化工系统工程课件化工过程分析与合成
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化工系统工程 第八章 化工过程系统的合成.ppt
2020/1/27
第八章 化工过程系统的合成
11
化环学院：路平
8.2.2 分支定界法合成分离序列
例8.1 六组分混合物的分离序列合成。 总流量为 678kmol/h，压力为 55.2kPa，进料温度为
53.9℃，要求分离成A、C、F、BDE四个组分，允许的分离 方法有两种：普通精馏分离和萃取精馏。试求最优分离序列。
27
化环学院：路平
8.3.4 以节能与设备投资为综合目标 的换热网络合成
❖ 能合并的设备进行合并
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第八章 化工过程系统的合成
28
化环学院：路平
8.3.5 流股分割换热器网络合成方法
❖ 在不能满足挟点匹配时用此法，将流 股分割成几股。
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第八章 化工过程系统的合成
29
从而找到局部最优解——调优合成法：用直觉修正 或算法修正。 ❖ 二、在无初始流程的情况下，寻找最优流程——分 支（分枝）定界法：近期发展，该方法可较严格地 排除大量的不可行的流程方案可的繁琐计算，可大 大减少要详细计算的方案数，很快找到最优解，是 一种无需穷举的系统合成策略。
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第八章 化工过程系统的合成
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第八章 化工过程系统的合成
1
化环学院：路平
8.1 过程合成的基本概念
❖ 目的：从大量的可行方案中挑选一个或几个最优 或次优的方案。
❖ 一般过程合成步骤：
确定研究对象的描述方法和目标——描述问题； 建立评价过程系统的目标函数——评价方法； 将过程系统视为若干相互关联的子系统的组合——分
有N种组分进料分离成N个纯组分的分离，用P种分离方法的
分离序列数Z为：
化工过程分析与合成完整版PPT课件
j1
2
表8-1 对于4组分进料的子群
第一个分离 器的进料
A
B
C
后面分离器 的进料
A A
B
B
C B
B
C
C
C
D
D
产品
A C C D
8.2.5 可能的分离子问题
试探法中，试探规则多是定性的规则，而且规 则数目较多，让初学者和实际工作经验不足者 无所适从
Nadgir提出分离系数，使部分试探规则定量化 北京化工大学施宝昌等（1997）提出了相对费 用函数F，使试探规则定量化的精度得以提高
8.2 分离序列综合的基本概念
分离序列的M 综I,X合 in 是 i一Ci个xi两 层次的问题，在塔系
R 1
SR Sj•SR j
j 1
2R1 ! R !(R1 )!
8.2.4 分离子群(Subgroups)
分离多组分进料时，产生一些子群，也称相邻 的流股，其为各分离器的进料或最终产品
总的不同的分离子问题数（包括进料）G可由 算术级数求和得到
G R j R(R1)
A
B
A B
C
D
C D
图8-3 把（ABCD）分
离成（AB）和（CD）
A
A
B
B
C D
B
C
D
C D
C B
D
(Separation Subproblem)
化工过程分析与合成
化工过程分析与合成集散系统吸取了分散系统和集中系统两者的优点，集是集中管理，操作、控制这三方面的集中，散是指功能的分散，负荷分散和危险分散这就是克服了分散系统难于实现全局系统控制的缺点也克服了集中系统的危险集中。
化工过程分析主要分析过程系统的运行机、影响因素、过程模型的数学描述、目标函数的建立、优惠工况下的最佳操作参数。
