化工系统工程课件_第二章_概述

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1、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2—1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2—2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

2、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

3、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。基本概念工艺流程图(过程流程)过程拓扑举例：信息流图根据信息流图可以得出过程矩阵-132．1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(Sequentia1ModularMethod);面向方程法

4、(EquationOrientedMethod)；联立方程法联立模块法(StmultaneouslyModularMethod)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。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

5、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。2.1.2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

6、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。2.1.3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.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

7、。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。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。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

8、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。ABHGFECD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。