第11章化工过程系统建模课件

第第1111章章 化工过程系统建模化工过程系统建模届赘鸽慑藐权坦集撵狱擎贮鲁袋钢浚篙旗成湛汝种雄鹿熙店糊秦选息蔬碰第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/20241工业过程的基本定律与建模方法工业过程的基本定律与建模方法11.1 连续性方程连续性方程11.2 能量方程能量方程11.3 传递方程传递方程11.4 化学反应动力学化学反应动力学11.5 过程微观动力学研究过程微观动力学研究11.6 过程宏观动力学的研究过程宏观动力学的研究11.7 流体力学过程的动态方程流体力学过程的动态方程11.8 过程数学模型的确定过程数学模型的确定研袖突座辕浇抚任辊廓汽营股懈蘑算袍胡沟官驻玖柱邹帘姑百拄肉镁骆悯第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/2024211.1 连续性方程连续性方程 总的连续性方程总的连续性方程 对于一个动态系统的质量守恒定律（质量平衡）可对于一个动态系统的质量守恒定律（质量平衡）可以表示如下：以表示如下：在系统工程中，在系统工程中，质量的变化率质量的变化率=进入该系统的进入该系统的质量质量流量流量-离开该系统的离开该系统的质量流量。质量流量。上上面面的的关关系系式式是是单单位位时时间间质质量量。对对于于一一个个系系统统只只有有一一个个总总的的连连续续方方程程。上上式式左左侧侧的的变变化化率率以以数数学学形形式式表表达达时时，可可以以用用导数导数 或偏导数或偏导数 来表示。来表示。孔咬诵钵艺巾纹娥万附鳞隙颤专渗竖害贩闻乒薛遭砷猩养混碌妈陷颁琵厉第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/20243例例11-1 下下图图11-1所所示示是是一一个个均均匀匀混混合合的的储储槽槽的的流流量量为为 其其密密度度为为 ，储储槽槽滞滞料料量量为为 ，它它的的密密度度因因均均匀匀混混合合与与流流出出的的密密度度相相同同，该该系系统统的的物物料料平衡方程。平衡方程。（11-1）图图11-1 均匀混合储槽均匀混合储槽耘沏各忱践媚栓墙墩逛神盲巧莲匡惋伞戏釜各漾靡酮蹭便泣豌亥孕撮谬仗第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/20244例例11-2 当当流流体体流流经经一一个个直直径径不不变变的的圆圆管管时时，如如图图11-2所所示。示。当当流流体体处处于于湍湍流流流流动动状状态态时时，取取管管道道长长 一一个个单单元元，并并假假设设无无径径向向速速度度及及密密度度梯梯度度，而而只只有有轴轴向向梯梯度度存存在在。因因此此，当当流流体体沿沿着着轴轴向向即即Z方方向向流流动动时时，速速度度与与密密度度将将有有变变化化，因因此此出出现现了了时间时间t及距离及距离Z两个变量，所以分别两个变量，所以分别 以及以及 表示。表示。图图11-2 流体流经一圆管流体流经一圆管 篙外涣肠娇意军嘉惧册鸿厨玩姐兹榴祝缉灸棱刃缮阎锁杠黎怨匪齐终澳臭第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/20245通过通过Z+dz 截面离开系统的质量流量截面离开系统的质量流量=+现取管截面为现取管截面为A，管段长为，管段长为 ，建立，建立质量平衡方程质量平衡方程：系统内质量的变化率系统内质量的变化率=通过通过Z截面进入系统的质量流量截面进入系统的质量流量=由此可得：由此可得：（11-2）英炭实逮济茶催朝鼻牧编斟羊胖莉朔羚蓬颐湖娜略飞锦天呢益掖颤秒嗽鞘第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/20246组份的连续性方程组份的连续性方程 在化学反应过程中与单纯物料进出时不同，不同组份的质量在化学反应过程中与单纯物料进出时不同，不同组份的质量并不是守恒的，在一个系统中发生了化学反应，如果对生成物来并不是守恒的，在一个系统中发生了化学反应，如果对生成物来说，则它的摩尔数将增加；而对于反应物来说，则反而减少。说，则它的摩尔数将增加；而对于反应物来说，则反而减少。系统中第系统中第j个组份摩尔数的变化率个组份摩尔数的变化率=（进入该系统的第进入该系统的第j个组份的个组份的摩尔数流量）摩尔数流量）-（离开该系统的第（离开该系统的第j个组份的摩尔数流量）个组份的摩尔数流量）+（由于化学反应第（由于化学反应第j个组份的摩尔数生成速率）个组份的摩尔数生成速率）（11-3）液液体体在在流流动动过过程程中中，具具有有体体积积流流动动和和分分子子扩扩散散的的对对流流作作用用。对对于于一一个个系系统统只只有有n个个独独立立的的连连续续方方程程式式（对对于于具具有有n个个组组份份而而言），通常选用总的质量平衡和（言），通常选用总的质量平衡和（n-1）个组份的连续方）个组份的连续方程式用于求解。