化工過(guò)程與合成Ch2-1

1、 化工系統(tǒng)的定常態(tài)模擬與分析化工系統(tǒng)的定常態(tài)模擬與分析 2.1 2.1 過(guò)程系統(tǒng)模擬的三種基本方法過(guò)程系統(tǒng)模擬的三種基本方法 2.2 2.2 過(guò)程系統(tǒng)模擬的序貫?zāi)K法過(guò)程系統(tǒng)模擬的序貫?zāi)K法 2.3 2.3 過(guò)程系統(tǒng)模擬的面向方程法過(guò)程系統(tǒng)模擬的面向方程法 2.4 2.4 過(guò)程系統(tǒng)模擬的聯(lián)立模塊法過(guò)程系統(tǒng)模擬的聯(lián)立模塊法 2.5 2.5 氨合成工藝流程的模擬與分析氨合成工藝流程的模擬與分析 化工系統(tǒng)的定常態(tài)模擬與分析化工系統(tǒng)的定常態(tài)模擬與分析 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：化工系統(tǒng)、化工系統(tǒng)、定常態(tài)、定常態(tài)、 模擬、模擬、分析分析 重重 點(diǎn)：點(diǎn)： 學(xué)學(xué) 時(shí)：時(shí)： 8 8 發(fā)酵液的分離問(wèn)題發(fā)酵液的分離問(wèn)題 多

2、效蒸發(fā)器多效蒸發(fā)器 發(fā)酵液發(fā)酵液 水水 乙醇乙醇 廢液廢液 水水 乙醇乙醇 廢液廢液 水水 乙醇乙醇 產(chǎn)品產(chǎn)品 水水 乙醇乙醇 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(jì)算產(chǎn)品和廢液的總流率，同時(shí)計(jì)算產(chǎn)品計(jì)算產(chǎn)品和廢液的總流率，同時(shí)計(jì)算產(chǎn)品 和廢液中水和乙醇的流率和廢液中水和乙醇的流率 平衡閃蒸單元模型 321 FFF 332211 FHFHQFH 32 Kxx 332211 xFxFxF 組分衡算關(guān)系組分衡算關(guān)系 熱量衡算關(guān)系熱量衡算關(guān)系 相相平平衡衡關(guān)關(guān)系系 將上例中加入如下要求

3、，將上例中加入如下要求， 必須使乙醇回收率達(dá)到必須使乙醇回收率達(dá)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(jì)算產(chǎn)品和廢液的總流率，同時(shí)計(jì)算產(chǎn)品和廢計(jì)算產(chǎn)品和廢液的總流率，同時(shí)計(jì)算產(chǎn)品和廢 液中水和乙醇的流率液中水和乙醇的流率 要求進(jìn)一步提高產(chǎn)品中的乙醇含量，達(dá)到要求進(jìn)一步提高產(chǎn)品中的乙醇含量，達(dá)到 90% Flash 1 Flash 2 Flash 3 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 再進(jìn)一步要求乙醇的回收率也必須達(dá)到再進(jìn)一步要求乙醇的回收率也必須達(dá)到90%90%， 即，對(duì)廢液中乙醇的濃度提出了要求即，對(duì)廢液中乙醇的濃度提出了要求

4、 Flash 1 Flash 2 Flash 3 1 12 2 3 3 4 4 5 5 7 7 6 6 8 8 乙醇在反應(yīng)器中通過(guò)發(fā)酵而得到，在這個(gè)乙醇在反應(yīng)器中通過(guò)發(fā)酵而得到，在這個(gè) 理想流程中，通過(guò)發(fā)酵可以將理想流程中，通過(guò)發(fā)酵可以將2kg的谷物轉(zhuǎn)的谷物轉(zhuǎn) 化為化為1kg 水和水和1kg乙醇乙醇 進(jìn)料流率為進(jìn)料流率為100kg/min ,含谷物含谷物20%(wt),水水 80% (wt)。反應(yīng)器效率為。反應(yīng)器效率為0.25 發(fā)酵產(chǎn)物經(jīng)過(guò)濾后，在漿液中，每發(fā)酵產(chǎn)物經(jīng)過(guò)濾后，在漿液中，每10 kg 的谷的谷 物中仍含物中仍含1kg的水的水/乙醇溶液乙醇溶液 5%(wt)的漿液排放掉的漿液排放掉

