jié)果；確研究目標(biāo)和預(yù)期結(jié)果； （b）

8、建立數(shù)學(xué)模型：根據(jù)問題定義，寫出相關(guān)衡算方程）建立數(shù)學(xué)模型：根據(jù)問題定義，寫出相關(guān)衡算方程 和過程機(jī)理關(guān)聯(lián)式，作出可行的假定，進(jìn)行必要的實驗室和過程機(jī)理關(guān)聯(lián)式，作出可行的假定，進(jìn)行必要的實驗室 實驗和獲得有關(guān)工程數(shù)據(jù)；實驗和獲得有關(guān)工程數(shù)據(jù)； （c）選擇計算方法和策略或計算機(jī)軟件；）選擇計算方法和策略或計算機(jī)軟件； （d）對模擬結(jié)果合理性的評價：模擬結(jié)果是否已恰當(dāng)?shù)模δM結(jié)果合理性的評價：模擬結(jié)果是否已恰當(dāng)?shù)?表達(dá)了實際過程并進(jìn)行正確的解釋，研究各種備選方案，表達(dá)了實際過程并進(jìn)行正確的解釋，研究各種備選方案， 提出修改，更新和完善措施。提出修改，更新和完善措施。 （3）過程系統(tǒng)優(yōu)化（）過程系

9、統(tǒng)優(yōu)化（Optimization) 過程系統(tǒng)優(yōu)化是實現(xiàn)過程系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、優(yōu)化操過程系統(tǒng)優(yōu)化是實現(xiàn)過程系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、優(yōu)化操 作、優(yōu)化控制和優(yōu)化管理的數(shù)學(xué)手段。作、優(yōu)化控制和優(yōu)化管理的數(shù)學(xué)手段。 最具代表性的方法是最具代表性的方法是數(shù)學(xué)規(guī)劃法數(shù)學(xué)規(guī)劃法。數(shù)學(xué)規(guī)劃法。數(shù)學(xué)規(guī)劃法 把過程系統(tǒng)優(yōu)化問題表征為目標(biāo)函數(shù)和一系列等式、把過程系統(tǒng)優(yōu)化問題表征為目標(biāo)函數(shù)和一系列等式、 不等式約束的多變量數(shù)學(xué)模型，然后采用適宜的算法不等式約束的多變量數(shù)學(xué)模型，然后采用適宜的算法 獲得問題的最優(yōu)解或近優(yōu)解。獲得問題的最優(yōu)解或近優(yōu)解。 大規(guī)模的大規(guī)模的非線性規(guī)劃非線性規(guī)劃和和混合整數(shù)非線性規(guī)劃混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題。問

10、題。 算法主要有算法主要有兩類兩類，一是基于梯度尋優(yōu)的確定性算，一是基于梯度尋優(yōu)的確定性算 法，另一是進(jìn)化算法（智能算法），如遺傳算法等。法，另一是進(jìn)化算法（智能算法），如遺傳算法等。 多目標(biāo)優(yōu)化：多目標(biāo)優(yōu)化： 經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和可操作性等經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和可操作性等 多目標(biāo)優(yōu)化問題極少存在絕對最優(yōu)解，而是存在一多目標(biāo)優(yōu)化問題極少存在絕對最優(yōu)解，而是存在一 個非劣解集（個非劣解集（pareto 解集解集），即其中每一個解在不犧牲），即其中每一個解在不犧牲 其它子目標(biāo)性能的前提下已無法再改進(jìn)單個子目標(biāo)性能。其它子目標(biāo)性能的前提下已無法再改進(jìn)單個子目標(biāo)性能。 對于多目標(biāo)優(yōu)化問題，首先尋求非劣解集，然后由對于多

11、目標(biāo)優(yōu)化問題，首先尋求非劣解集，然后由 決策者按著各目標(biāo)的重要性或優(yōu)先程度選擇最佳折衷解。決策者按著各目標(biāo)的重要性或優(yōu)先程度選擇最佳折衷解。 （4）過程系統(tǒng)綜合）過程系統(tǒng)綜合(Synthesis)與集成（與集成（Integration) 待綜合的過程系統(tǒng)給定的或可選擇的輸入所要求的或希望的輸出 過程系統(tǒng)綜合是指按著規(guī)定的系統(tǒng)特性，尋求所需的系過程系統(tǒng)綜合是指按著規(guī)定的系統(tǒng)特性，尋求所需的系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其各子系統(tǒng)的性能，并使系統(tǒng)按規(guī)定的目標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其各子系統(tǒng)的性能，并使系統(tǒng)按規(guī)定的目標(biāo)進(jìn)行 最優(yōu)組合；是過程系統(tǒng)設(shè)計中最具創(chuàng)造性的步驟。最優(yōu)組合；是過程系統(tǒng)設(shè)計中最具創(chuàng)造性的步驟。 包括兩種決策：