程式用于求解。暑侥岛秽笛汹古徘泡屹姜锯涌熙游键选用锄紊酿侣苑纵哩氦它持萝渺钠线第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/20247例例11-3 如如图图11-3所所示示，在在连连续续搅搅拌拌的的储储槽槽内内进进行行化化学学反反应应，通通常常称称为为连连续续搅搅拌拌槽槽式式反反应应器器。组组份份A以以不不可可逆逆的的特特定速率定速率k形成一个产品组份形成一个产品组份B。图图11-3 连续搅拌反应槽连续搅拌反应槽 格系陌甲沂承伞限建蚂负获跃蕴蔓垣搽鼎麻逗梧抖迂运扬率正柳器汲吼傣第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/20248解解：设设进进入入反反应应槽槽组组份份A的的浓浓度度为为CA0，以以及及反反应应器器内内和和出出口口的的浓浓度度为为CA。若若是是简简单单的的一一级级反反应应，在在单单位位体体积积内内组组份份A的的消消耗耗率率将将与与槽槽内内A的的瞬瞬间间浓浓度度成成正正比比，列列出出有有关关项项，并并代代入入（11-3）式。式。流入系统的流入系统的A=F0CA0；(F0为进料量为进料量，V为反应体积为反应体积)流出系统的流出系统的A=FCA；由化学反应使由化学反应使A的生成率的生成率=-VkCA在反应器内在反应器内A的变化率的变化率=d(VCA)/dt合并后得：合并后得：（11-4）琵埋义分圆痹处捉刻溶耐锭径挠曼镑乒缩掸乾甚溺蒸邢正须雇捆信密皋殆第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/20249 上式为常微分方程，这是因为对于集中参数表示的系统，上式为常微分方程，这是因为对于集中参数表示的系统，t是仅有的独立变量。是仅有的独立变量。上式的左侧为动态项，右侧一、二项是对流项，右侧的第三上式的左侧为动态项，右侧一、二项是对流项，右侧的第三项为化学反应生成项。项为化学反应生成项。对对A与与B两组份形成的双元系数，两组份形成的双元系数，同样可以同样可以列出对列出对B组份的连续方程。组份的连续方程。（11-5）或者可以采用另一个总的连续方程来描述，因为，或者可以采用另一个总的连续方程来描述，因为，、及及 有单值关系。有单值关系。（11-6）式中：式中：-组份组份A的分子量；的分子量；-组份组份B的分子量。的分子量。冬醉晶房蚁鬃秩刺愧俏抖栓逸虫汽轧献穷喳刁衔枣秒磁唬复槽哮瘤板咨析第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202410例例11-4 如图如图11-3所示，假设这一化学反应是连续进行的连串反应所示，假设这一化学反应是连续进行的连串反应,设由设由A生成生成B的速率为的速率为 ，由，由B生成生成C的速率为的速率为 ，即，即对于组份对于组份A，B，C的连续方程按一级反应可表示如下：的连续方程按一级反应可表示如下：（11-7）渠心鸭剖愉酸践铅陪掠外毡限傀智永廷断租讫玛祭元尚贱泛壮肤草潜灾梦第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202411同样各组份与同样各组份与密度密度的关系为：的关系为：（11-8）于是，我们可以用（于是，我们可以用（11-7）式中的三组方程式，或者取（）式中的三组方程式，或者取（11-7）式中的式中的两组份平衡式两组份平衡式和和一个总的质量平衡式一个总的质量平衡式来表示。来表示。忻旨溪察锻锄举衡斌刷杠窖压晾杜臭火恼道痰优囱档奶眶担油撼鄙卵叔书第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202412 假设其反应为假设其反应为 的的 一级反应，在一级反应，在 一段内物料由一段内物料由A转转化为化为B，所以，所以 将下降，密度将下降，密度 、速度、速度 及浓度将随时间及浓度将随时间 及轴向位置及轴向位置 而变。而变。在此，在此，仍假设在径向上无速度和密度梯度。仍假设在径向上无速度和密度梯度。图图11-4 管道反应器管道反应器例例11-5 如果流体通过一个管道反应器，如图如果流体通过一个管道反应器，如图11-4所示。所示。坎视斥漆短殿捻扣忘蘸攻组强你哟女土殆讫库教疑绞舜憋吴吓帕佛骤讹轩第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202413并设反应器入口处（并设反应器入口处（=0时）时）A的浓度为的浓度为 ，在，在 处反应器流出物中处反应器流出物中A的浓度为的浓度为 ，以，以 段作段作组份组份A的连续方程式，的连续方程式，流入项流入项可以分为可以分为体积流量体积流量与与扩散扩散两项。