第三章__化工过程系统动态模拟与分析Ch3

第七章化工过程动态模拟与分析第一节化工过程系统动态模拟简介化工进展CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS2000 Vol.19 No.1 P.76-78化工过程模拟及相关高新技术(Ⅱ)化工过程动态模拟陆恩锡张慧娟随着化工过程稳态模拟的发展，动态模拟相继被提到日程上来。

由于化工稳态过程只是相对的、暂时的，实际过程中总是存在各种各样的波动、干扰以及条件的变化。

因而化工过程的动态变化是必然的、经常发生的。

归纳引起波动的因素主要有以下几类：·计划内的变更，如原料批次变化，计划内的高负荷生产或减负荷操作，设备的定期切换等。

·事物本身的不稳定性，如同一批原料性质上的差异和波动，冷却水温度随季节的变化，随生产时间的增加而引起催化剂活性的降低，设备的结垢等。

·意外事故，设备故障、人为的误操作等。

·装置的开停车。

以上的种种波动和干扰，都会引起原有的稳态过程和平衡发生破坏，而使系统向着新的平衡发展。

这一过程中，人们最为关心的问题是：·整个系统会产生多大的影响?产品品质、产量会有多大的波动?·有无发生危险的可能?可能会导致哪些危害?危害程度如何?·一旦产生波动或事故，应当如何处理、调整?最恰当的措施、步骤是什么?·干扰波动持续的时间有多久?克服干扰、波动到系统恢复正常需要多长时间?·开停车的最佳策略。

这些问题就不是稳态模拟所能解决的，而必须由化工过程动态模拟来回答。

也正是在这样一个背景下，动态模拟在近20多年来尤其是进入90年代后获得了长足的进展和广泛的应用［1～14］。

1动态模拟的主要功能和应用领域1.1 动态特性研究动态模拟广泛地应用于各种过程动态特性的研究。

研究过程参数随时间变化的规律，从而得到有关过程的正确的设计方案，或操作步骤。

过程的动态特性并非完全可以从静态特性或者根据经验推断而出，而且往往这类推断是片面的、有错误的。

第三章过程系统自由度分析及系统分解3.1 自由度分析建立系统模型后，需要对系统进行求解，在系统求解之前，进行系统自由度分析，根据系统的自由度的数量确定相应的指定变量数，使系统有唯一确定的解，避免因变量设置的不足和过度而引起方程无解。

单元操作过程的数学模型由代数方程组、微分方程组构成，假定有m个独立的方程式，其中含有n 个变量，该模型的自由度为d=n-m。

d>0 不定方程组，有无穷个解d<0 过度设定，形成矛盾方程，割除冗余方程d=0 正确设定，方程组有唯一解组成系统模型的独立方程数：（1）守恒方程：物料守恒、能量守恒、动量守恒（2）平衡方程：压力平衡、化学平衡、相平衡（3）化学反应动力学方程（4）阻力方程：传热速率、流动阻力系统模型的变量数与流股的变量、热负荷、压力变化有关，（1）流股变量数：对一个已知每个组分初始质量的封闭体系，其平衡状态完全取决于两个独立的变量，而不论该体系有多少相、多少组分或多少化学反应，因此组分数为C个的流股，其变量数为C+2；（2）设备特性参数和操作参数：反应器容积、换热器的传热面积和传热系数、精馏塔的理论塔板数和回流比、分割器的分割；（3）过程从外界得到（或放出）的热量和功。

3.1.1 单元过程自由度分析这里介绍几种主要单元操作过程的自由度分析：（1）混合器（mixer）利用机械力和重力等，将两种或两种以上物料均匀混合起来的机械。

可以将多种物料配合成均匀的混合物，增加物料接触表面积，促进化学反应；加速物理变化，例如粒状溶质加入溶剂，通过混合机械的作用可加速溶解混匀。

混合机械广泛用于各类工业和日常生活中。

分为气体和低粘度液体混合器、中高粘度液体和膏状物混合机械、热塑性物料混合机、粉状与粒状固体物料混合机械四大类。

图3-1为混合器的示意图，两个流股通过混合器后混合成一个流股，每个流股有C+2个独立变量。

对该过程可以建立以下独立方程（数学模型）：压力平衡方程：),min(213p p p =物料衡算方程：213F F F +=)1,,2,1(332211-==+C j F x F x F x j j j热量衡算方程：332211H F H F H F=+上述混合器的独立方程数：2+=C m混合器的自由度：)2(2)2()2(3+=+-+=-=C C C m n d如果有S 个输入流股的混合器，其自由度为S(C+2)图3-1 混合器示意图（2）分割器（divider ）图3-2是简单分割器的示意图，由一个输入流股按一定的分率分割成两股物流。

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。

宁夏大学硕士生（博士生）考试考查卷面纸2011～～ 2012 学年度第二学期姓名学号院（所、部）化学化工学院年级 11 级专业化学工程研究方向课程化工分析过程与模拟考试方式论文浅谈化工过程模拟及相关高新技术摘要：化工过程模拟在化工界已经成为家喻户晓的先进工具，广泛应用于工业装置的研究、设计、改造等领域，并带来明显的经济效益。

化工过程模拟与实验研究的结合是最有效和最廉价的化工过程研究方法。

可以大大节约实验成本，加快新产品和新工艺的开发过程稳态模拟软件的应用也已成为一股不可抗拒的浪潮，席卷全球。

关键词：化工模拟稳态装置化学工业正不断满足化学和相关的过程工业的需要，如石油化工、制药、食品、环境、冶金、材料、电子等[1]。

工业的不断需求要求对现存的技术或设备进行不断地修改和改进，不断开发新技术方法。

一个最有效和最廉价的方法是采用实验研究和计算机辅助模拟设计（化工模拟）相结合[2]。

国外化工模拟软件起步很早[3]，上个世纪50年代中、后期，美国Flowsheeting。

到80年代，化工过程模拟软件的研发已经走向专业化、商品化。

模拟计算的准确性、可靠性也大大增强.应用范围不断拓展。

这一时期，美国ASPEN Tech公司的ASPEN PLUS，Simulation Sciences。

公司的PRO/II，，加拿大Hypro Tech公司的HYSIM等商业化软件正式走向市场。

90年代后，化工模拟软件开始由德态过程向动态过程模拟和适时优化的方向发展，如Hysys，Aspen Plus等软件。

国内化工过程模拟研究约起始于上世纪60年代末。

70年代末化工部第五设计院在国内率先推出了大型烃类分离模拟系统，80年代由青岛化工学院韩方煌、丁惠华教授等人开发的ECSS模拟系统软件—ECSS化工之星研究成功，并走向商业化[4]。

下面就具体化工过程稳态模拟进行简单介绍。

1、化工过程稳态模拟稳态模拟又称静态模拟或离线模拟[5]。

流程模拟就是将一个由许多个单元过程组成的化工流程用数字模型进行描述，并且在计算机上通过改变各种有效条件得到所需要的结果，如操作条件等。