化工过程模拟与分析(第二章化工过程系统数学模拟方法).ppt

3、信号流图（Signal flow diagram） 信号流图 信号流图中只有物流没有设备 每个符号表示一股物流 通过有向联线将输入流线和输出流线转化的关系表达清楚 二、流程结构的矩阵表述 1、过程矩阵（Process matrix） 矩阵的行表示单元设备，列表示流线；元素的（－）表示输出，（＋）表示输入。 矩阵行数＝设备数，矩阵列数＝最多流线数 最常用 2、流线联系矩阵（Stream connection matrix） 以流线为主，写出每条流线是从哪一单元输出，向哪一单元输入 流线联系矩阵 3、关联矩阵（Occurrence matrix） 将单元和流线各视为一类事物 ，某单元上联接着的流线，就属于是同该单元有关联，否则就无关联。 关联矩阵 流线1流入单元A 流线7从单元D流出 流线1与D无关 4、邻接矩阵（Adjacency matrix） 邻接矩阵： 在一个具有网络结构的事物中，网中两个结点之间，或者互相邻接，或者互不邻接。用来表明这种关系的矩阵，叫做邻接矩阵。 邻接矩阵 2.4 化工流程模拟方法概述 化工过程系统特点：多变量、非线性和复杂性 适于化工系统模拟的方法： 序贯模块法：实际使用最多的方法； 联立方程法：学院派方法； 联立模块法：最有潜质的方法? 混合 反应 分离 1 2 3 4 5 合成氨系统示意图 一、序贯模块法（Sequential modular approach ） 原理：通过模块依次序贯计算求解系统模型。 混合 反应 分离 1 2 3 4 5 5’ 序贯模块法模拟合成氨系统 序贯模块法模拟步骤 A C B D E F G H I 系统分块（Partitioning）; 不可再分块中环路识别与切割（Tearing）; 顺序求解各模块输出。 不可再分块 环路切割 序贯模块法基本问题 计算顺序的自动确定 迭代变量选择 修正循环流估计值的迭代方法 1 2 3 4 3 1 2 4 二、联立方程法（Equation-oriented approach） 研究背景 序贯模块法有下列缺点： 1、修正循环流的迭代计算量过大； 2、对于设计型问题计算效率低。 原理 系统中所有单元模型方程联立，同时求解所有变量 方程求解方法 牛顿-拉夫逊法、拟牛顿法、Marquardt法和综合方法。 * * 第二章 化工过程系统数学模拟方法 2.1 模型化的基本概念 三种数学模型 1、机理模型 2、统计模型 3、混合模型 带部分返混的管式催化反应器模型 单元建模步骤 1、确定单元过程输入、输出流股变量中的独立变量数； 2、确定与过程有关的设备特性参数和操作参数； 3、确定单元过程从外界得到的热量和功； 4、列出表示各物流之间有关变量约束关系的全部独立方程； 物料、能量和动量守恒方程，压力平衡，化学平衡，相平衡，反应动力学，传热、传质速率，流动阻力方程。 模型自由度 描述一个系统的状态所需变量的数目与建立这些变量之间关系的独立方程的数目之差，称为此系统的自由度(degree of freedom)。 d = m – n m≥n 自由度 变量数 变量数 独立方程数 自由度的实质 n个彼此独立的方程能够确定出n个变量的数值来，而多出的变量就可以不受方程的约束，而获得源于其他考虑的赋值，即设计变量，它们的取值可以控制系统性能。 剩余的n个由方程解出的变量称做状态变量。 2.2 化工单元模型和模块 化工过程系统模型的组成 单元模型方程 (unit model equation)； 流程连接方程 (stream connection equation)； 设计规定方程 (design specification equations); 物性方程、费用方程、优化方程 。 化工单元模型和模块 模型与模块 钝性流动器械 ； 活性分离器械 ； 平衡级器械 ； 压力变化器械 ； 温度变化器械； 化学反应器； 化工单元模型组成 方程组成 物料衡算方程； 能量衡算方程； 设备约束方程：描述物料通过时发生变化所遵从的关系； 其它方程 ：摩尔分率约束方程 ，物性关联式 。 方程独立性 变量组成 (a) 入口物流变量； (b) 出口物流变量； (c) 设备参数； (d) 其他计算结果； (e) 寄存变量（retention variables）。 闪蒸单元模块与分割方法 平衡闪蒸示意图 流量，组分，压力，温度，焓 平衡闪蒸模型 物料平衡 能量平衡 相平衡 组分约束 物性关联 4c+11个变量 3c+7个方程 自由度c+4 剩余2个变量为设计变量 输入物流信息c+2个自变量 xi，yi，zc，L，HF，HL，HV，Ki（i=1，2,…，c-1） F，