化工过程模拟与分析(第六章分子模拟简介)课件
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化工过程模拟与分析(第六章分子模拟简介)
假设
假设有N个质量为m的分子处于体积为V，温度为T 的封闭区域内，它们的轨迹由向量 r 描述。
体系能量
m K 2
m
牛顿运动方程
i 1 d 2r j t 2
dt
N
v2 j
U U r1 t , r2 t ,..., rN t
r j U r , j 1,2,..., N
1. Hit & miss 法
2. 抽样平均值法
1、2各对应哪个？
二、分子模拟的MC法
MC法模拟自然现象的步骤 1. 建立能够描述系统特性的理论模型，导出该模型的某 些特征量的概率密度函数； 2. 从概率密度函数出发进行随机抽样，得到特征量的一 些模拟结果； 3. 对模拟结果进行分析总结，预言系统的某些特性。
系综平均示例
对于一个含有N个粒子的巨正则系综，设含N个粒 子的微观态的热力学量为XN，则对应体系的宏观热力 学量为：
X
N 0
P
N
XN
ห้องสมุดไป่ตู้
其中PN为含N个粒子的微观态出现的概率。
1 exp N / kT PN ... exp T / kT dr1...drN 3N Q , V , T N!
宏观物理量A（是系统中所有粒子的位置和动量的函 数）的值可以通过系综平均获得：
A lim 1 A r ( N ) , p ( N ) d t t t 0
t0
t
二、MD法分子模拟实例 对微孔中氩和氪流体混合物的扩散系数的计算机 模拟和关联模型研究。 体系为包含了72个氩分子和72个氪分子的长方体盒子， 体系势能由LJ公式计算，计算机模拟的时间步长为 10^(-14)s，模拟时间为7.5~10.5 ns。 计算出所有速度后，扩散系数为：
假设有N个质量为m的分子处于体积为V，温度为T 的封闭区域内，它们的轨迹由向量 r 描述。
体系能量
m K 2
m
牛顿运动方程
i 1 d 2r j t 2
dt
N
v2 j
U U r1 t , r2 t ,..., rN t
r j U r , j 1,2,..., N
1. Hit & miss 法
2. 抽样平均值法
1、2各对应哪个？
二、分子模拟的MC法
MC法模拟自然现象的步骤 1. 建立能够描述系统特性的理论模型，导出该模型的某 些特征量的概率密度函数； 2. 从概率密度函数出发进行随机抽样，得到特征量的一 些模拟结果； 3. 对模拟结果进行分析总结，预言系统的某些特性。
系综平均示例
对于一个含有N个粒子的巨正则系综，设含N个粒 子的微观态的热力学量为XN，则对应体系的宏观热力 学量为：
X
N 0
P
N
XN
ห้องสมุดไป่ตู้
其中PN为含N个粒子的微观态出现的概率。
1 exp N / kT PN ... exp T / kT dr1...drN 3N Q , V , T N!
宏观物理量A（是系统中所有粒子的位置和动量的函 数）的值可以通过系综平均获得：
A lim 1 A r ( N ) , p ( N ) d t t t 0
t0
t
二、MD法分子模拟实例 对微孔中氩和氪流体混合物的扩散系数的计算机 模拟和关联模型研究。 体系为包含了72个氩分子和72个氪分子的长方体盒子， 体系势能由LJ公式计算，计算机模拟的时间步长为 10^(-14)s，模拟时间为7.5~10.5 ns。 计算出所有速度后，扩散系数为：
第六章 分子动力学模拟ppt课件
2.4 Equations of motion
分子动力学模拟
为了在计算机上解运动方程，必须为微分方程建立一个 有限差分格式，从差分方程中再导出位置和速度的递推关系 式。这些算法是一步一步执行的，先算t 时刻的位置和速度， 然后在此基础上计算t+1时刻的位置和速度。
微分方程最为直接的离散化格式来自泰勒展开: r(th)r(t)n i 1 1hi!ir(i)(t)Rn
1.5
1
间间
0.5
rij 6 2
0
-0.5
-1
0.8
1
1.2 1.4 1.6 1.8 间间
2
2.2 2.4 2.6
对势能的最大贡献来自于粒子的近邻区域，位势截断
常用的方法是球形截断，截断半径一般取2.5σ或3.6 σ，对
截断距离之外分子间相互作用能按平均密度近似的方法进
行校正。
分子动力学模拟
The disk processed after the simulation is finished. It contains at least all the positions and velocities of all particles. This information is sufficient to calculate all the properties of the system. However, it is more economical to calculate properties during the simulation and store them in the than reading the calculating them afterwards.