12、一是由相互作用的單元包括兩種決策：一是由相互作用的單元/子系統(tǒng)之間子系統(tǒng)之間 的拓?fù)浜吞匦远?guī)定的各種的拓?fù)浜吞匦远?guī)定的各種結(jié)構(gòu)替換方案結(jié)構(gòu)替換方案的選擇，另一的選擇，另一 是組成該系統(tǒng)的各個單元是組成該系統(tǒng)的各個單元/子系統(tǒng)的替換子系統(tǒng)的替換方案的設(shè)計方案的設(shè)計。 從數(shù)學(xué)上講，第一個決策可表示為整數(shù)規(guī)劃問題，第從數(shù)學(xué)上講，第一個決策可表示為整數(shù)規(guī)劃問題，第 二個決策是非線性規(guī)劃問題。二個決策是非線性規(guī)劃問題。 綜合方法：綜合方法： (a) 直觀推斷法直觀推斷法 (Heuristic) (b) 調(diào)優(yōu)法調(diào)優(yōu)法 (Evolutionary) (c) 分解法分解法 (Decomposition)

13、(d) 結(jié)構(gòu)參數(shù)法結(jié)構(gòu)參數(shù)法 (Structural parameter approach) (e) 人工智能人工智能 (Artificial intelligence) 過程系統(tǒng)綜合的主要課題：過程系統(tǒng)綜合的主要課題： （a） 反應(yīng)路徑的綜合反應(yīng)路徑的綜合 （b）反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)綜合）反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)綜合 （c） 換熱器網(wǎng)絡(luò)綜合換熱器網(wǎng)絡(luò)綜合 （d）分離序列綜合）分離序列綜合 （e） 公用工程系統(tǒng)綜合公用工程系統(tǒng)綜合 （f） 控制系統(tǒng)綜合控制系統(tǒng)綜合 （g） 全流程系統(tǒng)綜合全流程系統(tǒng)綜合 （h）過程系統(tǒng)能量、質(zhì)量集成）過程系統(tǒng)能量、質(zhì)量集成 過程系統(tǒng)集成過程系統(tǒng)集成是從過程系統(tǒng)設(shè)計的整體考慮，綜合利是從

14、過程系統(tǒng)設(shè)計的整體考慮，綜合利 用物質(zhì)和能量，將物質(zhì)流、能量流和信息流整體優(yōu)化，找用物質(zhì)和能量，將物質(zhì)流、能量流和信息流整體優(yōu)化，找 到理想的過程系統(tǒng)。到理想的過程系統(tǒng)。 過程系統(tǒng)集成包括過程系統(tǒng)集成包括能量集成能量集成和和質(zhì)量集成質(zhì)量集成兩個主要方兩個主要方 面，相伴隨的是信息集成。面，相伴隨的是信息集成。 過程能量集成過程能量集成是以合理利用能量為目標(biāo)的全過程系是以合理利用能量為目標(biāo)的全過程系 統(tǒng)綜合問題，把反應(yīng)、分離、熱回收和公用工程子系統(tǒng)統(tǒng)綜合問題，把反應(yīng)、分離、熱回收和公用工程子系統(tǒng) 一體化地考慮能量的供求關(guān)系以及過程結(jié)構(gòu)、操作參數(shù)一體化地考慮能量的供求關(guān)系以及過程結(jié)構(gòu)、操作參數(shù) 的

15、調(diào)優(yōu)處理，達(dá)到全系統(tǒng)能量的優(yōu)化綜合。的調(diào)優(yōu)處理，達(dá)到全系統(tǒng)能量的優(yōu)化綜合。 質(zhì)量集成質(zhì)量集成考慮物質(zhì)的總體分配，包括過程中物質(zhì)的考慮物質(zhì)的總體分配，包括過程中物質(zhì)的 利用、循環(huán)、截斷，流股的分割、混合等，涉及把所有利用、循環(huán)、截斷，流股的分割、混合等，涉及把所有 物質(zhì)轉(zhuǎn)化為最有價值產(chǎn)物的路徑，有效的生產(chǎn)理想產(chǎn)品，物質(zhì)轉(zhuǎn)化為最有價值產(chǎn)物的路徑，有效的生產(chǎn)理想產(chǎn)品， 使副產(chǎn)物和廢物最小化。使副產(chǎn)物和廢物最小化。 1.3 本課程的研究方法和特點本課程的研究方法和特點 特點：系統(tǒng)的方法論、研究對象為一個特點：系統(tǒng)的方法論、研究對象為一個整體、優(yōu)化整體、優(yōu)化 的思想。的思想。 過程系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)研究的方法

