化工过程系统动态模拟与综合分析
第三章 化工过程系统动态模拟与分析CH31-profLi
数学模型化:模型的建立,性能模拟,参数估计, ★ 数学模型化:模型的建立,性能模拟,参数估计,
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3.1.2 化工过程系统的动态模型
◆ 确定性模型分类
表3-1 化工过程系统确定性动态模型的数学表达形式
模型表达形式 应用实例 代数—常微分方程组 代数 常微分方程组 代数—偏微分方程组 代数 偏微分方程组 代数—常微分方程组 代数 常微分方程组 上述二, 上述二,三类模型的 混合形式 理想搅拌罐反应器动态模型等 填料塔,管式反应器动态模型等 填料塔, 板式塔动态模型,串联 板式塔动态模型,串联CSTR动态 动态 模型等 多个单元过程组合而成的系统
★ 系统工程
以系统的优化为目标,以模型和模拟作为工具, 以系统的优化为目标,以模型和模拟作为工具, 研究系统组成,分解,综合, 研究系统组成,分解,综合,性能模拟与分析的工程 科学. 科学. 关键词:系统; 模拟; 关键词:系统; 模拟; 优化
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3.1 化工过程系统动态模型
★
化工过程系统
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�
数方程组的初,边值问题 数方程组的初,
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8
3.1.3 确定性模型的数学处理
逆问题—模型参数估计 ◆ 逆问题 模型参数估计
★
例1:已知一套管换热器,用120°C饱和水蒸 已知一套管换热器, 气加热水,水的流量,进,出口温度可测出, 气加热水,水的流量, 出口温度可测出, 求总传热系数K.
3.2.2 模型求解与应用
(2)定常态稳定性与相图(状态演化图) 定常态稳定性与相图(状态演化图)
求解3.2.1中动态模型(常微分方程组初值问题) 求解3.2.1中动态模型(常微分方程组初值问题)的 3.2.1中动态模型 数值解,结果为: 数值解,结果为:
分析与合成(学生参考)第三章
(5) 根据已算得的V, L, Y及X , M的初值，对给定的时间
步长求解常微分方程组的初值问题，求得稳定解为
止。
(6) 检验馏出液浓度和塔釜残液浓度是否都达到分离
要求，当两个设计值均满足要求，则输出M , X等随
时间变化的结果，计算终止；若不能同时满足，则
以所求得的当前值M , X去替换原始初值后，重新
第二节 连续搅拌罐应器的 动态特性
一.动态数学模型 连续搅拌罐反应器（均相反应器）是动态模型
中最简单、最基本的模型。
【例3－1】 敞口连续操作搅拌罐的流量计算。
设连续操作搅拌罐的进料量为Fi，罐中原有料
液高度为H0，试求取自开工后排料量的变化关系。
假设搅拌罐的横截面积为A，排液量FO与
罐中料液的高度成正比关系，即：FO = kH
分析可以较详细地考查开工条件对开工时间的影响，
以了解在开工过程中系统状态变化的规律与开工条 件的相互关系。从而，可以为化工过程的生产系统 最佳开工方案的制定提供依据。 目的： 是为了确定恰当的开工方案（开工条件以及所 对应的开工时间 ），以达到缩短过程系统开工时 间的目的。
2. 动态响应的数值仿真
定的初始状态出发，状态演变的过程。
（4）相轨线图(相图)
是指由众多轨线所构成的图。它表征了在所关心 的状态变量的变化范围内，系统所有动态学定性特 征的图形。
2. 状态空间分析 (相空间分析) 所谓状态空间分析也就是利用相图来分析系统
的动态特性。
【例3－3】假定发生在CSTR中的是一个均相一级不 可逆放热反应： A →B 反应速率为： r ＝ k CA , k
每块板上的温度Tn是泡点温度，关于泡点温度的 计算需要反复迭代。
二.模型的数学处理与应用
化工过程控制系统动态模型建立与分析
化工过程控制系统动态模型建立与分析随着科技的进步和工业的飞速发展，化工行业对于过程控制技术的需求越来越高。
化工过程控制系统动态模型的建立与分析是实现优化控制和自动化的关键步骤，它能够帮助工程师们更好地理解和管理化工过程，提高生产效率和安全性。
本文将介绍化工过程控制系统动态模型的建立方法，以及分析该模型的重要性和应用前景。
一、化工过程控制系统动态模型的建立方法化工过程控制系统动态模型的建立是通过对化工过程的各个环节进行建模和参数估计来实现的。
主要的方法包括基于物理原理的建模方法和基于数据挖掘的建模方法。
1. 基于物理原理的建模方法基于物理原理的建模方法是通过对化工过程的质量守恒、能量守恒和动量守恒等基本原理的数学表示，得到控制系统的动态模型。
这种方法需要对化工过程的基本原理有深入的了解，以及对各个环节的参数进行准确的估计。
常见的基于物理原理的建模方法包括质量平衡模型、热力学模型、动力学模型等。
这些模型可以通过微分方程、代数方程或差分方程等形式进行描述，并可以通过数值方法进行求解和仿真。
2. 基于数据挖掘的建模方法基于数据挖掘的建模方法是通过对化工过程的历史运行数据进行分析和处理，建立系统的动态模型。
这种方法不需要对化工过程的基本原理有深入的了解，而是通过对数据的挖掘和分析，找出变量之间的关联性和规律性，并利用这些关联性和规律性建立模型。
常见的基于数据挖掘的建模方法包括回归分析、神经网络、支持向量机等。
这些方法可以对大量的历史数据进行处理和分析，并可以预测未来的过程变量。
二、化工过程控制系统动态模型的分析化工过程控制系统动态模型的分析是通过对模型进行数学和统计方法的应用，得到有关系统行为和性能的信息。
主要的分析方法包括稳定性分析、动态响应分析和灵敏度分析等。
