加工业生产的稳态模拟问题

化工系统工程__化工过程系统稳态模拟与分析2 化工过程系统稳态模拟与分析概述通过对化工工艺流程系统进行稳态模拟与分析也就是对过程系统建立模型并对模型进行求解可以解决下述三方面的问题①过程系统的分析与模拟②过程系统设计③过程系统参数优化①过程系统的分析模拟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如图21所示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如图22所示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如图所示 2 化工过程系统稳态模拟与分析相关的基本概念 1 系统为了某种目标由共同的物料流或信息流联系在一起的单元组合而形成的整体称为系统 2 子系统组成系统的系统下一层次的事物简单系统子系统就是某个单元复杂系统它的子系统又可能包含有子系统基本概念 3 系统的特性由两方面构成 1系统内各个单元的特性复杂系统则是各子系统的特性 2系统流程的结构特性树结构和再循环结构的概念 4 过程拓扑将过程流程图转换为信息流程图再把信息流程图转变为过程矩阵的过程称为过程拓扑过程流程→信息流程用有向线段表示信息流用方框表示设备或节点信息流程→过程矩阵将信息流程数字化使计算机可以识别根据信息流图可以得出过程矩阵 2．1 过程系统模拟的基本方法过程系统模拟计算量大且复杂手工计算难以完成计算机和计算技术的发展为过程系统的整体研究提供了技术手段各种类型的过程系统模拟软件不断出现但就其模拟计算求解方法而言可以归纳为三类序贯模块法 Sequentia1 Modular Method 面向方程法 Equation Oriented Method 联立方程法联立模块法 Stmultaneously Modular Method 2 11过程系统模拟的序贯模块法序贯模块法按照由各种单元模块组成的过程系统的结构序贯的对各单元模块进行计算从而完成该过程系统的模拟计算的方法序贯模块法对过程系统的模拟以单元模块的模拟计算为基础依据单元模块入口的物流信息以及足够的定义单元特性的信息计算出单元出口物流的信息序贯模块法的优点与实际过程的直观联系强模拟系统软件的建立维护和扩充都很方便易于通用化计算出错时易于诊断出错位置序贯模块法的主要缺点计算效率较低尤其是解决设计和优化问题时计算效率更低序贯模块法计算效率低的原因只能根据模块的输入物流信息计算输出物流信息在进行系统模拟的过程中对有再循环物流单元模块的计算需要考虑断裂物流收敛计算使问题复杂 2 12 过程系统模拟的面向方程法面向方程法将描述整个过程系统的数学方程式联立求解从而得出模拟计算结果的方法面向方程法又称联立方程法面向方程法的优点可以根据问题的要求灵活地确定输入输出变量而不受实际物流和流程结构的影响模型中所有的方程可同时计算和同步收敛面向方程法的问题形成通用软件比较困难不能利用现有大量丰富的单元模块缺乏与实际流程的直观联系计算失败之后难于诊断错误所在对初值的要求比较苛刻计算技术难度较大等 2 13 过程系统模拟的联立模块法联立模块法将过程系统的简化模型方程与单元模块严格模型交替求解又被称作双层法 2．2 过程系统模拟的序贯模块法 2．2．1序贯模块法的基本原理单元模块依据相应过程单元的数学模型和求解算法编制而成的子程序如图28 a 中的闪蒸单元可依据闪蒸单元模型和算法编制成闪蒸单元模块单元模块的单向性结定单元模块的输入物流变量及参数可计算出相应的输出物流变量但不能由检出变量计算输入变量也不能由输入输出变量计算模块参数序贯模块法的基本思想从系统入口物流开始经过对该物流变量进入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次逐个的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过程系统中所有的物流变量值即状态变量值 2．2．2 再循环物流的断裂当涉及的系统为无再循环流的树形结构时序贯模块法的模拟计算顺序可以按过程单元的排列顺序一一顺利完成用序贯模块法处理具有再循环物流系统的模拟计算时需要用到系统分解断裂 Tearing 和收敛 Convergence 等多项技术 Step1 假定断裂物流S4的变量值然后依次计算单元模块ABC得到物流S4的变量值 Step2利用收敛单元比较S4与S4的相应变量值若不等则改变S4为新的变量值重复Step1过程直到S4与S4两个变量值相等为止问题收敛单元设置在哪个物流处既如何选择断裂物流本问题中不仅可以是物流S4处也可以设置在物流S2或S3处对于复杂系统收敛单元设置的位置不同其效果也将不同究竟设置在何处为好这要通过断裂技术去解决如何得到新的S4变量值如何保证计算收敛如何加快收敛取决于收敛算法还与断裂物流变量的特性有关 2．2．