➢二、分子动力学方法
第6章 化工过程热力学分析 ppt课件
6.1.3 不可逆过程的损耗功WL
实际过程都是不可逆的，实际功必定小于理想功，理想功 与实际功之差称为损耗功
过程热力学分析中应用极广
Gouy-Stodola）公式，在化工
6.2 化工单元过程的热力学分析
1 流体流动过程 2 传热过程 3 分离过程 4 化学反应过程
6.2.1 流体流动过程
根据热力学基本原理也可证明，和外界无热、功交换但有 压力降的流动过程必定有功损耗。可得流动过程的损耗功为：
6.3.2 两种损失和两种效率
6.3.2.1 两种损失 笼统地说能量损失非但违反热力学第一定律，而且无意义。 所谓能量损失，通常指通过各种途径由系统排到环境中去的未能 利用的能量。 ▉的损失可分成两部分。一部分称为内部损失，是由系统内 部各种不可逆因素造成的损失。 6.3.2.2 两种效率——第一定律效率与第二定律效率 （１）第一定律效率 。 （２）第二定律效率 。
6.4.2 非平衡热力学分析法简介
（２）不可逆过程的熵产率及昂萨格倒易关系
（３）非平衡热力学分析法及其应用举例 非平衡热力学分析法就是以非平衡热力学原理特别是熵产定 律来计算和分析过程的力和流以及由此产生的熵产率的大小，详 细揭示造成能量损耗的原因、部位和机制，并将之与具体过程设 备的结构和操作方式进行关联，以有效指导过程流程改进、操作 方式升级、节能设备的开发和设计等。
6.3.3 三种常规的热力学分析法汇总
6.3.3.1 能量衡算法 能量衡算法是通过物料与能量衡算，确定过程的排出能量 与能量利用率 。基于热力学第一定律的普遍适用性，可由此 求出许多有用的结果，如设备的散热损失、理论热负荷、可回 收的余热量和电力损失的发热量等。 6.3.3.2 熵分析法 熵分析法是通过计算不可逆过程熵产生量，确定过程的 损失和热力学效率。具体地说是以热力学第一定律与第二定律 为基础，通过物料和能量衡算，计算理想功和损耗功，求出过 程热力学效率 。
化工仿真模拟过程系统操作程序PPT(19张)
关联类操作
复杂的工艺过程往往仅靠一个操作点无法实施操作控制，而 需要两个或两个以上操作点相互配合才能稳定工况。这种操作称 为关联类操作。
过程系统操作要点
先低负荷开车达正常工况，然后缓慢提升负荷
先低负荷开车达正常工况，然后缓慢提升负荷。无 论对于动设备或者静设备，无论对于单个设备或者整 个流程，这都是一条开车的基本安全规则。如电力驱 动的设备，突发性加载会产生强大的瞬间冲击电流， 容易烧坏电机。容器或设备的承压过程是一个渐进的 过程，应力不均衡，就会造成局部损伤。设备对温度 变化的热胀冷缩系数不一致，局部受热或受冷过猛， 也会因为热胀冷缩不一致而损坏设备。
过程系统操作要点
首先了解变量的上下限
先考察调节器和指示仪表的上下限。这是变量最大的显示范 围。在仪表上下限以内，变量的报警还进一步划分为高限（Ｈ） 和高高限（ＨＨ）、低限（Ｌ）和低低限（ＬＬ）。其含义是给 出两个危险界限，若超第一个界限先警告一次提醒注意，若超第 二个界限则必须立即加以处理。
还应了解各变量在正常工况时允许波动的上下范围。这个范 围比报警限要小。不同的装置不同的变量这个范围要求可能有较 大的区别。例如，除计量之外一般对液位的波动范围要求不高。 然而有些变量的变化对产品质量非常敏感，则限制很严格。例如， 脱丁烷塔灵敏板温度变化零点几度对全塔的工况都有明显的影响。
过程系统操作要点
了解物料的性质
化工过程的物料种类繁多，性质各异。了解物料的性质，对于 深入理解操作规程、安全运行化工装置和事故处理都有重要意义。 例如，65t/h锅炉装置内带有潜热、处于高压的水，一旦减压就会 迅速汽化，体积扩大约10倍。其爆炸威力不亚于TNT炸药。间歇反 应中的二硫化碳具有流动性好、容易挥发、容易燃烧等特点，其 密度比水大且不溶于水，因此存贮时用冷水作水封既能防止挥发 又能起冷却作用。二硫化碳引发超压爆炸事故的主要原因是，此 种物料随温度上升其饱和蒸汽压迅速上升。
复杂的工艺过程往往仅靠一个操作点无法实施操作控制，而 需要两个或两个以上操作点相互配合才能稳定工况。这种操作称 为关联类操作。
过程系统操作要点
先低负荷开车达正常工况，然后缓慢提升负荷
先低负荷开车达正常工况，然后缓慢提升负荷。无 论对于动设备或者静设备，无论对于单个设备或者整 个流程，这都是一条开车的基本安全规则。如电力驱 动的设备，突发性加载会产生强大的瞬间冲击电流， 容易烧坏电机。容器或设备的承压过程是一个渐进的 过程，应力不均衡，就会造成局部损伤。设备对温度 变化的热胀冷缩系数不一致，局部受热或受冷过猛， 也会因为热胀冷缩不一致而损坏设备。
过程系统操作要点
首先了解变量的上下限
先考察调节器和指示仪表的上下限。这是变量最大的显示范 围。在仪表上下限以内，变量的报警还进一步划分为高限（Ｈ） 和高高限（ＨＨ）、低限（Ｌ）和低低限（ＬＬ）。其含义是给 出两个危险界限，若超第一个界限先警告一次提醒注意，若超第 二个界限则必须立即加以处理。
