化工過(guò)程的模擬與分析

1、第七章第七章 化工過(guò)程的模擬與分析化工過(guò)程的模擬與分析 7.1 化工過(guò)程設(shè)計(jì)、化工過(guò)程模擬分析、化工技術(shù)經(jīng)濟(jì)三者之間相互關(guān)系化工過(guò)程設(shè)計(jì)、化工過(guò)程模擬分析、化工技術(shù)經(jīng)濟(jì)三者之間相互關(guān)系化工工藝設(shè)計(jì)的內(nèi)容與步驟化工工藝設(shè)計(jì)的內(nèi)容與步驟第一步：流程組織（過(guò)程合成）第二步：物料衡算及熱量衡算第三步：設(shè)備設(shè)計(jì)及選型第四步：PFD圖及PID圖的設(shè)計(jì)與繪制第五步：流程的平立面布置設(shè)計(jì)及配管設(shè)計(jì)第六步：主要材料表及概（預(yù)）算（工藝部分）第七步：對(duì)流程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析第八步：編寫(xiě)工藝設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)內(nèi)循環(huán)優(yōu)化內(nèi)循環(huán)優(yōu)化外循環(huán)優(yōu)化外循環(huán)優(yōu)化內(nèi)循環(huán)優(yōu)化：內(nèi)循環(huán)優(yōu)化： 在流程結(jié)構(gòu)不變的前提下，通過(guò)修改、調(diào)整流程內(nèi)部的部分設(shè)

2、備參數(shù)和操作參數(shù)，來(lái)對(duì)流程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。外循環(huán)優(yōu)化：外循環(huán)優(yōu)化： 在內(nèi)循環(huán)優(yōu)化不能滿足優(yōu)化目標(biāo)的情況下，重新做流程組織，對(duì)流程結(jié)構(gòu)進(jìn)行改頭換面的大變動(dòng)，而達(dá)到對(duì)流程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。內(nèi)循環(huán)優(yōu)化經(jīng)常用于老流程的改造，并對(duì)實(shí)驗(yàn)室研究開(kāi)發(fā)有指導(dǎo)意義。內(nèi)循環(huán)優(yōu)化經(jīng)常用于老流程的改造，并對(duì)實(shí)驗(yàn)室研究開(kāi)發(fā)有指導(dǎo)意義。外循環(huán)優(yōu)化經(jīng)常用于新廠設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)多個(gè)流程方案進(jìn)行分析比較。外循環(huán)優(yōu)化經(jīng)常用于新廠設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)多個(gè)流程方案進(jìn)行分析比較。 二層循環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì)，工作量巨大，手工設(shè)計(jì)很難完成，只有靠計(jì)算二層循環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì)，工作量巨大，手工設(shè)計(jì)很難完成，只有靠計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。機(jī)輔助設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)提出設(shè)計(jì)任務(wù)流程組織（過(guò)

3、程合成）工藝流程草圖將流程結(jié)構(gòu)輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將已知參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)MB、HB計(jì)算設(shè)備設(shè)計(jì)及選型PFD與PID圖的設(shè)計(jì)與繪制平立面布置與配管設(shè)計(jì)材料表及工程概（預(yù)）算流程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析設(shè)備參數(shù)、操作參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整流程結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整內(nèi)循環(huán)優(yōu)化外循環(huán)優(yōu)化現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助化工過(guò)程設(shè)計(jì)與模擬運(yùn)行示意圖現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助化工過(guò)程設(shè)計(jì)與模擬運(yùn)行示意圖綜合階段設(shè)計(jì)階段優(yōu)化階段一個(gè)實(shí)際運(yùn)行的一個(gè)實(shí)際運(yùn)行的化工項(xiàng)目化工項(xiàng)目或或它建成運(yùn)行前它建成運(yùn)行前的設(shè)計(jì)資料的設(shè)計(jì)資料首先，從其中提取出來(lái)其項(xiàng)目投資、產(chǎn)品成本、銷售收入、稅金、利潤(rùn)等基基本經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。本經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。然后，針對(duì)這些基本經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，用技術(shù)經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)歸納、分析出其技