2 再循环物流的断裂 1 断裂的基本概念首先考察方程组的断裂假设有一个由四个方程四个未知变量组成的方程组也可以由另外的方式进行求解例如假设x2的猜值则 f1解出x3 f2解出x4 f3解出x1 最后利用f4来检验最初没定的猜值x2 是否正确如果f4为零则可认为得到了方程组的解若此处的f4 不为零则需修正x2的值再重新进行迭代计算这样可将四维求解问题降阶成了四个一维问题通过迭代计算把高级方程组降阶为低级方程组的办法称为断裂考察过程系统中的不可分隔子系统如图211断裂物流可以选为S10当然也可以选为S11选择不同的断裂物流则其相应的迭代序列也不一样从表面上看上列的两种计算序列似乎没有什么很大的区别但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变量个数的多少方程求解的难易程度等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过程中必须要解决的问题 2 断裂方法的研究早在20世纪60年代初就有人提出了断裂的思想此后随着流程模拟技术的不断发展有关研究断裂的文章不断出现他们提出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另一种归纳 1断裂的流股数目最少 2断裂流股包含的变量数目最少 3对每一流股选定一个权因子该权因子数值反映了断裂该流股时迭代计算的困难程度应当使所有的断裂流股权因子数值总和最小4选择一组断裂流股使直接代入法具有最好的收敛特性四条准则是一般性的原则 3 回路矩阵过程系统中的简单回路可以用回路矩阵 1oop／stream Matrix 表示矩阵中的行代表回路列代表物流若某回路i中包括有物流J则相应的矩阵元素aij＝1否则为空白或零不独立的列 f 1 与 f 值较大的列相比较若某列中的非零元素与 f 值较大列的非零元素同行则该列相对于 f 值大的列不独立如S2的f 值较大与其余小于它的列相比较会发现S2的非零元素为C行和A行而S1列C行非零 S3A行非零其余列中无与S2同行的非零的元素则判别出 S1 S3相对于S2不独立表示为 S1 S3 S2 S5 S6 S4 流股断裂方法一L - R 分解法 L – R分解法遵循的原则断裂流股数目最少且将所有循环路打开例现有一个为最大循环网的不可分割子系统其信息流图如下1 42 53 S4 S3 S2 S1 S6 S5 S7 S8 4流股断裂方法分析在这个信息流程图中有 8个流股S1S2 S8 五个节点12345构成了ABCD四个环路 1 4 2 5 3 S4 S3 S2 S1 S6 S5 S7 S8 A D C B在Lee – Rudd 法中首先分析信息流图再用环路矩阵表示出来 A B C D 环路S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 01 1 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 1 1 1 1 01 0 0 0 0 0 0 0 11 1 1 0 流股 f R 1 42 53 S4 S3 S2 S1 S6 S5 S7 S8A C DB 矩阵做法Si 流股若在 A 环中出现则标 1若不出现则标 0例如 A 环由S2S3 两流股构成其余为零矩阵中还有加和行用f 表示它由每一列中的非零元素加和构成加和列R它将每一行非零元素加和构成 f 称为环路频率代表某流股出现在所有环路中的次数R 称为环路的秩代表某环路中包含的流股总数经运算可得出加和 f 和R值环路矩阵成为下面样子 A B C D S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 0 1 1 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 10 R 2 2 3 4 f 1 2 1 2 1 1 2 1 不独立的列 A B C D S1 S2 S3 S4 S5S6 S7 S8 0 1 1 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 11 1 1 0 1 0 0 0 00 0 0 1 1 1 1 0 R 2 2 34 f 1 2 1 2 1 1 2 1 不独立的列基本概念工艺流程图过程流程过程拓扑举例信息流图-13 序贯模块法的基础是单元模块子程序通常单元模块与过程单元是一一对应的过程单元的输入物流变量即为单元模块的输入单元模块的输出即为过程单元的输出物流变量如 A B H G F E C D 系统分解对复杂系统将所有模型方程全部联立求解很困难直接用序贯法又存在相互影响这时可将该系统分成几个相对独立的部分各自联解再序贯求解将大的复杂系统分解为若干个小的子系统的过程称为大系统的分解目的是识别出不可分割子系统 AB H G F ECD 不可分割子系统不相关子系统 A B H G FE C D A B C A B CG F E D 流股断裂 Tearing 一般对于大系统分解得到的子系统已是不可分隔的如ABC构成的当这样的子系统仍很复杂时联立求解仍困难若断开某一个流股则可采用序贯法求解而断开的流股变量则作为迭代变量选择断裂流股是该技术的关键 A B H G F E C D 断裂物流迭代计算步骤如下该方程组可以通过联立求解得到它的解图210 描述了断裂的过程其中流股x2称为断裂流股该流股只有一个变量x2 称为迭代变量流股的收敛性指的就是其中变量x2 的收敛性能问题如果不选择流股x2是否可达到简化的目的。