还应了解各变量在正常工况时允许波动的上下范围。这个范 围比报警限要小。不同的装置不同的变量这个范围要求可能有较 大的区别。例如，除计量之外一般对液位的波动范围要求不高。 然而有些变量的变化对产品质量非常敏感，则限制很严格。例如， 脱丁烷塔灵敏板温度变化零点几度对全塔的工况都有明显的影响。
过程系统操作要点
了解物料的性质
化工过程的物料种类繁多，性质各异。了解物料的性质，对于 深入理解操作规程、安全运行化工装置和事故处理都有重要意义。 例如，65t/h锅炉装置内带有潜热、处于高压的水，一旦减压就会 迅速汽化，体积扩大约10倍。其爆炸威力不亚于TNT炸药。间歇反 应中的二硫化碳具有流动性好、容易挥发、容易燃烧等特点，其 密度比水大且不溶于水，因此存贮时用冷水作水封既能防止挥发 又能起冷却作用。二硫化碳引发超压爆炸事故的主要原因是，此 种物料随温度上升其饱和蒸汽压迅速上升。
《分子模拟方法》课件
加速研发进程
分子模拟可以大大缩短药 物研发、材料合成等领域 的实验周期，降低研发成 本。
揭示微观机制
通过模拟，可以揭示分子 间的相互作用机制和反应 过程，有助于深入理解物 质的性质和行为。
分子模拟的发展历程
经典力学模拟
基于牛顿力学，适用于 较大分子体系，但精度
较低。
量子力学模拟
适用于小分子体系，精 度高，但计算量大，需
详细描述
利用分子模拟方法，模拟小分子药物与生物大分子（如蛋白质、核酸等）的相 互作用过程，探究药物的作用机制和药效，为新药研发提供理论支持。
高分子材料的模拟研究
总结词
研究高分子材料的结构和性能，优化 材料的设计和制备。
详细描述
通过模拟高分子材料的结构和性能， 探究高分子材料的物理和化学性质， 优化材料的设计和制备过程，为新材 料的研发提供理论指导。
分子动力学方法需要较高的计算资源和 精度，但可以获得较为准确的结果，因 此在计算化学、生物学、材料科学等领
域得到广泛应用。
介观模拟的原理
介观模拟是一种介于微观和宏观之间的模拟方 法，通过模拟一定数量的粒子的相互作用和演 化来研究介观尺度的结构和性质。
介观模拟方法通常采用格子波尔兹曼方法、粒 子流体动力学等方法，适用于模拟流体、表面 、界面等介观尺度的问题。
分子模拟基于量子力学、经典力 学、蒙特卡洛等理论，通过建立 数学模型来描述分子间的相互作
用和运动。
分子模拟可以用于药物研发、材 料科学、环境科学等领域，为实 验研究和工业应用提供重要支持
。
分子模拟的重要性
01
02
03
预测分子性质
通过模拟，可以预测分子 的性质，如稳定性、溶解 度、光谱等，为实验设计 和优化提供指导。
《化工流程模拟实训—Aspen Plus教程(孙兰义主编)》配套PPS课件第6章 换热器单元模拟
注意：指定压力(Pressure)，当指定值>0时，代表出口的绝对压力值； 当指定值≤0，代表出口相对于进口的压力降低值。
6.2 换热器Heater
Heater的常用的几种闪蒸规定组合
压力（或压降）与右列之一 出口温度或温度改变与右列之一
出口温度 热负荷或者入口热流率 汽化分率 温度改变 过冷度或过热度 压力 热负荷 汽化分率
6.2 换热器HeatX
Heatx 严格计算变量以及使用准则
6.2 换热器HeatX
Heatx 严格计算变量以及使用准则
变量
计算方法
简捷法使用准则 严格法使用准则
常数Constant （由用户指定校正 系数，也可查手册）
Default
LMTD
对数平均温 差校正因子
几何尺寸 Geometry 用户子程序 User-subroutine
6.2 换热器HeatX
Heatx 换热器的几何结构参数
壳程(Shell)表单中允许用户对以下参数进行设置：
壳程类型（TEMA shell type） 管程数（No. of tube passes） 换热器方位（Exchanger orientation） 密封条数（Number of sealing strippairs） 管程流向（Direction of tubeside flow） 壳内径（Inside shell diameter） 壳/管束间隙（Shell to bundle clearance） 串联壳程数（Number of shells in Series） 并联壳程数（Number of shells in Parallel）
计算法 Calculated
No No 多管程时可用
Yes
《分子模拟设计》课件
《分子模拟设计 》ppt课件
目录
• 分子模拟设计概述 • 分子模拟设计的基本方法 • 分子模拟设计的应用领域 • 分子模拟设计的挑战与展望 • 分子模拟设计案例分析
01
CATALOGUE
分子模拟设计概述
定义与特点
定义
分子模拟设计是指利用计算机模 拟技术，对分子结构和性质进行 预测和设计的过程。
蒙特卡洛模拟
总结词
基于概率统计的模拟方法
详细描述
蒙特卡洛模拟是一种基于概率统计的模拟方法，通过随机抽样和统计计算来获 得系统的性质。该方法适用于模拟复杂系统，能够考虑系统的随机性和不确定 性。
