天津大學(xué)化工過程的模擬與分析

天津大學(xué)化工過程的模擬與分析演示文稿目前一頁\總數(shù)二十八頁\編于一點(diǎn)優(yōu)選天津大學(xué)化工過程的模擬與分析目前二頁\總數(shù)二十八頁\編于一點(diǎn)內(nèi)循環(huán)優(yōu)化：在流程結(jié)構(gòu)不變的前提下，通過修改、調(diào)整流程內(nèi)部的部分設(shè)備參數(shù)和操作參數(shù)，來對流程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。外循環(huán)優(yōu)化：在內(nèi)循環(huán)優(yōu)化不能滿足優(yōu)化目標(biāo)的情況下，重新做流程組織，對流程結(jié)構(gòu)進(jìn)行改頭換面的大變動，而達(dá)到對流程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的目的。內(nèi)循環(huán)優(yōu)化經(jīng)常用于老流程的改造，并對實驗室研究開發(fā)有指導(dǎo)意義。外循環(huán)優(yōu)化經(jīng)常用于新廠設(shè)計時，對多個流程方案進(jìn)行分析比較。

二層循環(huán)優(yōu)化設(shè)計，工作量巨大，手工設(shè)計很難完成，只有靠計算機(jī)輔助設(shè)計。目前三頁\總數(shù)二十八頁\編于一點(diǎn)設(shè)計任務(wù)書提出設(shè)計任務(wù)流程組織（過程合成）工藝流程草圖將流程結(jié)構(gòu)輸入計算機(jī)系統(tǒng)將已知參數(shù)輸入計算機(jī)系統(tǒng)MB、HB計算設(shè)備設(shè)計及選型PFD與PID圖的設(shè)計與繪制平立面布置與配管設(shè)計材料表及工程概（預(yù)）算流程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析設(shè)備參數(shù)、操作參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整流程結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整內(nèi)循環(huán)優(yōu)化外循環(huán)優(yōu)化現(xiàn)代計算機(jī)輔助化工過程設(shè)計與模擬運(yùn)行示意圖綜合階段設(shè)計階段優(yōu)化階段目前四頁\總數(shù)二十八頁\編于一點(diǎn)一個實際運(yùn)行的化工項目或它建成運(yùn)行前的設(shè)計資料首先，從其中提取出來其項目投資、產(chǎn)品成本、銷售收入、稅金、利潤等基本經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。然后，針對這些基本經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，用技術(shù)經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)歸納、分析出其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)（投資利潤率、投資還本期等）。最后，判斷其經(jīng)濟(jì)合理性?；み^程設(shè)計與化工項目經(jīng)濟(jì)分析之間的關(guān)系目前五頁\總數(shù)二十八頁\編于一點(diǎn)在實際化工過程設(shè)計工作中，設(shè)計、經(jīng)濟(jì)、模擬三者之間關(guān)系：①、設(shè)計出一個較好的流程是化工過程設(shè)計的最終目的；②、經(jīng)濟(jì)分析與評價是挑選和判斷流程優(yōu)劣的依據(jù)；③、計算機(jī)輔助化工過程設(shè)計與模擬是設(shè)計的有力手段；目前六頁\總數(shù)二十八頁\編于一點(diǎn)7.2化工過程（系統(tǒng)）模擬的一些基本概念一、化工系統(tǒng)

為了實現(xiàn)一定目的，由若干相互聯(lián)系、彼此影響的化工單元設(shè)備組成的一個流程，稱為一個化工系統(tǒng)。①、化工系統(tǒng)，實質(zhì)就是化工過程設(shè)計或化工系統(tǒng)模擬處理的對象，就是過程合成（流程組織）得到的流程圖。②、化工系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計或模擬的目的不同，化工系統(tǒng)可大可?。虎?、一個大的化工系統(tǒng)可以分成若干個子系統(tǒng)。二、化工系統(tǒng)的工況特性及化工系統(tǒng)分析化工系統(tǒng)的外界：化工系統(tǒng)范圍以外的一切事物。