第一章前言第一节化工过程流程摸拟的基本概念一、化工过程流程模拟化工过程流程模拟就是借助计算机求解整个化工生产过程的数学模型，得到有关该化工过程的性能的信息。

二、稳态模拟和动态模拟化工流程模拟可分为稳态模拟和动态模拟。

稳态模拟是模拟一个稳态的化工生产操作过程。

一头是稳定地连续进料，中间经过一系列稳定连续的加工操作，最后从另一头稳定连续的提供出化工产品的工厂或装置都属于稳定操作过程。

我厂绝大多数生产装置都是稳态生产过程，例如，乙烯裂解装置、原油加工装置等。

动态模拟系统是模拟不稳定的生产过程，例如间歇操作反应釜的生产过程、装置的开停工过程都属于不稳定的生产过程。

目前，由于化工流程稳态模拟系统与动态模拟系统相比，较为成熟，且应用范围较广。

所以化工流程模拟一般是指化工流程稳态模拟。

三、化工过程流程模拟的应用范围化工过程流程模拟主要用于新装置的设计和指导现有装置操作。

化工过程流程模拟能够对化工过程进行稳态的热量和物料衡算、尺寸计算和费用计算、过程的技术经济评价及过程优化。

四、化工流程模拟系统化工流程模拟系统是能够用来实现化工流程模拟的一整套计算机程序，或软件系统。

五、通用和专用化工模拟系统从应用范围方面来看，化工流程模拟系统还可以分为专用的和通用的化工流程模拟系统。

专用化工流程模拟系统是针对特定流程专门开发的模拟系统，只能用于对该流程进行模拟的目的，不具有通用性。

例如，荷兰KTI公司的SPYRO软件便是一个只用于乙烯裂解炉的、稳态的、专用模拟软件。

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。

本课程所要讲的ASPEN PLUS 便是一个稳态的、通用化工流程模拟系统。

六、模拟系统的“三要素”系统模型、物性数据和解算方法是模拟的三个核心环节，缺一不可，亦称“模拟三要素”。

系统模型即描述化工系统性能的数学模型。

一个完整的系统模型，不仅必须包括组成此系统的各个单元模型，而且还包括能对系统结构给予明确表述的部分。

化工过程分析与合成课程教学大纲一、课程的基本信息适应对象：化学工程与工艺、课程代码：41E01016学时分配：32赋予学分：2学分先修课程：高等数学、化工原理、化工设备机械基础、化学反应工程后续课程：化工设计、化工过程开发二、课程性质与任务1课程性质：《化工过程分析与合成》课程是一门具有综合性、应用性、研究性特色的化工类专业主干课程，以科学研究的方法论为主线，培养成人教育学生将实践经验与所学知识相结合分析和解决工程问题的能力。

