过程模拟技术基本知识讲义
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• 标准型问题 • 设计型问题 • 最优化问题
2020/12/9
17
输入流 股向量
单元模块
输出流 股向量
标准型问题
2020/12/9
18
设备参 数向量
输入流 股向量
输出流 股向量
单元模块
控制模块
要求的 输出向 量特性
设计型问题
2020/12/9
19
给定的参数
给定输入
物理特 性
过程模拟模型
经济模拟模型
研究开发
外协 检查
市场 调查
过程 设备 设计 设计
设备 制造
建设 工程
试运转
操作 运行
经营管理
控制
环境的变化
2020/12/9
4
过程系统工程包含的内容
• 过程系统分析 • 过程系统集成 • 过程系统优化 • 过程系统设计
2020/12/9
5
输入
过程系统
2020/12/9
过程系统分析示意图
输出 （待求）
谢谢大家！
• GMB 式2020/12/9
美国Badger Co.
序贯模块法 交互作用方
23
流程模拟系统软件
• 模拟系统
开发者
结构
特点
• HYSIM 加拿大HYPROTECH Co.序贯模块法 交互作用方式
• PRO/II 美国Simulation公司 序贯模块法 批处理与交互
• QUASLIN 英国CAD中心
2020/12/9
11
过程系统模型
• 过程系统模型是借助有关概念、变量、规 则、逻辑关系、数学表达式、图形和表格 等对系统的总体描述。
2020/12/9
12
数学模型的类型与建立
• 按建模的方法分为：机理模型和经验模 型
• 按建模是否考虑时间分为：动态模型和 稳态模型
• 按建模是否考虑空间分为：集中参数模 型和分布参数模型
• 当缺少化合物的物性时，可为用户提供物性推算模 型
• 当用户自己有实验数据时，可以按要求的模型形式 进行回归，给出回归模型的参数
2020/12/9
26
化工过程的数学模型
• 基本定律
• 质量守恒定律 • 能量守恒定律 • 传递速率方程，包括热量、质量、动量传递速率方
程 • 状态方程 • 化学平衡 • 化学反学动力学
过程系统工程的基本概念
• 过程系统工程是将系统工程学的理论和方 法应用于过程工业领域的确一门边缘学科， 是化学工程的一个分支。
• 过程系统工程的基本内容就是从过程系统 的整体目标出发，根据系统内部各个组成 部分的特性及其相互关系，确定在规划、 设计、操作和控制等方面的最优策略。
2020/12/9
3
• 数学模型的基本类型与主要形式 • 稳态模拟所研究问题的基本类型 • 稳态模拟的基本方法 • 稳态模拟软件 • 化工过程物性系统 • 化工过程的数学模型
2020/12/9
15
数学模型的基本类型
• 集中参数模型与分布参数模型 • 确定模型与随机模型 • 机理模型与经验模型
2020/12/9
16
稳态模拟所研究的基本问题
控制变量
约束条件 约束条件
优化程序
最优化问题
2020/12/9
20
流程模拟的一般步骤
输入条件
物料与能量衡算
设备尺寸计算
公用工程 及原料量
设备尺寸计算 成本估算
成本数据 投资费用数据
经济评价
2020/12/9
收益
21
稳态模拟的基本方法
• 序贯模块法 • 联立方程法 • 最优联立模块法
2020/12/9
•
不可麻痹大意，要防微杜渐。20.12.920.12.903:34:0903:34:09December 9, 2020
•
加强自身建设，增强个人的休养。2020年12月9日上 午3时34分20.12.920.12.9
•
追求卓越，让自己更好，向上而生。2020年12月9日 星期三 上午3时34分9秒03:34:0920.12.9
• 包括三个主要的步骤：过程系统集成、分 析与优化
2020/12/9
9
过程系统
需求
热量 物料衡算
综合 决策变量
计算设备 尺寸、费用
经济评价
参数优化 优化 结构优化
2020/12/9
最终的过程系统
10
数学模拟
• 数学模拟：对数学模型求解的过程 • 优 点：经济、灵活、可以减少中间试
验，可获得实验条件下难以得到的性能信 息，可以利用已有的理论成果来研究复杂 过程系统的性能。
•
每天都是美好的一天，新的一天开启 。20.12.920.12.903:3403:34:0903:34:09Dec- 20
•
务实，奋斗，成就，成功。2020年12月9日星 期三3时34分9秒 Wednesday, December 09, 2020
•
抓住每一次机会不能轻易流失，这样 我们才 能真正 强大。20.12.92020年12月9日 星期三 3时34分9秒20.12.9
•
严格把控质量关，让生产更加有保障 。2020年12月 上午3时 34分20.12.903:34Dec ember 9, 2020
•
重规矩，严要求，少危险。2020年12月9日星 期三3时34分9秒03:34:099 December 2020
•
好的事情马上就会到来，一切都是最 好的安 排。上 午3时34分9秒 上午3时 34分03:34:0920.12.9