16、過程系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)研究的方法 ： 第一步第一步，建立過程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，或運(yùn)用已有模擬軟，建立過程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，或運(yùn)用已有模擬軟 件，進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬；件，進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬； 第二步第二步，整理計算數(shù)據(jù)，與已有的物理化學(xué)實驗數(shù)據(jù)或，整理計算數(shù)據(jù)，與已有的物理化學(xué)實驗數(shù)據(jù)或 生產(chǎn)數(shù)據(jù)作偏差對比，從過程機(jī)理與數(shù)值計算角度解釋生產(chǎn)數(shù)據(jù)作偏差對比，從過程機(jī)理與數(shù)值計算角度解釋 和分析偏差產(chǎn)生的各種影響因素，并給予修正，直到滿和分析偏差產(chǎn)生的各種影響因素，并給予修正，直到滿 足允許誤差的要求。足允許誤差的要求。 第三步第三步，采用已確認(rèn)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬，作為過，采用已確認(rèn)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬，作為過 程系統(tǒng)的優(yōu)

17、化和綜合研究的基礎(chǔ)。程系統(tǒng)的優(yōu)化和綜合研究的基礎(chǔ)。 2 過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬 2.1 基本概念基本概念 目的：研究化工系統(tǒng)整體穩(wěn)態(tài)特性。 模擬模擬(Simulation)：用一能反映研究對象本質(zhì)和內(nèi)在聯(lián)系，與 原型具有客觀的一致性，且可再現(xiàn)原型發(fā)生的本質(zhì)過程和特性 的模型，來研究和設(shè)計原型過程的方法。 A 復(fù)雜 B簡單 預(yù)測A （以B的行為模擬A的行為，從簡單的預(yù)測復(fù)雜的。） 實驗?zāi)M實驗?zāi)M：采用實驗?zāi)Ｐ脱b置進(jìn)行研究。 數(shù)學(xué)模擬數(shù)學(xué)模擬：采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究。 建立數(shù)學(xué)模型模型化模型化 求解數(shù)學(xué)模型模擬模擬 2.1.1 過程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型過程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 1）數(shù)學(xué)模型概念數(shù)學(xué)模

18、型概念 把與系統(tǒng)有關(guān)的數(shù)量關(guān)系歸納為反映系統(tǒng)機(jī)理與特性的數(shù)數(shù) 學(xué)方程組學(xué)方程組。 2）建立數(shù)學(xué)模型的要求和規(guī)則建立數(shù)學(xué)模型的要求和規(guī)則 對描述對象本質(zhì)的深刻理解，方程包括： 物料衡算和能量衡算方程； 物流局部微元的“基本”過程方程； 各種過程參數(shù)間理論的、半經(jīng)驗的或純經(jīng)驗的關(guān)聯(lián)式； (1)對過程參數(shù)的約束。 3）數(shù)學(xué)模型的分類）數(shù)學(xué)模型的分類 （1）穩(wěn)態(tài)模型和動態(tài)模型）穩(wěn)態(tài)模型和動態(tài)模型 穩(wěn)態(tài)模型不含時間變量； 動態(tài)模型參數(shù)隨時間而變，包括時間變量。 （2）機(jī)理模型和）機(jī)理模型和“黑箱黑箱”模型（經(jīng)驗?zāi)Ｐ停┠Ｐ停ń?jīng)驗?zāi)Ｐ停?機(jī)理模型根據(jù)一定的理論和方法，對過程的機(jī)理進(jìn) 行研究而建立的模型； “

