流程模擬技術(shù)概述ppt課件

1、化工流程模擬技術(shù)概述,華誼（集團）公司 2011年3月,1,化工模擬優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展是建立在化學工業(yè)的發(fā)展、人類對化工過程認識的深入及計算機技術(shù)的迅速發(fā)展等的歷史背景下的。 近現(xiàn)代以來，化學工業(yè)朝著綜合化方向發(fā)展，流程結(jié)構(gòu)日益復雜，裝置規(guī)模日趨大型化，化工行業(yè)的資源短缺、環(huán)境污染等問題變得越來越重要。 同時，人們對化工過程的認識也越來越深入，1915年美國的A.D Little首次提出的單元操作的概念，上世紀50年代，傳遞過程理論誕生，隨后，化工過程系統(tǒng)工程應運而生。自1965年以來，大型電子計算機出現(xiàn)，計算方法得到迅速發(fā)展。這一切為現(xiàn)代化工過程模擬優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。,2,化工過程

2、模擬系統(tǒng)開始產(chǎn)生于上世紀后半葉，其標志性事件就是化工流程模擬軟件的出現(xiàn)與開發(fā)?；ち鞒棠M軟件是由化學工程學、化工熱力學、系統(tǒng)工程、應用數(shù)理統(tǒng)計、計算方法及計算機技術(shù)等多學科理論在計算機上實現(xiàn)的綜合性模擬系統(tǒng)。 1960年代，美國HOUSTON大學開發(fā)出Chess（ Chemical Engineering Simulation System）系統(tǒng)，該軟件采用FORTRAN語言編寫，共有16種單元操作模塊，98種物料的物性數(shù)據(jù)。60年代末，美國Monsanto（孟山都）公司開發(fā)出Flowtran（Flowsheet Translator）系統(tǒng)，該軟件也采用FORTRAN語言編寫，共有30種單元

3、操作模塊，180種物料的物性數(shù)據(jù)。 1976-1981年，美國麻省理工大學化工系開發(fā)出ASPEN （Advanced System for Process Engineering）系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用FORTRAN語言編寫，共有36種單元操作模塊，500種氣液物料的物性數(shù)據(jù)，120種固體物料的物性，可用于模擬計算、優(yōu)化、成本估算和經(jīng)濟評估等。1988年美國Simsci模擬公司開發(fā)出PRO/，對PROCESS做重大改進。 1990年代中后期，加拿大Hyprotech公司采用新一代面向?qū)ο蟮木幊坦ぞ逤+語言，在Windows 環(huán)境下開發(fā)出完全交互式的HYSYS軟件，2002年7月，Hyprotech公

4、司與AspenTech公司合并，HYSYS成為AspenTech公司的產(chǎn)品。,3,我國的化工過程模擬系統(tǒng)開發(fā)起步較晚，但通過引進軟件、硬件等縮短了差距，應用情況目前已接近國際水平，但軟件系統(tǒng)的研究開發(fā)與國外相比仍有較大差距，國內(nèi)幾乎沒有通用的化工過程模擬軟件，但80年代以來已經(jīng)開發(fā)出一些專用的具有一定水平的化工專家系統(tǒng)。 可見，從上世紀7、80年代以來，化工過程模擬系統(tǒng)已經(jīng)進入快速的普及、推廣時期。一方面，化工模擬理論和技術(shù)方面的發(fā)展，使軟的應用范圍更加廣泛，另一方面，軟件及計算機輔助工具的發(fā)展，即研究手段的進步，使工程師更易掌握、使用這種軟件，更容易地進行各種技術(shù)方案的研究。 近年來，人工神

5、經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，作為一種典型的經(jīng)驗建模工具，由于其具有更強的過濾能力，巨大的并行處理能力，良好的自適應能力及強大的模式識別能力等諸多優(yōu)于傳統(tǒng)的經(jīng)驗建模系統(tǒng)的獨特性質(zhì)，被廣泛地應用于復雜化工系統(tǒng)中的建模、優(yōu)化中，取得了顯著的效果。,4,Aspen Plus是Aspen工程套件的首個產(chǎn)品，自發(fā)布以來，經(jīng)過20多年的不斷改進、提高與擴充，先后發(fā)布了十多個版本，已成為舉世公認的大型流程模擬標準軟件。全球各主要化工、石化和煉油等過程工業(yè)制造企業(yè)與著名工程公司均是Aspen Plus的用戶。同時，以Aspen Plus的嚴格機理模型為基礎(chǔ)，還逐步發(fā)展起來了一系列針對不同用途、不同層次的軟件產(chǎn)品，此即為Aspe