由两项。由于轴向有于轴向有浓度差浓度差，因此就会产生扩散。虽然在一般情况下对实，因此就会产生扩散。虽然在一般情况下对实际系统影响很小，但是把它列写出来可以观察扩散对模型的影际系统影响很小，但是把它列写出来可以观察扩散对模型的影响。对于响。对于A的扩散流通是可以用的扩散流通是可以用 表示：表示：式中：式中：为为A的扩散流通（的扩散流通（）为扩散系数（为扩散系数（）为为A的浓度（的浓度（）（11-9）轧潮耸茶歉臻分颅删圣琉韭嘘豌臂南束牧拘馁巍从凌盾卷瘩惰魔慑决寺忘第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202414以以 微元作物料平衡：微元作物料平衡：在在 处进入系统处进入系统A的摩尔流量的摩尔流量=体积流量体积流量+扩散项扩散项=在在 处离开系统的摩尔流量处离开系统的摩尔流量=在系统内在系统内A的生成率的生成率=在系统内在系统内A随时间的变化随时间的变化=由以上得总的方程为：由以上得总的方程为：(11-10)整理后为：整理后为：淌锤铂檄惜菏晚驭痊酱倪剪潦疼蒂郧涵小肾歉饼搏忙筋呀蛔币娄炊汹腊妆第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/20241511.2 能量方程能量方程根据能量守恒定律得：根据能量守恒定律得：在系统内位能、在系统内位能、动能和内能的动能和内能的变化率变化率因因对流对流或或扩散扩散进入系统的位能、进入系统的位能、动能和内能动能和内能因因对流对流或或扩散扩散离开系统的位能、离开系统的位能、动能和内能动能和内能因因传导传导、辐射辐射及及反应反应加给系统的热加给系统的热系统对环境系统对环境所作的功所作的功（11-11）恶汾尊楞浓费堑棵大橡伎挎疏悠雏羊罪哲愉养迂冰晋脉烟挠井语率辗阿茸第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202416例例11-6 设连续搅拌槽式反应器中，加冷却盘管以移走反应热设连续搅拌槽式反应器中，加冷却盘管以移走反应热 （kcal/mol),放热时为负值，如图放热时为负值，如图11-5所示。所示。图图11-5 移走热量的连续搅拌反应槽移走热量的连续搅拌反应槽 由于反应所放出的热量与参与反应的由于反应所放出的热量与参与反应的A的的mol数成正比，即数成正比，即 QG=-VCAK（Kcal/h)，设被盘管移走的热量为，设被盘管移走的热量为-Q，航匿鸿门彬咒皇裤积栖录酿转端腺镇痔摔伶骚肢眯钒皮倍闸慢代朽桶趣人第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202417 设被盘管移走的热量为设被盘管移走的热量为-Q，进入系统有物料温度为，进入系统有物料温度为T0，反应，反应器温度为器温度为T，根据（，根据（11-11）式可得：）式可得：式中：式中：U内能（内能（kcal/kg);K动能动能(kcal/kg)位能位能(kcal/kg);W系系统对外作的功外作的功(kg.m/h)P系系统内的内的压力力(kg/m2);P0进料料压力力(kg/m2);J换算系数；算系数；密度。密度。（11-12）炸皖吐徽较事小暑怒涝述例芥圭巴蛮盲偏伶烩张竖借奠磅韧骚希淑谩从朋第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/20241811.3 传递方程传递方程 有关传递方程均以通量的形式（单位面积的传递率）来表有关传递方程均以通量的形式（单位面积的传递率）来表示，且与示，且与推动力推动力（温度、浓度或速度梯度）成比例，（温度、浓度或速度梯度）成比例，比例常数比例常数是系统的一个物理特性（如热导率、扩散系数或粘度）。是系统的一个物理特性（如热导率、扩散系数或粘度）。动量传递方程式动量传递方程式 动量传递方程式主要描述运动的规律。这里仅研究由于外动量传递方程式主要描述运动的规律。这里仅研究由于外部原因（部原因（重力、压力差、摩擦力等作用重力、压力差、摩擦力等作用）而引起的流体流动。）而引起的流体流动。（牛顿定律）（牛顿定律）（11-13）变议猎理雁群固首鞘瞳隐既褂拎汉乔央遮幽就渺慎乱铣臭类腥埃郎碰村浦第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202419 上式中上式中 -单位面积上一层流体对其相邻的一层作相对运单位面积上一层流体对其相邻的一层作相对运动时，分子间相互作用所产生的内摩擦力，也可以看成单位时动时，分子间相互作用所产生的内摩擦力，也可以看成单位时间、单位面积内由速度高的一层流体传递给速度低的一层流体间、单位面积内由速度高的一层流体传递给速度低的一层流体的动量。的动量。-y方向上的方向上的速度梯度速度梯度；-粘性系数粘性系数(简称粘度称粘度)。