化工系統(tǒng)工程第4章課件

化工系統(tǒng)工程-第4章2024/4/17化工系統(tǒng)工程第4章系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型——描述系統(tǒng)各單元之間的相互關(guān)系，以及物流和能流的輸入和輸出信息表示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型的方法：圖示法，矩陣法一、圖示法1.流程圖表述流程結(jié)構(gòu)的最普遍的一種圖形2化工系統(tǒng)工程第4章1276534AB反應(yīng)器精餾塔物流流線設(shè)備特點(diǎn)，布置示意圖聯(lián)系物流3化工系統(tǒng)工程第4章

圖中帶有方向指示的物流流線：（1）包括外界對(duì)系統(tǒng)的進(jìn)料物流、系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備間的聯(lián)系物流、以及系統(tǒng)對(duì)外界的輸出物流，通常標(biāo)上序號(hào)；（2）為了給人以形象化感覺，代表化工設(shè)備的圖形符號(hào)，盡可能畫成能反映各自特點(diǎn)的形狀，且平面安排，也盡可能照顧到現(xiàn)場的實(shí)際情況；（3）由于它屬于示意圖，故不必按比例畫圖。4化工系統(tǒng)工程第4章常用的畫流程圖的軟件：AutoCAD2.Visio（Standard,Technical,Professional）5化工系統(tǒng)工程第4章2.結(jié)構(gòu)單元圖也稱為信息流程圖，由結(jié)構(gòu)單元和物流（包括能流和信息流）構(gòu)成。

目的是表明系統(tǒng)模型內(nèi)部以及它同外界之間信息流傳遞情況。它通常是從工藝流程圖簡化得到

6化工系統(tǒng)工程第4章前述流程圖的結(jié)構(gòu)單元圖如下：A、D是虛擬單元，流程中沒有此設(shè)備，但在此處物流變量發(fā)生了變化，所以在管線的匯合處和管線的分叉處必須設(shè)虛擬單元?；旌掀鞣磻?yīng)器精餾塔流股分割器12765347化工系統(tǒng)工程第4章結(jié)構(gòu)單元圖或信息流程圖（Informationflowdiagram)基本概念：節(jié)點(diǎn)——設(shè)備單元邊——流股子圖路徑

循環(huán)回路或環(huán)路1271211121435467891011121368354910化工系統(tǒng)工程第4章

畫結(jié)構(gòu)單元圖時(shí)注意：(1)代表模塊的圖形符號(hào)可畫成方框表示。模塊排列也不必按實(shí)際布置，能正確表明信息流的傳遞關(guān)系即可。(2)結(jié)構(gòu)單元圖與流程圖中的模塊一般一一對(duì)應(yīng)。但有時(shí)需增加虛擬單元；另外，在信息流圖中也需要畫出某些并無實(shí)際設(shè)備背景的算法模塊（收斂、控制塊等）。相反，在流程圖中畫出的設(shè)備，在模擬時(shí)不需要用到它們的模型時(shí)，在信息流圖中也無須畫出它的模塊（如物料衡算時(shí)，換熱器可不畫出）9化工系統(tǒng)工程第4章3.信號(hào)流圖

信息流程圖是把各個(gè)模塊用圖形符號(hào)畫出，用流線把它們聯(lián)結(jié)起來，這樣就可以表達(dá)清楚各模塊的輸入流線和輸出流線的關(guān)系。信號(hào)流圖：把信息流圖中的流線用圖形符號(hào)畫出，同樣也用帶箭頭的聯(lián)線把它們聯(lián)接起來，則這些聯(lián)線通過箭頭的方向，也可把輸入物流（通過單元過程）向輸出物流轉(zhuǎn)化的關(guān)系完全表達(dá)清楚，這種圖形稱為信號(hào)流圖10化工系統(tǒng)工程第4章1234567上例的信息流圖，畫成信號(hào)流圖如下：標(biāo)有數(shù)字1~7的符號(hào)分別代表信息流圖中的流線1~7注意：圖中的聯(lián)線同相應(yīng)信息流圖中的模塊，無一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。信號(hào)流圖的主要作用是系統(tǒng)分解11化工系統(tǒng)工程第4章圖示法小結(jié)：

三種：流程圖，結(jié)構(gòu)單元圖（信息流程圖），信號(hào)流圖優(yōu)點(diǎn)：一目了然，便于工程師熟悉工藝流程，可提供分析之用缺點(diǎn)：不用直接用于計(jì)算機(jī)的計(jì)算12化工系統(tǒng)工程第4章二、矩陣法用圖形表述流程結(jié)構(gòu)，形象、直觀，應(yīng)用普遍，但不太適于計(jì)算機(jī)處理，根據(jù)圖論方法，用矩陣來表述流程結(jié)構(gòu)。多數(shù)通用化工流程模擬系統(tǒng)都采用矩陣法。現(xiàn)在的模擬軟件允許用戶以流程圖的形式輸入流程結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，流程圖在輸入后還是要變換成矩陣形式，才能進(jìn)行下一步工作。13化工系統(tǒng)工程第4章

