化工過程分析及其合成

1、化工過程分析與合成（三級閃蒸的模擬）組員：0815010115 尹小莉 0815010114楊秋靜 0815010113 張志莉 0815010119 羅浩 0815010130 李家翔 0815010131 杜秦一、序貫?zāi)K法簡介：1. 序貫?zāi)K法的基本原理序貫?zāi)K法的基礎(chǔ)是單元模塊（子程序），通常單元模塊與過程單元是一一對應(yīng)的。過程單元的輸入物流變量即為單元模塊的輸入，單元模塊的輸出即為過程單元的輸出物流變量，單元模塊是依據(jù)相應(yīng)過程單元的數(shù)學模型和求解算法編制而成的子程序。單元模塊具有單向性特點，給定其輸入物流變量及參數(shù)可計算出相應(yīng)的輸出物流變量，但不能由輸出變量計算輸入變量，也不能由輸入

2、、輸出變量計算模塊參數(shù)。2. 序貫?zāi)K法的基本思想從系統(tǒng)入口物流開始，經(jīng)過接受該物流變量的單元模塊的計算得到輸出物流變量，這個輸出物流變量就是下一個相鄰單元的輸入物流變量。依次逐個的計算過程系統(tǒng)中的各個單元，最終計算出系統(tǒng)的輸出物流。3.序貫?zāi)K法的優(yōu)點： 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，易于通用化；計算出錯時易于診斷出錯位置。其主要缺點是計算效率較低，尤其是解決設(shè)計和優(yōu)化問題時計算效率更低。計算效率低是由于序貫?zāi)K法本身的特點所決定的。對于單元模塊來說，信息的流動方向是固定的，只能根據(jù)模塊的輸入物流信息計算輸出物流信息，而且在進行系統(tǒng)模擬過程中，對物料、單元模

3、塊計算、斷裂物流收斂計算等，將進行三重嵌套迭代。雖然如此，序貫?zāi)K法仍不失為一種優(yōu)秀的方法。但在處理過程中設(shè)計和優(yōu)化問題時，由于其循環(huán)迭代嵌套甚至可高達五層，以至其求解效率就太低了。二、三級閃蒸模擬1、三級閃蒸過程如下圖： 圖1 圖中入料流量為453.6mol/h，入料組成為丁烷30%，戊烷40%,己烷30%。入料溫度為121.1，壓力位1723.7kPa。三個閃蒸器的壓力均為709.5 kPa。當閃蒸器溫度分別為以下值時（1） 閃蒸器1: 106.9閃蒸器2: 98.9閃蒸器3: 114（2） 閃蒸器1: 107.2閃蒸器2: 94.0閃蒸器3: 119.2分別用直接迭代法和阻尼直接迭代法計

4、算氣相和液相產(chǎn)品的流量和組成。阻尼因子分別取值為0.5,0.3，-0.2，-0.3，-0.7，-0.9。依據(jù)閃蒸條件設(shè)該閃蒸過程為理想體系，三個閃蒸器均為等溫閃蒸過程，建成相應(yīng)的單元模塊并將圖1繪成圖2的三級閃蒸過程模擬模塊流程。按圖2所示的模擬流程，對倆組閃蒸條件進行模擬計算三級閃蒸過程圖2a.流量/（kmol/h） 組分流股丁烷戊烷己烷氣相產(chǎn)品液相產(chǎn)品110.725.382.099.219.3116.8阻尼因子0.50.30.0-0.2-0.3-0.5-0.7-0.9計算時間s60402518162335發(fā)散b.流量(kmol/h) 組分流股丁烷戊烷己烷氣相產(chǎn)品液相產(chǎn)品120.615.77

5、9.9101.211.0125.2阻尼因子0.50.30.0-0.2-0.3-0.5-0.7-0.9計算時間s188132947870615145 從上例可見，阻尼因子q值的選取具有較大的任意性和經(jīng)驗性。1958年Wegstien提出了一種簡便的方法，可以彌補這種阻尼因子取值困難的弱點。用聯(lián)立模塊法對三級閃蒸過程進行穩(wěn)態(tài)模擬一、 建立簡化模型嚴格單元模塊的輸入流股變量向量x與輸出流股變量y之間有嚴格模型：y=G(x)上式的一階臺勞展開式為：即 ）令，便可得到嚴格模型的線性增量簡化模型：利用上式分別對每個過程單元寫出其簡化模型：混合器閃蒸器1：閃蒸器2： 閃蒸器3：由于混合器的嚴格模型為線性模型