4、術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)（投資利潤(rùn)率、投資還本期等）。最后，判斷其經(jīng)濟(jì)經(jīng)濟(jì)合理性合理性?；み^(guò)程設(shè)計(jì)與化工項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)分析之間的關(guān)系化工過(guò)程設(shè)計(jì)與化工項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)分析之間的關(guān)系在實(shí)際化工過(guò)程設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)、模擬三者之間關(guān)系：在實(shí)際化工過(guò)程設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)、模擬三者之間關(guān)系：、設(shè)計(jì)出一個(gè)較好的流程是化工過(guò)程設(shè)計(jì)的最終目的；、經(jīng)濟(jì)分析與評(píng)價(jià)是挑選和判斷流程優(yōu)劣的依據(jù)；、計(jì)算機(jī)輔助化工過(guò)程設(shè)計(jì)與模擬是設(shè)計(jì)的有力手段；7.2 化工過(guò)程（系統(tǒng)）模擬的一些基本概念化工過(guò)程（系統(tǒng)）模擬的一些基本概念一、化工系統(tǒng)一、化工系統(tǒng) 為了實(shí)現(xiàn)一定目的，由若干相互聯(lián)系、彼此影響的化工單元設(shè)備組成的一個(gè)流程，稱為一個(gè)

5、化工系統(tǒng)。、化工系統(tǒng)，實(shí)質(zhì)就是化工過(guò)程設(shè)計(jì)或化工系統(tǒng)模擬處理的對(duì)象，就是過(guò)程合成（流程組織）得到的流程圖。、化工系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)或模擬的目的不同，化工系統(tǒng)可大可??；、一個(gè)大的化工系統(tǒng)可以分成若干個(gè)子系統(tǒng)。二、化工系統(tǒng)的工況特性及化工系統(tǒng)分析二、化工系統(tǒng)的工況特性及化工系統(tǒng)分析化工系統(tǒng)的外界：化工系統(tǒng)范圍以外的一切事物。 有意義的化工系統(tǒng)，決不會(huì)是與外界隔絕的孤立系統(tǒng)，它與外界有物物料流、能量流、信息流料流、能量流、信息流的輸入與輸出?；ち鞒痰奶匦詤?shù)流程的單元結(jié)構(gòu)參數(shù)單元的種類、數(shù)量單元之間位置關(guān)系流股走向關(guān)鍵單元設(shè)備的特性參數(shù)關(guān)鍵工藝工段的操作參數(shù)化工系統(tǒng)特性由系統(tǒng)（流程）的特性參數(shù)所決定：化

6、工系統(tǒng)特性由系統(tǒng)（流程）的特性參數(shù)所決定： 化工系統(tǒng)（系統(tǒng)特性）輸入輸出化工系統(tǒng)工況特性：化工系統(tǒng)工況特性：一個(gè)化工系統(tǒng)一個(gè)化工系統(tǒng)“輸入系統(tǒng)特性輸出輸入系統(tǒng)特性輸出”之間的規(guī)律性聯(lián)系。之間的規(guī)律性聯(lián)系。化工系統(tǒng)分析：化工系統(tǒng)分析：在一個(gè)化工系統(tǒng)的特性已知的前提下，給定其輸入，預(yù)測(cè)分析其在一個(gè)化工系統(tǒng)的特性已知的前提下，給定其輸入，預(yù)測(cè)分析其輸出，這一分析過(guò)程稱為化工系統(tǒng)分析。輸出，這一分析過(guò)程稱為化工系統(tǒng)分析。三、模擬（仿真，三、模擬（仿真，Simulation）模擬物理模擬數(shù)學(xué)模擬物理模擬：物理模擬：用真實(shí)的物理試驗(yàn)手段研究某個(gè)化工過(guò)程；數(shù)學(xué)模擬：數(shù)學(xué)模擬：不用真實(shí)的物理試驗(yàn)，而是列出過(guò)程

7、的數(shù)學(xué)模型，然后用計(jì)算機(jī) 手段對(duì)此模型進(jìn)行求解與分析，從而達(dá)到對(duì)某個(gè)化工過(guò)程進(jìn)行研究 的目的；數(shù)學(xué)模擬：成本低靈活性大可靠性相對(duì)較低物理模擬：成本高靈活性小可靠性相對(duì)較高注意：化工過(guò)程的模擬經(jīng)常采用數(shù)學(xué)模擬與物理模擬相結(jié)合的方式進(jìn)行。注意：化工過(guò)程的模擬經(jīng)常采用數(shù)學(xué)模擬與物理模擬相結(jié)合的方式進(jìn)行?；み^(guò)程（系統(tǒng)）模擬：化工過(guò)程（系統(tǒng)）模擬： 將描述某個(gè)化工過(guò)程的數(shù)學(xué)模型編成計(jì)算機(jī)軟件，將模型參數(shù)（系統(tǒng)的特性參數(shù)）也輸入計(jì)算機(jī)模擬軟件，然后計(jì)算機(jī)模擬軟件根據(jù)輸入信息，自動(dòng)調(diào)用也編成了計(jì)算機(jī)軟件的模型求解方法，從而對(duì)化工過(guò)程進(jìn)行分析，給出模擬計(jì)算的輸出結(jié)果?；は到y(tǒng)（過(guò)程）模型（計(jì)算機(jī)程序軟件）

