化工過程模擬與計算(第1章緒論)

化工過程模擬與計算(第1章緒論)第一頁，共21頁。第1章緒論1.1概述1.2化工過程模擬分類1.3化工過程模擬發(fā)展簡史1.4化工過程模擬的功能1.5化工過程穩(wěn)態(tài)模擬系統(tǒng)的構(gòu)成1.6課程內(nèi)容及要求2第二頁，共21頁。1.1.1化學工程學科發(fā)展的三次飛躍第一次飛躍：“單元操作”概念的提出；第二次飛躍：“傳遞過程”概念的提出，Bird《傳遞現(xiàn)象》出版，“三傳一反”特征確立；第三次飛躍？過程系統(tǒng)工程、產(chǎn)品工程、多尺度。1.1概述3第三頁，共21頁?！叭齻鳌睘閯恿總鬟f（流體輸送、過濾、沉降、固體流態(tài)化等，遵循流體動力學基本規(guī)律）、熱量傳遞（加熱、冷卻、蒸發(fā)、冷凝等，遵循熱量傳遞基本規(guī)律）和質(zhì)量傳遞（蒸餾、吸收、萃取、干燥等，遵循質(zhì)量傳遞基本規(guī)律），“一反”為化學反應過程?！叭齻饕环础备爬嘶どa(chǎn)過程的全部特征，傳遞過程被認為是單元操作的理論基礎，開辟了化學工程發(fā)展過程的第二個歷程。4第四頁，共21頁。1.1.2化學工程模擬的概念化工過程模擬是一種高科技手段；它根據(jù)化工單元過程和熱力學的基本方程，應用現(xiàn)代數(shù)學方法，編制成計算機軟件，使之能夠模擬實際的化工生產(chǎn)過程。5第五頁，共21頁。1.2化工過程模擬的分類化工過程穩(wěn)態(tài)模擬化工過程動態(tài)模擬6第六頁，共21頁?；み^程穩(wěn)態(tài)模擬：為通常所說的化工過程模擬或流程模擬；根據(jù)化工過程的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，如物料的壓力、溫度、流量、組成和有關的工藝操作條件、工藝規(guī)定、產(chǎn)品規(guī)格以及一定的設備參數(shù)，如蒸餾塔的板數(shù)，進料位置等，采用適當?shù)哪M軟件，用計算機模擬實際的穩(wěn)態(tài)過程，得出所計算的整個流程或單元過程詳細的物料平衡和熱量平衡數(shù)據(jù)。得到的重要參數(shù)：材料消耗、公用工程消耗，產(chǎn)品、副產(chǎn)品的產(chǎn)量、組成和質(zhì)量等重要參數(shù)。7第七頁，共21頁。化工過程動態(tài)模擬它是計算裝置的某個或數(shù)個參數(shù)發(fā)生變動時，其他所有參數(shù)如何隨時間而發(fā)生變化。它的計算永遠不會終結(jié)，對于任何一個參數(shù)的變動，計算結(jié)果都是系統(tǒng)中所有工藝參數(shù)及相應的性質(zhì)隨時間變化的關系曲線。用途：過程動態(tài)特性分析、控制方案的制定、開停車方案的優(yōu)化以及操作工培訓軟件的開發(fā)等。8第八頁，共21頁。1.3化工過程模擬發(fā)展簡史1.3.1國外起源：20世紀50年代中后期，1958年美國的M.W.Kellogg公司推出了世界上第一個化工模擬程序----FlexibleFlowsheeting。初始發(fā)展期：整個60年代，國外各有關大學、研究機構(gòu)和煉油、石化公司紛紛開始研究自己的模擬系統(tǒng)。特點：功能簡單，計算范圍較窄，計算能力較差，收斂能力存在較多問題。成長壯大期：模擬技術得到了工業(yè)界的普通承認，該時期比較優(yōu)秀的軟件有：美國Monsando公司的Flowtran和Simulationsciences公司的Process。