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第七章第七章 化工过程的模拟与分析化工过程的模拟与分析 7.1 化工过程设计、化工过程模拟分析、化工技术经济三者之间相互关系化工过程设计、化工过程模拟分析、化工技术经济三者之间相互关系化工工艺设计的内容与步骤化工工艺设计的内容与步骤第一步：流程组织（过程合成）第二步：物料衡算及热量衡算第三步：设备设计及选型第四步：PFD图及PID图的设计与绘制第五步：流程的平立面布置设计及配管设计第六步：主要材料表及概（预）算（工艺部分）第七步：对流程的技术经济分析第八步：编写工艺设计说明书内循环优化内循环优化外循环优化外循环优化内循环优化：内循环优化：在流程结构不变的前提下，通过修改、调整流程内部的部分设备参数和操作参数，来对流程进行优化设计。外循环优化：外循环优化：在内循环优化不能满足优化目标的情况下，重新做流程组织，对流程结构进行改头换面的大变动，而达到对流程进行优化设计的目的。内循环优化经常用于老流程的改造，并对实验室研究开发有指导意义。内循环优化经常用于老流程的改造，并对实验室研究开发有指导意义。外循环优化经常用于新厂设计时，对多个流程方案进行分析比较。外循环优化经常用于新厂设计时，对多个流程方案进行分析比较。二层循环优化设计，工作量巨大，手工设计很难完成，只有靠计算二层循环优化设计，工作量巨大，手工设计很难完成，只有靠计算机辅助设计。机辅助设计。设计任务书提出设计任务流程组织（过程合成）工艺流程草图将流程结构输入计算机系统将已知参数输入计算机系统MB、HB计算设备设计及选型PFD与PID图的设计与绘制平立面布置与配管设计材料表及工程概（预）算流程的技术经济分析设备参数、操作参数的优化调整流程结构优化调整内循环优化外循环优化现代计算机辅助化工过程设计与模拟运行示意图现代计算机辅助化工过程设计与模拟运行示意图综合阶段设计阶段优化阶段一个实际运行的一个实际运行的化工项目化工项目或或它建成运行前它建成运行前的设计资料的设计资料首先，从其中提取出来其项目投资、产品成本、销售收入、税金、利润等基基本经济数据。本经济数据。然后，针对这些基本经济数据，用技术经济的观点归纳、分析出其技术经济指标技术经济指标（投资利润率、投资还本期等）。最后，判断其经济经济合理性合理性。化工过程设计与化工项目经济分析之间的关系化工过程设计与化工项目经济分析之间的关系在实际化工过程设计工作中，设计、经济、模拟三者之间关系：在实际化工过程设计工作中，设计、经济、模拟三者之间关系：、设计出一个较好的流程是化工过程设计的最终目的；、经济分析与评价是挑选和判断流程优劣的依据；、计算机辅助化工过程设计与模拟是设计的有力手段；7.2 化工过程（系统）模拟的一些基本概念化工过程（系统）模拟的一些基本概念一、化工系统一、化工系统 为了实现一定目的，由若干相互联系、彼此影响的化工单元设备组成的一个流程，称为一个化工系统。、化工系统，实质就是化工过程设计或化工系统模拟处理的对象，就是过程合成（流程组织）得到的流程图。、化工系统根据设计或模拟的目的不同，化工系统可大可小；、一个大的化工系统可以分成若干个子系统。二、化工系统的工况特性及化工系统分析二、化工系统的工况特性及化工系统分析化工系统的外界：化工系统范围以外的一切事物。有意义的化工系统，决不会是与外界隔绝的孤立系统，它与外界有物物料流、能量流、信息流料流、能量流、信息流的输入与输出。化工流程的特性参数流程的单元结构参数单元的种类、数量单元之间位置关系流股走向关键单元设备的特性参数关键工艺工段的操作参数化工系统特性由系统（流程）的特性参数所决定：化工系统特性由系统（流程）的特性参数所决定：化工系统（系统特性）输入输出化工系统工况特性：化工系统工况特性：一个化工系统一个化工系统“输入系统特性输出输入系统特性输出”之间的规律性联系。