1. 稳定性分析稳定性分析是衡量控制系统是否稳定的重要指标。
通过对控制系统动态模型的特征值进行分析，判断系统的稳定性和稳定裕度。
常见的稳定性分析方法包括根轨迹分析、Nyquist稳定性判据和Bode稳定性判据等。
化学工程中的化工过程模拟与优化技术
化学工程中的化工过程模拟与优化技术化学工程是一门应用科学，旨在研究和应用化学原理和工程原理来设计、开发和改进化学过程。
在化学工程中，化工过程模拟与优化技术是一项重要的工具，它可以帮助工程师有效地预测和改进化学过程的性能和效率，从而提高生产效益和降低成本。
化工过程模拟是指使用数学模型和计算机仿真技术来模拟化学过程中的各种物理和化学现象。
通过建立适当的数学模型，可以揭示化学反应的动力学、传热传质的规律以及设备和流体流动的行为。
化工过程模拟能够帮助工程师理解和预测化学过程中的复杂现象，为工艺的设计和优化提供指导。
化工过程模拟技术通常分为静态模拟和动态模拟两种。
静态模拟主要关注化学过程中的平衡状态，通过求解质量守恒、能量守恒和物质平衡等方程，得到化学过程中各个组分的浓度和温度分布。
这对于工程师来说是十分重要的，因为它可以帮助他们选择合适的操作条件和设备参数，以实现既定的产品质量和产量目标。
动态模拟则更多地关注化学过程中的动态行为，如反应速率的变化、设备的响应时间等。
动态模拟可以帮助工程师分析和优化化学过程中的控制策略，以实现更好的过程控制性能。
此外，动态模拟还可以用于分析工艺的安全性和稳定性，有助于优化化学过程的操作和控制。
除了化工过程模拟技术，优化技术也是化学工程中的一个重要工具。
优化技术旨在找到化学过程的最佳操作条件，以达到最小的成本或最大的产量。
常见的优化方法包括数值优化、多目标优化和逻辑优化等。
这些方法可以帮助工程师确定最佳的操作参数、设备规格和生产策略，从而实现资源的最大化利用和生产效益的最大化。
化工过程模拟与优化技术的应用非常广泛。
例如，在石油化工领域，通过模拟和优化炼油过程，可以提高产品的质量和产量，并减少废物和能源消耗。
在制药工业中，化工过程模拟与优化技术可以用于设计和改进药物的合成过程，提高药物的纯度和产量。
在环境保护领域，化工过程模拟与优化技术可以帮助工程师设计高效的废水处理系统，减少对环境的污染。
第三章化工过程系统动态模拟与分析
Fi 1 dC dt Ci C ( Fi Fo )t V0
积分得到
Fi ln(Ci - C) lnFi - Fo t V0 B Fi Fo
• 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：
C Ci - Ci V
HINT
• 运用化学反应工程课程中关于化学反应计量学的 知识，还可以对上述模型进行简化。 • 仅对几个着眼组分写出质量守恒式（3－20）,减 少模型涉及的常微分方程的个数。
• 其它非着眼组分的浓度，可以利用“在化学反应 过程中，所涉及的每一种元素的总原子数守恒” 这一化学计量学基本原理，通过相应的代数方程 （组）来推算。
dci V F (ci , f ci ) VRi , dt
i 1,2,...,M。 (3 - 20)
其中，V、F分别代表反应区容积和加料容积流量； Ci 、Ci,f分别代表反应器内和加料中第i组分的浓度； t表示时间；Ri表示因化学反应引起的第i个组分浓度 的变化速率
• 反应区能量守恒
•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
• 集中参数模型
状态变量在系统中呈空间均匀分布 （强烈搅拌的反应罐）
• 分布参数模型
• 动态特性还可以用于辨识某些系统的结构、过程的机 理和估计描述系统性能的模型参数，甚至作为诊断过 程系统运行故障的手段
精细化学品生产中: 间歇蒸馏、间歇反应、半连续反应； 连续过程的开、停工阶段，系统的状态也随时间变化的。 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 容也只有通过其内在的、动态分析的角度才能解决。
化工过程系统动态模拟与分析技术讲义
化工过程系统动态模拟与分析技术讲义首先，动态模拟和分析技术是通过建立化工过程的动态模型，模拟其
在不同条件下的运行过程，实现对系统的动态行为进行预测和分析。
这种
模型通常由一系列的微分方程组成，通过对关键参数的输入和改变，可以
模拟出系统在不同操作条件下的响应和效果。
动态模拟和分析技术的基本
原理是基于物质平衡、能量平衡和动量平衡等基本原理建立的。
动态模拟和分析技术在化工领域具有广泛的应用。
首先，它可以用来
优化工艺设计，通过模拟不同的工艺方案，找到最佳的操作条件，以降低
生产成本和提高产量。
其次，它可以用来解决工艺运行中的问题，比如控
制系统设计和故障诊断等。
此外，动态模拟和分析技术还可以用来评估化
工过程对环境的影响，帮助工程师们设计和选择更加可持续和环保的工艺。
随着计算机技术的不断发展，动态模拟和分析技术也在不断进步和完善。
在模型的建立和求解方面，现代动态模拟软件已经具备了更高的计算
速度和更精确的数值求解算法。
另外，数据的采集和处理技术的进步，也
为动态模拟和分析技术的应用提供了更多的可能性。
比如，数据驱动建模
和机器学习等方法，可以通过对历史数据的分析和挖掘，帮助工程师们更
好地理解和优化化工过程系统的运行。
总之，动态模拟和分析技术是化工过程优化和分析的重要工具。
它能
够帮助工程师们更好地理解和优化化工过程系统的运行，提高生产效率和
降低成本。
随着计算机技术和数据处理技术的不断进步，动态模拟和分析
技术将会得到更广泛的应用和发展。
化工过程动态模拟研究综述
图3.17调节温度控制器后，反应温度、4-CBA、CO变化曲线
