化工过程系统工程

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。

过程系统工程在化工生产中的应用在当今高度工业化的时代，化工生产对于推动社会经济发展和满足人们日常生活需求发挥着至关重要的作用。

而过程系统工程作为一门综合性的学科，已经成为提升化工生产效率、优化生产过程、保障生产安全以及实现可持续发展的关键技术手段。

过程系统工程，简单来说，是将系统工程的原理和方法应用于化工过程的设计、操作和控制，以实现最优的生产性能和经济效益。

它涵盖了从原材料的选择、工艺流程的设计、设备的选型和布置，到生产过程的监控、优化和故障诊断等多个方面。

在化工生产的初始阶段，即设计环节，过程系统工程发挥着不可或缺的作用。

通过运用各种建模和仿真技术，工程师们能够在计算机上模拟不同的工艺流程和操作条件，从而预测产品的产量、质量以及能源消耗等关键指标。

这使得在实际建设工厂之前，就能够对各种设计方案进行比较和评估，选择出最优的方案。

这种“虚拟实验”的方法大大降低了研发成本和风险，缩短了项目的开发周期。

例如，在设计一个化工厂的生产流程时，需要考虑众多因素，如反应的热力学和动力学特性、物料和能量的平衡、设备的尺寸和性能等。

过程系统工程可以将这些复杂的因素整合到一个数学模型中，通过求解这个模型，得到最佳的工艺流程和操作参数。

比如，对于一个化学反应过程，通过模型可以确定最佳的反应温度、压力、反应物浓度等条件，以提高反应的转化率和选择性，从而增加产品的产量和质量。

在化工生产的运行阶段，过程系统工程同样具有重要意义。

实时监测和控制生产过程中的各种参数，如温度、压力、流量、浓度等，对于保证产品质量的稳定性和生产的安全性至关重要。

基于过程系统工程的先进控制技术，如模型预测控制、自适应控制等，可以根据生产过程的变化及时调整操作参数，使生产过程始终处于最优状态。

此外，过程系统工程还能够帮助化工企业实现节能减排和资源的高效利用。

通过对整个生产系统进行能量分析和优化，可以发现能源浪费的环节，并采取相应的措施加以改进。

例如，通过优化换热网络，可以提高热能的回收利用率，降低能源消耗。

化工过程控制系统动态模型建立与分析随着科技的进步和工业的飞速发展，化工行业对于过程控制技术的需求越来越高。

化工过程控制系统动态模型的建立与分析是实现优化控制和自动化的关键步骤，它能够帮助工程师们更好地理解和管理化工过程，提高生产效率和安全性。

本文将介绍化工过程控制系统动态模型的建立方法，以及分析该模型的重要性和应用前景。

一、化工过程控制系统动态模型的建立方法化工过程控制系统动态模型的建立是通过对化工过程的各个环节进行建模和参数估计来实现的。

主要的方法包括基于物理原理的建模方法和基于数据挖掘的建模方法。

1. 基于物理原理的建模方法基于物理原理的建模方法是通过对化工过程的质量守恒、能量守恒和动量守恒等基本原理的数学表示，得到控制系统的动态模型。

这种方法需要对化工过程的基本原理有深入的了解，以及对各个环节的参数进行准确的估计。

常见的基于物理原理的建模方法包括质量平衡模型、热力学模型、动力学模型等。

这些模型可以通过微分方程、代数方程或差分方程等形式进行描述，并可以通过数值方法进行求解和仿真。

2. 基于数据挖掘的建模方法基于数据挖掘的建模方法是通过对化工过程的历史运行数据进行分析和处理，建立系统的动态模型。

这种方法不需要对化工过程的基本原理有深入的了解，而是通过对数据的挖掘和分析，找出变量之间的关联性和规律性，并利用这些关联性和规律性建立模型。

常见的基于数据挖掘的建模方法包括回归分析、神经网络、支持向量机等。

这些方法可以对大量的历史数据进行处理和分析，并可以预测未来的过程变量。

二、化工过程控制系统动态模型的分析化工过程控制系统动态模型的分析是通过对模型进行数学和统计方法的应用，得到有关系统行为和性能的信息。

主要的分析方法包括稳定性分析、动态响应分析和灵敏度分析等。

1. 稳定性分析稳定性分析是衡量控制系统是否稳定的重要指标。

通过对控制系统动态模型的特征值进行分析，判断系统的稳定性和稳定裕度。

常见的稳定性分析方法包括根轨迹分析、Nyquist稳定性判据和Bode稳定性判据等。

化工过程系统工程的研究与实践化工工程是一个非常关键的学科，它专门研究如何将化学反应过程转化为具有市场经济价值的产品。

化学工业是中国最大的制造业行业之一，具有非常重要的地位。

化工过程系统工程是化工工程的重要分支，是采用系统方法和综合技术来优化和规划化工过程的一种交叉学科。

本文将详细探讨这个领域的研究与实践。

1. 研究简介化工过程系统工程是一个综合性的交叉学科，涉及化学工程、控制工程、计算机技术、数学和统计学等多个学科。

化工过程系统工程旨在将各个生产单元联系起来，形成一个有机的整体，从而提高生产效率和产品质量。

化工过程系统工程的研究内容包括：研究化工过程的控制策略和优化方法，设计和应用化工过程的智能化控制系统，开发和应用基于计算机的模拟和仿真技术，运用最新的信息技术建立化工过程控制体系，对化工过程中的各种数据进行处理和分析，以及制定化工生产的管理策略等。