之间的规律性联系。化工系统分析：化工系统分析：在一个化工系统的特性已知的前提下，给定其输入，预测分析其在一个化工系统的特性已知的前提下，给定其输入，预测分析其输出，这一分析过程称为化工系统分析。输出，这一分析过程称为化工系统分析。三、模拟（仿真，三、模拟（仿真，Simulation）模拟物理模拟数学模拟物理模拟：物理模拟：用真实的物理试验手段研究某个化工过程；数学模拟：数学模拟：不用真实的物理试验，而是列出过程的数学模型，然后用计算机 手段对此模型进行求解与分析，从而达到对某个化工过程进行研究 的目的；数学模拟：成本低灵活性大可靠性相对较低物理模拟：成本高灵活性小可靠性相对较高注意：化工过程的模拟经常采用数学模拟与物理模拟相结合的方式进行。注意：化工过程的模拟经常采用数学模拟与物理模拟相结合的方式进行。化工过程（系统）模拟：化工过程（系统）模拟：将描述某个化工过程的数学模型编成计算机软件，将模型参数（系统的特性参数）也输入计算机模拟软件，然后计算机模拟软件根据输入信息，自动调用也编成了计算机软件的模型求解方法，从而对化工过程进行分析，给出模拟计算的输出结果。化工系统（过程）模型（计算机程序软件）模型参数（系统特性参数）输入求解方法软件程序输出模拟是进行化工系统分析的有力手段。注意：模拟是正向运行的。即已知系统模型及特性，从输入预测分析其输出。注意：模拟是正向运行的。即已知系统模型及特性，从输入预测分析其输出。化工过程模拟稳态模拟非稳态模拟（动态模拟）四、模拟型问题和设计型问题四、模拟型问题和设计型问题按照化工过程（系统）模拟的定义，模拟是正向进行的，即：化工系统（过程）（系统特性）输入输出 然而，在实际化工过程设计时，经常遇到过程的部分输出数值是设计要求已知的，反过来去求满足这些输出要求的输入值。这就是所谓的设计型问题。也就是说，设计型问题是，根据已知的部分输出及化工系统（过程）特性，去寻求足够满足输出要求所对应的输入条件。现有的模拟软件包只能直接用于解决模拟型问题。将现有模拟软件用于设计型问题的方法有二个：、正向试差模拟计算；、将输出规定改写成模型求解的约束条件方程；7.3 化工系统（过程）的数学模型化工系统（过程）的数学模型一、化工过程（系统）数学模型的种类一、化工过程（系统）数学模型的种类化工（过程）系统输入输出化工（过程）系统数学模型的实质：化工（过程）系统数学模型的实质：主要根据化工过程“三传一反”以及MB、HB衡算原理，将化工系统输入变量、输出变量、单元变量三者之间用数学关系有机地联系在一起，而形成的数学方程或方程组。数学模型的种类理论模型半经验半理论模型经验模型理论模型：理论模型：在严格理论分析基础上建立起来的数学模型，模型中的所有系数（参数）都由理论推导出来。这类模型可靠性最强，但在化工领域出现的几率很小。半经验半理论模型（灰箱模型）：半经验半理论模型（灰箱模型）：这类模型的建立，即有理论分析作基础，又有试验数据和经验的支撑，是化工领域最常见的数学模型。具有很高的实用价值。这类模型的框架一般靠理论分析建立，模型中的参数一般靠试验和经验确定。在一定使用条件下可靠性较强。经验模型（黑箱模型）：经验模型（黑箱模型）：是纯经验模型。一般出现在对系统机理一点不掌握，只能通过试验获得其输入输出之间的对应关系。这类模型在模型试验范围内可靠性较好，但超过试验范围的外推性较差。这类模型在化工领域出现的几率也很小。二、化工过程（系统）模型方程的形式二、化工过程（系统）模型方程的形式化工系统（过程）模型方程的形式方程的形式决定于：、稳态还是动态过程决定时间变量是否引入？、是集总参数模型还是分布参数模型决定空间坐标变量是否引入？