运行CTA加氯反应过程的动态模型至稳定后，加氧反应器内 温度、压力分布曲线如图3.3所示，加氢反应器内4-CBA、PT 酸、4-HMBA、BACID分布曲线则如图3.4所示。
CTA和饱和水的流量发生变化都会影响加氧反应的进行，从而导致4-CBA没有 完全反应，其浓度会超过25个ppm，对PTA质量产生较恶劣的影响。故本小 节将会讨论当CTA和饱和水流量增加和减少5%时，加氧反应受到的影响以及 4-CBA、产物4-HMBA、BACID、PT酸、CO浓度的动态特性。将模型动态运 行至稳定，1小时后改变CTA负荷和饱和水流量。
在石油石化炼油方面的应用
FCC 主分馏塔设计、优化； 3、气体装置设计与优化； 4、汽油稳定、石脑油分离和气提、反应精馏、变换和甲 烷化反应器、酸水分离器、硫和 HF 酸烷基化、脱异丁烷 塔等设计与优化； 5、在气体处理方面：可完成胺脱硫、多级冷冻、压缩机 组、脱乙烷塔和脱甲烷塔、膨胀装置、气体脱氢、水合物 生成/抑制、多级、平台操作、冷冻回路、透平膨胀机优 化。
BACID=1000000*STREAMS("24").Fmcn("BACID")/STREAMS("24").Fmcn('TA")
HMBA=1000000*STREAMS("24").Fmcn("HMBA")/STREAMS("24").Fmcn("TA"); PT=1000000*STREAMS("24").Fmcn("PT")/STREAMS("24").Fmcn("TA"); 其中“CBA4、BACID、HMBA、PT酸”表示加氧反应器底部出料中各产物质量流 量与TA质量流量比(变量CBA4即杂质4-CBA,变量HMBA为中间产物4-HMBA),且 量纲均为10_6。
动态模拟与分析2
5000
T ??xB,
xB ?0??
0
xA0 = 1; xB0 = 0; % 初始值 t = 0:0.1:1; % 时间划分 h = 0.1; % 步长 A = zeros(1,11); A(1) = xA0; B = zeros(1,11); B(1) = xB0; for i = 1:10
[dA,dB] = fs(A(i),B(i)); A_ = A(i) + h*dA; B_ = B(i) + h*dB; [dA_,dB_] = fs(A_, B_); A(i+1) = A(i) + 0.5*h*(dA + dA_); B(i+1) = B(i) + 0.5*h*(dB + dB_); end
第六章 化工过程动态模拟与分析
主要内容 一、化工过程的动态模型 二、CSTR的动态模型 三、状态空间分析法 四、常微分方程（组）求解
6.1 化工过程的动态模型
1、动态特性是化工过程系统最基本的特性之一 间歇过程、开（停）工过程、系统的老化 …
2、化工过程动态模型分类模型Biblioteka 型数学形式应用实例
集中参数模型
二、一阶常微分方程组初值问题
一阶常微分方程初值问题的改进欧拉法：
~yi?1 ? yi ? h f ( xi , yi )
yi?1 ?
yi ?
h 2
[
f
(
xi
,
yi
)
?
f (xi?1, ~yi?1)]
(i ? 0, ... , n ? 1)
一阶常微分方程组：??
?
y' z'
? ?
f ?x, y, z?, y?x0 ?? g?x, y, z?, z?x0 ??
第三章__化工过程系统动态模拟与分析Ch3
理想搅拌罐反应器动态模型，等 填料塔、管式反应器动态模型等 板式塔动态模型，串连 CSTR 动 态模型，等 多个单元过程组合而成的系统
流股全切断方式很类似于面向方程法。主 要区别在于后者是严格模型方程，变量数 也要大得多 对于一个包括100个联结流股 ，每个流股有8个组分，10个设计规定系统 ，其系统简化模型数为： ne＝2*（8+2）*100＋10＝2010 由此可见，对于较大的系统，流股全切断 方式建立的简化模型方程数是很大的。
精细化学品生产中: 间歇蒸馏、间歇反应、半连续反 应； 连续过程的开、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;
S1 0 S 2 IS 5 IS 6
I
I I
I
k
S 2 S 3 S 4 S 5 0 S 6 S 7 S 8
k
S 3 A32 S 2 S 4 A42 S 2
N
M
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。
化工过程分析与合成-第2章化工系统的定常态模拟与分析分解
面向方程法
序贯模块法
可利用进口条件求出口条 件；反之亦可
无法建立通用模型，当其 中一个单元改变时，需要 重新设计数学关系式。
可利用进口条件求出口条件； 当用出口条件求进口条件时， 可假设进口条件，利用迭代、 收敛等方法直至结果符合出 口条件，但如果单元过多时， 则计算量太大。
可将复杂问题分割成简单问 题进行处理，可建立通用模 型。
6 4
Flash 3
2 Flash 2
1 Flash 1
5
3
7 8
几个单元模型的连接关系，就是系统的结构模型。
各单元间的数学关系
物料衡算 组分衡算
F1 F2 F 3
(1)
F2 F4 F 5
(2)
F4 F6 F 7
(3)
F8 F3 F 5F7 (4)
F1x1 F2 x2 F 3x3 F2 x2 F4 x4 F 5x5 F4 x4 F6 x6 F 7x7 F8 x8 F3x3 F 5x5 F 7x7
【例2-2】第二种解法。
物料衡算关 系
F1 F2 F3
组分衡算关系 F1x1 F2 x2 F3x3
热量衡算关系 H1F1 Q H2F2 H3F3
相平衡关系
x2 Kx3
先对闪蒸器1进行计算，得到F2、F3、x2和x3。然后 再依次计算闪蒸器2和3，最后求得出口条件。这种
方法也称为序贯模块法。