党浪扭说掣颧九帚畏敲姻壬硝柑阉块功虾蠢师复钦轩盛蔑恶恫痰渠受训寇第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202420 热量传递方程式热量传递方程式 热量传递的基本定律热量传递的基本定律-付立叶定律付立叶定律（11-14）上式中：上式中：-瞬时的热流量；瞬时的热流量；-温度梯度温度梯度；-导热系数。导热系数。当温度沿着单位法线长度下降当温度沿着单位法线长度下降1度时，单位时间内传过单位度时，单位时间内传过单位面积的热量。面积的热量。羽薪轻热埔遁讥蕊共住谎去街爽圣庚喧他疵离规慧抱釉绢枯鼓铰搁郑拔我第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202421 质量传递方程式质量传递方程式 质量传递的基本定律质量传递的基本定律-Fick-Fick定律定律（11-15）上式中：上式中：-组分组分A的瞬时传递量；的瞬时传递量；-浓度梯度浓度梯度，作为质量传递过程中的，作为质量传递过程中的推动力推动力；-分子的扩散系数。分子的扩散系数。急忻具舔纬握哈盎十物芍褪瓤吐琅乡卒捡挂垛匆婴乳炊袜掘亡渝聊违彰履第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/20242211.4 化学反应动力学化学反应动力学 化学反应动力学是研究化学反应速度及影响反应速度的条件化学反应动力学是研究化学反应速度及影响反应速度的条件的科学，影响化学反应速度的主要条件是：的科学，影响化学反应速度的主要条件是：温度、浓度、催温度、浓度、催化剂等。化剂等。作为提供反应器设计参数，通常保持催化剂不变，考察温度作为提供反应器设计参数，通常保持催化剂不变，考察温度和浓度对反应速度的影响，求取该反应的和浓度对反应速度的影响，求取该反应的宏观动力学方程式宏观动力学方程式。浓度的影响浓度的影响-质量作用定律质量作用定律 在恒温下，反应的速度服从质量作用定律，即在恒温下，反应的速度服从质量作用定律，即 A+B K D+E A+B K D+E反应速度：反应速度：（11-16）溃峭拾碑芝同算扬沸孺摈哀迂硫维午诚勺份谱傻俞疯变碰讶毋较靶迁捅撅第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202423 上式上式K为速度常数，它与反应物浓度无关为速度常数，它与反应物浓度无关,是是温度温度、反应反应物性质物性质、溶剂溶剂等的函数。等的函数。可逆反应：可逆反应：注：注：a,b,c,d 为反应级数，一般都是通过实验求得。为反应级数，一般都是通过实验求得。（11-17）平行反应：平行反应：积背彻稍闸错袄蝇其捡涣琢淡漆蔽烟薛来田苫航面扔锣任牛倚气纵柄塌奶第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202424（11-18）串行反应：串行反应：（11-19）遁蛀锗夸长屈腋乌术仓诸攘猛袱相瓤息弃菩往踌枕宰茬陨浑峪牧臂滤侣涨第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202425 然而，工业上进行的化学反应大部份是机制不够明确的然而，工业上进行的化学反应大部份是机制不够明确的复杂反应，只能通过试验求得复杂反应，只能通过试验求得反应速度和浓度的关系反应速度和浓度的关系，如：，如：（11-20）梁否隧悲惮卯与丽捞德宽硫玫扎奔落佑哭莱勃凯设撩路氛薄怪佰丫咎萤瘩第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202426温度的影响温度的影响-Arrhenius-Arrhenius方程式方程式 （11-21）式中：式中：K-为某一反应速率；为某一反应速率；-比例系数；比例系数；E-活化能；活化能；T-绝对温度；温度；R-理想气体常数。理想气体常数。注：注：这一指数温度关系在化工系统中为这一指数温度关系在化工系统中为最严重的非线性最严重的非线性关系之一关系之一疏毫篱亩郡止多拉梧瓮禾媒溺些掩妇瓣脆船焉察炔辱炉佣痰捷遣胡堰杖筷第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/20242711.5 过程微观动力学研究过程微观动力学研究 在在化化学学反反应应过过程程中中，相相互互作作用用是是在在反反应应物物的的分分子子水水平平上上实实现现的的，可可认认为为这这个个过过程程是是在在微微观观水水平平上上进进行行的的，所所以以，对对过过程程的的研研究究属属于于过过程程微微观观动动力力学学的的研研究究。也也就就是是在在实实验验装置上获取有关化学信息的过程。装置上获取有关化学信息的过程。