分子力学模拟
总结词
基于势能函数的模拟方法
详细描述
分子力学模拟是一种基于势能函数的模拟方法，通过势能函数来描述分子间的相互作用和分子结构。该方法适用 于快速计算分子的结构和性质，常用于药物设计和材料科学等领域。
材料的界面行为等多个方面。
高分子材料的模拟设计有助于缩短新材料研发周期、 降低研发成本，提高新材料开发的成功率。
高分子材料的模拟设计是利用分子模拟技术对 高分子材料的结构和性质进行预测和优化的一 种方法。
通过模拟高分子材料的结构和性质，可以预测材 料的力学性能、热性能、电性能等，从而优化材 料的设计和制备工艺。
在生物大分子模拟中，研究人员可以使用分子模拟设计来研究蛋白质、 核酸和糖等生物大分子的结构和动力学性质。
这有助于理解这些大分子在细胞中的功能和相互作用的机制，以及与疾 病相关的生物大分子的异常行为。
04
CATALOGUE
分子模拟设计的挑战与展望
计算资源的限制
计算资源不足
高性能计算机和计算集群的资源有限，难以满足 大规模分子模拟的需求。
目录
• 分子模拟设计概述 • 分子模拟设计的基本方法 • 分子模拟设计的应用领域 • 分子模拟设计的挑战与展望 • 分子模拟设计案例分析
01
CATALOGUE
分子模拟设计概述
定义与特点
定义
分子模拟设计是指利用计算机模 拟技术，对分子结构和性质进行 预测和设计的过程。
蒙特卡洛模拟
总结词
基于概率统计的模拟方法
详细描述
蒙特卡洛模拟是一种基于概率统计的模拟方法，通过随机抽样和统计计算来获 得系统的性质。该方法适用于模拟复杂系统，能够考虑系统的随机性和不确定 性。
分子力学模拟
总结词
基于势能函数的模拟方法
详细描述
分子力学模拟是一种基于势能函数的模拟方法，通过势能函数来描述分子间的相互作用和分子结构。该方法适用 于快速计算分子的结构和性质，常用于药物设计和材料科学等领域。
材料的界面行为等多个方面。
高分子材料的模拟设计有助于缩短新材料研发周期、 降低研发成本，提高新材料开发的成功率。
高分子材料的模拟设计是利用分子模拟技术对 高分子材料的结构和性质进行预测和优化的一 种方法。
通过模拟高分子材料的结构和性质，可以预测材 料的力学性能、热性能、电性能等，从而优化材 料的设计和制备工艺。
在生物大分子模拟中，研究人员可以使用分子模拟设计来研究蛋白质、 核酸和糖等生物大分子的结构和动力学性质。
这有助于理解这些大分子在细胞中的功能和相互作用的机制，以及与疾 病相关的生物大分子的异常行为。
04
CATALOGUE
分子模拟设计的挑战与展望
计算资源的限制
计算资源不足
高性能计算机和计算集群的资源有限，难以满足 大规模分子模拟的需求。
《分子模拟教程》课件
人工智能与机器学习应用
人工智能和机器学习技术将在分子模拟中发挥越 来越重要的作用，例如用于优化模拟参数、预测 性质等。
多尺度模拟
目前分子模拟主要集中在原子或分子级别，未来 将进一步发展多尺度模拟方法，将微观尺度和宏 观尺度相结合，以更全面地理解物质性质和行为 。
跨学科融合
分子模拟将与生物学、医学、材料科学等更多学 科领域进行交叉融合，为解决实际问题提供更多 可能性。
环境科学
在环境科学领域，分子模拟可用于研究污 染物在环境中的迁移转化机制，为环境保 护提供理论依据。
THANKS.
分子动力学模拟的常见算法
Verlet算法
一种基于离散时间步长的算法，用于计算分子位置和速度。
leapfrog算法
一种常用的分子动力学模拟算法，具有数值稳定性和计算效率高的特 点。
Parrinello-Rahman算法
一种基于分子力场的算法，可以用于模拟大尺度分子体系的运动。
Langevin动力学算法
材料科学
通过模拟材料中分子的运动和相互作 用，可以研究材料的力学、热学和电 学等性质，为材料设计和优化提供依 据。
03
Monte Carlo模拟
Monte Carlo模拟的基本概念
随机抽样
Monte Carlo模拟基于随 机抽样的方法，通过大量 随机样本的统计结果来逼 近真实结果。
概率模型
Monte Carlo模拟建立概 率模型，模拟系统的状态 变化和行为。
通过模拟药物分子与靶点分子的相互作用，预测 药物活性并优化药物设计。
材料科学
研究材料中分子的结构和性质，预测材料的物理 和化学性质。
生物大分子模拟
模拟生物大分子的结构和动力学行为，如蛋白质 、核酸等，有助于理解其功能和性质。
人工智能和机器学习技术将在分子模拟中发挥越 来越重要的作用，例如用于优化模拟参数、预测 性质等。
多尺度模拟
目前分子模拟主要集中在原子或分子级别，未来 将进一步发展多尺度模拟方法，将微观尺度和宏 观尺度相结合，以更全面地理解物质性质和行为 。
跨学科融合
分子模拟将与生物学、医学、材料科学等更多学 科领域进行交叉融合，为解决实际问题提供更多 可能性。
环境科学
在环境科学领域，分子模拟可用于研究污 染物在环境中的迁移转化机制，为环境保 护提供理论依据。
THANKS.