22
流程模拟系统软件
• 模拟系统
开发者
结构
特点
• ASCEND 美国Carnegie-Mellon 联立方程法 模拟与优化
• ASPEN PLUS 美国ASPEN公司
序贯模块法 模拟与优化
• CAPES 用
日本
序贯模块法 有优化费
• CHESS
美国Washington大学
• CONCEPT III 英国CAD中心
序贯模块法 交互作用方式
• DESIGN 2000 美国Chem Share
序贯模块法
• FLOWPACK II 英国德国ICI-LINDE 序贯模块法 批处理与交互
• FLOWSIM 美国Connecticut 大学 联立方程法 图形输入
• FLOWTRAN 美国Monsanto Co. 序贯模块法 有费用和尺寸
•
大连理工大学
•
2020/12/9
华东理工大学
24
计算方法库
单元模块库
输入
管理系统 执行程序
物性数据库 热力学性质库
输出
求解 优化 经济分析
流程模拟系统的基本结构
2020/12/9
25
物性系统的作用
• 根据模拟计算的进程与要求向程序提供所需的各种 物性数据
• 允许用户输入自己的数据并转换成模拟系统所要求 的形式
• 按过程的特征分为：确定模型和随机模
• 数学模型的建立过程称为模型化，模型
化的最基本要求，数学模型与所研究的
2020/12/过9 程系统具有客观的一至性。
13
过程系统模型组成及表示
• 过程单元模型 • 过程系统结构 • 过程系统结构表示：有向图表示、矩阵
表示
2020/12/9
14
稳态模拟的基本知识
联立方程法 模拟与优化
• SIMMOD 美国Illinois大学 化
序贯模块联立模块法 模拟与优
• SPEEDUP 英国Imperial大学 PASCAL编程
• SYMBOL 英国Cambridge大学 联立方程法
线性化法
• ECSS
青岛化工学院
序贯模块法
• Micro SAPROSS 兰州设计院 序贯模块法 合成氨专用系统 程
2020/12/9
27
八步法流程模拟
➢ 画流程图 ➢ 定义组分 ➢ 选择方法 ➢ 定义物流 ➢ 定义单元操作 ➢ 运行模拟 ➢ 察看结果 ➢ 修改参数
2020/12/9
28
2020/12/9
29
•
踏实，奋斗，坚持，专业，努力成就 未来。20.12.920.12.9Wednes day, December 09, 2020
•
弄虚作假要不得，踏实肯干第一名。03:34:0903:34:0903:3412/9/2020 3:34:09 AM
•
安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20.12ຫໍສະໝຸດ Baidu903:34:0903:34Dec -209-D ec-20
•
重于泰山，轻于鸿毛。03:34:0903:34:0903:34Wednesday, December 09, 2020
6
输入
过程系统 （待求）
输出
过程系统集成示意图
2020/12/9
7
过程系统优化
• 过程系统优化或系统优化可分为参数优化 和结构优化
• 参数优化：在一确定的系统流程中对其操 作参数进行优化。
• 结构优化：改变过程系统中设备类型或其 相互间的联结，以优化过程系统。
2020/12/9
8
过程系统设计
• 过程系统的设计原则上讲，是过程系统集 成与过程系统分析交替过程的整体。
过程模拟技术基本知识
• 概论 • 过程系统工程的基本概念 • 过程系统工程包含的内容 • 过程系统工程研究方法 • 稳态模拟基础知识
2020/12/9
1
概论
• 60年代过程系统工程产生和发展的理论准 备时期
• 70年代过程系统工程走上实用的时期 • 80年代过程系统工程普及时代
2020/12/9
2
2020/12/9
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输入流 股向量
单元模块
输出流 股向量
标准型问题
2020/12/9
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设备参 数向量
输入流 股向量
输出流 股向量
单元模块
控制模块
要求的 输出向 量特性
设计型问题
2020/12/9
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给定的参数
给定输入
物理特 性
过程模拟模型
经济模拟模型
研究开发
外协 检查
市场 调查
过程 设备 设计 设计
设备 制造
建设 工程
试运转
操作 运行
经营管理
控制
环境的变化
2020/12/9
4
过程系统工程包含的内容
• 过程系统分析 • 过程系统集成 • 过程系统优化 • 过程系统设计
2020/12/9
5
输入
过程系统
2020/12/9
过程系统分析示意图
输出 （待求）
谢谢大家！
• GMB 式2020/12/9
美国Badger Co.