2课程任务：通过本课程教学，使学生在学习了化工原理、化工热力学、化学反应工程等课程的基础上，学会以系统工程的方法来处理化工过程的分析与合成问题。

三、教学目的与要求本课程以科学研究的方法论为主线，培养学生将实践经验与所学知识相结合、分析和解决工程问题的能力。

通过本课程的学习，使学生掌握将实验室研究成果（新工艺、新产品等）实现工业化的主要方法，掌握化工过程及系统工程的发展概况；氨合成工艺介绍了化工过程系统稳态模拟方法及其分析求解方法；化工过程系统动态模拟的特性、方法及数学处理；化工过程系统的优化和求解方法；化工生产过程操作工况调优的数学模型及调优计算，以及人工神经元网络的基础知识；间歇化工过程的基本概念、模型化方法及设计优化；换热网络的合成及其夹点技术进行了全面的介绍；分离塔序列合成的方法等环节的过程研究。

通过列举大量化工过程开发的实例，让学生了解正确的理论指导、科学的实验方法、以及工艺与工程相结合的工程观念在化工过程开发中的重要作用。

四、教学内容与安排第一章绪论（课堂讲授学时：2）1.1 化工过程1.2 化工过程生产操作控制1.3 化工过程的分析与合成1.4 化工过程模拟系统1.5 化工企业CIPS技术第二章化工过程系统稳态模拟与分析（课堂讲授学时：4）2.1 典型的稳态模拟与分析问题2.2 过程系统模拟的三类问题及三种基本方法2.3 过程系统模拟的序贯模块法2.4 过程系统模拟的面向方程法2.5 过程系统模拟的联立模块法2.6 氨合成工艺流程的模拟与分析第三章化工过程系统动态模拟与分析（课堂讲授学时：4）3.1 化工过程系统的动态模型3.2 连续搅拌罐反应器的动态特性3.3 精馏塔的动态特性第四章化工过程系统的优化（课堂讲授学时：4）4.1 概述4.2 化工过程系统优化问题基本概念4.3 化工过程系统最优化问题的类型4.4 化工过程中的线性规划问题4.5 化工过程中非线性规划问题的解析求解4.6 化工过程中非线性规划问题的数值求解第五章化工生产过程操作工况调优（课堂讲授学时：2）5.1 化工生产过程操作工况调优的作用与意义5.2 化工生产过程操作工况离线调优的方法第六章间歇化工过程（课堂讲授学时：6）6.1 间歇过程与连续过程6.2 过程动态模型及模拟6.3 间歇过程的最优时间表6.4 多产品间歇过程的设备设计与优化第七章换热网络合成（课堂讲授学时：4）7.1 化工生产流程中换热网络的作用和意义7.2 换热网络合成问题7.3 换热网络合成--夹点技术7.4 夹点法设计能量最优的换热网络第八章分离塔序列的综合（课堂讲授学时：6）8.1 精馏塔分离序列综合概况8.2 分离序列综合的基本概念8.3 动态规划法8.4 分离度系数有序探试法8.5 相对费用函数法8.6 分离序列综合过程的评价五、教学设备和设施多媒体教室、黑板、黑板笔六、课程考核与评估期末闭卷考试，考试时间100min。

稳态热传导问题的数值模拟热传导是热能从高温区向低温区传递的过程，在自然界和工程应用中有广泛的应用。

当材料或物体的长度，面积和体积足够大以至于其中的热量可以被视为连续分布时，稳态热传导方程可以用来描述热传导现象。

本文将讨论如何通过数值模拟来解决稳态热传导问题。

1. 稳态热传导方程首先，我们来看一下稳态热传导方程。

稳态热传导方程最常用的形式是二维热传导方程和三维热传导方程。

对于二维情况，可以表示为：$$ \frac{\partial^2 T}{\partial x^2}+\frac{\partial^2 T}{\partial y^2}=0 $$对于三维情况，可以表示为：$$ \frac{\partial^2 T}{\partial x^2}+\frac{\partial^2 T}{\partialy^2}+\frac{\partial^2 T}{\partial z^2}=0 $$其中，T表示温度。