分子动力学模拟的常见算法
Verlet算法
一种基于离散时间步长的算法，用于计算分子位置和速度。
leapfrog算法
一种常用的分子动力学模拟算法，具有数值稳定性和计算效率高的特 点。
Parrinello-Rahman算法
一种基于分子力场的算法，可以用于模拟大尺度分子体系的运动。
Langevin动力学算法
材料科学
通过模拟材料中分子的运动和相互作 用，可以研究材料的力学、热学和电 学等性质，为材料设计和优化提供依 据。
03
Monte Carlo模拟
Monte Carlo模拟的基本概念
随机抽样
Monte Carlo模拟基于随 机抽样的方法，通过大量 随机样本的统计结果来逼 近真实结果。
概率模型
Monte Carlo模拟建立概 率模型，模拟系统的状态 变化和行为。
通过模拟药物分子与靶点分子的相互作用，预测 药物活性并优化药物设计。
材料科学
研究材料中分子的结构和性质，预测材料的物理 和化学性质。
生物大分子模拟
模拟生物大分子的结构和动力学行为，如蛋白质 、核酸等，有助于理解其功能和性质。
化工过程过程系统的模拟精品PPT课件
S1, S3 S2 , S5 , S6 S4 , S8 S7
S2 S4 S7 R A1 0 0 1 B0 0 1 1 C1 1 0 2 D0 1 1 2
S2 S4 S7 R A1 0 0 1 B0 0 1 1 C1 1 0 2 D0 1 1 2
II. 选择断裂流股 剩下的独立列构成的回路矩阵中，秩为1的行说明
1
2
3
4
关联矩阵 RI=
5 6
7 8
9 10
11 12
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
-1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 –1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 -1 0 0 1 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 -1 0 1 0 -1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 -1 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 -1 -1 0 000000000 0 0 0 1 0 000000000 0 0 0 0 1
单元设 备序号
1 2 3 4
相关物流号
-1 1 -2
流入该节点的流股+ 流出该节点的流股-
11 12
(b) 邻接矩阵（Adjacency Matrix) RA 一个由n个单元或节点组成的系统，其邻接矩阵或相邻矩阵 可表示为n×n的方阵。
RA [ Aij ]
1, 从节点i到节点j有边联结;
S2 S4 S7 R A1 0 0 1 B0 0 1 1 C1 1 0 2 D0 1 1 2
S2 S4 S7 R A1 0 0 1 B0 0 1 1 C1 1 0 2 D0 1 1 2
II. 选择断裂流股 剩下的独立列构成的回路矩阵中，秩为1的行说明
1
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关联矩阵 RI=
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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
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单元设 备序号
1 2 3 4
相关物流号
-1 1 -2
流入该节点的流股+ 流出该节点的流股-
11 12
(b) 邻接矩阵（Adjacency Matrix) RA 一个由n个单元或节点组成的系统，其邻接矩阵或相邻矩阵 可表示为n×n的方阵。
RA [ Aij ]
1, 从节点i到节点j有边联结;
化工过程数值模拟及软件ppt课件汇总全套ppt完整版课件最全教学教程整套课件全书电子教案全套电子讲义
3.1 单元模拟的步骤
（3）设定初始条件和边界条件 根据所处理问题的不同，单元模拟在求解计算前还要 给定不同类型的初始条件和边界条件。边界条件包括进出 口边界条件、壁面边界条件、内部单元区域边界条件和内 部表面边界条件。初始条件和各种边界条件包含的具体内 容随商业CFD软件的不同而各不相同。 （4） 模型 前面也已经提到，CFD中涉及的模型包括各种流动模 型、传热模型、多相流模型、燃烧模型、化学反应流模型 以及自由面流模型等模型。单元过程中的流动有很多不同 的特征，对每一种流动特征CFD又有一种到多种模型可以 选择。流动特征按不同着眼点有不同的描述方法。
3.1 单元模拟的步骤
a. 介质性质不同：根据流体剪切力与速度梯度是否线 性关系分为牛顿流体与非牛顿流体；根据介质密度是否为 常数分为不可压流体，弱可压流体，完全可压流体。
b. 流动形态不同：根据流动中是否有速度脉动分为层 流与湍流；根据空间各点上流体质点的速度及其他表示流 动的参数是否随时间变化分为定常流动和非定常流动。
模拟对象规模 10-10m
10-7m
10-3m
100m
102m
模拟层次
分子模拟
传递过程及 反应动力学模拟
单元操作及 反应器模拟
图1-1 化工过程模拟层次
流程模拟
第二节 流程模拟