8、模型參數(shù)（系統(tǒng)特性參數(shù)）輸入求解方法軟件程序輸出模擬是進(jìn)行化工系統(tǒng)分析的有力手段。注意：模擬是正向運(yùn)行的。即已知系統(tǒng)模型及特性，從輸入預(yù)測(cè)分析其輸出。注意：模擬是正向運(yùn)行的。即已知系統(tǒng)模型及特性，從輸入預(yù)測(cè)分析其輸出?；み^(guò)程模擬穩(wěn)態(tài)模擬非穩(wěn)態(tài)模擬（動(dòng)態(tài)模擬）四、模擬型問(wèn)題和設(shè)計(jì)型問(wèn)題四、模擬型問(wèn)題和設(shè)計(jì)型問(wèn)題按照化工過(guò)程（系統(tǒng)）模擬的定義，模擬是正向進(jìn)行的，即： 化工系統(tǒng)（過(guò)程） （系統(tǒng)特性）輸入輸出 然而，在實(shí)際化工過(guò)程設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)常遇到過(guò)程的部分輸出數(shù)值是設(shè)計(jì)要求已知的，反過(guò)來(lái)去求滿足這些輸出要求的輸入值。這就是所謂的設(shè)計(jì)型問(wèn)題。 也就是說(shuō)，設(shè)計(jì)型問(wèn)題是，根據(jù)已知的部分輸出及化工系統(tǒng)（過(guò)程

9、）特性，去尋求足夠滿足輸出要求所對(duì)應(yīng)的輸入條件。 現(xiàn)有的模擬軟件包只能直接用于解決模擬型問(wèn)題。將現(xiàn)有模擬軟件用于設(shè)計(jì)型問(wèn)題的方法有二個(gè)：、正向試差模擬計(jì)算；、將輸出規(guī)定改寫(xiě)成模型求解的約束條件方程；7.3 化工系統(tǒng)（過(guò)程）的數(shù)學(xué)模型化工系統(tǒng)（過(guò)程）的數(shù)學(xué)模型一、化工過(guò)程（系統(tǒng)）數(shù)學(xué)模型的種類一、化工過(guò)程（系統(tǒng)）數(shù)學(xué)模型的種類化工（過(guò)程）系統(tǒng)輸入輸出化工（過(guò)程）系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的實(shí)質(zhì)：化工（過(guò)程）系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的實(shí)質(zhì)： 主要根據(jù)化工過(guò)程“三傳一反”以及MB、HB衡算原理，將化工系統(tǒng)輸入變量、輸出變量、單元變量三者之間用數(shù)學(xué)關(guān)系有機(jī)地聯(lián)系在一起，而形成的數(shù)學(xué)方程或方程組。數(shù)學(xué)模型的種類理論模型半經(jīng)驗(yàn)半理

10、論模型經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屠碚撃Ｐ停豪碚撃Ｐ停?在嚴(yán)格理論分析基礎(chǔ)上建立起來(lái)的數(shù)學(xué)模型，模型中的所有系數(shù)（參數(shù)）都由理論推導(dǎo)出來(lái)。 這類模型可靠性最強(qiáng)，但在化工領(lǐng)域出現(xiàn)的幾率很小。半經(jīng)驗(yàn)半理論模型（灰箱模型）：半經(jīng)驗(yàn)半理論模型（灰箱模型）： 這類模型的建立，即有理論分析作基礎(chǔ)，又有試驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)的支撐，是化工領(lǐng)域最常見(jiàn)的數(shù)學(xué)模型。具有很高的實(shí)用價(jià)值。 這類模型的框架一般靠理論分析建立，模型中的參數(shù)一般靠試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)確定。在一定使用條件下可靠性較強(qiáng)。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ê谙淠Ｐ停航?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ê谙淠Ｐ停?是純經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。一般出現(xiàn)在對(duì)系統(tǒng)機(jī)理一點(diǎn)不掌握，只能通過(guò)試驗(yàn)獲得其輸入輸出之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 這類模型在模型試驗(yàn)范圍內(nèi)可