化工过程系统合成包括有：反应路径合、换热网络合成、分离序列合成、过程控制系统合成特别是主要解决由各个单元过程合成总体过程的系统任务。
稳态模拟的特点是，描述过程对象的模型中不包括时间参数，即是把过程中的各种因素都看成是不随时间而变化的。
过程系统模拟的三类问题1、过程系统模拟分析2、过程系统设计3、过程系统参数优化过程系统模拟的基本方法可归纳为三类：序贯模块法、面向方程法、联立模块法。
序贯模块法的基础是单元模块（子程序）序贯模块法的基本思想是：从系统入口物料开始，经过接受该物流变量的单元模块的计算得到输出物流变量，这个输出物流变量就是下一个相邻单元的输入物流变量。
依此逐个计算过程系统的各个单元，最终计算出系统物流。
最佳断裂准则1、断裂的物流数最少2、断裂物流变量数最少3、断裂物流权重因子之和最少4、断裂回路总次数最少简单回路：那种包含两个以上的流股，且其中的任何单元只被通过一次，称作简单回路一个不可分割的子系统可以包括若干个简单回路。
能够把全部简单回路至少断裂一次的断裂流股组称为有效断裂组。
方程的稀疏性可以用稀疏比来衡量：输出变量指定方法的步骤是，选事件矩阵中元素最少的行和元素最少的列的交点处元素对应的变量，作为优先指定的输出变量，然后从事件矩阵中删去该输出变量对应的行和列重复上述过程直至矩阵中所有的行和列都被删除。
第三章模型化是现代化学工程方法论的重要组成部分，尤其是过程动态学的核心根据对过程系统中状态变量分布特征的不同描述方法，一般可以把数学模型分为集中参数模型、分布参数模型、和多级集中参数模型。
化工过程分析与合成
化工过程分析与合成第一章绪论（2学时）●化工过程●系统工程→化工过程系统工程●化工过程的分析与合成●化工过程系统模拟（稳态模拟、动态模拟）●过程系统模拟的三种基本方法（序贯模块法、面向方程法、联立模块法）第一节化工过程化工过程是以天然物料为原料，经过物理或化学加工制成产品的过程。
其往往由多种多样的单元过程组成，如最重要也是最多用的单元过程是：化学反应过程、换热过程和分离过程。
第二节系统工程系统工程是20世纪50年代形成的新兴学科，目前正处于兴旺的发展时期。
1984年郑春瑞在《系统工程学概论》中，对系统工程做出下列综合性的阐述：系统工程是以系统（尤以大系统）为研究对象的一门跨学科的边缘学科。
它是根据总体协调的需要，把自然科学和社会科学中的某些思想、理论、方法、策略和手段等从横的方面有效地组织起来应用于人类实践中，是应用现代数学和电子计算机等工具对系统的构成要素、组织结构、信息交换和自动控制等功能进行分析研究，从而达到最优设计、最优控制和最优管理的目标，是为更加合理地研制和运用系统而采取的各种组织管理技术的总称，归根结底是一种工程学的方法论。
20世纪30年代美国雷德无线电公司在对电视广播系统的电波覆盖问题进行研究时，首先提出“系统”和“系统模拟研究”的思想。
40年代，美国贝尔电话公司在研究微波通讯网络的覆盖传输效率时，提出了“系统工程”的概念。
50年代各工业国对系统工程尤为重视，如1954年美国MIT首先在大学讲授系统工程课程。
1957年美国正式出版了第一本专著《系统工程》。
60年代起系统工程逐步推广应用于工业、宇航、交通、经济规划等部门。
如60年代初，在系统工程、运筹学、化学工程、过程控制及计算机技术等学科的基础上，产生和发展起来一门新兴的技术学科——化工过程系统工程（简称化工系统工程）。
70年代是化工系统工程走上实用的时期。
随着计算机应用的普及，采用化工系统工程方法，陆续研制出有效的工业用化工流程通用模拟系统，并对过程生产实现计算机控制，取得显著经济效益。
化工过程分析与合成
化工过程分析与合成一，化工系统的定常态模拟与分析（一）模拟是对过程系统模型的求解1. 过程系统的模拟分析：对某个给定的过程系统模型进行模拟求解，可得出该系统的全部状态变量，从而可以对该过程系统进行工况分析2，过程系统设计：当对某个或某些系统变量提出设计规定要求时，通过调整某些决策变量使模拟结果满足设计规定要求3，过程系统参数优化：过程系统模型与最优化模型联解得到一组使工况目标函数最佳的决策变量（优化变量）。