化工过程模拟或流程模拟是根据化工过程的数据，诸如物料的压 力、温 度、流量、组成和有关的工艺操作条件、工艺规定、产品规格 以及一定的设备参数，如蒸馏塔的板数、进料位置等，采用适当的模 拟软件，将一个由许多个单元过程组成的化工流程用数学模型描述， 用计算机模拟实际的生产过程，并在计算机上通过改变各种有效条件 得到所需要的结果。其中包括人们最为关心的原材料消耗、公用工程 消耗和产品、副产品的产量和质量等重要数据。简言之，化工过程模 拟就是在计算机上“再现”实际的生产过程。由于这一“再现”过程 并不涉及到实际装置的任何管线、设备以及能源的变动，因而给了化 工模拟人员最大的自由度，可以在计算机上“为所欲为”地进行不同 方案和工艺条件的探讨、分析。这一方法是计算机技术在化工方面的 最重要的应用之一。流程规模系统的迅速与准确不仅可节省时间，也 可节省大量资金和操作费用，提高产品质量和产量，降低消耗。流程 模拟系统还可对经济效益、过程优化、环境评价进行全面地分析和精 确评估。并可对化工过程的规划、研究和开发及技术可靠性作出分析。 同时流程模拟系统的快速准确对多种流程方案的分析和对比提供了保 证。随着计算机技术的发展及应用软件技术的开发，化工过程模拟技 术日趋成熟和实用，商业化软件广泛出现于化工过程模拟中，其主要 的代表有ASPEN PLUS系统和PRO／E系统。
最新分子模拟技术导论教学讲义ppt课件
本章要求
Xi’an University of Science & Technology
教学目的
演示： 让学生了解分子模拟技术的最新进展与应用
教学要求
掌握 分子模拟技术中常用的方法原理； 精通 HyperChem 软件的操作； 探索 对一些反应过程进行分子动力学模拟尝试； 延伸 利用分子模拟技术设计防晒剂 （课外科技活动）
Dept. of Chemical Science & Engineering
Email: Jansweili@ Phone: 029—85583997
2. 分子模拟技术的计算方法
Xi’an University of Science & Technology
量子力学方法
量子力学方法是基于量子力学的分子模拟，它借助计算分子结 构中各微观参数，如电荷密度、键序、轨道、能级等与性质的 关系，设计出具有特定性能的新分子。它们的共同点是对电子 的相互作用采用量子化学的知识进行描述，而不是采用经验性 的势能函数来表示，这种方法有很强的理论基础。
著名的从头计算程序有系列Gaussian程序
Gaussian 98
Gaussian 2003等
ChemComp
Dept. of Chemical Science & Engineering
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2. 分子模拟技术的计算方法
Xi’an University of Science & Technology
半经验方法
是对从头计算中的许多积分采用经验参数替代的简化方法，所使用的 经验参数是通过对实验数据的拟合得到的。半经验方法采用了价电子 近似，假定分子中各原子的内层电子可以看作对分子不极化的原子实 的一部分，而只处理价电子，这样进一步减少了计算时间。主要用于 计算构象能与结构的Ｘ射线结果分析，以此分析平衡态性质
化工过程系统动态模拟与分析技术讲义(ppt 87页)
• 质量累积速率＝质量流入速率－质量流出速率
质量累积 d（ V速 ） A 率 d ＝ H
dt
dt
质量流入速率Fi＝
质量流出速率Fo＝
AddH tFi-Fo
dH Fi - k H dt A A
ln(i F-kH)-A ktc
将初始化条件：t=0时，H=H0代入式，并化简可得：
• 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。
3.2.2 模型的数学处理与应用（Ⅰ）
• 上述动态数学模型的正问题在计算数学上是典型 的常微分方程组的初值问题，通常可以利用龙格 －库塔法（R-K），基尔（Gear）法等通用程序来 求数值解。
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
• 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。
0.8
FI=5Fo
0.6
FI=2Fo
0.4
FI=Fo
0.2
0.0
0
1
2
3
4
5
6
Ê±ä¼ T
小结
• 以上例子通过一些理想化的假设，削减了过程的复杂 性，使得该过程可以通过数学方式精确求解
• 对于一般的连续搅拌罐式反应器，除总物料衡算和组 分物料衡算外，还存在着伴随化学反应的热效应以及 反应罐本身的热衡算。
化工过程模拟与分析(第六章联立方程法)
闪 蒸 器 4 P2
R3
i 1
13
ci
1,
P2
i 1
13
ci
1
R3ci K i R3c , P2c , p4 , T4 P 2ci i 1,2,..., 13
28个方程
混合器2
S2
混合器2 Z2
R3
FZ 2 FS 2 FR3
1 FS 2 S 2ci FR3 R3ci , i 1,2,...,13 Z 2ci FZ 1
6.2 过程系统数学模型的求解
一、微分方程的处理 1. 将微分方程分隔出来数值积分 2. 将微分方程改写成差分方程 3. 直接从严格微分模型开发近似代数模型 二、初值的选取 1. 利用严格模型生成简化模型，并用序贯模块法计算 2. 通过求解线性化产生近似线性方程组并求解得到 3. 按照序贯模块法迭代数次后得到初始解
(i 1,2,, c)
2、建立联立方程中各单元形成的子方程组
各流股由一个13维向量描述，例如对于进料流股F：
第1个组分摩 尔组成 流股摩尔流量
Z1 Z1c1 Z1c 2 ... Z1c13
混合器1
FZ1
R1
F 混合器1 R2 Z1
FZ1 FF FR1 FR 2
1 FR1 R1ci FF Fci FR 2 R2ci , i 1,2,...,13 Z1ci FZ 1
设计规定方程
FP1 spec FS 1
29个方程
闪蒸器2
S1