11、靠性較好，但超過(guò)試驗(yàn)范圍的外推性較差。這類模型在化工領(lǐng)域出現(xiàn)的幾率也很小。二、化工過(guò)程（系統(tǒng)）模型方程的形式二、化工過(guò)程（系統(tǒng)）模型方程的形式化工系統(tǒng)（過(guò)程）模型方程的形式方程的形式?jīng)Q定于：、穩(wěn)態(tài)還是動(dòng)態(tài)過(guò)程決定時(shí)間變量是否引入？、是集總參數(shù)模型還是分布參數(shù)模型決定空間坐標(biāo)變量是否引入？對(duì)穩(wěn)態(tài)集總參數(shù)模型其方程形式必然是代數(shù)方程（組）對(duì)動(dòng)態(tài)集總參數(shù)模型其方程形式是以時(shí)間為變量的常微分方程（組）對(duì)穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)模型其方程形式是以空間為變量的常微分方程（組）或偏微分方程組對(duì)動(dòng)態(tài)分布參數(shù)模型其方程形式是以時(shí)間和空間為變量的偏微分方程組三、半經(jīng)驗(yàn)半理論數(shù)學(xué)模型的建立三、半經(jīng)驗(yàn)半理論數(shù)學(xué)模型的建立半經(jīng)驗(yàn)半

12、理論模型的建立一般分二步進(jìn)行：第一步：模型識(shí)別（確定模型的骨架（框架）形式）第一步：模型識(shí)別（確定模型的骨架（框架）形式）依據(jù)：“三傳一反”、MB、HB等，以及試驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象。第二步：模型參數(shù)估計(jì)（估值）第二步：模型參數(shù)估計(jì)（估值）依據(jù)：試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入模型中，用數(shù)值方法進(jìn)行處理。例如：針對(duì)ABC，要建立其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型iAAAdCrkCdt首先，確定動(dòng)力學(xué)方程框架：然后，確定以上動(dòng)力學(xué)方程模型中的參數(shù)（k、i）： 設(shè)計(jì)試驗(yàn)，得到CAt的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，再用最小二乘法、單純形法、Powell共軛法等數(shù)值方法完成模型參數(shù)估值。例如：谷氨酸發(fā)酵過(guò)程的數(shù)學(xué)模型X菌體濃度；P產(chǎn)物（谷氨酸）濃度；S基質(zhì)（葡萄糖

13、）濃度；CO2排氣CO2濃度。212dXk Xk Xdt354k SdPdXXkdtkSdt678dSdXdPkkkdtdtdt2910dCOdXkk XdtdttXPSCO2.7.4 化工單元模型及模擬分析化工單元模型及模擬分析一、換熱器模型及其模擬分析一、換熱器模型及其模擬分析換熱器換熱器高溫苯蒸汽F2、t2冷水熱水F3、t3F4、t4F1、t1低溫苯蒸汽目的：回收高溫苯蒸汽的熱量。要求：列出該換熱系統(tǒng)的通用模型。1、通用模型、通用模型mQAU t112()()pQFctt苯1434()()FFppcc12水苯（t -t）=（t -t ）24132413()()tlnmtttttttt換熱

14、器換熱器高溫苯蒸汽F2、t2冷水熱水F3、t3F4、t4F1、t1低溫苯蒸汽2134FFFF其中：U（總傳熱系數(shù)）、cp（苯）、cp（水）為常數(shù)2、模型自由度分析、模型自由度分析、通用模型的自由度分析變量：Q、A、tm、F1、F2、F3、F4、t1、 t2、 t3、 t4 共共11個(gè)個(gè)方程：共六個(gè)共六個(gè)通用模型的自由度：1165、手工計(jì)算時(shí)的自由度分析變量：F1、F4、t1、 t2、 t3、 t4 共六個(gè)共六個(gè)方程：共一個(gè)共一個(gè)手工計(jì)算時(shí)的自由度：615二者是可以統(tǒng)一起來(lái)的。二者是可以統(tǒng)一起來(lái)的。3、系統(tǒng)的模擬型問(wèn)題、系統(tǒng)的模擬型問(wèn)題模擬型問(wèn)題：已知系統(tǒng)特性，根據(jù)已知輸入，來(lái)計(jì)算輸出。換熱器換

