2.1第二章化工系统分析与模拟.ppt

第二章 化工系统分析与模拟－化工系统工程的重要环节2 第一节 模拟 2.1.1系统、化工系统 系统：为了在给定条件下实现一定目的，由互有联系、影响的事物组成的一个统一整体。 单元：相对于系统而言，组成系统的事物。事物—实体、非实体 子系统：系统与单元是相对而言的，下一层次的系统是上一层次系统的子系统。 化工系统（过程系统）：不同的系统可用其中进行的过程来区别，化工系统是其中进行化工过程的系统，是以物流为加工对象的、区别于机械加工生产“元件”的系统。 化工过程：通过某些操作使物料发生某种物理、化学的变化，而生产出所需化工产品的过程。 化学工程：过程工程 2.1.2 系统的工况特性与系统分析 系统范围、外界（环境）、输入与输出（物料流、能量流、信息流） 系统特性：系统本身必须具备的具体特定条件（设备参数+操作条件） 工况特性：输入－系统特性－输出 系统规律性关系 系统分析的主要内容：已知系统特性与输入，预测其输出。 2.1.3 模拟（对某一系统的逼近） 1.物理模拟： 利用一个系统或过程的性能对另一系统或过程的性能作出模仿性的演示。 利用水槽中的船舶，风洞内的飞机研究实际船及飞机的性能。 2. 数学模拟： 提出描述系统或过程的数学模型，加以求解并研究。 3. 模拟：是对某一个描述实际过程的数学模型求解，任务是对化工系统作出工况特性分析。 2.1.4 化工流程模拟(Process Flowsheeting) 1. 化工流程模拟 利用计算机辅助手段对一化工过程进行稳态的热量衡算、物料衡算、尺寸计算和费用计算。 2.稳态模拟 稳定进料—稳定连续加工操作—稳定出料 连续操作过程 3. 动态模拟 对过程的非稳定状态进行模拟，以了解系统在各种非稳定状态下的特性和变化趋势。 用途： 预测装置经受动态负荷变化的能力及可操作性。 间歇操作过程 分析开、停车及外部干扰下的动态性能，为装置及其控制系统的实现提供依据。 用动态模型代替实际装置对操作作出动态响应，培训操作人员。 用计算机动态模拟手段代替教学实验设备，培养学生实验研究能力。 2.1.5 化工过程设计 1.化工过程设计 为完成某种特定的生产任务，对某化工过程的化工系统进行设计。包括： 流程图设计（化工过程设计） 化工过程最优设计（最优目标的确定、机辅化工过程设计） 2.机辅化工过程设计机辅化工过程设计三个基本环节综合、分析和最优化化工系统综合：确定化工系统的结构 2.1.6 模拟的基本环节 核心环节（模拟三要素） 系统模型（单元模型，系统结构模型） （三通、换热器） 物性数据 解算方法 单台设备与化工系统的模拟区别 辅助环节（程序设计Programming） 编程知识与技巧（主程序－子程序、单元操作模块与物性模块module） 模拟数据的输入、输出 提供错误诊断信息 插入注释行 其它一些使程序更完善的…… 2.1.7模拟型与设计型问题 模拟型问题（操作型问题） 已知流程结构、设备参数、工艺参数的情况下，单纯对系统工况进行模拟，即计算系统物料衡算、能量衡算及其它计算问题，属于对系统进行工况分析。 设计型问题 求取满足一定设计要求的解（一般是全部或部分输出结果已定，反求部分或全部输入值的问题） 单元设备一定：设计要求是产品指标，求取设备参数和工艺操作参数。 工艺流程一定：设计要求是产品的数量与质量指标，求取流程各单元设备参数、工艺操作参数和原料的质量与数量等。 工艺流程未定：设计要求是产品的数量与质量指标，求取流程结构和设备参数、工艺操作参数，以及控制方案等。 2.1.8 化工流程模拟系统 1.化工过程模拟程序系统（流程模拟软件）发展过程简介 1958年，美国Kelloge公司开发世界上第一个化工模拟程序Flexible Flowsheeting－用于大型合成氨流程装置设计 。 60年代为化工过程模拟的初始发展期。美国Chevron公司CHEVRON，Houston大学CHESS，Purdue大学PACER 70年代为成长壮大期。美国Monsando公司FLOWTRAN，Simulation Science公司PROCESS，Chem Share公司DESIGN 80年代成熟期，软件研制已进入商业化、专业化，可靠性与准确性提高、应用范围拓宽、功能丰富、使用方便。美国ASPEN TECH公司ASPEN PLUS， Simulation Science公司PROⅡ，加拿大HYPRO TECH公司HYSIM 80年代后流程模拟软件开发与应用的深入发展期。 特点：离线→在线，稳态模拟→动态模拟→实时优化，生命周期模拟（Lifecycle modeling）概念的形成，即过程装置的研发、设计、生产、装置退