举例：发酵液的分离问题
发酵液 水
乙醇
产品 水 乙醇
多效蒸发器
废液 水 乙醇
发酵液 水 乙醇
产品 水
乙醇
多效蒸发器
废液 水 乙醇
在单元模型中，由C种组分构成的独立流股都具有 (C+2)个自由度（或决策变量），即C个组分的摩尔 流量以及流股的压力和温度。
化工过程分析与合成-第2章化工系统的定常态模拟与分析分解
单元模型
X(c)
X(a)
单元模型
X(b)
X(d)
X(a) 输入流股变量向量（状态、流量和组成） X(b) 输出流股变量向量 X(c) 设备参数 X(d) 其他输出（热量或功）
单元模型的变量
设系统的总变量为m，单元模型中涉及的独立 方程的数目为n，则系统的自由度d
d mn
从m个变量中选取d个变量称为设计变量，也称为决 策变量，其取值对模型求解结果有影响。 剩余的n个变量称为状态变量。
TISFLO（德） FLOWPACK－Ⅱ（英）
2.3 过程系统模拟的序贯模块法
基本原理
序贯模块法的基础是单元模块，通常单元模块与过程单元 是一一对应的 单元模块是依据相应过程单元的数学模型和求解算法编制 而成的子程序 单元模块具有单向性特点。
序贯模块法的基本思想
从系统入口物流开始，经过接受该物流变量的单元模 块的计算得到输出物流变量，作为下一个相邻单元的输入 物流变量。
具有反馈联结的系统（不可分割子系统）， 需要用到断裂（Tearing）和收敛（Convergence） 技术。
S2
S3
S5
S2
S3
S5
• 通过断裂技术可以打开回路，以便采用序贯模 块法进行求解。在断裂物流处设置一个收敛单 元。
• 对于复杂系统，收敛单元设置的位置不同，其 效果也将不同。
• 最优设置要通过断裂技术去解决。
化 规
计 定
计
程
计
计
单元
程
计
优
设 流 过 物性 算 算 算 算
计算
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
化学过程系统工程化工过程系统模拟与分析
h
Th1 Th2 Th1 Tc1
于是得到：
Th2 Th1 h (Th1 Tc1)
再由热衡算方程： Tc2 Tc1 Rh (Th1 Th2 )
式中：
Rh
(W (W
cp )h cp )c
e. 换热器阻力计算
管程：
PT
( fi
L di
4)
Gi2 N p 2103
Fsi Dgi
当Re 105 fi 0.4513Rei(0.2663)
冷流体走管程： Twi Tmc Q /(Hi Ai )
式中管程的表面传热系数Hi，可先采用不计壁温的影响，并计
为Hi’，即 Nu Hi ' di 0.023Re0.8 P r0.33
i
式中Tmc为冷流体平均温度： Tmc (Tc1 Tc2 ) / 2
c. 计算管程实际表面传热系数Hi
0.14
式中 Re Deu
Nu HDe
2D s 当量直径De D s
表面传热系数是流体温度T的函数，增加了求解传热微分方程 的计算复杂性。
最外圈通道只有通道内壁的换热。换热器共有N圈通道，则第N 圈的前半圈（0 之间）通道以及第（N-1）圈的后半圈（ 2 之间）通道相当于该换热器的最外圈通道。
2
[1 (Cmin / Cmax)] 1 (Cmin / Cmax)(1 e ) /(1 e )
式中：
NTU 1 (Cmin / Cmax )2
NTU K A (W cp )min
Cmin (W c p )min
Cmax (W cp )max
当冷流体的热容流率为 (W cp )min 时，传热效率可写为：
A D r( )d 0
所以第n圈螺旋板传热面积为
化学工程中的动态过程模拟
化学工程中的动态过程模拟化学工程最常用的一项技术就是动态过程模拟。
这种技术可以帮助工程师预测和优化各种化学过程，从而提高产品质量，减少损失，节约能源，降低成本。
下面我们来了解一下动态过程模拟的基本原理和应用。
动态过程模拟是什么？动态过程模拟是指在计算机上建立一个数学模型，以模拟和分析化学过程中的各种因素变化，如温度、压力、流量、反应速率、产物浓度等。
这些模型通常基于质量守恒、能量守恒和动量守恒等基本原理，通过数值解算方法来求解模型方程，以预测化学过程的动态行为。
动态过程模拟的应用动态过程模拟在化工工程中有着广泛的应用，下面将列举几个例子，以便更好地理解它的应用。
1. 生产过程优化生产过程中，化学反应的速率、产物浓度和反应物的组成都是随着时间而不断变化的，这些变化对产品质量和产量都有着很大的影响。
动态过程模拟可以帮助工程师找到最优的控制策略，从而提高产品质量和产量，降低生产成本。
2. 废物处理化工工厂会产生大量的废物，这些废物如果不得当处理，会对环境造成极大的危害。
动态过程模拟可以帮助工程师预测废物的生成和运动过程，并进一步优化废物处理过程，从而降低排放标准，保护环境。
3. 炼油催化反应炼油催化反应是一种非常复杂的化学过程，它会受到诸如温度、压力、反应物浓度等多种因素的影响。
动态过程模拟可以帮助工程师优化催化反应的参数控制，提高产品质量和产量。
4. 计算机辅助设计在化学工程设计过程中，动态过程模拟可以帮助工程师进行计算机辅助设计。
模拟结果可以用来确定各种操作变量，例如反应器的尺寸、流量控制器的数量以及配合材料的用量等等。
这些参数的优化是实现设计可行性的关键之一。
动态过程模拟的挑战虽然动态过程模拟在工业化程度上非常成功，但是这种技术仍然面临着许多挑战。
其中一些挑战包括：1. 精度问题计算机模拟的精度和准确性受到许多因素的影响，例如数值算法、参数的准确性以及初始条件等等。
这些因素都会对模拟结果产生一定的误差，从而影响模拟的精度。
化工过程分析与综合---总结
夹点设计法
设计原则？
夹点设计法
夹点匹配的可行性原则
夹点上方
夹点下方
夹点匹配的经验原则
经验规则1 经验规则2
夹点设计法的要点