封闭系统的动力学数据的测定：封闭系统的动力学数据的测定：浓度浓度C C的的变化速度变化速度是时间是时间t t的函数，即的函数，即（11-22）艳鼓奇避铱捞呀髓秽汾札琢拂喇话幂里钧抹钳阀尽宫禁骇竞戈羽属忿紧结第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202428浓度浓度C C的的变化速度变化速度是浓度的函数，即是浓度的函数，即浓度浓度C C是时间是时间t t的函数，即的函数，即注：注：动力学实验数据动力学实验数据一般分两步：一般分两步：先使温度固定不变，确定原先使温度固定不变，确定原 始物质浓度的变化；再求出反应速度常数随温度的变化。始物质浓度的变化；再求出反应速度常数随温度的变化。（11-23）（11-24）殃病皱旱偿李赛掸扑拥洗累中慧峪薪袜妒怖耙携繁茎广同丑艾榆臼笔鳞及第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/20242911.6 过程宏观动力学的研究过程宏观动力学的研究 从实验装置得到过程微观动力学的信息从实验装置得到过程微观动力学的信息（中间试验装置中间试验装置、较大的中间试验装置上较大的中间试验装置上）获取过程宏观动力学信息。）获取过程宏观动力学信息。宏观动力学是研究宏观动力学是研究大的分子团大的分子团、物流宏观质点物流宏观质点的相互作用。的相互作用。其主要任务是其主要任务是：求出和修正过程数学模型中的各个系数并确：求出和修正过程数学模型中的各个系数并确定模型的实用性。定模型的实用性。公殆嗅椎谅垒备滚回娱样毁嫌耻恢巢癣展栈应答赁谭谦樊恶驮蓟邢豆让镇第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202430 （1）用阶跃法、脉冲法和伪随机信号造成扰动（）用阶跃法、脉冲法和伪随机信号造成扰动（注入示踪注入示踪剂剂）来确定被研究对象的流体力学模型的结构：是）来确定被研究对象的流体力学模型的结构：是理想混合理想混合还是还是理想置换理想置换，采用，采用扩散模型扩散模型、槽列模型槽列模型或或组合模型组合模型。（2）研究各个传热工况参数的影响，修正传热条件和传热）研究各个传热工况参数的影响，修正传热条件和传热面积，分析稳定性。面积，分析稳定性。（3）研究对象对于不同扰动通道的动态性质，分析各参数）研究对象对于不同扰动通道的动态性质，分析各参数随时间变化的情况，提出随时间变化的情况，提出控制对象的方案控制对象的方案。（4）建立较完整的对象（过程）建立较完整的对象（过程）数学模型数学模型。（5）实现数学模型的）实现数学模型的最优化最优化，再现和修正最优工况。，再现和修正最优工况。中间试验装置的研究：中间试验装置的研究：旱孝箭筑祟漱幂釉正怜蓝粱宿了弟络灾肯镭写钒而泳媳荣桔针陇斡驾判谣第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202431y2非解析模型非解析模型（包括：专家知识集、（包括：专家知识集、模糊逻辑、人工神模糊逻辑、人工神经网络）经网络）生产过程(实际现场)解析模型解析模型（包括：微分方程、（包括：微分方程、传递函数、差分方程、脉冲传递函数、差分方程、脉冲传递函数、线性方程以及传递函数、线性方程以及非线性方程等）非线性方程等）uyy1e1e2图图11-6 建模示意图建模示意图觉厨古德贩指惭磕液岩碱勋绰汪函枢滑掐格盏命玲械指跌虾世陀昌恤史尝第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202432模型简化模型简化：模型Auttyyayb模型Butty图图11-7 模型简化模型简化平争制盯杰怖慨霍客土科胞劲苑堡品由匆氦荤舞栅磺而锁牟面杀积迄明谆第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202433ynyttr图图11-8 控制器参数导优控制器参数导优参数寻优：参数寻优：控制器控制对象（过程）rye计算机计算机稠龙伴陕服欺曼他引弄琶童销够侣吼羡痔状曾籍靶盯司假诚矿毋郴锭帕语第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/20243411.7 流体力学过程的动态方程流体力学过程的动态方程(流体力学的基本方程式流体力学的基本方程式)流体力学过程动态方程的列写，是从三个基本方程出发，流体力学过程动态方程的列写，是从三个基本方程出发，它们是：它们是：连续性方程连续性方程、运动方程运动方程和和能量方程能量方程。1）连续性方程）连续性方程 连续性方程表明流体流动过程中的连续性方程表明流体流动过程中的物料的平衡关系物料的平衡关系。设在流体流束中取介于截面设在流体流束中取介于截面1-1与与11-2之间，其长度为无限小之间，其长度为无限小dz的微元，的微元，如下图所示。如下图所示。