稳态流程模拟13-14
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。
绿氢-绿氨工艺流程的多稳态模拟和动态响应
收稿日期:2024-02-21。
基金项目:(52200146);(2022-PJLH-03)。
作者简介:(1988-),,,,、、X 。
E-mail:***************通信作者:(1984-),,,,。
E-mail:***************.cn绿氢-绿氨工艺流程的多稳态模拟和动态响应李默1,2,郭永坚3,4,董晓莹5(1.(),100176;2.(),100102;3.(),200062;4.,200237;5.,124221)摘要:-、,、、。
-、、、、,AVEVA Process Simulation --,。
,、,,。
关键词:;;;;;中图分类号:TK89;TM615文献标志码:A文章编号:1671-5292(2024)04-0433-070引言,、。
“”“”,,、、[1-3]。
,(、)、、“-”、,[4,5]。
,50,800t [6]。
,,。
-,,,。
,,、,。
,-,、、,、、、、、,,[7,8]。
,-[9,10]、[11,12]、[13,14]、[15-17],,、、,。
-AVEVA Process Simulation (APS)--,、、、、、,,36h 、、,。
1工艺模型的建立与求解1.1工艺流程-1。
可再生能源Renewable Energy Resources第42卷第4期2024年4月Vol.42No.4Apr.2024·433·WF、SF ,、、,,B-1,C()。
,G,、。
EYALK,EYPEM,。
D-1,D-2,K-1,H-1,。
,,,-,,。
,,,H-1K-1。
K-1E-1、D-3,,E-2,D-4,R-1,D-5,K-2,D-6。
1.2求解方式APS ,,-。
-,、、,,,、、、,“”,、、,、。
SRK 。
2基础数据及工艺参数2.1气象数据The National Solar Radia-tion Data Base(NSRDB)[18](120.35°,43.58°)2020529836h WF-;SF-;B-1-;P-1-;H-1-;R-1-;K-1-;K-2-;E-1-;E-2-;E-3-;D-1-;D-2-;D-3-;D-4-;D-5-;D-6-;EYALK-;EYPEM-可再生能源2024,42(4)图1绿氢-绿氨工艺的原则流程Fig.1Principal flowsheet diagram of green hydrogen-green ammonia processP-1D-1WF SFB-1H-1R-1K-1K-2E-1E-2E-3D-2D-3D-4D-5D-6EYALKEYPEMC3动态场景分析3.1绿氢-绿氨生产完全随气象条件变化波动-。
化工流程稳态模拟的应用实例
3.7 过程系统模拟的应用实例化工流程模拟软件的种类虽然较多，但针对化工过程模拟的基本思想和方法却相通。
Aspen Plus应用非常广泛，下面我们以乙苯生产过程乙苯精馏塔生产实例为例介绍Aspen Plus稳态模拟的基本方法和基本思想。
某干气制乙苯装置中，干气中的乙烯与苯催化反应生成乙苯，反应产物中同时包括反应副产品丙苯、二乙苯、多乙苯和没有反应完全的苯。
反应物经过苯塔分离脱除苯后进入乙苯塔、丙苯塔获得乙苯、丙苯产品。
已知进入乙苯塔物料含苯0.2%（摩尔分数，下同）、乙苯77%、丙苯10%、二乙苯12.8%，流量8679kg/h，压力1.45MPa（绝压，下同），温度281℃。
乙苯塔为93块浮阀塔盘，进料位置为第40块塔板，操作中，塔顶压力0.52MPa，冷凝器后压力0.5MPa，塔顶温度210℃，塔底温度254℃，回流量19000kg/h，塔顶产品中乙苯含量99.5%，釜液中乙苯含量1.5%，塔顶为全凝器，塔底为热虹吸式再沸器。
生产中对乙苯产品指标有严格限制，要求乙苯产品纯度大于99.6%，同时为较小物耗要求乙苯塔釜液乙苯含量小于1%，试通过模拟分析提出改进方案。
使用Aspen Plus进行模拟的基本步骤：（1）选择模板（2）选择运行类型（3）创建一个流程（4）规定计算的全局信息（5）规定组分（6）选择物性方法（7）输入物流规定（8）输入模型规定（9）运行模拟（10）检查结果（11）灵敏度分析（12）生成报告1. 建立一个新的运行当启动Aspen Plus并建立一个新的模拟时，可以从一个空白模拟着手或者从一个模板着手，见图3-27。