表示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的矩陣有多種，常用的有過程矩陣、關(guān)聯(lián)矩陣和相鄰矩陣三種表示法。1、過程矩陣Rp（ProcessMatrix）在過程矩陣中，矩陣行的序號(hào)與結(jié)構(gòu)單元的序號(hào)對(duì)應(yīng)，各行中矩陣元素的數(shù)值為與該單元有關(guān)的物流編號(hào)，規(guī)定流入這個(gè)單元的物流取正值流出這個(gè)單元的物流取負(fù)值各物流的先后次序是任意的14化工系統(tǒng)工程第4章根據(jù)結(jié)構(gòu)單元圖，得到過程矩陣：結(jié)構(gòu)單元計(jì)算時(shí)名稱有關(guān)物流號(hào)AMIXER17-2BREAC2-3CDISTIL3-4-5DSPLIT5-6-715化工系統(tǒng)工程第4章2.關(guān)聯(lián)矩陣（IncidenceMatrix）行序號(hào)與結(jié)構(gòu)單元對(duì)應(yīng)，而列序號(hào)與物流號(hào)對(duì)應(yīng)，矩陣中每個(gè)元素的取值同一個(gè)單元和一股物流對(duì)應(yīng)。i行j列的元素值rij若為

1

物流j流入單元irij=

-1

物流j流出單元i

0

物流j與單元i無關(guān)16化工系統(tǒng)工程第4章前面圖中所示系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)矩陣為：17化工系統(tǒng)工程第4章矩陣數(shù)學(xué)表達(dá)：

各列元素值之和提供的信息，可以判斷相應(yīng)的物流是系統(tǒng)的輸入物流、輸出物流還是內(nèi)部物流：（1）總和為0，內(nèi)部物流或中間連結(jié)流—2，3，5（2）總和為+1，輸入物流—1（3）總和為-1時(shí)，輸出物流—4，6（4）總和為0，且+1在-1之前出現(xiàn)，循環(huán)物流—7

100-10-1018化工系統(tǒng)工程第4章3.鄰接矩陣（AdjacencyMatrix）鄰接矩陣是一個(gè)方陣，其中行和列的序號(hào)都代表單元的序號(hào)：行序號(hào)代表物流流出的單元，列序號(hào)代表物流流入的單元。矩陣中元素?cái)?shù)值的定義：有物流從單元i流向單元j無物流從單元i流向單元j19化工系統(tǒng)工程第4章

到單元ABCD由A單B元CD前面所示系統(tǒng)的鄰接矩陣為：矩陣數(shù)學(xué)表達(dá)：20化工系統(tǒng)工程第4章布爾(邏輯)矩陣：由0，1兩種元素構(gòu)成的矩陣鄰接矩陣比關(guān)聯(lián)矩陣簡單，但表示的信息也少這幾種矩陣都可描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但由于構(gòu)成方式不同，應(yīng)用場合也不同：Rp：系統(tǒng)順序計(jì)算時(shí)獲得物流和單元的信息RI和RA：進(jìn)行系統(tǒng)分解21化工系統(tǒng)工程第4章矩陣法小結(jié)：行號(hào)和列號(hào)矩陣中的元素22化工系統(tǒng)工程第4章現(xiàn)在，我們已經(jīng)有了單元過程的數(shù)學(xué)模型，也有了表示單元之間聯(lián)系的結(jié)構(gòu)模型。在實(shí)際應(yīng)用中，如何把二者結(jié)合在一起呢？用連接方程注意每一單元的進(jìn)出物流表達(dá)方式輸入物流輸出物流23化工系統(tǒng)工程第4章單元模型建立了和之間的關(guān)系，通過結(jié)構(gòu)模型，已知上一個(gè)單元的輸出是下一個(gè)單元的輸入，即：

這些方程稱為連接方程，把單元之間的關(guān)系表示出來，即可逐個(gè)求解這些單元模塊。連接方程通過結(jié)構(gòu)矩陣可在計(jì)算機(jī)內(nèi)自動(dòng)生成24化工系統(tǒng)工程第4章單元i，j之間的聯(lián)系：11223344556677889121091110121113i，j--------單元序號(hào)m，n------流股序號(hào)化工系統(tǒng)工程第4章單元設(shè)備的模型方程設(shè)計(jì)要求方程其它約束條件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型連接方程完整數(shù)學(xué)模型化工系統(tǒng)的完整數(shù)學(xué)模型26化工系統(tǒng)工程第4章三、化工系統(tǒng)模型示例例4-1：以前述化工系統(tǒng)流程為例：反應(yīng)器精餾塔1276534AB27化工系統(tǒng)工程第4章結(jié)構(gòu)單元圖為：

