流程模擬技術概述課件

化工流程模擬技術概述2011年3月19十二月20231流程模擬技術概述

化工模擬優(yōu)化技術的發(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，流程結構日益復雜，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.DLittle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)化技術的發(fā)展奠定了堅實的基礎。流程模擬技術概述

化工過程模擬系統(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（ChemicalEngineeringSimulationSystem）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（FlowsheetTranslator）系統(tǒng)，該軟件也采用FORTRAN語言編寫，共有30種單元操作模塊，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（AdvancedSystemforProcessEngineering）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/Ⅱ，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對象的編程工具C++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公司與AspenTech公司合并，HYSYS成為AspenTech公司的產(chǎn)品。

流程模擬技術概述

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方案的研究。近年來，人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術，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，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。

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AspenPlus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AspenPlus的用戶。同時，以AspenPlus的嚴格機理模型為基礎，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Aspen工程套件(AspenEngineeringSuite,簡稱AES)。AspenPlus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、設計和校核及多變量優(yōu)化。

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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、組成及物性等設計基礎數(shù)據(jù)的計算；(2)設備單元主要工藝參數(shù)，并可進行冷換設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)的設計等。流程模擬技術概述內容概論過程系統(tǒng)工程的基本概念過程系統(tǒng)工程包含的內容過程系統(tǒng)工程研究方法穩(wěn)態(tài)模擬基礎知識19十二月20237流程模擬技術概述概論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19十二月20238流程模擬技術概述過程系統(tǒng)工程的基本概念過程系統(tǒng)工程是將系統(tǒng)工程學的理論和方法應用于過程工業(yè)領域的確一門邊緣學科，是化學工程的一個分支。過程系統(tǒng)工程的基本內容就是從過程系統(tǒng)的整體目標出發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)內部各個組成部分的特性及其相互關系，確定在規(guī)劃、設計、操作和控制等方面的最優(yōu)策略。19十二月20239流程模擬技術概述研究開發(fā)市場調查設備設計設備制造建設工程試運轉操作運行過程設計外協(xié)檢查經(jīng)營管理控制環(huán)境的變化19十二月202310流程模擬技術概述過程系統(tǒng)工程包含的內容過程系統(tǒng)分析過程系統(tǒng)集成過程系統(tǒng)優(yōu)化過程系統(tǒng)設計19十二月202311流程模擬技術概述過程系統(tǒng)輸入輸出過程系統(tǒng)分析示意圖（待求）19十二月202312流程模擬技術概述過程系統(tǒng)（待求）輸入輸出過程系統(tǒng)集成示意圖19十二月202313流程模擬技術概述過程系統(tǒng)優(yōu)化過程系統(tǒng)優(yōu)化或系統(tǒng)優(yōu)化可分為參數(shù)優(yōu)化和結構優(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。結構優(yōu)化：改變過程系統(tǒng)中設備類型或其相互間的聯(lián)結，以優(yōu)化過程系統(tǒng)。19十二月202314流程模擬技術概述過程系統(tǒng)設計過程系統(tǒng)的設計原則上講，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19十二月202315流程模擬技術概述過程系統(tǒng)經(jīng)濟評價綜合參數(shù)優(yōu)化需求計算設備尺寸、費用結構優(yōu)化最終的過程系統(tǒng)熱量物料衡算決策變量優(yōu)化19十二月202316流程模擬技術概述數(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。19十二月202317流程模擬技術概述過程系統(tǒng)模型

過程系統(tǒng)模型是借助有關概念、變量、規(guī)則、邏輯關系、數(shù)學表達式、圖形和表格等對系統(tǒng)的總體描述。19十二月202318流程模擬技術概述數(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。19十二月202319流程模擬技術概述過程系統(tǒng)模型組成及表示過程單元模型過程系統(tǒng)結構過程系統(tǒng)結構表示：有向圖表示、矩陣表示19十二月202320流程模擬技術概述穩(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)模擬軟件化工過程物性系統(tǒng)化工過程的數(shù)學模型19十二月202321流程模擬技術概述數(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19十二月202322流程模擬技術概述穩(wěn)態(tài)模擬所研究的基本問題標準型問題設計型問題最優(yōu)化問題19十二月202323流程模擬技術概述單元模塊輸入流股向量輸出流股向量標準型問題19十二月202324流程模擬技術概述單元模塊輸入流股向量輸出流股向量設計型問題控制模塊設備參數(shù)向量要求的輸出向量特性19十二月202325流程模擬技術概述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19十二月202326流程模擬技術概述公用工程及原料量成本數(shù)據(jù)物料與能量衡算設備尺寸計算成本估算經(jīng)濟評價輸入條件設備尺寸計算投資費用數(shù)據(jù)收益流程模擬的一般步驟19十二月202327流程模擬技術概述穩(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19十二月202328流程模擬技術概述流程模擬系統(tǒng)軟件模擬系統(tǒng)開發(fā)者結構特點ASCEND美國Carnegie-Mellon聯(lián)立方程法模擬與優(yōu)化ASPENPLUS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CONCEPTIII英國CAD中心序貫模塊法交互作用方式DESIGN2000美國ChemShare序貫模塊法FLOWPACKII英國德國ICI-LINDE序貫模塊法批處理與交互FLOWSIM美國Connecticut大學聯(lián)立方程法圖形輸入FLOWTRAN美國MonsantoCo.序貫模塊法有費用和尺寸GMB美國BadgerCo.序貫模塊法交互作用方式19十二月202329流程模擬技術概述流程模擬系統(tǒng)軟件模擬系統(tǒng)開發(fā)者結構特點HYSIM加拿大HYPROTECHCo.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MicroSAPROSS蘭州設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19十二月202330流程模擬技術概述流程模擬系統(tǒng)的基本結構計算方法庫單元模塊庫物性數(shù)據(jù)庫熱力學性質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19十二月202331流程模擬技術概述物性系統(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數(shù)據(jù)并轉換成模擬系統(tǒng)所要求的形式當缺少化合物的物性時，可