最新化工系统工程课件_第二章_概述

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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。
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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)
断裂物流迭代计算步骤如下：
Step1 :假定断裂物流S4’ 的变量值，然后依次计 算单元模块A，B，C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
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. 1.3 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.
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
如图2—8(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。
2. 1.2 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。
不可分割子系统：
A BC
不相关子系统：
A BC
D EFG
A BCD E FGH
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（A，B，C）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.
化工系统工程课件_第 二章_概述
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2—1所示。
信 息 流 图
根据信息流图
可以得出过程
-13
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。
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。
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。
若行此 迭处 代的 计f算4 不。为零，则需修正x2的值，再重新进
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”。
(图2—10)描述了断裂的过程
变就其量 是中x其2流中，股变称x量2为称x迭为2 代的断变收裂量敛流。性股流能，股。该的流收股敛只性有指一的个 的问目题的：？如果不选择流股x2，是否可达到简化
2. 1.1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。
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
序贯模ห้องสมุดไป่ตู้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：
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。
(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：
该方程组可以通 过联立求解得到 它的解。
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。