从而实施最佳工况1. -序贯模块法：基本部分是单元模块（子程序），用以描述物性、单元操作以及系统其它功能。
单元模块具有单向性特点。
(1) 断裂：通过迭代把高维方程组降阶为低维方程组的办法。
它适用于不可分割子系统；-不可分割子系统：过程系统中，若含有再循环物流，则构成不可分割子系统。
-实施序贯模块法进行过程系统模拟计算中必须要解决的问题——如何选择断裂物流、如何确定迭代序列。
-判断最佳断裂的准则：①断裂的物流数最少；②断裂物流的变量数最少；③断裂物流的权重因子之和最少；④断裂回路的总次数最少。
i=1，…，m ，代表回路；j =1，…，n,代表物流(2) 回路矩阵简单回路: 一个不可分割子系统包含若干个再循环回路。
包含两个以上再循环物流，且其中的任何单元只被通过一次，称作简单回路。
。
回路矩阵：过程系统中的简单回路可以用回路矩阵表示。
矩阵：行→回路；列→物流。
若某回路I 中包括有物流j 则相应的矩阵元素aji=1，否则为空白或零。
Upadyhe －Grens 断裂法需要解决的两个问题：一是要有一种能把所有的有效断裂物流组都能搜索出来的办法；二是要能把最优断裂组从中选择出来。
有效断裂组：能够把全部简单回路至少断裂一次的断裂流股组。
① 多余断裂组：如果从一个有效断裂组中至少可以除去一个流股，而得到的断裂组仍⎩⎨⎧=⎩⎨⎧=ij i j a j j x ij j 属于回路流股不属于回路流股被断裂流股未断裂流股,1,0,1,为有效断裂组，则原有效断裂组为多余断裂组。
分析与合成
回路搜索法解方程组 ①将方程组表示为事件矩阵
f1 x1 x4 10 0 2 f 2 x2 x3 x4 x5 6 0 1.7 f3 x1 x2 ( x4 5) 8 0 f 4 x4 3x1 6 0 f5 x1 x3 x5 6 0
RA rij
i, j 1,2,, n
其元素的值是这样定义的：
1 有物流从单元 i 流向单元 j rij 0 无物流从单元 i 流向单元 j
这种由0，1 两种元素构成的矩阵称为布尔矩阵 或逻辑矩阵。邻接矩阵虽然比关联矩阵简单，但它 没有反映系统的输入、输出物流是从哪一个单元流 入或流出的。
通用化工流程模拟系统是指并非针对特定流程 开发的、对不同流程均可适用的、带有通用性的化 工流程模拟系统。它备有通用的、可供用户选择的 各种单元操作的计算方法，各种物理性质和热力学 性质的计算方法，系统分解和收敛方法，工程费用 和操作费用的资料以及数值方法程序库等。 由于通用流程模拟系统所能达到的精确程度往往不 能满足工业生产装置的模拟要求，因此，需要能提 供更精确可靠的计算结果的专用流程模拟系统。专 用化工流程模拟系统是针对某特定流程专门开发的， 只用于对该流程进行模拟的流程模拟系统，不具有 通用性。
f1 f2 f3 f4 f5
x1 1 1 1 1
x2 1 1
x3 1
x4 1 1 1 1
x5 1
1
1
在事件矩阵中，行序号与方程序号对应，而列序号与 变量序号对应。矩阵中 i行j列元素的值若为1，表示方 程i含有变量 j; 若为0或空白，表示方程i不含变量 j 。
②为每个方程指定一个输出变量 输出变量是可以通过其所在方程中其它变量求解的 变量，且每个变量只能被指定为一个方程的输出变量。 输出变量的指定方法：选事件矩阵中元素最少的行 和元素最少的列的交点处元素对应的变量，作为优先指 定的输出变量，然后从事件矩阵中删去该输出变量对应 的行和列；重复上述过程直至矩阵中所有的行和列都被 删去。
(完整word版)化工过程分析与合成
名词解释1. 夹点的意义（夹点处，系统的传热温差最小（等于ΔT min ），系统用能瓶颈位置。