6、n 工程套件(Aspen Engineering Suite,簡稱AES)。 Aspen Plus 軟件做為目前最流行的國際通用性化工流程模擬軟件，其廣泛應用于科研、生產(chǎn)和工程中。該軟件的主要特征是：序貫和聯(lián)立方程的模擬方法、最快的速度和最高的可靠性及龐大的純組分和混合物的數(shù)據(jù)庫；其主要功能是：數(shù)據(jù)回歸和數(shù)據(jù)擬合、物性分析、靈敏度分析、設(shè)計和校核及多變量優(yōu)化。,5,利用該軟件，可以進行以下具體的工作：（1）物料平衡、熱平衡，熱負荷、流率、組成及物性等設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的計算；(2) 設(shè)備單元主要工藝參數(shù)，并可進行冷換設(shè)備核算及塔板水力學估算；(3) 流程合成和工藝包開發(fā)；(4)原料及加工路線的篩選與

7、評價；(5) 工藝參數(shù)優(yōu)化和消除裝置“瓶頸”；（6）裝置操作優(yōu)化，擴產(chǎn)與節(jié)能；（7）參數(shù)顯著性分析，提供總流程的優(yōu)化LP模型參數(shù)和“影子價格”等參數(shù)；(8) 操作參數(shù)的靈敏度分析；(9)自控方案、DCS或APC中建模提供依據(jù)；（10）利用動態(tài)模擬功能分析控制參數(shù)的動態(tài)特性，如自控和開、停工方案及火炬排放系統(tǒng)的設(shè)計等。,6,內(nèi)容,概論 過程系統(tǒng)工程的基本概念 過程系統(tǒng)工程包含的內(nèi)容 過程系統(tǒng)工程研究方法 穩(wěn)態(tài)模擬基礎(chǔ)知識,7,概 論,60年代過程系統(tǒng)工程產(chǎn)生和發(fā)展的理論準備時期 70年代過程系統(tǒng)工程走上實用的時期 80年代過程系統(tǒng)工程普及時代,8,過程系統(tǒng)工程的基本概念,過程系統(tǒng)工程是將系統(tǒng)工程

8、學的理論和方法應用于過程工業(yè)領(lǐng)域的確一門邊緣學科，是化學工程的一個分支。 過程系統(tǒng)工程的基本內(nèi)容就是從過程系統(tǒng)的整體目標出發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部各個組成部分的特性及其相互關(guān)系，確定在規(guī)劃、設(shè)計、操作和控制等方面的最優(yōu)策略。,9,研究開發(fā),市場 調(diào)查,設(shè)備 設(shè)計,設(shè)備 制造,建設(shè) 工程,試運轉(zhuǎn),操作 運行,過程 設(shè)計,外協(xié),檢查,經(jīng)營管理,控制,環(huán)境的變化,10,過程系統(tǒng)工程包含的內(nèi)容,過程系統(tǒng)分析 過程系統(tǒng)集成 過程系統(tǒng)優(yōu)化 過程系統(tǒng)設(shè)計,11,過程系統(tǒng),輸入,輸出,過程系統(tǒng)分析示意圖,（待求）,12,過程系統(tǒng) （待求）,輸入,輸出,過程系統(tǒng)集成示意圖,13,過程系統(tǒng)優(yōu)化,過程系統(tǒng)優(yōu)化或系統(tǒng)優(yōu)化可分

9、為參數(shù)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化 參數(shù)優(yōu)化：在一確定的系統(tǒng)流程中對其操作參數(shù)進行優(yōu)化。 結(jié)構(gòu)優(yōu)化：改變過程系統(tǒng)中設(shè)備類型或其相互間的聯(lián)結(jié)，以優(yōu)化過程系統(tǒng)。,14,過程系統(tǒng)設(shè)計,過程系統(tǒng)的設(shè)計原則上講，是過程系統(tǒng)集成與過程系統(tǒng)分析交替過程的整體。 包括三個主要的步驟：過程系統(tǒng)集成、分析與優(yōu)化,15,過程系統(tǒng),經(jīng)濟評價,綜合,參數(shù)優(yōu)化,需求,計算設(shè)備 尺寸、費用,結(jié)構(gòu)優(yōu)化,最終的過程系統(tǒng),熱量 物料衡算,決策變量,優(yōu)化,16,數(shù)學模擬,數(shù)學模擬：對數(shù)學模型求解的過程 優(yōu) 點：經(jīng)濟、靈活、可以減少中間試驗，可獲得實驗條件下難以得到的性能信息，可以利用已有的理論成果來研究復雜過程系統(tǒng)的性能。,17,過程系統(tǒng)模型,