19、黑箱”模型根據(jù)過程輸入、輸出數(shù)據(jù)，采用回歸分 析 方法確定輸入與輸出數(shù)據(jù)的關(guān)系而建立起來的模型。 （3）集總參數(shù)模型與分布參數(shù)模型）集總參數(shù)模型與分布參數(shù)模型 集總參數(shù)模型過程變量不隨空間坐標(biāo)而改變，如理想 混合反應(yīng)器。 分布參數(shù)模型過程變量隨空間坐標(biāo)而改變。 （4）確定性模型和隨機(jī)模型）確定性模型和隨機(jī)模型 確定性模型輸入與輸出存在確定關(guān)系； 隨機(jī)模型 輸入與輸出沒有確定關(guān)系，且時間是一獨立 變量。 2.1.2 系統(tǒng)的自由度分析系統(tǒng)的自由度分析 1）自由度分析）自由度分析 目的：目的：正確地確定系統(tǒng)應(yīng)給定的獨立變量數(shù)，避免方程無解。 自由度（自由度（degree of Freedom)： D

20、VariableEquations NNN變量數(shù)獨立方程數(shù) ND0 不定方程組，有無窮個解不定方程組，有無窮個解 ND0 過度設(shè)定，形成矛盾方程，割除冗余方程過度設(shè)定，形成矛盾方程，割除冗余方程 ND=0 正確設(shè)定，方程組有唯一解正確設(shè)定，方程組有唯一解 設(shè)計變量：預(yù)先賦值的變量（設(shè)計變量：預(yù)先賦值的變量（ND個）個） 狀態(tài)變量：除設(shè)計變量外的變量狀態(tài)變量：除設(shè)計變量外的變量(NEquations個個) 狀態(tài)方程：狀態(tài)方程： NEquations個方程個方程 實例實例: 混合器混合器 獨立方程包括獨立方程包括 壓力平衡方程壓力平衡方程: :),min( 213 PPP 物料衡算方程物料衡算方程

21、: : 332211 321 FxFxFx FFF jjj )1(,.,2, 1Cj 熱量衡算方程熱量衡算方程: 332211 HFHFHF C+2 F1,P1,T1,x11,x21, ,xc-1，1 F2,P2,T2,x12,x22, ,xc-1，2 F3,P3,T3,x13,x23, ,xc-1，3 混合器的獨立方程數(shù) ： 2Cm 混合器的自由度： )2(2)2()2(3CCCmnd 說明：說明：兩獨立流股混合過程的自由度為兩個獨立流股自由度之和 。 如果混合器有S個輸入流股，則自由度為 S(C+2)。 例：苯甲苯混合器 ),min( 213 332211 332211 332211 32

22、1 PPP hFhFhF xFxFxF xFxFxF FFF TTT BBB ）（或 11111 ,),(,PhxxF TB 22222 ,),(,PhxxF TB 33333 ,),(,PhxxF TB m=12 n=4 d=8 2）設(shè)計變量的選擇 （1）所選擇的設(shè)計變量間是相互獨立的； （2）應(yīng)使模擬問題的求解盡量方便。 2.1.3 過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬的基本方法過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬的基本方法 1）序貫?zāi)K法）序貫?zāi)K法（Sequential Modular Method） 2）聯(lián)立方程法）聯(lián)立方程法（Equation Oriented Method） 3）聯(lián)立模塊法）聯(lián)立模塊法（Simultan

23、eous Modular Method） 單元模塊單元模塊 過程模型方程過程模型方程 求解程序求解程序 物性數(shù)據(jù)庫調(diào)用物性數(shù)據(jù)庫調(diào)用 輸入 物流變量 輸出 物流變量 設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù) 操作參數(shù) 2.2 過程系統(tǒng)模擬的序貫?zāi)K法過程系統(tǒng)模擬的序貫?zāi)K法 模塊模塊：用以描述單元操作、物性及系統(tǒng)其他功能的子程序。 序貫?zāi)K法：序貫?zāi)K法： 逐個單元模塊依次序貫計算求解系統(tǒng)模型的一種方法。 特點：特點： 與實際過程的直觀聯(lián)系強(qiáng)； 易于診斷錯誤； 計算效率低。 回路（環(huán)路）回路（環(huán)路）輸入流股與后續(xù)的單元設(shè)備輸出有關(guān)。 基本步驟（與實際過程的一致性）基本步驟（與實際過程的一致性）： （1）搜集相關(guān)的資料和數(shù)