5、 發(fā)酵反應(yīng)器發(fā)酵反應(yīng)器過(guò)濾器過(guò)濾器 排放排放 含谷物、含谷物、 乙醇、水乙醇、水 采出采出 乙醇、水乙醇、水 循環(huán)流循環(huán)流 含谷物、含谷物、 乙醇、水乙醇、水 進(jìn)料進(jìn)料 100kg/s 谷物（谷物（20%） 水（水（80%） 1 1 2 23 34 4 5 5 6 67 7 用用EXCELEXCEL求解此問(wèn)題求解此問(wèn)題 模擬是對(duì)過(guò)程系統(tǒng)模型的求解模擬是對(duì)過(guò)程系統(tǒng)模型的求解 過(guò)程系統(tǒng)的模擬分析過(guò)程系統(tǒng)的模擬分析 對(duì)某個(gè)給定的過(guò)程系統(tǒng)模型進(jìn)行模擬求解，對(duì)某個(gè)給定的過(guò)程系統(tǒng)模型進(jìn)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(duì)該過(guò)可得出該系統(tǒng)的全部狀態(tài)變量，從而可以對(duì)該過(guò) 程系統(tǒng)進(jìn)行工況分析程系

6、統(tǒng)進(jìn)行工況分析 P11 過(guò)程系統(tǒng)的模擬分析過(guò)程系統(tǒng)的模擬分析 過(guò)程系統(tǒng)模型 決策變量狀態(tài)變量 參 數(shù) 圖2-1 過(guò)程系統(tǒng)的模擬分析 P11 過(guò)程系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖2-2 過(guò)程系統(tǒng)設(shè)計(jì) 狀態(tài)變量 參 數(shù) 參 數(shù) 過(guò)程系統(tǒng)模型滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)定否？ 決策變量 調(diào) 整 初值 設(shè)計(jì)結(jié)果 P11 過(guò)程系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化過(guò)程系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化 圖2-3 過(guò)程系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化 約束 特性指標(biāo) 狀態(tài)變量 目標(biāo)函數(shù)模型 參 數(shù) 參 數(shù) 過(guò)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 P12 l序貫?zāi)K法（序貫?zāi)K法（ equential equential odular odular ethodethod） l面向

7、方程法（面向方程法（ quation quation riented riented ethodethod） l聯(lián)立模塊法（聯(lián)立模塊法（ imultaneously imultaneously odular odular ethodethod） P12 的基本部分是模塊（子程序），用以描的基本部分是模塊（子程序），用以描 述物性、單元操作以及系統(tǒng)其它功能。述物性、單元操作以及系統(tǒng)其它功能。 對(duì)過(guò)程系統(tǒng)的模擬以單元模塊的模擬計(jì)對(duì)過(guò)程系統(tǒng)的模擬以單元模塊的模擬計(jì) 算為基礎(chǔ)。算為基礎(chǔ)。 按照由各種單元模塊組成的過(guò)程系統(tǒng)的按照由各種單元模塊組成的過(guò)程系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)，序貫的對(duì)各單元模塊進(jìn)行計(jì)算，從而結(jié)構(gòu)，

8、序貫的對(duì)各單元模塊進(jìn)行計(jì)算，從而 完成該過(guò)程系統(tǒng)模擬計(jì)算。完成該過(guò)程系統(tǒng)模擬計(jì)算。 P12 與實(shí)際過(guò)程的直觀聯(lián)系強(qiáng)與實(shí)際過(guò)程的直觀聯(lián)系強(qiáng) 模擬系統(tǒng)軟件的建立、維模擬系統(tǒng)軟件的建立、維 護(hù)和擴(kuò)充都很方便，易通護(hù)和擴(kuò)充都很方便，易通 用化用化 計(jì)算出錯(cuò)時(shí)易于診斷出錯(cuò)計(jì)算出錯(cuò)時(shí)易于診斷出錯(cuò) 位置位置 計(jì)算效率較低，尤其是解計(jì)算效率較低，尤其是解 決設(shè)計(jì)和優(yōu)化問(wèn)題時(shí)計(jì)算決設(shè)計(jì)和優(yōu)化問(wèn)題時(shí)計(jì)算 效率更低效率更低 P12 優(yōu) 化 計(jì) 算設(shè) 計(jì) 規(guī) 定 計(jì) 算流 程 計(jì) 算過(guò) 程 單元 計(jì) 算 物性 計(jì)算 圖2-4 序貫?zāi)K法的迭代循環(huán)圈 P12 又稱(chēng)聯(lián)立方程法，將描述整個(gè)過(guò)程系 統(tǒng)的數(shù)學(xué)方程式聯(lián)立求解，從