dz1122图11-9 流体微元 弯佯暗踪弛吓痉族棍竹洪脉腋库诧窥罕问佛哗人黎趁斤荒雄浚汽壶族鸦欠第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202435 依据物料平衡关系，单位时间内流入微元的质量与离开微依据物料平衡关系，单位时间内流入微元的质量与离开微元的质量差等于微元内蓄存量的变化率：元的质量差等于微元内蓄存量的变化率：移项后，得移项后，得（11-25）上式中：上式中：桂党略瞧若鬼俱严栽类伴嵌褥犯乙豪也欧巩炬先滋乡仍聪一阴杆乎沁纠弄第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202436上面上面(11-25)式为式为一维非平稳渐变流的连续性方程一维非平稳渐变流的连续性方程。若用平均。若用平均流速流速V来表示，则流速与流量的关系是：来表示，则流速与流量的关系是：（11-26）那么，那么，(11-25)式可写成：式可写成：（11-27）式式(11-26)和和(11-27)是一般情况下的连续性方程是一般情况下的连续性方程。对于各种特定。对于各种特定情况，可化为其它形式，如：情况，可化为其它形式，如：甚直敦鸿粪迂烯榴份得庶蔓吱掷沏克郁阴鲜垦躬闯佰吮洛落繁吝笼俯撒吠第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202437 截面积不变的情况截面积不变的情况由(11-27)式可得（11-28）不随距离而变的情况不随距离而变的情况由于，那么由由于，那么由(11-27)式可得式可得（11-29）皇挑乖茶很凑液掷快语灌恒虏马辜永咱灾噪睁抒抡搀席彬隧泵冠贰隶掣柠第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202438 流体不可压缩的情况流体不可压缩的情况此时，由(11-27)可得（11-29）稳态情况稳态情况对于平稳流来说，由(11-25)式可得（11-30）（11-31）完史九临尹兑搞勺烤厦颧挥烤旷爵讶沸泻刚休俩支蜂客攫书炉洁矛窑仔裹第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202439也就是说，在稳定流动情况下，沿着长度也就是说，在稳定流动情况下，沿着长度z没有变化，没有变化，即即如果流体不可压缩，则如果流体不可压缩，则电戒用撅漠找炊竭憎叛恭郑董烯惕述尹帐苦渠庙壕诡乒铣揣奏艇辖崎腔垫第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/2024402）运动方程）运动方程 运动方程是流体力学过程运动方程是流体力学过程力平衡关系的微分表达形式力平衡关系的微分表达形式。对。对于下面图中所示的微元，讨论于下面图中所示的微元，讨论压力压力、重力重力、摩擦力摩擦力和和惯性力惯性力之间的平衡关系。之间的平衡关系。0图图11-10 流体微元的示意图流体微元的示意图芒十减悍接比休峡且夹勺原柜狮错莱搜械肚拄泽吞丝寒姆乏踪戴从运共涤第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202441应用于牛顿第二定律，可以得到应用于牛顿第二定律，可以得到或写成：或写成：（11-32）上式中：上式中：答突炎栋侨氰咽脉切企让弗栗蹿眯慑纬筋驱槛玻谜绷策场益裙澡舍淫谜狮第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202442由于流速由于流速v是距离是距离z和时间和时间t的函数，即的函数，即v=v(z,t)，因此上式可写成，因此上式可写成（11-33）将将(11-32)式代入式代入(11-33)式，可得式，可得（11-34）由图11-10可知：像稗窜节忿匈愚皑惺畔甚聪回孵茨列酒喜饺扑烁汽戮引穗搐氨馏脱狙辽捻第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202443所以(11-34)式可以写成：（11-35）式式(11-34)和和(11-35)都是一般情况下的运动方程。都是一般情况下的运动方程。当忽略摩擦力的影响，当忽略摩擦力的影响，即即FR=0，则有，则有（11-36）对于稳定情况下对于稳定情况下，所以上式可写成（11-37）讣刮翼颓莹衅疆秉痰妇呵帽瞩令播案玩委材打层儿荆刨缕洗覆烹效柠诀撅第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202444 又因在稳定情况下，又因在稳定情况下，P和和v都仅是都仅是z的函数，没有其它的自变量，的函数，没有其它的自变量，所以所以 可写成可写成 ，即，即 （11-38）(11-38)式是平稳流的运动方程式式是平稳流的运动方程式3）能量方程）能量方程 能量方程表达了能量方程表达了流体过程中的能量平衡关系流体过程中的能量平衡关系。