如何进行夹点设计法换热网络合成的综合？
分离序列综合
基本概念
分离序列数 切分点 独立分离单元 产生组分子群数
分离序列方案评价
分离易度系数 分离难度系数 分离易度系数越大或分离难度系数越小，表示轻重关键组分 越易被分离 评价分离序列方案优劣的指标
分离序列综合
分离序列综合经典方法
直观推断
渐进调优
数学规划
直观推断
七条规则
如何理解七条规则
祝大家考个好成绩！ 谢谢大家这学期的支持！
输入模块
单元过程模块 物性数据库
热力学数据库
计算方法库 经济分析模块 优化方法库 管理系统执行模块
输出模块
过程系统的表达
流程图
矩阵表达（过程，邻接，关联）
邻接矩阵的特点（行，列）
过程系统的分解
分解的步骤（分隔，断裂）
分隔的步骤（不相干子系统的识别，确定 求解顺序）
不相干子系统的分隔
Sargent和Westerberg的单元串搜索法
要点：
由序号小的开始 遇到重复线路就合并 先走小路，后走大路
一定要掌握
不相干子系统的分隔
矩阵方法进行不相干子系统分隔
主要思路：
首先去除一步回路
除掉没有输入的节点 除掉没有输出的节点 邻接矩阵中没有全为零与列全为零的元素后， 寻找二步回路 寻找三步回路 。。。。直至系统中没有节点的存在 系统分隔过程结束
确定性模型与随机模型
自由度的概念
自由度分析的目的
化工系统工程__化工过程系统稳态模拟与分析（可编辑）
化工系统工程__化工过程系统稳态模拟与分析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21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22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 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根据信息流图可以得出过程矩阵 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 11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 12 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技术难度较大等 2 13 过程系统模拟的联立模块法联立模块法将过程系统的简化模型方程与单元模块严格模型交替求解又被称作双层法 2．2 过程系统模拟的序贯模块法 2．2．1序贯模块法的基本原理单元模块依据相应过程单元的数学模型和求解算法编制而成的子程序如图28 a 中的闪蒸单元可依据闪蒸单元模型和算法编制成闪蒸单元模块单元模块的单向性结定单元模块的输入物流变量及参数可计算出相应的输出物流变量但不能由检出变量计算输入变量也不能由输入输出变量计算模块参数序贯模块法的基本思想从系统入口物流开始经过对该物流变量进入的单元模块的计算得到输出物流变量这个输出物流变量就是下一个相邻单元的输入物流变量依次逐个的计算过程系统中的各个单元最终计算出系统的输出物流计算得出过程系统中所有的物流变量值即状态变量值 2．2．2 再循环物流的断裂当涉及的系统为无再循环流的树形结构时序贯模块法的模拟计算顺序可以按过程单元的排列顺序一一顺利完成用序贯模块法处理具有再循环物流系统的模拟计算时需要用到系统分解断裂 Tearing 和收敛 Convergence 等多项技术 Step1 假定断裂物流S4的变量值然后依次计算单元模块ABC得到物流S4的变量值 Step2利用收敛单元比较S4与S4的相应变量值若不等则改变S4为新的变量值重复Step1过程直到S4与S4两个变量值相等为止问题收敛单元设置在哪个物流处既如何选择断裂物流本问题中不仅可以是物流S4处也可以设置在物流S2或S3处对于复杂系统收敛单元设置的位置不同其效果也将不同究竟设置在何处为好这要通过断裂技术去解决如何得到新的S4变量值如何保证计算收敛如何加快收敛取决于收敛算法还与断裂物流变量的特性有关 2．2．2 再循环物流的断裂 1 断裂的基本概念首先考察方程组的断裂假设有一个由四个方程四个未知变量组成的方程组也可以由另外的方式进行求解例如假设x2的猜值则 f1解出x3 f2解出x4 f3解出x1 最后利用f4来检验最初没定的猜值x2 是否正确如果f4为零则可认为得到了方程组的解若此处的f4 不为零则需修正x2的值再重新进行迭代计算这样可将四维求解问题降阶成了四个一维问题通过迭代计算把高级方程组降阶为低级方程组的办法称为断裂考察过程系统中的不可分隔子系统如图211断裂物流可以选为S10当然也可以选为S11选择不同的断裂物流则其相应的迭代序列也不一样从表面上看上列的两种计算序列似乎没有什么很大的区别但由于系统中各物流及其变量特性的不同在收敛计算上常是有很大差异的如变量个数的多少方程求解的难易程度等如何选择断裂物流确定迭代序列是实施序贯模块法进行过程系统模拟计算过程中必须要解决的问题 2 断裂方法的研究早在20世纪60年代初就有人提出了断裂的思想此后随着流程模拟技术的不断发展有关研究断裂的文章不断出现他们提出判断最佳断裂的准则分为四类 1 断裂的物流数最少 2 断裂物流的变量数最少 3 断裂物流的权重因子之和最少 4 断裂回路的总次数最少另一种归纳 1断裂的流股数目最少 2断裂流股包含的变量数目最少 3对每一流股选定一个权因子该权因子数值反映了断裂该流股时迭代计算的困难程度应当使所有的断裂流股权因子数值总和最小4选择一组断裂流股使直接代入法具有最好的收敛特性四条准则是一般性的原则 3 回路矩阵过程系统中的简单回路可以用回路矩阵 1oop／stream Matrix 表示矩阵中的行代表回路列代表物流若某回路i中包括有物流J则相应的矩阵元素aij＝1否则为空白或零不独立的列 