模板设定了特定工业通常使用的缺省项包括 测量单位、 所要报告的物流组成信息和性质、 物流报告格式、 对游离水选项的缺省设置、 性质方法、 其它特定的应用缺省。
Aspen Plus 内置以下列模板：● 空气分离● 化学工艺● 电解质● 气体加工● 一般工艺● 湿法冶金● 石油● 医药● 冶金● 固体● 特种化工对于每个模板，可以选择米制或英制作为缺省测量单位制，其它单位制也可用。
稳态工况法检测流程
稳态工况法检测流程
稳态工况法（Steady State Test）是一种用于检测发动机排放的方法，通过在特
定的工况下对发动机进行测试，可以准确地测量其排放物的含量，从而评估其环保性能。
本文将介绍稳态工况法的检测流程，以帮助读者更好地了解这一检测方法。
首先，进行预检测准备工作。
在进行稳态工况法检测之前，需要对测试设备进
行检查和校准，确保其正常工作。
同时，还需要对待测发动机进行准备，包括清洁和调整，以确保测试结果的准确性。
接下来，进行稳态工况法测试。
在测试过程中，需要按照预定的工况条件对发
动机进行稳态运行，同时使用适当的测试设备对排放物进行采样和分析。
这一过程需要严格控制各项参数，确保测试结果的准确性和可比性。
测试完成后，进行数据处理和分析。
通过对采集到的数据进行处理和分析，可
以得出发动机排放物的含量，并进行评估。
同时，还可以对测试结果进行统计和比对，以验证测试的可靠性和准确性。
最后，编制测试报告。
根据测试结果，编制详细的测试报告，包括测试方法、
测试过程、测试结果和评估结论等内容。
这一报告将作为评估发动机环保性能的重要依据，因此需要准确、清晰地呈现测试结果和评估结论。
总的来说，稳态工况法检测流程包括预检测准备、测试过程、数据处理和分析、以及编制测试报告等步骤。
通过严格控制每个环节，并确保测试设备和方法的准确性和可靠性，可以得出准确的发动机排放物含量，并对其环保性能进行评估。
希望本文能够帮助读者更好地了解稳态工况法检测流程，提高对发动机环保性能评估的理解和认识。
第3章---过程系统稳态模拟_图文
（2）过程系统的设计（Design Problem）
设备 参数 向量 可调设备 参数向量
输入流 股向量
设计 要求 指标
可调输 入向量
过程系统模 型
输出流股向量
控制模型
输出设计 结果向量
设计型问题 给定部分输入流股、设备参数，指定输出流股中产品的特性 求解过程中，通过调整另一部分输入变量和设备参数变量使产 品达到规定的特性指标 实际应用： 为过程系统及单元设计提供设计的基础数据 若干个流程方案进行比较，选择最优工艺流程方案
3.1 过程系统模拟的基本任务及结构
3.1.1过程系统模拟的基本任务 （1）过程系统的模拟分析（Operating Problem） 设备参数向量 输入流股向量
过程系统模型
输出流股向量
模拟分析---操作型问题
给定过程系统的结构、给定输入流股，求解输出流股
实际应用： 从获得的输出流股信息，对过程系统和单元工况进行分析，指 导操作和过程改造。 对不同操作条件下运行工况进行预测，保证装置的正常运行。
第3章---过程系统稳态模拟
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第三章 过程系统的统的结构表达方式 过程系统的分解
过程系统的分割、循环回路/环路的切断
过程模拟的基本方法
过程模拟的步骤
本章节为基本章节，需要掌握
过程系统稳态模拟是过程系统分析的有效手段， 所建立的数学模型涉及下列方程组：
通常的优化目标为经济评价目标
优化方法库 为系统模拟提供优化计算方法 3.1.2 过程系统模拟的基本结构 过程系统模拟的重要组成部分 无约束最优化方法： 根据输入流股及单元结构信息， 管理系统执行模块 一维搜索（黄金分割法、消去法、抛物线法）、 通过过程速率或平衡级的计算， 过程系统模拟的核心 变量轮换法、负梯度法、单纯形法等 控制计算顺序及整个模拟过程 对过程进行物料流及能量流的衡算， 输入模块 有约束最优化方法： 获得输出流的信息 lagrange乘子法、罚函数法、既约梯度法等
3 严格模型及稳态流程模拟 2011.5.12
23
3.4.1 系统的分割-----不相关子系统（独立子系统或称不可再分块）的识别
独立子系统的识别方法：
----列表法（Sargent and Westerberg 1964）/ 单元串搜索法
任取图中一个节点a，从该节点出发，按物流的方向寻找通路， 观察是否能找到经过若干节点回到a的环路。 若无这样的环路则a单独构成第一个可以独立求解的单元， 否则a属于由多个节点组成的第一个独立子系统（或称不可再分块）。
13