有意義的化工系統(tǒng)，決不會是與外界隔絕的孤立系統(tǒng)，它與外界有物料流、能量流、信息流的輸入與輸出。目前七頁\總數(shù)二十八頁\編于一點(diǎn)化工流程的特性參數(shù)流程的單元結(jié)構(gòu)參數(shù)單元的種類、數(shù)量單元之間位置關(guān)系流股走向關(guān)鍵單元設(shè)備的特性參數(shù)關(guān)鍵工藝工段的操作參數(shù)化工系統(tǒng)特性由系統(tǒng)（流程）的特性參數(shù)所決定：

化工系統(tǒng)（系統(tǒng)特性）輸入輸出化工系統(tǒng)工況特性：一個化工系統(tǒng)“輸入－系統(tǒng)特性－輸出”之間的規(guī)律性聯(lián)系?；は到y(tǒng)分析：在一個化工系統(tǒng)的特性已知的前提下，給定其輸入，預(yù)測分析其輸出，這一分析過程稱為化工系統(tǒng)分析。目前八頁\總數(shù)二十八頁\編于一點(diǎn)三、模擬（仿真，Simulation）模擬物理模擬數(shù)學(xué)模擬物理模擬：用真實的物理試驗手段研究某個化工過程；數(shù)學(xué)模擬：不用真實的物理試驗，而是列出過程的數(shù)學(xué)模型，然后用計算機(jī)手段對此模型進(jìn)行求解與分析，從而達(dá)到對某個化工過程進(jìn)行研究的目的；數(shù)學(xué)模擬：成本低靈活性大可靠性相對較低物理模擬：成本高靈活性小可靠性相對較高注意：化工過程的模擬經(jīng)常采用數(shù)學(xué)模擬與物理模擬相結(jié)合的方式進(jìn)行。目前九頁\總數(shù)二十八頁\編于一點(diǎn)化工過程（系統(tǒng)）模擬：

將描述某個化工過程的數(shù)學(xué)模型編成計算機(jī)軟件，將模型參數(shù)（系統(tǒng)的特性參數(shù)）也輸入計算機(jī)模擬軟件，然后計算機(jī)模擬軟件根據(jù)輸入信息，自動調(diào)用也編成了計算機(jī)軟件的模型求解方法，從而對化工過程進(jìn)行分析，給出模擬計算的輸出結(jié)果?；は到y(tǒng)（過程）模型（計算機(jī)程序軟件）

模型參數(shù)（系統(tǒng)特性參數(shù)）輸入求解方法軟件程序輸出目前十頁\總數(shù)二十八頁\編于一點(diǎn)模擬是進(jìn)行化工系統(tǒng)分析的有力手段。注意：模擬是正向運(yùn)行的。即已知系統(tǒng)模型及特性，從輸入預(yù)測分析其輸出?；み^程模擬穩(wěn)態(tài)模擬非穩(wěn)態(tài)模擬（動態(tài)模擬）目前十一頁\總數(shù)二十八頁\編于一點(diǎn)四、模擬型問題和設(shè)計型問題按照化工過程（系統(tǒng)）模擬的定義，模擬是正向進(jìn)行的，即：

化工系統(tǒng)（過程）（系統(tǒng)特性）輸入輸出

然而，在實際化工過程設(shè)計時，經(jīng)常遇到過程的部分輸出數(shù)值是設(shè)計要求已知的，反過來去求滿足這些輸出要求的輸入值。這就是所謂的設(shè)計型問題。

也就是說，設(shè)計型問題是，根據(jù)已知的部分輸出及化工系統(tǒng)（過程）特性，去尋求足夠滿足輸出要求所對應(yīng)的輸入條件。

現(xiàn)有的模擬軟件包只能直接用于解決模擬型問題。將現(xiàn)有模擬軟件用于設(shè)計型問題的方法有二個：①、正向試差模擬計算；②、將輸出規(guī)定改寫成模型求解的約束條件方程；目前十二頁\總數(shù)二十八頁\編于一點(diǎn)7.3化工系統(tǒng)（過程）的數(shù)學(xué)模型一、化工過程（系統(tǒng)）數(shù)學(xué)模型的種類化工（過程）系統(tǒng)輸入輸出化工（過程）系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的實質(zhì)：