f 1 与 f 值较大的列相比较若某列中的非零元素与 f 值较大列的非零元素同行则该列相对于 f 值大的列不独立如S2的f 值较大与其余小于它的列相比较会发现S2的非零元素为C行和A行而S1列C行非零 S3A行非零其余列中无与S2同行的非零的元素则判别出 S1 S3相对于S2不独立表示为 S1 S3 S2 S5 S6 S4 流股断裂方法一L - R 分解法 L – R分解法遵循的原则断裂流股数目最少且将所有循环路打开例现有一个为最大循环网的不可分割子系统其信息流图如下1 42 53 S4 S3 S2 S1 S6 S5 S7 S8 4流股断裂方法分析在这个信息流程图中有 8个流股S1S2 S8 五个节点12345构成了ABCD四个环路 1 4 2 5 3 S4 S3 S2 S1 S6 S5 S7 S8 A D C B在Lee – Rudd 法中首先分析信息流图再用环路矩阵表示出来 A B C D 环路S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 01 1 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 1 1 1 1 01 0 0 0 0 0 0 0 11 1 1 0 流股 f R 1 42 53 S4 S3 S2 S1 S6 S5 S7 S8A C DB 矩阵做法Si 流股若在 A 环中出现则标 1若不出现则标 0例如 A 环由S2S3 两流股构成其余为零矩阵中还有加和行用f 表示它由每一列中的非零元素加和构成加和列R它将每一行非零元素加和构成 f 称为环路频率代表某流股出现在所有环路中的次数R 称为环路的秩代表某环路中包含的流股总数经运算可得出加和 f 和R值环路矩阵成为下面样子 A B C D S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 0 1 1 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 10 R 2 2 3 4 f 1 2 1 2 1 1 2 1 不独立的列 A B C D S1 S2 S3 S4 S5S6 S7 S8 0 1 1 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 11 1 1 0 1 0 0 0 00 0 0 1 1 1 1 0 R 2 2 34 f 1 2 1 2 1 1 2 1 不独立的列基本概念工艺流程图过程流程过程拓扑举例信息流图-13 序贯模块法的基础是单元模块子程序通常单元模块与过程单元是一一对应的过程单元的输入物流变量即为单元模块的输入单元模块的输出即为过程单元的输出物流变量如 A B H G F E C D 系统分解对复杂系统将所有模型方程全部联立求解很困难直接用序贯法又存在相互影响这时可将该系统分成几个相对独立的部分各自联解再序贯求解将大的复杂系统分解为若干个小的子系统的过程称为大系统的分解目的是识别出不可分割子系统 AB H G F ECD 不可分割子系统不相关子系统 A B H G FE C D A B C A B CG F E D 流股断裂 Tearing 一般对于大系统分解得到的子系统已是不可分隔的如ABC构成的当这样的子系统仍很复杂时联立求解仍困难若断开某一个流股则可采用序贯法求解而断开的流股变量则作为迭代变量选择断裂流股是该技术的关键 A B H G F E C D 断裂物流迭代计算步骤如下该方程组可以通过联立求解得到它的解图210 描述了断裂的过程其中流股x2称为断裂流股该流股只有一个变量x2 称为迭代变量流股的收敛性指的就是其中变量x2 的收敛性能问题如果不选择流股x2是否可达到简化的目的。
化工过程分析与综合
过程系统---通俗化理解：具有特定功能单元过程，按照一定方式相互联结所形成网络过程系统---功能实现工业生产中物质和能量转换，保证物流输送和储存。
化工过程模型化：在现有理论、实验研究、工程实践基础上，通过分析研究及科学、合理简化，抽象出能够深刻、正确反映过程系统本质数学描述模拟定义：采用一能反应研究对象本质和内在联系，及原型具有客观一致性，且可再现原型发生本质过程和特性模型，来研究和设计原型过程方法数学模型分类和依据：（1）稳态模型和动态模型(_变量是否随时间而变)（2）机理模型和“黑箱”模型（经验模型）（机理模型：根据化学工程学科及其相关学科理论及方法，对反应进行分析研究而建立模型；“黑箱”模型：即经验模型，不能对过程机理进行进行正确描述，将研究对象当作“黑箱”处理，根据过程输入、输出数据，采用回归分析方法确定输出及输入数据关系）（3）集中参数模型及分布参数模型（过程变量是否随空间坐标改变）（4）确定性模型和随机模型（输入及输出是否存在确定性关系；若时间不作为变量---统计数学模型）机理模型：由过程机理出发，经推导得到，并得到实验验证。
统计模型：根据小试或工业实际数据拟合或回归得到纯经验数学关系式。
混合模型：对实际过程进行抽象概括和合理简化，然后对简化物理模型加以数学描述得到数学关系式。
又称半经验半理论模型。
单元机理模型建立步骤：（1）建立数学模型假定条件（2）机理模型建立方法（3）数学模型求解过程系统模拟基本结构及作用：输入模块：提供模拟计算中所需要所有信息，包括过程系统拓扑结构信息。
输入方式：批处理、一次输入形式或用户人机对话形式。
单元过程模块：过程系统模拟重要组成部分。
根据输入流股及单元结构信息，通过过程速率或平衡级计算，对过程进行物料流及能量流衡算，获得输出流信息。
优化方法库：为系统模拟提供优化计算方法。