10、過程系統(tǒng)模型是借助有關(guān)概念、變量、規(guī)則、邏輯關(guān)系、數(shù)學表達式、圖形和表格等對系統(tǒng)的總體描述。,18,數(shù)學模型的類型與建立,按建模的方法分為：機理模型和經(jīng)驗模型 按建模是否考慮時間分為：動態(tài)模型和穩(wěn)態(tài)模型 按建模是否考慮空間分為：集中參數(shù)模型和分布參數(shù)模型 按過程的特征分為：確定模型和隨機模 數(shù)學模型的建立過程稱為模型化，模型化的最基本要求，數(shù)學模型與所研究的過程系統(tǒng)具有客觀的一至性。,19,過程系統(tǒng)模型組成及表示,過程單元模型 過程系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 過程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)表示：有向圖表示、矩陣表示,20,穩(wěn)態(tài)模擬的基本知識,數(shù)學模型的基本類型與主要形式 穩(wěn)態(tài)模擬所研究問題的基本類型 穩(wěn)態(tài)模擬的基本方法 穩(wěn)態(tài)模擬

11、軟件 化工過程物性系統(tǒng) 化工過程的數(shù)學模型,21,數(shù)學模型的基本類型,集中參數(shù)模型與分布參數(shù)模型 確定模型與隨機模型 機理模型與經(jīng)驗模型,22,穩(wěn)態(tài)模擬所研究的基本問題,標準型問題 設(shè)計型問題 最優(yōu)化問題,23,單元模塊,輸入流股向量,輸出流股向量,標準型問題,24,單元模塊,輸入流股向量,輸出流股向量,設(shè)計型問題,控制模塊,設(shè)備參數(shù)向量,要求的輸出向量特性,25,過程模擬模型,給定輸入,物理特性,最優(yōu)化問題,經(jīng)濟模擬模型,給定的參數(shù),控制變量,約束條件,優(yōu)化程序,約束條件,26,公用工程及原料量,成本數(shù)據(jù),物料與能量衡算,設(shè)備尺寸計算,成本估算,經(jīng)濟評價,輸入條件,設(shè)備尺寸計算,投資費用數(shù)據(jù)

12、,收益,流程模擬的一般步驟,27,穩(wěn)態(tài)模擬的基本方法,序貫模塊法（SM） 聯(lián)立方程法（EO） 最優(yōu)聯(lián)立模塊法,28,流程模擬系統(tǒng)軟件,模擬系統(tǒng) 開發(fā)者 結(jié)構(gòu) 特點 ASCEND 美國Carnegie-Mellon 聯(lián)立方程法 模擬與優(yōu)化 ASPEN PLUS 美國ASPEN公司 序貫模塊法 模擬與優(yōu)化 CAPES 日本 序貫模塊法 有優(yōu)化費用 CHESS 美國Washington大學 CONCEPT III 英國CAD中心 序貫模塊法 交互作用方式 DESIGN 2000 美國Chem Share 序貫模塊法 FLOWPACK II 英國德國ICI-LINDE 序貫模塊法 批處理與交互 FLO

13、WSIM 美國Connecticut 大學 聯(lián)立方程法 圖形輸入 FLOWTRAN 美國Monsanto Co. 序貫模塊法 有費用和尺寸 GMB 美國Badger Co. 序貫模塊法 交互作用方式,29,流程模擬系統(tǒng)軟件,模擬系統(tǒng) 開發(fā)者 結(jié)構(gòu) 特點 HYSIM 加拿大HYPROTECH Co.序貫模塊法 交互作用方式 PRO/II 美國Simulation公司 序貫模塊法 批處理與交互 QUASLIN 英國CAD中心 聯(lián)立方程法 模擬與優(yōu)化 SIMMOD 美國Illinois大學 序貫模塊聯(lián)立模塊法 模擬與優(yōu)化 SPEEDUP 英國Imperial大學 PASCAL編程 SYMBOL 英國Cambridge大學 聯(lián)立方程法 線性化法 ECSS 青島化工學院 序貫模塊法 Micro SAPROSS 蘭州設(shè)計院 序貫模塊法 合成氨專用系統(tǒng)程 大連理工大學 華東理工大學,30,流程模擬系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu),計算方法庫,單元模塊庫,物性數(shù)據(jù)庫,熱力學性質(zhì)庫,輸入,輸出,管理系統(tǒng) 執(zhí)行程序,求解,優(yōu)化,經(jīng)濟分析,31,物性系統(tǒng)的作用,根據(jù)模擬計算的進程與要求向程序提供所需的各種物性數(shù)據(jù) 允許用戶輸入自己的