化工系统工程课件_化工过程系统稳态模拟与分析
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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）。
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. 1.1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。
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。
A B C D E F G H
A
B
C
D
E
F
G
H
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。
2. 1.3 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
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。
A
B
C
D
E
F
G
H
不可分割子系统：
A B C
不相关子系统：
A B C D E F G
A
B
C
D
E
F
G
H
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（A，B，C）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.
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
根据信息流图 可以得出过程 矩阵
-13
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)
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
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
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。
如：
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2—8(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。
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Fra Baidu bibliotek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。
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）。
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. 1.1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。
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。
A B C D E F G H
A
B
C
D
E
F
G
H
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。
2. 1.3 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
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。
A
B
C
D
E
F
G
H
不可分割子系统：
A B C
不相关子系统：
A B C D E F G
A
B
C
D
E
F
G
H
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（A，B，C）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.
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
根据信息流图 可以得出过程 矩阵
-13
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)
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
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
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。
如：
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2—8(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。
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Fra Baidu bibliotek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。