对稳态集总参数模型其方程形式必然是代数方程（组）对动态集总参数模型其方程形式是以时间为变量的常微分方程（组）对稳态分布参数模型其方程形式是以空间为变量的常微分方程（组）或偏微分方程组对动态分布参数模型其方程形式是以时间和空间为变量的偏微分方程组三、半经验半理论数学模型的建立三、半经验半理论数学模型的建立半经验半理论模型的建立一般分二步进行：第一步：模型识别（确定模型的骨架（框架）形式）第一步：模型识别（确定模型的骨架（框架）形式）依据：“三传一反”、MB、HB等，以及试验观察到的现象。第二步：模型参数估计（估值）第二步：模型参数估计（估值）依据：试验数据代入模型中，用数值方法进行处理。例如：针对ABC，要建立其反应动力学模型iAAAdCrkCdt首先，确定动力学方程框架：然后，确定以上动力学方程模型中的参数（k、i）：设计试验，得到CAt的对应数据，再用最小二乘法、单纯形法、Powell共轭法等数值方法完成模型参数估值。例如：谷氨酸发酵过程的数学模型X菌体浓度；P产物（谷氨酸）浓度；S基质（葡萄糖）浓度；CO2排气CO2浓度。212dXk Xk Xdt354k SdPdXXkdtkSdt678dSdXdPkkkdtdtdt2910dCOdXkk XdtdttXPSCO2.7.4 化工单元模型及模拟分析化工单元模型及模拟分析一、换热器模型及其模拟分析一、换热器模型及其模拟分析换热器换热器高温苯蒸汽F2、t2冷水热水F3、t3F4、t4F1、t1低温苯蒸汽目的：回收高温苯蒸汽的热量。要求：列出该换热系统的通用模型。1、通用模型、通用模型mQAU t112()()pQFctt苯1434()()FFppcc12水苯（t-t）=（t-t）24132413()()tlnmtttttttt换热器换热器高温苯蒸汽F2、t2冷水热水F3、t3F4、t4F1、t1低温苯蒸汽2134FFFF其中：U（总传热系数）、cp（苯）、cp（水）为常数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变量：Q、A、tm、F1、F2、F3、F4、t1、t2、t3、t4 共共11个个方程：共六个共六个通用模型的自由度：1165、手工计算时的自由度分析变量：F1、F4、t1、t2、t3、t4 共六个共六个方程：共一个共一个手工计算时的自由度：615二者是可以统一起来的。二者是可以统一起来的。3、系统的模拟型问题、系统的模拟型问题模拟型问题：已知系统特性，根据已知输入，来计算输出。换热器换热器高温苯蒸汽F2、t2冷水热水F3、t3F4、t4F1、t1低温苯蒸汽已知：A、F1、F4、t1、t4计算求解：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，模拟型问题能解决。，因此，模拟型问题能解决。4、系统的部分设计型问题、系统的部分设计型问题换热器换热器高温苯蒸汽F2、t2冷水热水F3、t3F4、t4F1、t1低温苯蒸汽、如果要求t2已知（苯蒸汽出口温度限制），并已知输入F1、t1、F4、t4。反过来求系统特性A和其它未知输出F3、t3、F2、Q、tm、如果要求t3已知（热水出口温度已知），并已知输入F1、t1、F4、t4。反过来求系统特性A和其它未知输出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 问题：设计型问题一共有多少组可能情况？问题：设计型问题一共有多少组可能情况？表面上，从11个模型变量集中，挑选5个变量（自由度要求）作为设计变量组，就可以解出其它未知的6个变量。可能共有：511C但有两个问题值得注意：tm一般不可能作为设计变量；挑选出来的设计变量不能使模型方程失出独立性（使方程恒等）；实际上从变量集：Q、A、F1、F4、t1、t2、t3、t4 共共8个中挑选个中挑选5个变量作为设计变量组。