6、，且系統(tǒng)入料流量為給定值，所以有：把上述線性簡化模型寫成矩陣形式的迭代格式，得到一個稀疏線性方程組：顯而易見，上式是一個維數(shù)不高的稀疏線性方程組。二、 從嚴格模塊計算簡化模型的系數(shù)上式的系數(shù)矩陣可通過對嚴格模塊的擾動計算得到。前面我們假定: ,也就得到了A。而A是從一階臺勞展開式得到的。偏離點后便會產(chǎn)生偏差，因此要不斷進行修正。分別對每個單元建立簡化模型，然后把單元簡化模型、聯(lián)結(jié)方程、設(shè)計規(guī)定方程集合到一起組成過程系統(tǒng)的簡化模型，由于切斷了全部聯(lián)結(jié)物流，描述整個過程的系統(tǒng)的簡化模型方程數(shù)為：如果不考慮設(shè)計規(guī)定方程，用線性增量模型作為單元的簡化模型，則過程系統(tǒng)的簡化模型如下：單元模型: 聯(lián)結(jié)方程

7、：把上式寫成矩陣形式： 對于一個包括100各聯(lián)結(jié)流股，每個流股有8各組分，十個設(shè)計規(guī)定系統(tǒng)，其系統(tǒng)簡化模型數(shù)為：由此可見對于較大的系統(tǒng)簡化方程數(shù)很大，消去物流聯(lián)結(jié)方程，從而使簡化模型的維數(shù)大大減少： 此時簡化模型方程數(shù)為：三、以不可分割子系統(tǒng)為基本單位建立簡化模型，回路切割方式 （1）將帶有循環(huán)回路的虛擬單元作為簡化模型的基本單位。（2）虛擬單元所包含的各單元間的聯(lián)結(jié)流股變量不出現(xiàn)在簡化模型中，大大降低了簡化模型的維數(shù)。（3）簡化方程組數(shù)為：（4）一些簡單的方程組求解技術(shù)就可以處理這樣的流程模型。 用回路切割模式建立三級閃蒸過程的線性增量簡化模型。 最佳切割物流是S2 簡化線性模型：用矩陣表示

8、為：閃蒸模擬的面向方程法一、 面向方程法簡介把描述過程的所有數(shù)學模型匯集在一起，形成一個非線性方程進行求解，即： F(X, W) =0式中： X-狀態(tài)變量向量 W-決策變量向量 F-系統(tǒng)模型方程式組，其中包括：1) 物性方程2) 物料，能量，化學平衡方程3) 過程單元間的連接方程4) 設(shè)計規(guī)定方程等對非線性方程組 F（X）=0用n維線性方程組逼近 F(X) =AX+B=0該擬線性方程組的解 X=-AB我們可以通過迭代的方法求X A(K)X(K+1)B(K)即：先假設(shè)X中的若干量，即把非線形化成線性的，再反算出假設(shè)的量，判斷Xi(K+1)是否等于Xi(k)，如不等式Xi=Xi(K+1)，帶入再計

9、算，直到他們兩個相等為止。二、 面向方程法在閃蒸過程中的應(yīng)用利用線性方程求解的分快法： 上式可化成以下三個小線性方程： 這樣可以簡化計算量，我們在這次閃蒸模擬中用到這種方法。三、 三級閃蒸過程的模擬1) 簡化某些參數(shù)及方程對于任意一個閃蒸單元（以第一個為例）基本關(guān)系： 上面各式可簡化：2）用模型簡化及相應(yīng)求解 1、閃蒸過程基本關(guān)系是如下：2、以上可用分塊矩陣形式表示：a) X1,X2，X(賦初值)看作已知值，假設(shè)一個L1，則：用上式求出未知值，再算出L1進行迭代，最終求出所有未知變量。b) 算出的Y01，Y02，Y03，帶入4），5），6），14），求出里面的未知變量c) 算出的Y01，Y02，Y03，帶入7），8），9），14），求出閃蒸器2的參數(shù) d)把以上各