化工過程分析與合成

1、化工過程分析與合成化工過程分析與合成第二章第二章 化工系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模擬與分析化工系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模擬與分析Ch2 simulation and analysis of chemical process system Ch2 simulation and analysis of chemical process system in steady statein steady state化工系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模擬與分析化工系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模擬與分析2.1 過程系統(tǒng)模擬的三種基本方法2.2 過程系統(tǒng)模擬的序貫模塊法2.3 過程系統(tǒng)模擬的面向方程法2.4 過程系統(tǒng)模擬的聯(lián)立模塊法2.5 氨合成工藝流程的模擬與分析化工系統(tǒng)的

2、穩(wěn)態(tài)模擬與分析化工系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模擬與分析關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：化工系統(tǒng)、穩(wěn)態(tài)、模擬、分析重重 點：點：發(fā)酵液的分離問題發(fā)酵液的分離問題多效蒸發(fā)器發(fā)酵液水乙醇廢液水乙醇廢液水乙醇產(chǎn)品水乙醇 發(fā)酵液流率發(fā)酵液流率=50 kg/min，其中含，其中含97%(wt)的水和的水和3%(wt)的乙醇。的乙醇。 建立蒸發(fā)器的模型：建立蒸發(fā)器的模型：計算產(chǎn)品和廢液的總流率，同時計算產(chǎn)品和廢液中水和乙醇的流率平衡閃蒸單元模型平衡閃蒸單元模型321FFF332211FHFHQFH32Kxx 332211xFxFxF物物料料衡衡算算關(guān)關(guān)系系 組組分分衡衡算算關(guān)關(guān)系系 熱熱量量衡衡算算關(guān)關(guān)系系 相平衡關(guān)系相平衡關(guān)系 例例2

3、將上例中加入如下要求， 必須使乙醇回收率達到必須使乙醇回收率達到99%，另外，產(chǎn)品，另外，產(chǎn)品中必須含中必須含50%的乙醇的乙醇。計算產(chǎn)品和廢液的總流率，同時計算產(chǎn)品和廢液中水和乙醇的流率例例3 要求進一步提高產(chǎn)品中的乙醇含量，達到90%Flash 1Flash 2Flash 312345678例例4 再進一步要求乙醇的回收率也必須達到90%，即，對廢液中乙醇的濃度提出了要求Flash 1Flash 2Flash 312345768例例5 乙醇在反應器中通過發(fā)酵而得到，在這個理想流程中，通過發(fā)酵可以將2kg的谷物轉(zhuǎn)化為1kg 水和1kg乙醇進料流率為100kg/min ,含谷物20%(wt),

4、水 80% (wt)。反應器效率為0.25發(fā)酵產(chǎn)物經(jīng)過濾后，在漿液中，每10 kg 的谷物中仍含1kg的水/乙醇溶液5%(wt)的漿液排放掉發(fā)酵反應器過濾器排放含谷物、乙醇、水采出乙醇、水循環(huán)流含谷物、乙醇、水進料 100kg/s谷物（20%）水（80%）1234567用EXCEL求解此問題模擬是對過程系統(tǒng)模型的求解模擬是對過程系統(tǒng)模型的求解過程系統(tǒng)的模擬分析 對某個給定的過程系統(tǒng)模型進行模擬求解，可得出該系統(tǒng)的全部狀態(tài)變量，從而可以對該過程系統(tǒng)進行工況分析P11過程系統(tǒng)的模擬分析過程系統(tǒng)的模擬分析過程系統(tǒng)模型決策變量狀態(tài)變量參數(shù)圖2-1 過程系統(tǒng)的模擬分析P11過程系統(tǒng)設計過程系統(tǒng)設計圖2-

5、2 過程系統(tǒng)設計狀態(tài)變量參數(shù)參數(shù)過程系統(tǒng)模型滿足設計規(guī)定否？決策變量調(diào) 整初值設計結(jié)果P11過程系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化過程系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化圖2-3 過程系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化約束特性指標狀態(tài)變量目標函數(shù)模型參數(shù)參數(shù)過程系統(tǒng)模型最優(yōu)否？決策變量最優(yōu)化模型初值優(yōu)化結(jié)果P12l序貫模塊法（ equential odular ethod）l面向方程法（ quation riented ethod）l聯(lián)立模塊法（ imultaneously odular ethod）P12的基本部分是模塊（子程序），用以描述物性、單元操作以及系統(tǒng)其它功能。對過程系統(tǒng)的模擬以單元模塊的模擬計算為基礎。按照由各種單元模塊組成的過程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，序貫

6、的對各單元模塊進行計算，從而完成該過程系統(tǒng)模擬計算。P12與實際過程的直觀聯(lián)系強模擬系統(tǒng)軟件的建立、維護和擴充都很方便，易通用化計算出錯時易于診斷出錯位置計算效率較低，尤其是解決設計和優(yōu)化問題時計算效率更低P12優(yōu)化計算設計規(guī)定計算流程計算過程單元計算物性計算圖2-4 序貫模塊法的迭代循環(huán)圈P12又稱聯(lián)立方程法，將描述整個過程系統(tǒng)的數(shù)學方程式聯(lián)立求解，從而得出模擬計算結(jié)果解算快速有效，對設計、優(yōu)化問題靈活方便。效率較高的形成通用軟件比較困難；不能利用現(xiàn)有大量豐富的單元模塊；缺乏實際流程的直觀聯(lián)系；計算失敗之后難于診斷錯誤所在；對初值的要求比較苛刻；計算技術(shù)難度較大P13優(yōu)化計算物性計算單元計算流程計算設計計算12圖面向方程法的迭代循環(huán)圈P13又稱雙層法，將過程系統(tǒng)的近似模型方程與單元模塊交替求解兼有序貫模塊法和面向方程法的優(yōu)點。既能使用序貫模塊法積累的大量模塊，又能將最費計算時間的流程收斂和設計約束收斂等迭代循環(huán)合并處理，通過聯(lián)