夹点处热流量为0 ，夹点将系统分为热端和冷端两个子系统，热端在夹点温度以上，只需要公用工程加热（热阱），冷端在夹点温度以下，只需要公用工程冷却（热源）；）2. 过程系统能量集成（以用能最小化为目标的考虑整个工艺背景的过程能量综合）3. 过程系统的结构优化和参数优化（改变过程系统中的设备类型或相互间的联结关系，以优化过程系统；参数优化指在确定的系统结构中，改变操作参数，是过程某些指标达到优化。
）4、化工过程系统模拟（对于化工过程，在计算机上通过数学模型反映物理原型的规律）5、过程系统优化（实现过程系统最优运行，包括结构优化和参数优化）6、过程系统合成（化工过程系统合成包括：反应路径合成；换热网络合成；分离序列合成；过程控制系统合成；特别是要解决由各个单元过程合成总体过程系统的任务）7、过程系统自由度（过程系统有m个独立方程数，其中含有n 个变量，则过程系统的自由度为：d=n-m ，通过自由度分析正确地确定系统应给定的独立变量数。
）填空题1. 稳态模拟的特点是，描述过程对象的模型中（不含）时间参数2. （集中参数模型）认为状态变量在系统中呈空间均匀分布，如强烈搅拌的反应罐就可以用这一类模型来描述.3. （统计模型）又称为经验模型，纯粹由统计、关联输入输出数据而得。
（确定性模型）又称为机理模型4. （结构）优化和（参数）优化是过程系统的两大类优化问题，它们贯穿于化工过程设计和化工过程操作。
5. 换热网络的消耗代价来自三个方面：（换热单元（设备）数）（传热面积）（公用工程消耗）6. 过程系统模拟方法有、和。
7. 试判断图a 中换热匹配可行性1 , 2 ,3 ,4 。
8. 在夹点分析中，为保证过程系统具有最大热回收，应遵循三条基本原则：避免夹点之上 热物流与夹点之下冷物流间的匹配；夹点之上禁用冷却器；夹点之下禁用加热器。
化工过程分析与合成(课堂PPT)
单元2
2 (3) (29) (9)
(664) (4)
3
单元3
(32)
单元3 7 (72)
(2)
单元4
单元4
(2)
流股序号
（权重因子）Wf
图2-13 不可分隔子系统
流股序号
1234567 （权重因子）Wf
A 0 图12-13 0不可分1隔子系0统 0 0 B 1 1 0 0 1 0 0 C 1 1 1 0 0 1 0 D 0 1 1 0 0 0 1
ss11,,ss44,s7,s11""
s1,s44,,ss77
{{ss2}
s2
{{ss3,s4,ss55}} s3
{{ss4,s5,,ss66,,ss77}}
s5,s66
{{ss1,s4,ss77}}
38
非多余断裂族:
{S2}
9
{S1，S4，S7} 2+3+2＝7
{S3，S4，S5} 2+3+3＝8
19
序贯模块法的求解与过程系统的结构是有关的。 具有反馈联结的系统（不可分割子系统），需要用到 断裂（Tearing）和收敛（Convergence）技术
20
收敛模块
具有反馈的系图统2-与9 收具敛有单反元馈的系统与收敛单元
21
• 通过断裂技术可以打开回路，以便采用 序贯模块法进行求解。在断裂物流处设 置一个收敛单元。
26
• 由于系统中各物流及其变量特性的不同， 在收敛计算上常是有很大差异的。
• 如何选择断裂物流、确定迭代序列，是 实施序贯模块法进行过程系统模拟计算 中必须要解决的问题。
27
（2）断裂方法的研究
六十年代初，Rubin就提出了断裂的思想 判断最佳断裂的准则分为四类
2 (3) (29) (9)
(664) (4)
3
单元3
(32)
单元3 7 (72)
(2)
单元4
单元4
(2)
流股序号
（权重因子）Wf
图2-13 不可分隔子系统
流股序号
1234567 （权重因子）Wf
A 0 图12-13 0不可分1隔子系0统 0 0 B 1 1 0 0 1 0 0 C 1 1 1 0 0 1 0 D 0 1 1 0 0 0 1
ss11,,ss44,s7,s11""
s1,s44,,ss77
{{ss2}
s2
{{ss3,s4,ss55}} s3