主要根據(jù)化工過程“三傳一反”以及MB、HB衡算原理，將化工系統(tǒng)輸入變量、輸出變量、單元變量三者之間用數(shù)學(xué)關(guān)系有機(jī)地聯(lián)系在一起，而形成的數(shù)學(xué)方程或方程組。數(shù)學(xué)模型的種類理論模型半經(jīng)驗半理論模型經(jīng)驗?zāi)Ｐ湍壳笆揬總數(shù)二十八頁\編于一點(diǎn)理論模型：

在嚴(yán)格理論分析基礎(chǔ)上建立起來的數(shù)學(xué)模型，模型中的所有系數(shù)（參數(shù)）都由理論推導(dǎo)出來。

這類模型可靠性最強(qiáng)，但在化工領(lǐng)域出現(xiàn)的幾率很小。半經(jīng)驗半理論模型（灰箱模型）：

這類模型的建立，即有理論分析作基礎(chǔ)，又有試驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗的支撐，是化工領(lǐng)域最常見的數(shù)學(xué)模型。具有很高的實用價值。

這類模型的框架一般靠理論分析建立，模型中的參數(shù)一般靠試驗和經(jīng)驗確定。在一定使用條件下可靠性較強(qiáng)。經(jīng)驗?zāi)Ｐ停ê谙淠Ｐ停?/p>

是純經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。一般出現(xiàn)在對系統(tǒng)機(jī)理一點(diǎn)不掌握，只能通過試驗獲得其輸入－輸出之間的對應(yīng)關(guān)系。

這類模型在模型試驗范圍內(nèi)可靠性較好，但超過試驗范圍的外推性較差。這類模型在化工領(lǐng)域出現(xiàn)的幾率也很小。目前十四頁\總數(shù)二十八頁\編于一點(diǎn)二、化工過程（系統(tǒng)）模型方程的形式化工系統(tǒng)（過程）模型方程的形式?jīng)Q定于：①、穩(wěn)態(tài)還是動態(tài)過程決定時間變量是否引入？②、是集總參數(shù)模型還是分布參數(shù)模型決定空間坐標(biāo)變量是否引入？對穩(wěn)態(tài)集總參數(shù)模型其方程形式必然是代數(shù)方程（組）對動態(tài)集總參數(shù)模型其方程形式是以時間為變量的常微分方程（組）對穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)模型其方程形式是以空間為變量的常微分方程（組）或偏微分方程組對動態(tài)分布參數(shù)模型其方程形式是以時間和空間為變量的偏微分方程組目前十五頁\總數(shù)二十八頁\編于一點(diǎn)三、半經(jīng)驗半理論數(shù)學(xué)模型的建立半經(jīng)驗半理論模型的建立一般分二步進(jìn)行：第一步：模型識別（確定模型的骨架（框架）形式）依據(jù)：“三傳一反”、MB、HB等，以及試驗觀察到的現(xiàn)象。第二步：模型參數(shù)估計（估值）依據(jù)：試驗數(shù)據(jù)代入模型中，用數(shù)值方法進(jìn)行處理。例如：針對A→B＋C，要建立其反應(yīng)動力學(xué)模型首先，確定動力學(xué)方程框架：然后，確定以上動力學(xué)方程模型中的參數(shù)（k、i）：

設(shè)計試驗，得到CA－t的對應(yīng)數(shù)據(jù)，再用最小二乘法、單純形法、Powell共軛法等數(shù)值方法完成模型參數(shù)估值。目前十六頁\總數(shù)二十八頁\編于一點(diǎn)例如：谷氨酸發(fā)酵過程的數(shù)學(xué)模型X－菌體濃度；P－產(chǎn)物（谷氨酸）濃度；S－基質(zhì)（葡萄糖）濃度；CO2－排氣CO2濃度。tXPSCO2....................目前十七頁\總數(shù)二十八頁\編于一點(diǎn)7.4化工單元模型及模擬分析一、換熱器模型及其模擬分析換熱器高溫苯蒸汽F2、t2冷水熱水F3、t3F4、t4F1、t1低溫苯蒸汽目的：回收高溫苯蒸汽的熱量。要求：列出該換熱系統(tǒng)的通用模型。目前十八頁\總數(shù)二十八頁\編于一點(diǎn)1、通用模型換熱器高溫苯蒸汽F2、t2冷水熱水F3、t3F4、t4F1、t1低溫苯蒸汽其中：U（總傳熱系數(shù)）、cp（苯）、cp（水）為常數(shù)目前十九頁\總數(shù)二十八頁\編于一點(diǎn)2、模型自由度分析①、通用模型的自由度分析變量：Q、A、△tm、F1、F2、F3、F4、t1、t2、t3、t4

