化工过程模拟-稳态流程

一个单元串，当单元串中某个单元重新
出现时，在此重现单元之间的所有单元
构成一个单元群。将此单元群视为一个
单一的单元，并从它开始继续循迹前进。
直观分析
13
4
1
3
ABC
5
8
D
6
2
H
7
9
10
12
EFG I
11
单元H构成了第一个单元组（只由1个单元构成）。
单元A、B、C、D和E构成再循环结构，必须同时求解，
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。
主要缺点是计算效率低。
联立方程法
联立方程法是将所有方程放在一起联立求解，
从而打破单元模块间的界限，可依据计算任务 的需要确定输入变量及输出变量。
优点：由于联立求解，避免了回路的断裂、省
去嵌套迭代的时间，提高了计算效率。
P
Lee-Rudd
使断裂的
I
流股数目
Q
最少 H
JK
O
L M
R N
S E
D
C Flas
react
A
oBr
hF
G
pur
ge
信息流图
I
J
K
P
Q
R
O
H
L
M
E
D
N
A
B
C
F
S
G
流程简化
J
K
P
Q
R
O
L
M
N S
K
P
O
L
M
N S
寻找回路
6 O
5 4
1
K
L
8 S
2 M
3
7
(1)
(2)
(3)
K
L
M
L
(7)
(4)
(8)
该法的优点是直观，简单，缺点是难于程序化。
三、最大循环网的断裂
判断最优断裂流股的准则 ➢ 断裂的流股数目最少； ➢ 断裂流股包含的变量数目最少； ➢ 对每一流股选定一个权重因子，该权重
因子数值反映了断裂该流股时迭代计算 的难易程度，应当使所有的断裂流股权 重因子数值总和最小； ➢ 选择一组断裂流股，使直接带入法具有 最好的收敛性。
输出计算结果
方法比较
从使用角度看，序贯模块法最容易，而解方 程法较难。
从准备工作上考虑，解方程法最容易，而序 贯模块法和联立模块法较难。因为后者首先 需要对流程进行分析，找出循环网络，然后 进行切断等。
到目前为止几乎所有已开发的流程模拟系统 都使用序贯模块法或联立模块法。
二、化工过程系统的5
8
ABC
D
EFG I
6
H
A B ACBCDE D
EFG I
H
环路（BCDB）、（CEC）与（CABC）
（4）从单元D沿流 股8继续搜索
拟节点中又识
A, (B,C , D), E 别出一个环路( A, B,C , D)
E
E
ABC H
8
9
D
EFG I
7
A B ACBCDE D
H
FGF构成一个环路，合并成另一个拟节点
（6）从单元G沿流股12搜索 (A, B,C, D, E),(F,G),I
12
ABC
D
EFG I
H
（7）因为单元H没有从系统返回的输入流股，所以H 不在任何环路中，则可最先计算。至此全部搜索工 作结束，计算各单元组的顺序是：
H,(A, B,C, D, E),(F,G), I
它构成了第二个单元组（5个单元构成）。
单元F和G在一个循环回路中，也必须同时求解，构成了
第三个单元组（2个单元构成）。
最后，单元I构成了第四个单元组（只由1个单元构成）。
（1）从单元A开始 A, B,C, D, B 合并B,C,D A, (B,C, D)
13
4
5
8
ABC
D
EFG I
6
H
ABCD
ABC
EFG I
H
原拟节点包含环路（BCDB）（CEC）（CABC） （DECD）
（5）从单元E沿流股9继续搜索
( A, B, C, D, E), F, G, F 合并F,G( A, B, C, D, E), (F, G)
ABC H
9 10 13
D
EFG I
11 7
A B CCDEBA D
E F FG G I
D
EFG I
H
环路BCDB
（2）从单元C 沿流股6搜索
A, (B,C, D), E,C 合并B,C ,D,E A, (B, C , D) E
13
5
8
9
ABC
D
EFG I
6
H
7
A B ACBCDE D
EFG I
H
环路（BCDB）与（CEC）
（3）从单元C沿
A, (B,C , D), A 合并A,B,C,D,E( A, B, C , D)
第三章 稳态流程模拟
稳态流程模拟的基本方法 化工系统的分解 最大循环网的断裂
化工过程的数学模型
描述化工过程的数学模型，可分为以下3种类 型的方程： （1）各设备单元之间连接流股的方程——联 系各单元物流的连续性方程； （2）各单元内部质量和能量衡算、相平衡关 系式； （3）各设备单元模型方程的基础——用于计 算焓、平衡常数等物理性质和其他的传递和热 力学性质物理性质关系式。
一、稳态流程模拟的方法
序贯模块法 联立方程法 联立模块法
序贯模块法
对各设备的模型方程编制成各个计算机子程序，称之
为“模块”（Building Block 或Module）。
序贯模块法就是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，从而完成过
程系统的模拟计算。
序贯模块法的优点是：与实际过程的直观联系强；模
联立方程法的缺点是：需要较大的计算机内存； 他不能如序贯模块法那样可利用已建立起来的 单元模块；需较好的起始猜值；难于找出计算 中存在的错误。
联 立 模 块 法
不可分隔相关子系统
按严格单元模型进行单元模拟计算
生成简化模型的模型参数
简化模型连接方程组的求解进行系统模拟或优化 N
收敛判据1 Y N
收敛判据2 Y
S
K
(5)
O
K
(6) S (8) K
回路矩阵 Cij
1 0
如物流Si在回路i内时 如物流Si不在回路i内时
S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 R
1 0 1100000 2 2 1 1000011 4 3 1 0011000 3 4 1 0010101 4
f 3 2121112
f:回路频率（stream frequency)，指某一流股出现在各回路 的次数，数值上等于矩阵中每一列元素的代数和。
将一个系统结构已定的系统分割成一些更
小的次一级系统的方法称为系统的分解
（Decomposition）：
（1）系统的分隔（或分割，Partitioning）
（2）子系统（指循环回路或最大循环网）的 断裂（Tearing）
单元串搜索法－系统的分隔
在流程图上从一个单元出发，循输 出流股依次到达其后各个单元，而形成
R:回路的秩(loop rank），指某一回路中包含的流股总数， 即矩阵每一行元素的代数和。
除去不独立的列
S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 R