3.3.1 面向模块（MO）的模型求解方法 --序贯模块法（sequential modular approach ） 在采用序贯模块法时，每个单元模块对应着某一类化工单元设备，包含模 型求解程序。 单元模块 = 模型方程 + 模型求解程序 同类型单元设备的模拟计算可调用模块来求解
序贯模块法：依照流程方向，从某一个单元设备开始、调用相应模块，由 该设备的输入物流计算其输出物流。依次序贯计算下去，直至系统的 全部物流变量均被求出。这种依次逐个调用单元模块的算法称为序贯 模块法。
12
3.3 化工系统流程模拟策略 • 过程流程模拟的基本策略：
• 序贯模块法----面向模块（modular-oriented approach ） • 联立方程法----面向方程（equation-oriented approach ） • 联立模块法（Simultaneous modular approach ）
10
热力学模型： ① 适用体系包括：非理想物系、原油和调和馏分、水相和非水相 电解质溶液、聚合物体系 ② 状态方程：BWRS、用于氢-氟化物的状态方程、ideal、LK、PR、 SRK、RK…… ③ 活度系数模型：NRTL、UNIQUAC、UNIFAC、VanLaar、Wilson…… ④ 其他模型：API酸水法、BK-10、Chao-Seader、水蒸气……
化工系统工程稳态模拟
通过模拟实验代替实际实验，可以大大缩短新产品的研发 周期，降低研发成本。
02
化工系统稳态模拟基础
化工系统简介
01
02
03
化工系统
指由多个化学反应和物理 过程组成的复杂系统，包 括原料的输入、反应过程、 产物的输出等。
化工系统的特点
具有高度的复杂性、非线 性、时变性和不确定性， 涉及大量的物质、能量和 信息流动。
背景
随着化工行业的快速发展，生产过程越来越复杂，对生产过程的控制和优化要 求也越来越高。稳态模拟作为化工系统工程中的重要技术手段，能够为实际生 产提供理论支持和指导。
稳态模拟的定义和重要性
定义
稳态模拟是指对化工生产过程中的物料平衡、能量平衡和 化学反应等进行的数学建模和计算机模拟。在稳态模拟中 ，系统的状态参数（如温度、压力、流量等）不随时间变 化。
06
结论与展望
结论
稳态模拟是化工系统工程中的重要手段，通过模拟可以预测实际生产过程中可能出 现的各种情况，为优化生产和提高经济效益提供有力支持。
稳态模拟技术在化工生产中得到了广泛应用，不仅提高了生产效率，还降低了能耗 和环境污染，为可持续发展做出了贡献。
稳态模拟技术在实际应用中仍存在一些挑战和限制，如模型精度、计算效率和数据 可靠性等方面的问题，需要进一步研究和改进。
重要性
稳态模拟的重要性主要体现在以下几个方面
1. 优化工艺参数
通过模拟不同工艺参数下的系统性能，可以找到最优的工 艺参数组合，提高产品质量和生效率。
2. 降低能耗
通过模拟不同操作条件下的能耗情况，可以找出最优的能 源利用方案，降低生产成本。
3. 提高安全性
通过模拟潜在的危险操作和事故情况，可以预测系统的安 全性能，及时发现和解决潜在的安全隐患。
PROII基础入门
9
PRO/II Training
第三章 PRO/II功能简介
10
PRO/II Training
PRO/II软件介绍
PRO/II 软件是SIMSCI 公司开发的大型流程模拟软 件，用数学模型描述和模拟整个工艺流程及各单元 。 PRO/II综合了巨大的化学组分库和热力学方法。 PRO/II在化学、石油、天然气，合成燃料工业等方 面可提供复杂、正确及可靠的模拟功能。 PRO/II主要用于化工流程的稳态模拟，稳态热量和 物料平衡模拟。 PRO/II不仅可以为化工流程设计提供数据，还可以 对于现有流程进行优化，提高企业效益。
HX-2 S4 C-1 S2 HX-1 S5 S7 D-2 S12 HX-3 D-3 V-1
Aspen Plus稳态流程模拟技术介绍
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5
通用的单元操作模型
▪ Mixer/splitter 混合器和分流器 ▪ Separators 分离器 ▪ Heat Exchangers 热交换器 ▪ Columns 塔器
▪ Pressure Changers 泵和压缩机 ▪ Solids 固体处理 ▪ Manipulators 流程控制器 ▪ User Models 用户模型
每一行是一种类型的变量；如果变量未被规 定或未被计算，则该单元格空白。
每种类型的单元操作模型放 在一个表格里
规定值为蓝色的；计算值为 黑色的。
好处：对模型里所有的单元操作的 输入和输出实现快速浏览