{{ss4,s5,,ss66,,ss77}}
s5,s66
{{ss1,s4,ss77}}
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非多余断裂族:
{S2}
9
{S1，S4，S7} 2+3+2＝7
{S3，S4，S5} 2+3+3＝8
19
序贯模块法的求解与过程系统的结构是有关的。 具有反馈联结的系统（不可分割子系统），需要用到 断裂（Tearing）和收敛（Convergence）技术
20
收敛模块
具有反馈的系图统2-与9 收具敛有单反元馈的系统与收敛单元
21
• 通过断裂技术可以打开回路，以便采用 序贯模块法进行求解。在断裂物流处设 置一个收敛单元。
26
• 由于系统中各物流及其变量特性的不同， 在收敛计算上常是有很大差异的。
• 如何选择断裂物流、确定迭代序列，是 实施序贯模块法进行过程系统模拟计算 中必须要解决的问题。
27
（2）断裂方法的研究
六十年代初，Rubin就提出了断裂的思想 判断最佳断裂的准则分为四类
化工过程分析与合成 第二版ppt课件
✓在方程的迭代求解过程中，只要迭代方法正确，则每次迭代 总是向方程的解逼近，对于不同的求解问题及不同的迭代方法， 收敛速度和收敛精度都是有差别的，因此应事先规定某种判据， 以此来判断方程迭代到什么程度就认为是收敛了。
绝对量 收敛判据
f (X) 0
X (X)
相对量 收敛判据
f (X)(k) (X)(k) X (k)
过程单元与单元模块
☺单元模块的特点：单向性.
给定其输入物流变量及参数可计算出相应的输出变量，但不能 进行反算，即不能通过输出变量计算输入变量，也不能通过输 入、输出变量计算模块参数。
二、序贯模块法的基本思想
从系统入口物流开始，经过接受该物流变量的单元模块的计算， 得到输出物流变量，这个输出的物流变量就是下一个相邻单元 的输入物流变量。依此逐个计算过程系统中的各个单元，最终 计算出系统的输出物流。计算得出的过程系统中所有的物流变 量值，即状态变量值。
6）收敛速度
(X)(k1) X*
lim k (X)(k)
X*
n
C
X*是方程的解。 当n=1,n=2时称为线性收敛与二次收敛;n>1称为超线性收敛。
二、收敛单元
1）收敛单元模块：执行断裂物流变量收敛功能的模块
猜值
计算值
✓断裂物流变量的收敛问题， 实际上是迭代求解非线性 方程组的问题：x=y=G(x)
注意：求解与过程系统的结构有关.
当所涉系统为无反馈联结（无再循环流）的树形结构时，系统的 模拟计算顺序与过程单元的排列顺序是完全一致的。 具有反馈联结的系统（不可分割子系统）：需要用到分隔、切断 以及收敛技术.
分隔、切断在前面的讲解中已经进行，接下来讲解收敛技术。
2.2.2 断裂物流变量的收敛_P21
绝对量 收敛判据
f (X) 0
X (X)
相对量 收敛判据
f (X)(k) (X)(k) X (k)
过程单元与单元模块
☺单元模块的特点：单向性.
给定其输入物流变量及参数可计算出相应的输出变量，但不能 进行反算，即不能通过输出变量计算输入变量，也不能通过输 入、输出变量计算模块参数。
二、序贯模块法的基本思想
从系统入口物流开始，经过接受该物流变量的单元模块的计算， 得到输出物流变量，这个输出的物流变量就是下一个相邻单元 的输入物流变量。依此逐个计算过程系统中的各个单元，最终 计算出系统的输出物流。计算得出的过程系统中所有的物流变 量值，即状态变量值。
6）收敛速度
(X)(k1) X*
lim k (X)(k)
X*
n
C
X*是方程的解。 当n=1,n=2时称为线性收敛与二次收敛;n>1称为超线性收敛。
二、收敛单元
1）收敛单元模块：执行断裂物流变量收敛功能的模块
猜值
计算值
✓断裂物流变量的收敛问题， 实际上是迭代求解非线性 方程组的问题：x=y=G(x)
注意：求解与过程系统的结构有关.