共涉及11個(gè)物流股

反應(yīng)器

精餾塔

混合器

分割器28化工系統(tǒng)工程第4章其中反應(yīng)器B、精餾塔C的設(shè)備參數(shù)以及進(jìn)料物流（）均為已知。混合器A沒有設(shè)備參數(shù)。現(xiàn)求一設(shè)計(jì)型問題：求流股分割器D的參數(shù)s，使精餾塔C的某一變量r滿足其設(shè)計(jì)規(guī)定值rspec（如塔頂產(chǎn)品濃度等）則，單元設(shè)備的模型為（1）（2）29化工系統(tǒng)工程第4章

（3）

（4）（5）（6）（7）30化工系統(tǒng)工程第4章物流連接方程為：（8）

（9）（10）（11）設(shè)計(jì)要求為：（12）由（1）式～（12）式組成的方程組，就是該設(shè)計(jì)型問題的全部系統(tǒng)模型方程例4-331化工系統(tǒng)工程第4章第二節(jié)化工系統(tǒng)的自由度式中，

ci為該單元第i股進(jìn)料的組份數(shù)；

n

為該單元進(jìn)料物流數(shù)；

d0

為該單元的設(shè)備參數(shù)單元過程的自由度為：32化工系統(tǒng)工程第4章c+21c+2c+2c+2c+2c+22(c+2)c+2混合器流股分割器對(duì)一個(gè)由混合器和流股分割器組成的系統(tǒng)進(jìn)行自由度分析。對(duì)混合器：d=3(c+2)-(c+2)=2(c+2)對(duì)流股分割器：d=3(c+2)-2(c+2)+1=c+2+13(c+2)+1系統(tǒng)的自由度：d=3(c+2)+1-(c+2)=2(c+2)+1c+2連接流股33化工系統(tǒng)工程第4章過程系統(tǒng)的自由度d(s)與單元過程的自由度d(u)的關(guān)系為：

對(duì)于一個(gè)單元，我們?cè)O(shè)1～q為連接物流，q+1～n為系統(tǒng)外部輸入的物流，則：34化工系統(tǒng)工程第4章對(duì)于由m個(gè)單元組成的系統(tǒng)，有：而連接物流就是重復(fù)流股變量

化工系統(tǒng)的自由度等于由外部進(jìn)入該體系物流的自由度加上系統(tǒng)的設(shè)備參數(shù)。如果把整個(gè)系統(tǒng)視為一個(gè)虛擬單元，那么其自由度的計(jì)算和單元操作的自由度一樣。35化工系統(tǒng)工程第4章冷卻器例4-2：下圖表示一個(gè)高壓反應(yīng)系統(tǒng)流程。含有少量B組份的原料氣A與循環(huán)流（以A為主）混合后，進(jìn)入反應(yīng)器，進(jìn)行反應(yīng)A→C。反應(yīng)器出口物流冷卻冷凝、經(jīng)過減壓閥后進(jìn)入閃蒸器。主產(chǎn)品C從閃蒸器底部流出。未反應(yīng)的A(及少量的B和C)由閃蒸器汽相出口排出至分割器經(jīng)分割器，閃蒸汽相部分排放，大部分循環(huán)到壓縮機(jī)，進(jìn)行壓縮后返回使用。假定冷卻器無壓降。36化工系統(tǒng)工程第4章1注意：冷卻水組分1；進(jìn)料組分2；其他物流組分3方框內(nèi)數(shù)字：單元方程數(shù)圓圈內(nèi)數(shù)字：設(shè)備參數(shù)數(shù)流線上的數(shù)字：物流自由度高壓反應(yīng)系統(tǒng)自由度分析示意圖冷卻器37化工系統(tǒng)工程第4章注意冷卻器的傳熱量作為設(shè)備參數(shù)，換熱面積和傳熱速率常數(shù)就不再為設(shè)備參數(shù)閃蒸單元實(shí)際上分成一個(gè)減壓閥操作和等壓閃蒸操作，所以設(shè)備參數(shù)只有1而不是238化工系統(tǒng)工程第4章根據(jù)自由度分析示意圖統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下：1輸出變量6439化工系統(tǒng)工程第4章

由上表統(tǒng)計(jì)結(jié)果，將該系統(tǒng)看作一個(gè)單元過程，則自由度d(s)為：

d(s)也可直接由前面的公式計(jì)算：d(s)=外部進(jìn)入系統(tǒng)物流自由度+設(shè)備參數(shù)=4+3+9=16這16個(gè)參數(shù)是：進(jìn)料

xA、F、TF、PF

冷卻器中冷卻水F，T，P反應(yīng)器的

ξj、

P、Q冷卻器換熱量Q壓縮機(jī)的

P、

減壓閥后壓力