FS1 FS1 FZ 1
Z1
S1ci FS1 S 2ci FS 2 Z1ci FZ 1 i 1,2,...,12
化工仿真实训PPT课件
板式换热器
套管换热器
-
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第三节 换热器仿真
一、换热器的工业用途
1.处理工艺介质以达到规定温度 2.生产过程中加热或降温 3.工艺过程中改变相态：如工厂中的锅炉房 4.回收热量
-
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第三节 换热器仿真
• 二、换热器冷态开车仿真操作
• 1.工艺流程
-
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加热至出口温度145℃
-
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第一节 概述
• 四、PISP平台评分系统（指导、诊断、评测）
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第一节 概述
• 1.操作状态指示
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第二节 离心泵仿真
n 一、流体输送机械概述
什么是流体
你见过流体输送机械吗
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第二节 离心泵仿真
n 一、流体输送机械概述
作用
1.为流体提供动力,以满足输送要求; 2.为工艺过程创造必要的压强条件;
稳定在38 ±1℃)
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第五节 固定床反应器
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第五节 固定床反应器
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第六节 加热炉仿真
• 一、单元操作-传热
• 控制的方法可分为手动调节（人工调节）和自动调节（利 用相关自动化控制仪表调节）
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第一节 概述
表1.1：工艺常见的参数及其代号
工艺参数
代号
温度
T
压力
P
液位
L
流量
F
质量
W
速度（频率） S
湿度
K
-
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介观层次 大分子（包括聚合物和生物大分子）以及某些相对稳 定的分子聚集体（如胶体） 尚不成熟
对接技术 子模拟将对象层次化使得研究在各个层次上分别展开, 但层次间显然是相互关联的, 如何描述这种关联？ 起步阶段
6.2 分子模拟的蒙特卡罗法
一、Monte Carlo法原理
随机实验求圆周率
L
p
2L d
七、分子模拟的重要性 1. 检验统计力学理论的合理性 2. 直接通过分子模拟预测物质性质 3. 系统地研究微观作用力对宏观性质的影响 4. 通过分子模拟能够发现一些新的现象
系综理论（Ensemble theory） 系综是大量被研究体系复制品的集合。
E 能量 V 体积 N 粒子数目
系统与环境之间 没有物质和能量
的交换
微正则系综
T 温度 V 体积 N 粒子数目
系统与环境之间 只有能量交换 没有物质交换
正则系综
T 温度 V 体积 μ化学势
系统与环境之间 既有能量交换 又有物质交换
不同化学势下狭缝微孔中流体分 子的局部密度图
MC法注记
1. 虽然模拟的分子数远少于实际，但由于周期边界条 件的采用，模拟结果可以描述实际。
2. 不能用于传递性质等与时间有关的性质的模拟 。
3. 系综理论严格讲适用于处于平衡态的体系，但也可 用于偏离平衡态不远的情形，此时有一定的误差 。
6.3 分子模拟的分子动力学法
分子模拟已关注有应用价值的实际复杂体系。
6.1 分子模拟的层次
量子力学层次 解薛定谔（Schrdinger）方程 分子的势能面(potential energy surface，PES) 决定电子运动状况的波函数 多电子体系。 分子层次 原子或分子间的相互作用力 极大量分子行为的统计平均 统计力学
四、研究分子扩散性质
五、分子模拟在化工中应用的关键问题
1. 体系势能的计算 2. 规模问题 3. 不同尺度的衔接 4. 模拟结果的处理和分析 5. 建构合理的分子模拟模型 6. 软硬件环境
六、分子模拟在化工应用中的发展方向和思路
1. 利用计算量子化学成果，开发更多的专用位能函数 2. 利用统计力学理论成果开发更多的理论模型 3. 大分子、生化体系的模拟 4. 含固体材料的界面的模拟 5. 纳米受限体系的模拟 6. 极端条件下的模拟 7. 结合不同尺度的模拟技术 8. 采用并行计算进行分子模拟
一、MD法基本原理
对于一个由N个分子组成的系统，赋予合适的分子 间势能、系统初始条件和边界条件，然后利用数值积 分的方法求解所有粒子的牛顿运动方程，以获得各分 子的运动轨迹 。
假设
假设有N个质量为m的分子处于体积为V，温度为T 的封闭区域内，它们的轨迹由向量 r 描述。
体系能量
K
m 2
N
v
2 j
i 1
U U r 1 t,r 2 t,.r N .t.,
牛顿运动方程 md2 d rj2ttr jU r, j1,2,..N .,
选定时间步长，将牛顿方程离散化，可得：
Verlet算法 rjt0 t rjt0 v jt0 t 1 2 a jt0 t2 ...
rjt0 t rjt0 v jt0 t 1 2 a jt0 t2 ...