其中，化工过程的控制策略和优化方法是化工过程系统工程的核心内容。

控制策略和优化方法主要涉及化工生产的各个方面，包括反应、传质、热量和动力学等。

化工过程系统工程可以通过优化控制方法，推进化工过程的高效化、低能耗化、低排放化等方面的发展。

2. 实践案例实践是检验理论正确性的重要方式，下面介绍两种不同类型的实践案例，以对化工过程系统工程的研究与实践有更深入的理解。

2.1 微生物发酵过程控制微生物发酵过程是人类历史上最早的发酵产业。

当今，在微生物学和分子生物学等科学技术的推动下，微生物发酵技术已经成为全球范围内的重要产业。

微生物发酵过程的控制是化工过程系统工程的重点研究内容之一，涵盖了微生物生长、代谢及产物分泌等领域。

德国Breunig在其研究中，采用黑曲霉和青霉菌等微生物的发酵过程，以明胶和甲基纤维素等多元酸为底物，构建了一个基于功率控制的发酵控制系统。

该系统实现了对反应过程中气体流量、料液混合等操作参数的自动控制，使反应能够在不同的条件下快速调整，从而获得了较好的反应效果。

系统工程：从全局观点出发，用定量和定性相结合的方法，从技术经济和社会的角度，对一个大系统做全面的模拟分析评价优化和控制。

过程系统工程：是研究如何制定复杂化工过程系统的最优决策—最优规划、设计、操作、控制。

管理—的工程学科。

模拟：利用一个更为方便、经济的具有模拟性能的B来代替A系统。

数学模拟：如果系统B是一台电子计算机，它所演算的数学方程组可以足够准确地描述生产系统A的过程。

为了知道系统A的特性和效果，在电子计算机上对“数学模型”B进行试验研究（数学试验）。

数学模型：是指具有某种关系的数学表达，是由描述过程的数学方程（组）及限制条件所组成的。

数学模型三种常用模型：1.机理模型：完全从过程机理出发，通过数学推导建立，经实验验证符合实际的模型。

2.统计模型：根据实验室或工厂实际装置实测数据，通过数据回归分析得到的纯经验数学关系式，与过程机理无关。

3.混合模型：对实际过程合理简化，然后通过机理分析建立模型，模型中的某些参数根据实验数据，通过数据回归方法得到。

过程模拟的优越性及限制：1优越性：试验的经济性、加大放大倍数、工艺的瓶颈分析、优化工艺条件、研究稳定性和灵敏度、研究控制方式、提供深入系统的技术资料。

2限制：数据的完备性和准确性、解算数学模型的手段限制、数学模型适用范围的限制。

模型的自由度：描述一个系统的状态所需的变量的数目与建立这些变量间关系的独立方程数目之差。

过程模拟、优化、综合之间的关系：流程结构的矩阵表述：1.过程矩阵2.关联矩阵：将流线和单元各视为一类事物，某单元上连接着的流线，就属于同该单元有关联，否则就无关联。

3.邻接矩阵：在一个具有网格结构的事物中，网中两个结构点之间，或者互相邻接，或者互不邻接，用来表述这种关系的矩阵。

序贯模块法流程模拟的主要环节：1将系统分隔成不可再分块2确定不可再分块的计算次序3对包含循环流的不可再分块，确定切断流股4确定不可再分块内的计算次序。

序贯模块法的基本思想：按照有各种单元模块组成的过程系统稀有度结构，序贯的对对各单元模块进行计算，从而完成该过程系统的模拟计算。

化工过程系统工程1. 引言化工过程系统工程是一门研究化工过程的整体设计、分析和优化的学科。

它涵盖了化工过程的各个方面，包括硬件设备、操作策略、自动控制系统以及与环境和可持续发展相关的因素。

通过系统化地设计和优化化工过程，化工过程系统工程可以提高生产效率、降低能耗和废物排放，同时保证产品质量和安全性。

2. 化工过程系统工程的基本原理和方法化工过程系统工程的基本原理有以下几个方面：2.1. 综合思考化工过程系统工程需要考虑各种因素之间的相互关系，并综合考虑它们对系统绩效的综合影响。

这需要运用系统思维的方法来建立全面的模型，以指导系统设计和决策。

2.2. 优化技术化工过程系统工程采用数学建模和优化技术来求解系统设计和操作问题。

通过数学模型的建立，可以准确地描述系统的行为和性能，通过优化算法的应用，可以找到最佳的系统设计和操作策略。

2.3. 自动控制系统化工过程系统工程需要设计和建立自动控制系统来实现对化工过程的自动化和智能化。

自动控制系统可以实时监测和调节化工过程的参数和变量，并实现对系统的优化和调整。

这可以提高生产效率、降低能耗和废物排放，同时提高产品质量和安全性。

2.4. 可持续发展化工过程系统工程要考虑与环境和可持续发展相关的因素。

通过减少能耗和废物排放，提高资源利用效率，化工过程系统工程可以实现可持续发展，保护环境并促进经济的可持续增长。

3. 化工过程系统工程的应用化工过程系统工程在化工工业中有着广泛的应用。

以下是化工过程系统工程的一些典型应用场景：3.1. 生产过程优化化工过程系统工程可以通过优化系统设计和操作策略，最大程度地提高生产效率和产品质量，同时降低能耗和废物排放。

通过数学建模和优化技术，可以实现对生产过程的全面优化。

3.2. 产品质量控制化工过程系统工程可以通过自动控制技术，实现对生产过程的精确控制和调节，从而保证产品的稳定性和一致性。

自动控制系统可以实时监测和调节关键的过程参数，及时纠正偏差，确保产品质量达到标准要求。