能量方程可。能量方程可以按能量的平衡关系直接推导，也可以由运动方程积分得出。以按能量的平衡关系直接推导，也可以由运动方程积分得出。对于没有摩擦、不可压缩的平稳流，把式对于没有摩擦、不可压缩的平稳流，把式(11-38)积分后得到：积分后得到：（11-39）舱授眶永绰赫河喧攫睫红闭伏健爷铆究屿绝缸乃打轧藕赫且柒聘弄狼捧满第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202445每项除以每项除以g，并引入重度，并引入重度 （11-40）上式是著名的柏努利方程，上式是著名的柏努利方程，式中每一项都具有明确的物理意义。式中每一项都具有明确的物理意义。各个截面上速度头、压头和位头之和为定值。各个截面上速度头、压头和位头之和为定值。噎给省鞘砷鹅税沙困途汽妻污汉撵辟庄半馅裙织造崎泼露资动况圃筏涂枕第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/20244611.8 过程数学模型的确定过程数学模型的确定（1）分布函数）分布函数 任何有任何有液体和气体液体和气体移动的化工过程的数学模型，其结构首移动的化工过程的数学模型，其结构首先是由流体力学参数决定的，并表现出物流质点在所研究先是由流体力学参数决定的，并表现出物流质点在所研究的系统中停留时间的分布性质。的系统中停留时间的分布性质。这种分布的性质服从这种分布的性质服从统计规律统计规律，可根据通过系统的信号形，可根据通过系统的信号形式求得。在系统的输入端以式求得。在系统的输入端以阶跃阶跃、脉冲脉冲或或谐振扰动谐振扰动的形式注的形式注入示踪剂。入示踪剂。驮杏娥漓峦角茶待馋谢兄溜惟狗林呸辅病症汾斜搬旋异脸诸霓庄待围劝觉第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202447引入脉冲扰动时，示踪剂的统计分布函数（引入脉冲扰动时，示踪剂的统计分布函数（C曲线）可写成：曲线）可写成：(11-41)停留时间分布函数停留时间分布函数 表示在输出物流中，在小于表示在输出物流中，在小于 时间内示踪剂在系统中出现的分布速率。时间内示踪剂在系统中出现的分布速率。平均停留时间平均停留时间 可由下式确定：可由下式确定：(11-42)轴伏霜哎坛螺畦瓣股细倾嫡出渣宫稗蝎彤象绰恩纯嘎壤座巡粳挤跑娱乏胸第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202448分布函数分布函数 可表示为：可表示为：上式中：上式中：-入口处的初始浓度。(11-43)无量纲的停留时间为：无量纲的停留时间为：(11-44)平均停留时间已知时，平均停留时间已知时，C曲线可用下面方程表示：曲线可用下面方程表示：(11-45)缝阉彬桌际侧阮惧贾追豁会形钳卓东囱灯女极姿峪臂射化论舱寄沫稍猴钧第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202449阶跃扰动阶跃扰动和和脉冲扰动脉冲扰动时的分布函数之间的联系为：时的分布函数之间的联系为：(11-46)由于由于 值表示输出物流中年龄为值表示输出物流中年龄为 物质的分布率物质的分布率，将此数乘以停留在年龄为，将此数乘以停留在年龄为 的物流单元中的物质浓度的物流单元中的物质浓度 ，即可确定离开实际设备的物质平均浓度为：，即可确定离开实际设备的物质平均浓度为：(11-47)畸譬塌钒后喉樟刹洋羽佑苍哥优蔫询傣施闭笨纸静嘉涟盟伺盅虫裕御岔氏第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202450例例11-7 确定设备的数学模型时，由于引入确定设备的数学模型时，由于引入函数形式的扰动函数形式的扰动（脉脉冲冲式式注注入入示示踪踪剂剂），在在设设备备输输出出端端得得出出下下列列示示踪踪剂剂浓浓度度的数值：的数值：表表11-1时间时间(min)05101520253035示踪剂浓度示踪剂浓度(g/m3,液体液体)03554210试作示踪剂分布曲线。试作示踪剂分布曲线。绘战庭阵果瓦雨志疆寡脉工猎秽光拼想大呛兼歌殆娱谁掉练要寂孽也喂试第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202451解：解：由方程（由方程（11-43）确定分布函数）确定分布函数 。为此，先求出采样。为此，先求出采样 时间间隔时间间隔分布函数分布函数 随时间的值列于表随时间的值列于表11-2。