计算出所有速度后，扩散系数为：
D1 3
vi0,vit
0
dt
6.4 分子模拟在化工中的应用
一、建立状态方程 要获得精度高的具有统计力学基础的状态方程,必
须有相当数量在很宽广温度和密度范围内各种模型流 体的分子模拟数据 。
二、研究分子的微观结构 三、研究相界面
分子模拟不仅能测定流体主体内分子的近程有序 （即所谓局部组成），还能测定汽液界面、液液界面 以及气固、液固界面的分子分布。
1、2各对应哪个？
二、分子模拟的MC法
MC法模拟自然现象的步骤
1. 建立能够描述系统特性的理论模型，导出该模型的某 些特征量的概率密度函数；
2. 从概率密度函数出发进行随机抽样，得到特征量的一 些模拟结果；
3. 对模拟结果进行分析总结，预言系统的某些特性。
对于化工过程模拟，理论模型常为一个含有N个 粒子（代表分子或原子）的长方体盒子。
r jt0 t r jt0 t 2 r jt0 a jt0 t2 ...
r a jjtt0 t rjU r jr t0m , tj 2 1 r ,2 j,t0 .N .a .j,t0 t2 ...
MD法步骤 1. 设置各分子位置； 2. 赋予各分子速度； 3. 计算每个分子所受到的力； 4. 计算分子在Δt时刻后的位置和运动状态，并保存； 5. 若到达预先设定的时间则退出程序，否则返回3； 6. 分析运算结果。
X PN XN N0
其中PN为含N个粒子的微观态出现的概率。
P N Q , 1 V ,T eN x 3 N N /! k p T ..e . x T /p kd r T 1 .d .r N .
MC法分子模拟实例 温度T=134.3K、压力逐渐增加（即化学势μ逐渐增加） 时，丙烷在活性碳多孔介质中的吸附行为。
巨正则系综
微孔系统示意图
分子既可以进、出微孔，也 可以在微孔内改变位置 ；微
孔内分子数目最多可以到达 2000 。
（1）盒内分子分布的初始状态：任选 （2）三种行为发生的概率：1/3 （3）三种行为的Boltzmann因子（接受概率）
分子移入盒子 in smi1,nVe x3 p N 1 kT
分子移出盒子 分子盒内移动
delmi1,n3Nexp V kT
m o m v 1 ,e in x p kT
模拟结果：在确定压力下，产生8×10^6个微观态， 抛弃前4×10^6个，其余的结果平均。
结果
微孔内的分子分布 zN z s2 z
图意义：
Pa > Pb > Pc 随压力增加，孔内 分子数目增加，且 靠近两壁处分子数 目也增加。
巨正则系综
各态经历假说 只要等待足够长的时间，宏观系统必将多次经历
与宏观约束相适应的所有可达微观态。
系综实质 系综相当于把等待足够长时间，宏观系统经历过
的微观态在同一时间陈列出来。
系综理论基本观点
宏观量是微观量的时间平均，并等价于微观量的系 综平均。
系综平均示例
对于一个含有N个粒子的巨正则系综，设含N个粒 子的微观态的热力学量为XN，则对应体系的宏观热力 学量为：
d
Buffon投针实验
Monte Carlo法实例
MC法求阴影部分面积
1. Hit & miss 法 2. 抽样平均值法
当所求解问题是某种随机事件 出现的概率，或者是某个随机 变量的期望值时，通过某种 “实验”的方法，以这种事件 出现的频率估计这一随机事件 的概率，或者得到这个随机变 量的某些数字特征，并将其作 为问题的解。
运算结果的分析
宏观物理量A（是系统中所有粒子的位置和动量的函 数）的值可以通过系综平均获得：
Atl i m t 1t0tt0Ar(N), p (N)d
二、MD法分子模拟实例
对微孔中氩和氪流体混合物的扩散系数的计算机 模拟和关联模型研究。
体系为包含了72个氩分子和72个氪分子的长方体盒子， 体系势能由LJ公式计算，计算机模拟的时间步长为 10^(-14)s，模拟时间为7.5~10.5 ns。
求出粒子轨迹后，将粒子的位置和动量组成的微观状 态对时间平均，即可求出体系的压力、能量、粘度等 宏观性质以及组成粒子的空间分布等微观结构。
体系势能的计算
Lennard-Jones 势能公式
2个分子之间势能
Vr4126
r r
含N个粒子的体系势能 Ur1t,r2t,..r.N,t1 2ijVrij
第六章 分子模拟简介
主要内容 1. 分子模拟的层次 2. 分子模拟的蒙特卡罗法 3. 分子动力学模拟 4. 分子模拟在化工中的应用
从分子水平研究化工过程及产品的开发与设计是 21世纪化工的重要方向。
分子模拟的2个要素 1. 立足于微观 2. 以统计力学与量子力学为理论基础 3. 2. 得力于计算
有效的近似计算方法和电子计算机为其基础