9第九頁，共21頁。成熟期：進入80年代后，模擬軟件的開發(fā)走向?qū)I(yè)化、商品化。特點：模擬計算的準確性、可靠性大大增強，應用范圍不斷拓寬，功能日益豐富，使用越方便。深入發(fā)展期：90年代開始，特點：從“離線”走向“在線”，從穩(wěn)態(tài)模擬發(fā)展到動態(tài)模擬和實時優(yōu)化，從單純的穩(wěn)態(tài)計算發(fā)展到和工業(yè)裝置緊密相聯(lián)。10第十頁，共21頁。1.3.2國內(nèi)起源：60年代末。興旺期和大發(fā)展期：化工部第四、五、六、八、九設計院，化工部設計公司，燕山石化設計院，上海醫(yī)藥工業(yè)設計院等許多單位均投入相當?shù)娜肆ξ锪M行模擬系統(tǒng)的開發(fā)。70年代末至80年代初：國內(nèi)模擬軟件水平已經(jīng)相當接近國外的先進水平。80年代引進風的興起導致70年代的興旺為曇花一現(xiàn)。1987年，青島化工學院（現(xiàn)青島科技大學）推出了“工程化學模擬系統(tǒng)（ECSS）”可謂一枝獨秀。11第十一頁，共21頁。1.4化工過程模擬的功能1.4.1新裝置設計1.4.2舊裝置改造石化和化工裝置的設計都要用12第十二頁，共21頁。1.4.3新工藝、新流程的開發(fā)研究1.4.4生產(chǎn)調(diào)優(yōu)、疑難問題診斷13第十三頁，共21頁。1.4.5科學研究1.4.6工業(yè)生產(chǎn)的科學管理1.4.7動態(tài)模擬、實時優(yōu)化的基礎14第十四頁，共21頁。1.5化工過程穩(wěn)態(tài)模擬系統(tǒng)的構(gòu)成1.5.1模擬系統(tǒng)的主要組成部分模擬系統(tǒng)的分類：專用型：早期模擬軟件，僅適用于某一確定的化工流程。通用型：通用化工模擬系統(tǒng)指的是該模擬軟件適用于任何工藝流程。15第十五頁，共21頁。流程圖數(shù)據(jù)文件流程圖拓撲分析及數(shù)據(jù)檢查調(diào)度系統(tǒng)物性數(shù)據(jù)庫熱力學方法庫化工單元過程庫功能模塊庫收斂方法庫經(jīng)濟評價庫輸出文件生成系統(tǒng)圖1-1穩(wěn)態(tài)模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)16第十六頁，共21頁。調(diào)度系統(tǒng)的作用：單位制的匹配；熱力學方法的調(diào)用；物流和單元過程的動態(tài)組合；動態(tài)的組織流程、調(diào)用相關單元過程，指揮計算機按照拓撲分析確定的流程順序進行計算。在給定的迭代次數(shù)內(nèi)給出流程計算是否收斂的信息。調(diào)度系統(tǒng)是程序邏輯性、完善性、靈活性、使用性最重要的體現(xiàn)，對其組織、編制和邏輯處理的技巧要求是最高的。17第十七頁，共21頁。1.5.2模擬軟件的基本輸入數(shù)據(jù)——五大輸入部分除了模擬計算流程圖外，還需用戶輸入五部分內(nèi)容：（1）計算總說明：輸入計算的單位制（英制、公制和國際單位制三種單位）（2）組分數(shù)據(jù)：庫組分，石油餾分，用戶定義的組分。（3）熱力學方法：對準確性起決定性作用。（4）物流數(shù)據(jù)：物流的溫度、壓力、流量和組成（5）單元過程數(shù)據(jù)：各個單元過程的工藝條件及可能有的約束條件。18第十八頁，共21頁。1.6課程內(nèi)容及要求1.6.1課程內(nèi)容第2章化工過程模擬及相關高新技術第3章石油餾分第4章熱力學