共11個方程：共六個通用模型的自由度：11－6＝5②、手工計算時的自由度分析變量：F1、F4、t1、t2、t3、t4

共六個方程：共一個手工計算時的自由度：6－1＝5二者是可以統(tǒng)一起來的。目前二十頁\總數(shù)二十八頁\編于一點(diǎn)3、系統(tǒng)的模擬型問題模擬型問題：已知系統(tǒng)特性，根據(jù)已知輸入，來計算輸出。換熱器高溫苯蒸汽F2、t2冷水熱水F3、t3F4、t4F1、t1低溫苯蒸汽已知：A、F1、F4、t1、t4計算求解：F3、F2、t3、t2、Q、△tm通用模型的自由度是5，因此，模擬型問題能解決。目前二十一頁\總數(shù)二十八頁\編于一點(diǎn)4、系統(tǒng)的部分設(shè)計型問題換熱器高溫苯蒸汽F2、t2冷水熱水F3、t3F4、t4F1、t1低溫苯蒸汽①、如果要求t2已知（苯蒸汽出口溫度限制），并已知輸入F1、t1、F4、t4。反過來求系統(tǒng)特性A和其它未知輸出F3、t3、F2、Q、△tm②、如果要求t3已知（熱水出口溫度已知），并已知輸入F1、t1、F4、t4。反過來求系統(tǒng)特性A和其它未知輸出F3、t2、F2、Q、△tm③、已知：F1、t1、t2、t3、A。求：F4、F3、F2、t4、Q、△tm目前二十二頁\總數(shù)二十八頁\編于一點(diǎn)④、已知：F1、t1、t2、F4、A。求：F2、F3、t3、t4、Q、△tm……問題：設(shè)計型問題一共有多少組可能情況？

表面上，從11個模型變量集中，挑選5個變量（自由度要求）作為設(shè)計變量組，就可以解出其它未知的6個變量?？赡芄灿校旱袃蓚€問題值得注意：◆△tm一般不可能作為設(shè)計變量；◆挑選出來的設(shè)計變量不能使模型方程失出獨(dú)立性（使方程恒等）；實際上從變量集：Q、A、F1、F4、t1、t2、t3、t4

共8個中挑選5個變量作為設(shè)計變量組。就縮小了選擇范圍。但仍然要注意以上兩個問題中的第二個問題。目前二十三頁\總數(shù)二十八頁\編于一點(diǎn)二、連續(xù)非絕熱平衡閃蒸的系統(tǒng)模型及其模擬分析P，T非絕熱平衡閃蒸單元操作示意圖其中，分別是進(jìn)料、氣相出料、液相出料流股的組成向量，均含有C種組份。目前二十四頁\總數(shù)二十八頁\編于一點(diǎn)1、通用模型P，TMBHB物性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方程目前二十五頁\總數(shù)二十八頁\編于一點(diǎn)MBHB物性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方程2、模型自由度分析①、通用模型的自由度分析共4c＋8個方程數(shù)：c＋1＋c＋3＋c＝3c＋4個通用模型的自由度：4c＋8－（3c＋4）＝c＋4目前二十六頁\總數(shù)二十八頁\編于一點(diǎn)②、手工計算時的自由度分析共3c＋5個方程數(shù)：c＋1＋c＝2c＋1個通用模型的自由度：3c＋5－（2c＋1）＝c＋4MBHB物性數(shù)據(jù)方程P，T目前二十七頁\總數(shù)二十八頁\編于一點(diǎn)3、系統(tǒng)模擬分析時設(shè)計變量的選擇

系統(tǒng)模型的自由度是C＋4，所以無論是模擬型問題還是設(shè)計型問題，必須先從總變量系列中已知C＋4個變量，才能唯一正確的對模型