就缩小了选择范围。但仍然要注意个变量作为设计变量组。就缩小了选择范围。但仍然要注意以上两个问题中的第二个问题。以上两个问题中的第二个问题。二、连续非绝热平衡闪蒸的系统模型及其模拟分析二、连续非绝热平衡闪蒸的系统模型及其模拟分析P，TFFFHTPzF,vHTPyV,LHTPxL,dtdQ非绝热平衡闪蒸单元操作示意图非绝热平衡闪蒸单元操作示意图其中，xyz,分别是进料、气相出料、液相出料流股的组成向量，均含有C种组份。1、通用模型、通用模型P，TFFFHTPzF,vHTPyV,LHTPxL,dtdQiiiVyLxFzVLF1-c,.2,1,i 其中，MBLVFLHVHdtdQFHHB),(),(),(xTPHHyTPHHzTPHHLLVVFFFF),(yxTPkkiic,.2,1,i 为组份的相平衡系数，ik物性数据关联方程）（相平衡方程：cixkyiii,.,2,1 iiiVyLxFzVLF1-c,.2,1,i 其中，MBLVFLHVHdtdQFHHB),(),(),(xTPHHyTPHHzTPHHLLVVFFFF),(yxTPkkiic,.2,1,i 为组份的相平衡系数，ik物性数据关联方程）（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(),1,.,2,1(),.,2,1(,cizciycixcikdtdQTPTPHHHFVLiiiiFFFVL变量：共共4c8个个方程数：c1c3c3c4个个通用模型的自由度：4c8（3c4）c4、手工计算时的自由度分析)1,.,2,1(),1,.,2,1(),1,.,2,1(,cizciycixdtdQTPTPFVLiiiFF变量：共共3c5个个方程数：c1c2c1个个通用模型的自由度：3c5（2c1）c4iiiVyLxFzVLF1-c,.2,1,i 其中，MBLVFLHVHdtdQFHHB),(),(),(xTPHHyTPHHzTPHHLLVVFFFF),(yxTPkkiic,.2,1,i 为组份的相平衡系数，ik物性数据方程）（相平衡方程：cixkyiii,.,2,1 P，TFFFHTPzF,vHTPyV,LHTPxL,dtdQ3、系统模拟分析时设计变量的选择、系统模拟分析时设计变量的选择 系统模型的自由度是C4，所以无论是模拟型问题还是设计型问题，必须先从总变量系列中已知C4个变量，才能唯一正确的对模型进行求解。表面上看，共有：484CCC种挑选设计变量组的情况。但其中，有大量设计变量组挑选组合是不成立的。例如：、F、L、PF、TF、Zi（i1,2,C）、F、V、TF、HV、yi（i1,2,C）、F、V、TF、PF、Ki（i1,2,C）为了保证挑选出来的设计变量相互独立，一般采取从手工计算的独立变为了保证挑选出来的设计变量相互独立，一般采取从手工计算的独立变量中进行挑选的原则。量中进行挑选的原则。453CCC挑选原则之一 即使在手工计算变量中来挑选设计变量组，仍然要注意挑选出来的变量之即使在手工计算变量中来挑选设计变量组，仍然要注意挑选出来的变量之间不要使模型方程变为恒等式。间不要使模型方程变为恒等式。挑选原则之二以下几组设计变量在模拟或设计时是可能、可行的情况：P，TFFFHTPzF,vHTPyV,LHTPxL,dtdQ;,),1,.,2,1(,TPcizTPFiFF;,),1,.,2,1(,dtdQPcizTPFiFF;,),1,.,2,1(,TVcizTPFiFF;,),1,.,2,1(,PLVcizTPiFF;,),1,.,2,1(,TPciyTPFiFF
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