无约束最优化方法：一维搜索（黄金分割法、消去法、抛物线法）、变量轮换法、负梯度法、单纯形法等，有约束最优化方法：lagrange 乘子法、罚函数法、既约梯度法等。
化工过程的分析与综合
化工过程的分析与综合综述学号：201044143姓名：尹麒班级：化工1001题目：关于化工过程分析与计算机模拟的综述前言：化工过程分析与计算机模拟是现代化学工程研究和实践的重要手段。
通过对过程的分析和模拟可以加深对过程的理解，掌握过程变化的趋势，缩短过程研究和开发的进程，或者说用以秒为单位的计算机世界来换得以月或年为单位的工程时间，而且还可以大大节约人力和物力。
对于一个化工过程，常需要进行详细考察，以及尽可能达到最优化的条件。
这样的深入了解是属于过程分析的内容，它涉及对整个过程及其组成部分有关的各种影响因素。
实际情况是，过程分析对设计中过程的流程和技术条件的选择，对运转中过程的操作控制、考察和改进，以及对过程的研究和开发都是很重要的。
正文：（1）化工过程的分析分析是对任何具有明确界限的事物，即系统的详细考察，以求了解其特性，常是与一定的目的相联系的。
过程分析是对一过程的特定问题的认识并探求问题的解决途径和方法。
过程分析早就被化学工程师所用。
对于一个正在运转中的化工过程，人们首先可以对它的各个方面进行直接观察，对现场数据加以分析研究，但这是有一定限度的，因现场条件常是不能随意改变的。
在过程的开发和设计中，实际过程还未建立，就不能对它进行直接视察，对一些影响因素及其相互关系的考察，一种习用的方法是建立一个小型或中型的实际过程来进行实验观察。
此外，也可通过数学计算加以考察。
在不久的过去，由于计算方法的限制，对数学的利用有限，因此通过计算对复杂得实际过程进行分析是很困难的，甚至是不可能的。
由于现代计算机的应用，我们可以很好的解决复杂得数学问题，现代应用电子计算机进行过程分析的一般步骤可用图1—1表示。
被分析的对象分析目的的确定过程的分解确定结构关系建立数学模型模型检验模型运用结果分析过程分析一般步骤图1-1。
7.1第七章-化工过程动态模拟与分析
第七章化工过程动态模拟与分析第一节化工过程系统动态模拟简介化工进展CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS2000 Vol.19 No.1 P.76-78化工过程模拟及相关高新技术(Ⅱ)化工过程动态模拟陆恩锡张慧娟随着化工过程稳态模拟的发展，动态模拟相继被提到日程上来。
由于化工稳态过程只是相对的、暂时的，实际过程中总是存在各种各样的波动、干扰以及条件的变化。
因而化工过程的动态变化是必然的、经常发生的。
归纳引起波动的因素主要有以下几类：·计划内的变更，如原料批次变化，计划内的高负荷生产或减负荷操作，设备的定期切换等。
·事物本身的不稳定性，如同一批原料性质上的差异和波动，冷却水温度随季节的变化，随生产时间的增加而引起催化剂活性的降低，设备的结垢等。
·意外事故，设备故障、人为的误操作等。
·装置的开停车。
以上的种种波动和干扰，都会引起原有的稳态过程和平衡发生破坏，而使系统向着新的平衡发展。
这一过程中，人们最为关心的问题是：·整个系统会产生多大的影响?产品品质、产量会有多大的波动?·有无发生危险的可能?可能会导致哪些危害?危害程度如何?·一旦产生波动或事故，应当如何处理、调整?最恰当的措施、步骤是什么?·干扰波动持续的时间有多久?克服干扰、波动到系统恢复正常需要多长时间?·开停车的最佳策略。
这些问题就不是稳态模拟所能解决的，而必须由化工过程动态模拟来回答。
也正是在这样一个背景下，动态模拟在近20多年来尤其是进入90年代后获得了长足的进展和广泛的应用［1～14］。
1动态模拟的主要功能和应用领域1.1 动态特性研究动态模拟广泛地应用于各种过程动态特性的研究。
研究过程参数随时间变化的规律，从而得到有关过程的正确的设计方案，或操作步骤。
过程的动态特性并非完全可以从静态特性或者根据经验推断而出，而且往往这类推断是片面的、有错误的。
第4章 化工单元过程系统模拟与分析
第4章化工单元过程系统模拟与分析4.1 化工单元过程数学模型及模拟在化工过程系统模拟计算中，当给定系统所有输入流股信息时，则过程系统中部分单元模块可获得全部输入流股信息，这些模块将输入信息加以处理单元，获得该模块的所有输出流股信息，并作为下一级单元模块的输入信息，由此可见，单元过程模拟是系统过程模拟的基础。
对于任何单元过程，都遵守物质和能量守恒定律，通过对单元过程的质量衡算及能量衡算，建立输入流股与输出流股之间的关系。
任何单元过程都会发生物理或化学变化，即体系的热力学性质及化学组成变化，因此需建立单元过程的相平衡关系、各流股焓、温度、压力变关系。
对于存在化学反应的单元过程，还应建立反应动力学和热力学的关系，确定各组分的转化率以及焓的变化。
本章主要介绍下面两个过程的单元模型4.1.1换热器数学模型及模拟4.1.2反应器数学模型及模拟4.1.1 换热器数学模型及模拟化工生产需要大规模地改变物质的化学性质和物理性质，而这些性质的变化都涉及热能的传递，主要应用在：（1）化学反应：向反应器提供热量或从反应器移走热量；（2）蒸发、蒸馏、干燥：按一定的速率向这些设备输入热量；（3）高温或低温设备：隔热保温，减少热损失；（4）热能的合理利用和废热回收。
热量传递方式（1）热传导：依靠物体中微观粒子的热运动，如固体中的传热；（2）热对流：流体质点（微团）发生宏观相对位移而引起的传热现象，对流传热只能发生在流体中，通常把传热表面与接触流体的传热也称为对流传热；（3）热辐射：高温物体以电磁波的形式进行的一种传热现象，热辐射不需要任何介质做媒介；在高温情况下，辐射传热成为主要传热方式。
换热器的种类：按照换热原理来分，可以分为三大类（1）间壁式换热器：冷、热流体被固体传热表面隔开，而热量的传递通过固体传递面而进行。