15、熱器高溫苯蒸汽F2、t2冷水熱水F3、t3F4、t4F1、t1低溫苯蒸汽已知：A、F1、F4、t1、t4計(jì)算求解：F3、F2、t3、t2、Q、tm通用模型的自由度是通用模型的自由度是5，因此，模擬型問(wèn)題能解決。，因此，模擬型問(wèn)題能解決。4、系統(tǒng)的部分設(shè)計(jì)型問(wèn)題、系統(tǒng)的部分設(shè)計(jì)型問(wèn)題換熱器換熱器高溫苯蒸汽F2、t2冷水熱水F3、t3F4、t4F1、t1低溫苯蒸汽、如果要求t2已知（苯蒸汽出口溫度限制），并已知輸入F1、t1、F4、t4。 反過(guò)來(lái)求系統(tǒng)特性A和其它未知輸出F3、t3、F2、Q、tm、如果要求t3已知（熱水出口溫度已知），并已知輸入F1、t1、F4、t4。 反過(guò)來(lái)求系統(tǒng)特性A和其它未

16、知輸出F3、t2、F2、Q、tm、已知： F1、 t1、 t2、t3、A。 求：F4、F3、F2、t4、Q、tm、已知：F1、t1、 t2、 F4、A。 求：F2、F3、t3、t4、Q、tm 問(wèn)題：設(shè)計(jì)型問(wèn)題一共有多少組可能情況？問(wèn)題：設(shè)計(jì)型問(wèn)題一共有多少組可能情況？ 表面上，從11個(gè)模型變量集中，挑選5個(gè)變量（自由度要求）作為設(shè)計(jì)變量組，就可以解出其它未知的6個(gè)變量。可能共有：511C但有兩個(gè)問(wèn)題值得注意： tm一般不可能作為設(shè)計(jì)變量； 挑選出來(lái)的設(shè)計(jì)變量不能使模型方程失出獨(dú)立性（使方程恒等）；實(shí)際上從變量集：Q、A、F1、F4、t1、 t2、 t3、 t4 共共8個(gè)中挑選個(gè)中挑選5個(gè)變量作

17、為設(shè)計(jì)變量組。就縮小了選擇范圍。但仍然要注意個(gè)變量作為設(shè)計(jì)變量組。就縮小了選擇范圍。但仍然要注意以上兩個(gè)問(wèn)題中的第二個(gè)問(wèn)題。以上兩個(gè)問(wèn)題中的第二個(gè)問(wèn)題。二、連續(xù)非絕熱平衡閃蒸的系統(tǒng)模型及其模擬分析二、連續(xù)非絕熱平衡閃蒸的系統(tǒng)模型及其模擬分析P，TFFFHTPzF,vHTPyV,LHTPxL,dtdQ非絕熱平衡閃蒸單元操作示意圖非絕熱平衡閃蒸單元操作示意圖其中，xyz,分別是進(jìn)料、氣相出料、液相出料流股的組成向量，均含有C種組份。1、通用模型、通用模型P，TFFFHTPzF,vHTPyV,LHTPxL,dtdQiiiVyLxFzVLF1-c, . 2, 1,i 其中，MBLVFLHVHdtdQF

18、HHB),(),(),(xTPHHyTPHHzTPHHLLVVFFFF),(yxTPkkiic, . 2, 1,i 為組份的相平衡系數(shù)，ik物性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方程）（相平衡方程：cixkyiii,.,2 , 1 iiiVyLxFzVLF1-c, . 2, 1,i 其中，MBLVFLHVHdtdQFHHB),(),(),(xTPHHyTPHHzTPHHLLVVFFFF),(yxTPkkiic, . 2, 1,i 為組份的相平衡系數(shù)，ik物性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方程）（相平衡方程：cixkyiii,.,2, 1 2、模型自由度分析、模型自由度分析、通用模型的自由度分析) 1,.,2 , 1(),1,.,2 , 1(

19、),1,.,2 , 1(),.,2 , 1(, cizciycixcikdtdQTPTPHHHFVLiiiiFFFVL變量：共共4c8個(gè)個(gè)方程數(shù)：c1c3c3c4個(gè)個(gè)通用模型的自由度：4c8（3c4）c4、手工計(jì)算時(shí)的自由度分析) 1,.,2 , 1(),1,.,2 , 1(),1,.,2 , 1(, cizciycixdtdQTPTPFVLiiiFF變量：共共3c5個(gè)個(gè)方程數(shù)：c1c2c1個(gè)個(gè)通用模型的自由度：3c5（2c1）c4iiiVyLxFzVLF1-c, . 2, 1,i 其中，MBLVFLHVHdtdQFHHB),(),(),(xTPHHyTPHHzTPHHLLVVFFFF),(yxTPkkiic, . 2, 1,i 為組份的相平衡系數(shù)，ik物性數(shù)據(jù)方程）（相平衡方程：cixkyiii,.