当所涉系统为无反馈联结（无再循环流）的树形结构时，系统的 模拟计算顺序与过程单元的排列顺序是完全一致的。 具有反馈联结的系统（不可分割子系统）：需要用到分隔、切断 以及收敛技术.
分隔、切断在前面的讲解中已经进行，接下来讲解收敛技术。
2.2.2 断裂物流变量的收敛_P21
化工过程分析与合成完整版PPT课件
8.3 动态规划法
最基本也是最原始的最优化方法是穷举法 这种方法耗时费力，效率最低，当组分数较大 时，可行方案极多，计算工作量太大，致使无 法实施 为了减少计算工作量，数学规划法是较好的一 个方法，动态规划法是数学规划法的一种
动态规划法是解决多阶段决策过程最优化 问题的一种方法
多阶段决策过程是指由于这种过程的特殊性可 以将它分为若干步，而在每一步中都需要作出 决策，以便使整个过程取得最优效果 根据动态规划原理，如果一个分离序列是最优 的，则综合该分离序列的各步决策也必定是最 优的
最佳化的同时，每个塔的设计也要最佳化
8.2.1 简单塔（Simple Column）
(1) 一个进料分离为两个产品 (2) 每一个组分只出现在一个产品中，即锐分离
（Sharp Separation） (3) 塔底采用再沸器，塔顶采用全凝器
(a) 顺式流程(Direct Sequence)，轻组分在塔顶逐 个引出。
C21 Ⅵ A∧B∧C D
C23 Ⅺ A∧B∧C∧D
C43 Ⅲ
A∧B C D
第一步决策 第二步决策
C33 A∧B C∧D
C34 Ⅷ
A∧B∧C D 第三步决策
C22 Ⅻ
A∧B∧C∧D
C23 ⅩⅢ A∧B∧C∧D
Ⅰ
Ⅰ
产品集合 A∧B∧C∧D
终止状态
N=4时综合分离序列多步决策过程的序列 图
分离序列树相当于一个三步决策过程
子群数
G
3 6 10 15 21 28 36 45 55 66
分离子问题数
U
1 4 10 20 35 56 84 120 165 220
待分离组分数R增大时，子群数G和分离子问题 数U也随之增大，而序列数S骤增
化工过程分析与合成
化工过程分析与合成绪论：1：化工过程的定义：原料经过物理或化学加工制成产品的过程。
2：实现方法：通过反应、分离、混合、加热、冷却、压力改变和颗粒尺寸的变化等一系列步骤实现的。
3：工艺流程：独立转化的单元过程由被处理的物料流连接起来，成化工过程生产工艺流程。
4：最重要的也是最常用的单元过程：1：化学反应过程2：分离过程3：换热过程4：流体输送过程5：设计的目标：高效益、易控制、环境友好和安全的过程。
6：两类优化流程结构的方法：探试法、算法方法7：判断最佳断裂的准则分为四类：①断裂的物流数最少；②断裂物流的变量数最少；③断裂物流的权重因子之和最少；④断裂回路的总次数最少。
8：自由度（设计变量）的选择原则：1：所选择的自由度必须真正独立2：自由度的选择应使问题求解尽量方便9：模拟型问题：理论级数、进料位置、塔顶（或塔底馏出量)、回流比→→塔顶、塔底的产品组成10：设计型问题：轻关键组分的塔顶回收率、重关键组分的塔底回收率、进料位置判据、回流比→→理论级数、进料位置、塔顶和塔底馏出量第二章：1：非理想体系——采用状态方程与活度系数相结合的模型；2：汽相状态方程模型：非理想气体模型：Benedict-Webb-Rubin-Lee-Starling（BWRS）；Hayden-O’Connell（用于Hexamerization的氢-氟化物状态方程）理想气体模型：Lee-Kesler（LK）；Lee-Kesler-Plocker；Peng-Robinson（PR）；采用Wong-Sandler混合规则的SRK或PR；采用修正的Huron-Vidal-2混合规则的SRK或PR；用于聚合物的Sanchez-Lacombe模型。
3：液体活度系数模型：Eletrolyte NRTL；Flory-Huggins；NRTL；Scatchard-Hilde-Brand；UNIQUAC；UNIFAC；van Laar；WILSON。