2. 数值模拟方法由于稳态热传导方程在大多数情况下很难用解析方法求解，因此数值模拟方法成为了解决该问题的主要方法之一。

这里我们主要介绍两种数值模拟方法：有限差分法和有限元法。

2.1 有限差分法有限差分法是一种基于迭代计算的数值模拟方法，它将区域离散化为小的网格，并通过有限差分来逼近上述方程。

具体来说，它将偏微分方程近似为差分方程，然后用迭代方法来逼近和求解问题。

在应用有限差分法时，需要将连续的区域离散化为小的网格。

然后，用相邻两个网格点的温度差来逼近该点处的温度。

具体来说，对于二维情况，可以用以下公式来表示：$$ \frac{T(i+1,j)+T(i-1,j)+T(i,j+1)+T(i,j-1)-4T(i,j)}{h^2}=0 $$其中，h表示网格尺寸，i和j分别表示网格的横向和纵向坐标。

通过递归求解该方程，可以得到整个区域内的温度分布。

2.2 有限元法有限元法是一种更通用的数值模拟方法，可以用于解决各种类型的偏微分方程。

稳态与非稳态热传导问题的数值模拟热传导是物体中热量传输的过程，它在生产和生活中都具有非常重要的作用。

热传导的过程中，热量从高温区向低温区传播，同时产生热流。

在工程领域中，热传导的过程常常需要进行数值模拟，以便更好地预测材料的热传导过程。

在本文中，我们将探讨稳态与非稳态热传导问题的数值模拟方法及其应用。

1. 稳态热传导问题稳态热传导问题是指物体中温度分布随时间不发生变化，也就是说，热量在物体内部没有积累或损失。

这类问题通常使用拉普拉斯方程来描述，即：∇·(k∇T) = 0其中，T 是温度分布，k 是热传导系数。

由于热传导系数一般取决于温度，因此需要使用一定的迭代方法，如高斯-赛德尔迭代法、雅可比迭代法等等，来求解该方程。

在实际的工程领域中，稳态热传导的数值模拟运用非常广泛。

例如，汽车发动机的温度控制和机械零件的热稳定性分析等都需要进行稳态热传导模拟，以保证工艺和质量。

2. 非稳态热传导问题非稳态热传导问题是指物体中温度分布随时间发生变化的情况。

这类问题与时间和空间有关，需要使用偏微分方程来描述。

例如，常见的热传导方程为：∂T/∂t = α∇²T + Q其中，α 为热扩散系数，Q 为热源。

解决该方程需要使用数值方法，如有限元方法、有限差分法等等。

非稳态热传导问题的数值模拟应用广泛，例如，液体储罐中液体的温度变化、电子设备散热分析等。

在高温环境下，热量的传递通常是非稳态的，因此该类问题的数值模拟更为常见。

3. 数值模拟方法无论是稳态还是非稳态热传导问题，数值模拟都需要使用适当的方法来求解热传导方程。

下面介绍两种常用的数值模拟方法。

（1）有限元方法有限元方法是一种非常常用的数值计算方法，在热传导问题中也得到了广泛应用。

该方法将连续的物理量离散成一组有限的基函数，再用这些基函数对问题进行近似求解，从而得到数值解。

有限元方法的基本思想是将区域分割成有限数量的小元素，每个小元素可以用一组简单的函数来描述，这些函数称为形函数。

化工生产技术考试模拟题含参考答案一、单选题（共50题，每题1分，共50分）1、在吸收操作中，其他条件不变，只增加操作温度，则吸收率将( )。

A、减小B、不能判断C、不变D、增加正确答案：A2、滴定分析的相对误差一般要求达到 0.1%，使用常量滴定管耗用标准溶液的体积应控制在( )。

A、20～30mLB、15～20mLC、10～15mLD、5～10mL正确答案：A3、传质单元数只与物系的( )有关。