24、據(jù)）搜集相關(guān)的資料和數(shù)據(jù) 操作及設(shè)計數(shù)據(jù)、設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸； 驗證模型所需要的生產(chǎn)數(shù)據(jù)或?qū)嶒灁?shù)據(jù)。 （2）建立過程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型）建立過程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型 a. 過程系統(tǒng)的拓?fù)浍@取信息流圖 b. 信息流圖表示成矩陣形式 c. 系統(tǒng)的分隔 d.斷裂回路選定適宜斷裂流股和初值 e.模擬計算的求解順序，管理模擬計算過程 （3）建立單元設(shè)備模塊）建立單元設(shè)備模塊 （4）熱力學(xué)數(shù)據(jù)及物性數(shù)據(jù)模塊）熱力學(xué)數(shù)據(jù)及物性數(shù)據(jù)模塊 （5）輸入模塊）輸入模塊 （6）輸出模塊）輸出模塊 缺點：缺點：物性參數(shù)、單元模塊及系統(tǒng)斷裂流股三層嵌套迭代。 設(shè)計型問題：設(shè)計型問題：不斷調(diào)節(jié)輸入?yún)?shù)和設(shè)備工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)。 物性計算物性計算

25、 1 過過 程程 單單 元元 計計 算算 2 流流 程程計計 算算 3 設(shè)設(shè) 計計 規(guī)規(guī) 定定 計計 算算 4 序貫?zāi)K法的迭代層次示意圖序貫?zāi)K法的迭代層次示意圖 氨合成系統(tǒng) 反應(yīng)溫度： 400500，壓力：300 kg/cm2 催化反應(yīng)N2 + 3H2 2NH3平衡時，氨的合成轉(zhuǎn)化率為12。 保持連續(xù)穩(wěn)定操作的條件：新鮮原料氣體的流量、組成恒定；反應(yīng) 器在恒溫、恒壓下操作；各分離器閃蒸溫度、閃蒸壓力恒定；排空 物流的排空比率恒定。 混合組分混合組分 1N2 2H2 3NH3 4Ar 5CH4 2.2.1 氨合成系統(tǒng)的物料衡算流程模擬氨合成系統(tǒng)的物料衡算流程模擬 工藝流圖工藝流圖 信息流圖信

26、息流圖 1）氨合成系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 混合器 j = 1,2,5，表示5種混合組分 物流編號：1，2，10 jjj xFxFxF 227711 5個方程個方程 混合組分混合組分 1 N2 2 H2 3 NH3 4 Ar 5 CH4 混合器 jjj xFxFxF 33101022 j = 1,2,5 5個方程個方程 混合組分混合組分 1 N2 2 H2 3 NH3 4 Ar 5 CH4 反應(yīng)器 322 23NHHN : : 3232 : 22 : 4543534 444343 434424333323 434414333313 xFxFCH xFxFAr xFxFxFxFH xFxFxFxFN 反應(yīng)

27、平衡方程：反應(yīng)平衡方程： K：平衡常數(shù)，：平衡常數(shù)，P：反應(yīng)壓力：反應(yīng)壓力 3 4241 2 43 2 xx x PK 5個方程個方程 混合組分混合組分 1 N2 2 H2 3 NH3 4 Ar 5 CH4 高壓分離器 汽液平衡方程汽液平衡方程 k1,k2,k5為為PD，TD下的組分平衡常數(shù)下的組分平衡常數(shù) )5 , 2 , 1( 885544 jxFxFxF jjj )5 , 2 , 1( 5 8 jk x x j j j 10個方程個方程 10個方程個方程 )5 , 2 , 1( 776655 jxFxFxF jjj 汽液平衡方程汽液平衡方程 k1,k2,k5為為PF，TF下的組分平衡常數(shù)

28、下的組分平衡常數(shù) )5 , 2 , 1( 6 7 jk x x j j j 低壓分離器 10個方程個方程 89 1098 8910 )4 , 2 , 1( FfF FFF jxxx jjj 其中，其中，f為分割率為分割率 分流器 分子分率約束式 )10, 2 , 1( 1 5 1 ix j ij 10個方程個方程 共計：共計：Ne 55 個方程個方程 方程類型方程類型 物料平衡方程組： 無反應(yīng)質(zhì)量平衡（分子量平衡） 有反應(yīng)原子數(shù)目平衡 分子分率約束式： 設(shè)備約束式（描述流程結(jié)構(gòu)）： 54321 54321 , , kkkkk kkkkk f k反應(yīng)平衡常數(shù)反應(yīng)平衡常數(shù) 分割率分割率 汽液平衡常數(shù)（高壓）汽液平衡常數(shù)（高壓） 汽液平衡常數(shù)（低壓）汽液平衡常數(shù)（低壓） 變