化工过程模拟与分析第二章化工过程系统数学模拟方法【精选】

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。

石化流程模拟的数学方法石化工业是当今社会最重要的工业之一，它生产出各种化学产品，广泛应用于人们日常生活和工业生产各个领域。

石化流程模拟技术是石化工业生产技术的重要组成部分，它可以帮助我们预测化学反应的过程和物质的变化规律，为实际生产提供参考依据。

在石化流程模拟中，数学方法是其核心技术之一。

本文将介绍石化流程模拟的数学方法。

一、数学方法在石化流程模拟中的应用石化流程模拟是一种复杂的过程，它涉及到液相和气相之间的物理和化学联系，需要借助大量的数学方法进行模拟和计算。

其中，数学方法主要应用于下面两个方面：1. 模型构建石化流程模拟的第一步是构建数学模型，该模型应能反映化学反应和物质传输过程的特征。

为此，需要将化学反应和物质的传输过程进行抽象描述，并使用数学语言建立运动方程。

例如，对于一个物理过程，可以将它描述为几个变量之间的方程组，然后用计算机程序来进行数值求解。

2. 计算模拟石化流程模拟的第二步是进行计算模拟，该步骤将已构建的数学模型与实际生产情况联系起来，通过计算来预测化学反应和物质传输过程的运动状态。

在计算模拟中，需要涉及到诸如数值分析、微分方程、随机过程、优化算法等高级数学方法。

二、常用的数学方法在石化流程模拟中，常用的数学方法有很多，下面列举几种重要的方法：1. 热力学石化流程模拟中需要考虑各种化学反应和物质传输过程中的热量变化。

热力学是一种专门研究热量变化的数学方法，它可以用来计算物质转化和热力学平衡等热力学性质。

热力学可以建立一系列描述物质性质和行为的模型，如物质的热容、热导率、热扩散系数、热力学势等等，这些模型不仅可以帮助理解物质的转化过程，还可以作为模拟的依据。

2. 流体力学石化流程模拟中的物质传输过程通常涉及到流体力学中的流体运动。

流体力学是一种研究流体运动规律的数学方法，它可以用来描述液体和气体在力和剪应力作用下的流动。

在石化工业中，流体力学可以应用在石油开采、煤气化、水泥生产等许多领域中。

数学建模快捷地设计化工过程的方法8篇第1篇示例：数学建模在化工过程中的应用越来越广泛，它可以快速地设计化工过程，提高生产效率，降低成本，保证产品质量。

本文将介绍数学建模在化工过程中的应用方法。

数学建模是将实际问题转化为数学模型，通过建立数学模型来描述、预测和优化化工过程。

在化工过程中，我们可以采用各种数学方法来描述过程的动态特性、控制信号传递、材料流动等一系列问题。

常见的数学方法包括微分方程、概率统计、最优化、线性规划等。

数学建模需要根据实际情况选择合适的模型和方法。

在化工过程中，可以根据过程的特点选择合适的数学方法。

对于反应动力学问题可以采用微分方程描述反应速率和产物生成速率；对于流体流动问题可以采用流体动力学模型描述流体的运动行为；对于控制问题可以采用最优控制理论设计控制策略。

数学建模需要结合实验数据进行验证和优化。

在建立数学模型的过程中，需要利用实验数据来验证模型的准确性和可靠性。

并且可以通过模拟和优化来提高模型的预测能力和工业应用价值。

通过不断的实验和优化，可以持续改进化工过程，提高生产效率，降低成本，保证产品质量。

第2篇示例：数学建模是一种将现实问题转化为数学问题，然后利用数学工具对问题进行分析和求解的方法。

在化工过程中，数学建模可以帮助工程师快速地设计和优化生产过程，提高生产效率和降低生产成本。

本文将介绍数学建模在化工过程中的应用方法，以及如何快速地进行设计和优化。

化工过程中常见的问题包括反应速率、热量平衡、传质过程等，这些问题都可以通过数学建模的方法来描述和解决。

数学建模的过程一般包括以下几个步骤：首先是建立数学模型，即将化工过程转化为数学方程。

这一步需要对化工过程进行深入的了解，确定相关的变量和参数，然后建立数学模型描述它们之间的关系。

对于反应速率问题，可以利用化学动力学的知识建立反应速率方程；对于传质过程问题，可以利用质量守恒和动量守恒方程建立传质模型。

其次是求解数学模型，即利用数学工具对建立的数学模型进行求解。

化工过程数值模拟化工过程数值模拟是指使用数学模型和计算机仿真来模拟和预测化工过程中的各种物理和化学现象，以及过程参数的变化。

它广泛应用于化工工程设计、优化分析、操作指导和安全评估等方面。

本文将详细介绍化工过程数值模拟的应用、方法和意义。

化工过程数值模拟的应用非常广泛。

首先，它可以用来优化化工过程设计。

通过模拟和比较不同参数设置下的化工过程性能，可以找到最佳的工艺条件，提高产量、降低能耗和污染物排放等。

其次，它可以帮助化工工程师进行操作指导。

通过模拟过程中各种物理和化学现象的变化，可以提前预测出过程中可能出现的问题，并及时采取措施防止事故的发生。

此外，化工过程数值模拟还可以用于安全评估。

通过对可能发生的事故情况进行模拟和分析，可以提前发现安全隐患，采取相应的措施，减少事故的发生和损失。

化工过程数值模拟的方法主要包括数学模型的建立和计算机仿真。

首先，需要根据化学反应的速率、物料平衡和能量平衡等原理，建立数学模型描述化工过程中的各种物理和化学现象。

常用的数学模型包括代数方程、常微分方程、偏微分方程等。

其次，需要将数学模型转化为计算机可以处理的离散形式。

这需要采用合适的数值方法对数学模型进行离散化，如差分法、有限元法和有限体积法等。

最后，需要使用计算机编程软件，将离散化后的数学模型输入计算机，进行数值计算和仿真。

目前，常用的计算机软件有Aspen plus、COMSOL Multiphysics、Matlab等。

化工过程数值模拟的意义主要体现在以下几个方面。

首先，它可以提高化工过程的效率和安全性。

通过模拟和预测化工过程的各种物理和化学现象，可以优化工艺参数和操作方法，减少无效操作和事故的发生。

其次，它可以降低化工过程的成本和能耗。

通过模拟和比较不同参数设置下的化工过程性能，可以选择更加经济高效的操作方案，并减少能源的消耗。

最后，化工过程数值模拟还可以促进化工工程的发展和创新。

通过模拟和预测化工过程中的各种现象和问题，可以提出新的设计理念和解决方案，推动化工工程技术的发展。