化工系统工程课件_化工过程系统稳态模拟与分析.pdf

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）。 基本概念 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。 过程拓扑举例： 工艺流程图(过程流程) 信 息 流 图 根据信息流图 可以得出过程 -13 矩阵 2 ．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(Sequentia1 Modular Method);  面向方程法(Equation Oriented Method)；联立方程法  联立模块法(Stmultaneously Modular Method) 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