化工过程系统动态模拟与分析技术讲义.pptx

第三章 化工过程系统动态模拟与分析;3.1 化工过程系统的动态模型 3.1.1 化工过程系统的动态特性 3.1.2 化工过程系统的动态模型 3.1.3 确定性动态模型的数学处理 3.2 连续搅拌罐反应器的动态特性 3.2.1 动态数学模型 3.2.2 模型的数学处理与应用（Ⅰ） 3.2.3 模型的数学处理与应用（Ⅱ） 3.3 精馏塔的动态特性 3.3.1 动态数学模型 3.3.2 模型的数学处理与应用 3.4 变压吸附过程的模拟与分析;3.1 化工过程系统的动态模型;精细化学品生产中: 间歇蒸馏、间歇反应、半连续反应； 连续??程的开、停工阶段; 某些连续过程，由于催化剂迅速失活或者催化剂在系统内循环的过程中次第经过处于不同操作条件的区域，如循环流化床催化反应器中的过程和催化剂迅速失活的固定床催化反应器中的过程； 非线性过程系统的操作、设计和控制等工程实际问题，定态多重性、定态稳定性、参数敏感性等系统定性分析的内容； 诸如间歇过程的优化、变压吸附、变温吸附、化学反应器强制周期操作等人为非定态操作技术的发展;;3.1.2 化工过程系统的动态模型;根据对过程系统中状态变量分布特征的不同描述方式： 集中参数模型 分布参数模型 多级集中参数模型 根据建立模型的不同方法： 统计模型 确定性模型 介于两者之间的半经验模型;根据对过程系统中状态变量分布特征的不同描述方式;根据建立模型的不同方法;;人工智能技术;3.1.3 确定性动态模型的数学处理;正问题—模型方程组的求解;逆问题—模型参数的估计;例：对CSTR的开工过程;其中 F称为最优化的目标函数，或评价函数。 udi,j代表第i个状态变量在j时刻的采集数据。 uci,j代表第i个状态变量在j时刻的模型计算值，即在j时刻的解。 最优化的目标函数被定义为在M个离散时刻状态变量的采集值与模型计算值偏差的平方和。 状态变量在不同时刻的采集值是已知的，因而F的值取决于求解时待定参数向量μ的取值，F是μ的函数。 参数估计就是寻找μ的最优值，使F达到全局最小值。;过程系统的定性分析;3.2 连续搅拌罐反应器的动态特性;3.2.1 动态数学模型;敞口连续操作搅拌罐的流量计算;将初始化条件：t=0时，H=H0代入式，并化简可得： 排液量与时间的变化关系为：;-0.7;例3－2：搅拌槽内含盐量的动态模型;表明有两项累积量，第一项是因浓度变化而引起的，第二项是由体积变化所引起的，这两项皆与求解有重要关系。 积分，并利用初始条件 t=0时，V＝V0，可以得出：;其中，B为积分常数。 将初期条件：t=0时，C=0代入式，可以解出B，于是可以化简为：;FI=Fo;小结;通常假定反应罐内处于分子级理想混合，且为液相均相反应，因此可以认为反应混合物的温度和组成在反应区里是均匀的， 进一步假定反应区的容积不随时间变化，则加料与排料的流量也可以认为是近似相等的，即Fin ＝Fout=F。;对于一个包含M个组分和N个反应的系统 i组分质量守恒;其中，T、Tf分别代表反应区内和加料混合物的温度； U表示反应液体与冷却剂之间热交换的总传热系数； A表示反应液体与冷却剂之间的总传热面； Tc表示冷却剂平均温度； ?、Cp分别代表反应混合物的平均密度与比热容； （－Hj）表示第j个反应的热效应； Rj表示第j个反应的速率； Ri表示因化学反应引起的第i个组分浓度的变化速率;其中，μi，j表示第j反应计量式中i组分的系数。 初始条件的约束; HINT;3.2.2 模型的数学处理与应用（Ⅰ）;3.2.2.1 应用1―开工过程分析;3.2.2.2 应用2―动态响应的数字仿真;步骤;3.2.3 模型的数学处理与应用（Ⅱ）;定态的局部稳定性;例：定常态稳定性;按照上述集中参数动力学系统定常态局部稳定性的一般原理，要使原始常微分方程组雅可必矩阵所有特征值都具有负实部，必需同时满足下面两个不等式： 其中，TS、CA，S分别表示定常态下反应温度和A组分浓度;3.2.3.3 状态空间（state space）分析;怎样获得相图;;大作业; 3.3 精馏塔的动态特性;3.3.1 动态数学模型;基本假设：;;精馏塔的动态数学模型;第n 块塔板易挥发组分衡算;再沸器及塔底总物料衡算;此外，根据流体动力学原理，还可以得到每一块塔板上经降液管回流的液体量与该板上