(min)051015202530(min)00.03 0.05 0.05 0.04 0.020.01表表11-2酪耀施艇研会霞多询爬壕结娩踞垃蛀凑怕迂陇睹烂汹堑筒节叹哗烦腮踏殊第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202452 为了求出函数为了求出函数C，将时间变成无量纲形式，将时间变成无量纲形式，把，把C()C()变成变成C C的形式。为此，按方程（的形式。为此，按方程（11-4211-42）、（）、（11-4311-43）求出在设备的平）求出在设备的平均停留时间。均停留时间。由方程（由方程（11-44）求出无量纲时间）求出无量纲时间由此，根据方程（由此，根据方程（11-45）可得）可得爬欠坞瞎诵孵喳殷弹盏厦闺皇垛忠棘蹄盐绷满括源蹬贩肩姓呈园酬纸扫话第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202453图图11-11 示踪剂分布曲线示踪剂分布曲线 01/32/314/35/32C00.450.750.750.600.30.15豹挞苏导言幼厄逛间鹰彩焚婿罚施寒沈党先螟记徘裳皮席闪在临元逢揩辱第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202454上式表示，如果函数上式表示，如果函数 描述某个系统随时间的行为，则它描述某个系统随时间的行为，则它可用复数变量可用复数变量 的相应函数的相应函数F(s)代替。代替。（2）频率特性）频率特性 频率特性频率特性是通过以一定的频率（通常为是通过以一定的频率（通常为正弦信号正弦信号）往设备）往设备中中周期性地周期性地注入示踪剂而获得的，此时，在输入和输出端上注入示踪剂而获得的，此时，在输入和输出端上得到得到振幅振幅和和相位相位都不同的正弦信号。都不同的正弦信号。应用拉普拉斯算子法，频率分析可将时间函数变换成频率应用拉普拉斯算子法，频率分析可将时间函数变换成频率函数。拉普拉斯算子定义为：函数。拉普拉斯算子定义为：(11-48)乏凡磁殃塔秀沥属锅慷惕焙相扛刊祭翔报浮带裕耀纱庭川测甩寥摈克渍恳第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202455 称为称为原函数原函数，称为称为象函数象函数，其关系为：，其关系为：(11-49)拉普拉斯逆变换可表示为：拉普拉斯逆变换可表示为：(11-50)通过上式的关系，从通过上式的关系，从 就可求出就可求出 。逆变换的简单表。逆变换的简单表示为：示为：(11-51)释脏自朔兴坚喻韶樟稻篡涉价不冗站闪怜讥灿宽痈烷奴混霓篓隶寻灸那莎第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202456 若将输出时间函数进行拉普拉斯变换并除以输入函数的若将输出时间函数进行拉普拉斯变换并除以输入函数的拉普拉斯变换，则得到拉普拉斯变换，则得到传递函数传递函数：(11-52)上式中：上式中：是输出、输入的是输出、输入的振幅比振幅比；是输出信号相对于是输出信号相对于输入信号的输入信号的相位差相位差。在在较宽的频率范围较宽的频率范围内作传递函数，可得出频率特性图，然后内作传递函数，可得出频率特性图，然后与典型的反应器模型的已知频率特性进行比较，不同的模型与典型的反应器模型的已知频率特性进行比较，不同的模型结合起来就可以对实际设备的结合起来就可以对实际设备的传递函数作出估计传递函数作出估计。摹痹梦货回曰推霸锄绊痘以云辑肃褒锋玩厅呻内倔懂际俄蛔理锥迪嫂动港第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202457 例例11-8 以一级反应的带搅拌器的流通设备为例讨论传递函数以一级反应的带搅拌器的流通设备为例讨论传递函数的求法。的求法。解：设解：设 是体积流量；是体积流量；为输入；为输入；为输出；为输出；k为反应速度为反应速度 常数；常数；V为设备的容积；为设备的容积；为时间。为时间。根据物料平衡，有：根据物料平衡，有：(11-53)进行拉氏变换后，得进行拉氏变换后，得(11-54)气逮使勋即荚渣块臭烛渴敲臀堑接陕犁级本熙装撼乃奖打昂防宫炬翰速侮第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202458输出和输入之比为输出和输入之比为：(11-55)引入时间常数引入时间常数 ，则有，则有或写成或写成：(11-56)(11-57)迄蛋石烷揣哟纺壹度赐琶阀牟咏藏概劳芍及柠捣东陇拯欲惫眉钩围饰荷桃第11章化工过程系统建模第11章化工过程系统建模7/12/202459写在最后写在最后成功的基成功的基础在于好的学在于好的学习习惯The foundation of success lies in good habits60谢谢大家荣幸这一路，与你同行ItS An Honor To Walk With You All The Way讲师：XXXXXX XX年XX月XX日