9、而得出模擬 計(jì)算結(jié)果 解算快速有效，對(duì)設(shè)計(jì)、優(yōu)化問(wèn)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(shí)際流程 的直觀聯(lián)系；計(jì)算失敗之后難于診斷錯(cuò)誤 所在；對(duì)初值的要求比較苛刻；計(jì)算技術(shù) 難度較大 P13 優(yōu) 化 計(jì) 算 物性計(jì)算 單元計(jì)算 流程計(jì)算 設(shè)計(jì)計(jì)算 1 2 圖面向方程法的迭代循環(huán)圈 P13 又稱(chēng)雙層法，將過(guò)程系統(tǒng)的近似模型又稱(chēng)雙層法，將過(guò)程系統(tǒng)的近似模型 方程與單元模塊交替求解方程與單元模塊交替求解 兼有序貫?zāi)K法和面向方程法的優(yōu)點(diǎn)。兼有序貫?zāi)K法和面向方程法的優(yōu)點(diǎn)。 既能使用序貫?zāi)K法積累的大量模塊，又能既能使用序貫?zāi)K法積累的大量模塊，又能 將

10、最費(fèi)計(jì)算時(shí)間的流程收斂和設(shè)計(jì)約束收斂將最費(fèi)計(jì)算時(shí)間的流程收斂和設(shè)計(jì)約束收斂 等迭代循環(huán)合并處理，通過(guò)聯(lián)立求解達(dá)到同等迭代循環(huán)合并處理，通過(guò)聯(lián)立求解達(dá)到同 時(shí)收斂時(shí)收斂 P13 狀態(tài)變量 圖聯(lián)立模塊法（雙層法） 開(kāi)始 賦初值 嚴(yán)格模型 收斂否？ 結(jié)束 簡(jiǎn)化模型參數(shù) 簡(jiǎn)化模型 P14 優(yōu) 化 計(jì) 算 流 程 設(shè) 計(jì) 單 元 計(jì) 算 計(jì) 算 計(jì) 算 物性計(jì)算 圖聯(lián)立法的迭代循環(huán)圈 P14 過(guò)程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬三種方法的比較過(guò)程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬三種方法的比較 方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)代表軟件系統(tǒng) 序 貫 模 塊 法 與工程師直觀經(jīng)驗(yàn)一致， 便于學(xué)習(xí)使用； 易于通用化，已積累了豐 富的單元模塊； 需要計(jì)算機(jī)內(nèi)存較小； 有錯(cuò)誤易于診斷檢查； 再循環(huán)引起的收斂迭代很 費(fèi)機(jī)時(shí)； 進(jìn)行設(shè)計(jì)型計(jì)算時(shí)，很費(fèi) 機(jī)時(shí)； 不宜用于最優(yōu)化計(jì)算； PROCESS（美） CONCEPT（英） CAPES（日） ASPEN（美） FLOWTRAN（美） 面 向 方 程 法 解算快； 模擬型計(jì)算與設(shè)計(jì)型計(jì)算 一樣；適合最優(yōu)化計(jì)算， 效率高； 便于與動(dòng)態(tài)模擬聯(lián)合實(shí) 現(xiàn)； 要求給定較好的初值，否 則可能得不到解；計(jì)算失 敗后診斷錯(cuò)誤所在困難； 形成通用化程序有困難 有，故使用不便；難以繼 承已有的單元操作