序贯模块法 交互作用方
23
流程模拟系统软件
• 模拟系统
开发者
结构
特点
• HYSIM 加拿大HYPROTECH Co.序贯模块法 交互作用方式
• PRO/II 美国Simulation公司 序贯模块法 批处理与交互
• QUASLIN 英国CAD中心
2020/12/9
11
过程系统模型
• 过程系统模型是借助有关概念、变量、规 则、逻辑关系、数学表达式、图形和表格 等对系统的总体描述。
2020/12/9
12
数学模型的类型与建立
• 按建模的方法分为：机理模型和经验模 型
• 按建模是否考虑时间分为：动态模型和 稳态模型
• 按建模是否考虑空间分为：集中参数模 型和分布参数模型
• 当缺少化合物的物性时，可为用户提供物性推算模 型
• 当用户自己有实验数据时，可以按要求的模型形式 进行回归，给出回归模型的参数
2020/12/9
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化工过程的数学模型
• 基本定律
• 质量守恒定律 • 能量守恒定律 • 传递速率方程，包括热量、质量、动量传递速率方
程 • 状态方程 • 化学平衡 • 化学反学动力学
过程系统工程的基本概念
• 过程系统工程是将系统工程学的理论和方 法应用于过程工业领域的确一门边缘学科， 是化学工程的一个分支。
• 过程系统工程的基本内容就是从过程系统 的整体目标出发，根据系统内部各个组成 部分的特性及其相互关系，确定在规划、 设计、操作和控制等方面的最优策略。
2020/12/9
3
• 数学模型的基本类型与主要形式 • 稳态模拟所研究问题的基本类型 • 稳态模拟的基本方法 • 稳态模拟软件 • 化工过程物性系统 • 化工过程的数学模型
2020/12/9
15
数学模型的基本类型
• 集中参数模型与分布参数模型 • 确定模型与随机模型 • 机理模型与经验模型
2020/12/9
16
稳态模拟所研究的基本问题
控制变量
约束条件 约束条件
优化程序
最优化问题
2020/12/9
20
流程模拟的一般步骤
输入条件
物料与能量衡算
设备尺寸计算
公用工程 及原料量
设备尺寸计算 成本估算
成本数据 投资费用数据
经济评价
2020/12/9
收益
21
稳态模拟的基本方法
• 序贯模块法 • 联立方程法 • 最优联立模块法
2020/12/9
•
不可麻痹大意，要防微杜渐。20.12.920.12.903:34:0903:34:09December 9, 2020
•
加强自身建设，增强个人的休养。2020年12月9日上 午3时34分20.12.920.12.9
•
追求卓越，让自己更好，向上而生。2020年12月9日 星期三 上午3时34分9秒03:34:0920.12.9
• 包括三个主要的步骤：过程系统集成、分 析与优化
2020/12/9
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过程系统
需求
热量 物料衡算
综合 决策变量
计算设备 尺寸、费用
经济评价
参数优化 优化 结构优化
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最终的过程系统
10
数学模拟
• 数学模拟：对数学模型求解的过程 • 优 点：经济、灵活、可以减少中间试
验，可获得实验条件下难以得到的性能信 息，可以利用已有的理论成果来研究复杂 过程系统的性能。
•
每天都是美好的一天，新的一天开启 。20.12.920.12.903:3403:34:0903:34:09Dec- 20
•
务实，奋斗，成就，成功。2020年12月9日星 期三3时34分9秒 Wednesday, December 09, 2020
•
抓住每一次机会不能轻易流失，这样 我们才 能真正 强大。20.12.92020年12月9日 星期三 3时34分9秒20.12.9
•
严格把控质量关，让生产更加有保障 。2020年12月 上午3时 34分20.12.903:34Dec ember 9, 2020
•
重规矩，严要求，少危险。2020年12月9日星 期三3时34分9秒03:34:099 December 2020
•
好的事情马上就会到来，一切都是最 好的安 排。上 午3时34分9秒 上午3时 34分03:34:0920.12.9
