化工系统工程.ppt

1.4.1化工流程稳态模拟系统 一般的化工流程模拟系统是稳态模拟系统。 特性： （1） 系统参数不随时间变化，建模容易。 （2） 系统没有或不考虑大的干扰造成波 动的影响。 在大规模连续化的工艺流程中，物料是以连续流动的状态在系统中被加工的，过程中的各种参数总是随时间不断变化的，因而稳态是不存在的。 稳态模拟只不过是对动态过程到达平稳状态的一种简化处理，事实上这种处理是很必要的。 20世纪60年代以来，化工流程稳态模拟系统的发展经历了三个时代。 第一代：20世纪50年代末至60年代。如美国Kellogg公司开发的FLE X IBLE FLOWSHEET、美国Houston大学开发的CHESS(Chemical Engineering Simulation System) 第二代：20世纪70年代。比第一代在功能、规模方面都有很大进步。 代表性的系统有： 美国公司开发的FLOWTRAN、 美国Braun公司开发的PFl0(Process Flow)、 日本干代田工程公司开发的CAPES(Computer Aided Process Engineering System)等。 第三代：美国麻省理工学院主持开发的ASPEN(Advanced System of Process Engineering) 。 ASPEN的开发是针对以煤为原料解决能源工艺为背景的。而第二代模拟系统以处理气—液系统为其特长，不具备处理固体物料的功能。ASPEN的开发工作从1976年起，组织了杜邦、埃克森、孟山都、飞马石油等50家公司投入力量，历时5年耗资600万美元，于1981年完成交付使用。 ASPEN具有更大更强的功能。 国内在20世纪70年代开始进行化工流程模拟系统的开发工作。 一些设计院所、研究院所、高校等单位开发的模拟系统，可以对石油气分离、基本有机合成、合成氨等工艺系统进行工况模拟、操作、开发设计等等。 国内向市场推出的商品软件ECSS(Engineering Chemical Simulation System)是青岛化工学院开发的化工流程模拟系统。 目前国内使用模拟系统多数是引进的。 最早引进的模拟软件是1978年由丹麦引进的Gips，这是个合成氨工艺专用的流程模拟系统。 20世纪80年代又引进了ASPEN Tech公司的ASPEN PLUS，先后约有30套左右； 美国Simulation Science公司的约26套； Hydrotech公司的HYSlM30套左右等。 模拟是对过程系统模型的求解 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 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 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 2.1 过程系统模拟的三种基本方法 序贯模块法（Sequential Modular Method） 面向方程法（Equation Oriented Method） 联立模块法（Simultaneously Modular Method） 过程系统模拟的序贯模块法 SMM的基本部分是模块（子程序），用以描述物性、单元操作以及系统其它功能。 SMM对过程系统的模拟以单元模块的模拟计算为基础。 SMM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模拟计算。 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 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 过程系统模拟的面向方程法 EOM又称联立方程法，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，面向方程法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 EOM解算过程系统模型快速有效，对设计、优化问题灵活方便。效率较高 EOM的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 过程系统模拟的联立模块法 联立模块法又称双层法，将过程系统的近似模型方程与单元模块交替求解 联立模块法兼有序贯模块法和面向方程法的优点。既能使用序贯模块法积累的大量模块，又能将最费计算时间的流程收敛和设计约束收敛等迭代循环合并处理，通过联立求解达到同时收敛 过程系统稳态模拟三种方法的比较 1.4.2 动态模拟系统 在化工过程工艺生产中存在着相当多的动态过程，它们是不允许简化处理为稳态