A、吸收剂用量B、气体的进口、出口浓度和推动力C、气体处理量D、吸收剂进口浓度正确答案：B4、与吸收设备的型式、操作条件等有关的参数是( )。

A、传质单元高度B、理论板数C、塔板高度D、传质单元数正确答案：A5、碳钢和铸铁都是铁和碳的合金，它们的主要区别是含( )量不同。

A、碳B、铁C、硫D、磷正确答案：A6、下列关于萃取操作的描述，正确的是( )。

A、密度相差大，分离容易且分散快B、密度相近，分离容易但分散慢C、密度相差大，分离容易但萃取速度慢D、密度相近，分离容易且萃取速度快正确答案：C7、纯碱是重要的工业原料，采用联碱法生产纯碱所需的原料没有( )。

A、洗盐B、氨C、石灰石D、二氧化碳正确答案：C8、关于爆炸，下列不正确的说法是( )。

A、爆炸可分为物理爆炸和化学爆炸B、爆炸在瞬间放出大量的能量，同时产生巨大声响C、爆炸是一种极为迅速的物理和化学变化；D、爆炸的特点是具有破坏力，产生爆炸声和冲击波正确答案：C9、PVC 是指( )。

A、聚乙烯B、聚丙烯C、聚氯乙烯D、聚苯乙烯正确答案：C10、下述有关压力容器液压试验准备工作中，( )不符合《压力容器安全技术监察规程》的要。

A、不必等到液体温度与容器壁温接近时才可升压B、压力容器中应充满液体，滞留在压力容器内的气体必须排净C、压力容器外表必须保持干燥正确答案：A11、下列金属常温下能和水反应的是( )。

A、FeB、CuC、MgD、NA正确答案：D12、实际流体的柏努利方程不可以直接求取项目是。

过程系统稳态模拟技术一、简介过程系统稳态模拟技术是一种在过程工程领域中常用的技术，用于模拟和分析工业过程中的稳态行为。

通过建立数学模型并进行仿真，可以帮助工程师和研究人员更好地理解和优化工业过程，提高生产效率和产品质量。

二、稳态模拟的意义2.1 稳态与动态稳态是指系统的输入和输出在一段时间内保持不变的状态，而动态则是指系统处于不断变化的状态。

稳态模拟主要关注系统在稳定运行条件下的性能和行为，可以帮助工程师预测和优化系统的稳态运行。

2.2 应用领域稳态模拟技术广泛应用于化工、石油、能源、制药等工业领域。

它可以用于设计和改进工业过程，优化操作条件，减少能源消耗，提高产品质量，降低生产成本。

三、稳态模拟的基本步骤3.1 构建数学模型稳态模拟的关键是建立准确的数学模型来描述系统的行为。

数学模型一般基于物质和能量守恒原理以及系统的物理特性。

常见的建模方法包括质量平衡、能量平衡和动力学方程等。

3.2 参数估计与校准在进行模拟之前，需要获取系统中的各种参数和初始条件。

这些参数可以通过实验、测量和文献调研获得。

然后需要对参数进行估计和校准，以确保模拟结果的准确性。

3.3 求解数学模型一旦数学模型和参数确定，就可以利用数值求解方法求解模型。

常用的求解方法包括有限差分法、有限元法、微分方程求解器等。

求解结果将给出稳态下系统的性能和行为。

3.4 模拟结果分析对模拟结果进行分析是评估系统性能和提出优化方案的关键。

可以通过分析模拟结果的敏感性、稳定性、能量损失等指标来评判系统运行的优劣，并提出改进措施。

四、稳态模拟技术的应用案例4.1 化工过程优化稳态模拟技术可以帮助化工工程师优化生产过程。

例如，在炼油厂中，通过稳态模拟可以预测不同操作条件下的产物分布、能耗和废弃物产生量，以优化操作参数，提高生产效率和利润。

4.2 石油勘探与开发稳态模拟技术在石油勘探与开发中也有广泛应用。

通过对油藏稳态模拟，可以预测油藏内的油气分布情况和流动规律，帮助工程师制定开发计划，提高油气采收率。