（2）直接接触式换热器：冷、热流体直接接触进行热量交换。
（3）蓄热式换热器：冷、热流体交替通过传热表面，冷流体通过时贮存冷量，热流体通过时贮存热量。
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化工过程系统动态模拟和综合分析
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）
化工过程系统动态模拟和综合分析
例：对CSTR的开工过程
du f (u,)
dt t 0时，u u(0) u0
其中u、u0 分别代表任一时刻和起始时刻的状态向量， μ代表未知而且待估计的参数向量。
• 模型参数估计就是为了确定参数向量µ的最优值，使限制 下的解最大限度地逼近已采集到的状态变量在不同时刻的 离散数据。
混合模型
上述二～三类模型的混合形式 多个单元过程组合而成的系统
化工过程系统动态模拟和综合分析
人工智能技术
• 人工智能技术推动了过程系统模型描述和性能模拟方 法的进步。
• 突出反映在人工神经网络技术在过程系统性能模拟方 面的应用。
• 对信息的处理响应速度快，自适应性强，具有自学习 能力等，在过程系统动态模拟与控制方面有独特的优 势
• 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。
化工过程系统动态模拟和综合分析
过程系统的定性分析
• 由于化工过程系统通常具有很强的非线性性质， 因而有可能出现定常态多重性、定常态稳定性、 参数敏感性、自激振荡，甚至更复杂的时间序 列结构。
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 化工过程系统动态模拟和综合分析
3.1 化工过程系统的动态模型
过程系统的动态特征
★动态特性是化工过程系统最基本的性之一
间歇过程、连续过程的开停工、 连续过程本征参数依时变化、 控制系统的合成、过程系统局部与全局特性分析 利用人为非定常态操作强化过程系统性能和实现技术目标
化工过程系统动态模拟和综合分析
NM
MF i n
i
(uid,j uic,j)2f( )
j
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。
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 应器强制周期操作化等工过人程系为统动非态模定拟和态综合操分析作技术的发展;
过程系统的动态模型
解决上述问题，最核心、最本质的知识，是如何科学地 描述过程系统动态特性的规律，这意味着必需选择或者建立 一种既能反映过程系统本质特性，又相对简单明了的数学模 型。
处理的是更一般的情况，模型普遍适用性更强。
化工过程系统动态模拟和综合分析
化工过程系统确定性动态模型的数学表达形式
模型类型 模型表达形式
应用例
集中参数模型 代数—常微分方程组
理想搅拌罐反应器动态模型，等
分布参数模型 代数—偏微分方程组
填料塔、管式反应器动态模型等
多级集中参数模型 代数－常微分方程组
板式塔动态模型，串连CSTR动 态模型，等
化工过程系统动态模拟和综合分析
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 • 过程系统的定性分析
化工过程系统动态模拟和综合分析
正问题—模型方程组的求解
• 所有的参数（包括设计、物性、传递和操作参数等）都已 给定，利用模型来预测系统的状态分布及其在时间域的运 动（变化）情况。
★动态特性还可以用于辨识某些系统的结构、过程的机 理和估计描述系统性能的模型参数，甚至作为诊断过程 系统运行故障的手段化工过程系统动态模拟和综合分析
精细化学品生产中: 间歇蒸馏、间歇反应、半连续 反应；
连续过程的开、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；
模型化(Modeling)是现代化学工程方法论的重要组成部分， 尤其是过程动态学的核心。
化工过程系统动态模拟和综合分析
模型的分类
•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（经验模型） 确定性模型 （机理模型） 介于两者之间的半经验模型
预测给定操作条件下系统的性能，对系统的操作性能 进行模拟；
考察某些模型参数的变化对系统性能的影响，系统的 参变性能分析；
在控制系统设计中利用模型来帮助“发生”系统的输 入—输出关系
化工过程系统动态模拟和综合分析
逆问题—模型参数的估计
• 已经从实验装置或生产装置上采集到在非定常条 件下系统状态变量随时间变化的信息，要求从中 估计出描述这一非定常态过程的模型中某些未知 参数的数值------已知状态在时间域的运动情况， 要求估计模型参数。
化工过程系统动态模拟和综合分析
根据建立模型的不同方法
• 统计模型（经验模型）
由统计、关联输入输出数据而得，表达方式简单， 只需少量计算就能得到结果
弱点:不能或者可以略作小范围的外推
• 确定性模型（机理模型）
通过对系统或者系统内某个微元，列出质量、能 量和动量守恒关系式，系统（或微元）内外质量、能 量和动量交换速率系数计算式，相关的相平衡关系， 化学反应速率表达式和化学反应平衡常数计算式。
化工过程系统动态模拟和综合分析
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
状态变量在系统中呈空间均匀分布 （强烈搅拌的反应罐）
• 分布参数模型
状态变量在系统内呈非均匀，但一般是连续的空间分布 （管式反应器、变压吸附塔）
• 多级集中参数模型
• 一般用于描述多级串连、级内状态变量均匀分布的过程 （板式塔内的传质分离过程）