22
流程模拟系统软件
• 模拟系统
开发者
结构
特点
• ASCEND 美国Carnegie-Mellon 联立方程法 模拟与优化
• ASPEN PLUS 美国ASPEN公司
序贯模块法 模拟与优化
• CAPES 用
日本
序贯模块法 有优化费
• CHESS
美国Washington大学
• CONCEPT III 英国CAD中心
序贯模块法 交互作用方式
• DESIGN 2000 美国Chem Share
序贯模块法
• FLOWPACK II 英国德国ICI-LINDE 序贯模块法 批处理与交互
• FLOWSIM 美国Connecticut 大学 联立方程法 图形输入
• FLOWTRAN 美国Monsanto Co. 序贯模块法 有费用和尺寸
•
大连理工大学
•
2020/12/9
华东理工大学
24
计算方法库
单元模块库
输入
管理系统 执行程序
物性数据库 热力学性质库
输出
求解 优化 经济分析
流程模拟系统的基本结构
2020/12/9
25
物性系统的作用
• 根据模拟计算的进程与要求向程序提供所需的各种 物性数据
• 允许用户输入自己的数据并转换成模拟系统所要求 的形式
• 按过程的特征分为：确定模型和随机模
• 数学模型的建立过程称为模型化，模型
化的最基本要求，数学模型与所研究的
2020/12/过9 程系统具有客观的一至性。
13
过程系统模型组成及表示
• 过程单元模型 • 过程系统结构 • 过程系统结构表示：有向图表示、矩阵
表示
2020/12/9
14
稳态模拟的基本知识
联立方程法 模拟与优化
• SIMMOD 美国Illinois大学 化
序贯模块联立模块法 模拟与优
• SPEEDUP 英国Imperial大学 PASCAL编程
• SYMBOL 英国Cambridge大学 联立方程法
线性化法
• ECSS
青岛化工学院
序贯模块法
• Micro SAPROSS 兰州设计院 序贯模块法 合成氨专用系统 程
2020/12/9
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八步法流程模拟
➢ 画流程图 ➢ 定义组分 ➢ 选择方法 ➢ 定义物流 ➢ 定义单元操作 ➢ 运行模拟 ➢ 察看结果 ➢ 修改参数
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2020/12/9
29
•
踏实，奋斗，坚持，专业，努力成就 未来。20.12.920.12.9Wednes day, December 09, 2020
•
弄虚作假要不得，踏实肯干第一名。03:34:0903:34:0903:3412/9/2020 3:34:09 AM
•
安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20.12ຫໍສະໝຸດ Baidu903:34:0903:34Dec -209-D ec-20
•
重于泰山，轻于鸿毛。03:34:0903:34:0903:34Wednesday, December 09, 2020
6
输入
过程系统 （待求）
输出
过程系统集成示意图
2020/12/9
7
过程系统优化
• 过程系统优化或系统优化可分为参数优化 和结构优化
• 参数优化：在一确定的系统流程中对其操 作参数进行优化。
• 结构优化：改变过程系统中设备类型或其 相互间的联结，以优化过程系统。
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8
过程系统设计
• 过程系统的设计原则上讲，是过程系统集 成与过程系统分析交替过程的整体。
过程模拟技术基本知识
• 概论 • 过程系统工程的基本概念 • 过程系统工程包含的内容 • 过程系统工程研究方法 • 稳态模拟基础知识
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概论
• 60年代过程系统工程产生和发展的理论准 备时期
• 70年代过程系统工程走上实用的时期 • 80年代过程系统工程普及时代
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