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可视化的指示显示状态 — 快速 找到问题所在。
在线帮助中的新的术语表 新增更多画面显示来展示新功能
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Aspen Plus V7.0在易用性上的提高
模块汇总表格
模块汇总表格允许用户浏览结果和 修改输入条件。
化工过程合成与分析 (4)
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
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
计
化 规 程 单 程 元 定 计 计
计
计
算 算 算 算
优
设
流
过
物性 计算
图2-4 序贯模块法的迭代循环圈
过程系统模拟的面向方程法
可见，收敛单元实质上就是一个数值迭代求解非线性方 程组的子程序。求解非线性方程组的数值计算方法很多， 适合于收敛单元的数值计算方法一般应尽可能满足下列要 求： 1. 对初值的要求不高。 1).初值易得，不易引起迭代计算的发散； 2)初值的组数少。
参 数 决策变量 状态变量
参 数 设计结果 满足设计规定否？
过程系统模型
初值
调 整
图2-2 过程系统设计
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
参
数 决策变量 过程系统模型 初值
参
数
状态变量 目标函数模型 特性指标 最优否？ 优化结果
•
•
化
计
物性计算 单元计算 流程计算 设计计算 优 1 算
2
过程系统模拟的联立模块法
联立模块法又称双层法，将过程系统的近似模型 方程与单元模块交替求解 联立模块法兼有序贯模块法和面向方程法的优点。 既能使用序贯模块法积累的大量模块，又能 将最费计算时间的流程收敛和设计约束收敛 等迭代循环合并处理，通过联立求解达到同 时收敛
（4）Upadyhe－Grens断裂法
美国加州大学的Upadhye等提出的，一种类似动态规划法的 寻求最佳断裂物流的算法。 为了对该不可分隔子系统的高维求解进行降维运算，须将 该子系统中的某些回路进行断裂。达到断裂的方案并不是 唯一的。 需要解决的两个问题： 一是要有一种能把所有的有效断裂 物流组都能搜索出来的办法；二是要能把最优断裂组从中 选择出来。
稳态模拟和动态模拟
稳态模拟和动态模拟可能大家用的最多的就是稳态流程模拟，很少有人用多动态流程模拟，首先从算法上来说动态流程模拟比稳态流程模拟难多了，不论是应用序贯模块法还是联立方程法，都需要解大量的偏微分方程组（对时间的偏导数）。
关于算法就不多说了，相信大家一般都是用来模拟，而不是研究编写这些软件的，如果有兴趣可以私下和我交流。
稳态和动态在变量的给定上面是不同，因为稳态没有时间变量，所以稳态模拟的specifications和动态不同，比如说一个容器，稳态的话给流量和压力就可以了，但是动态这些都是变量，都不是设定值，所以需要给出的设备尺寸，比如容器体积，持液量等。
还有像边界物流的P/F specifications就可以只确定压力，因为F=f（p）。
下面简单说一下动态模拟的一些设定Boundary Streams――所有边界物流都需要插入valve 压力specifications――所有边界物流P都是设定值Valves――需要设定p/f relationship K value――换热器需要设定k值Pressure gradients――保持合适的压力梯度，可能好多人用valves的时候都输入过deltaP，压力梯度是流体在管路里面流动的推动力，所以也可以说F=f（deltaP）Tray Sizing――精馏塔需要给出几何尺寸hold-ups――在给出容器尺寸的时候需要注意容器的持液量，以此来给出合适的size最后要注意在动态运行过程中是不能修改这些specifications的，只有在stop之后才可以更改还有就是其实软件内部是在解大量的方程组，所以要主要自变量的个数，也就是DOF自由度问题，否则是不可能解出结果的。
所以说自由度分析问题也是在流程模拟中至关重要的。
稳态模拟作用就不多说了大家一般常用动态模拟，可以用来ots，也就是操作员培训，逻辑控制联锁设定，开停车工况模拟，and so on也可以说成稳态是某一时刻，动态是这些时刻的串联Hysys稳态和动态的区别区别：1，稳态模型所描述的单元与时间无关，只解决物料平衡，能量平衡和相平衡。
第3章-过程系统的稳态模拟概要教学内容
()
B,C,D,E为拟节点，该节点包含两个环路:(B,C,D,B)及(C,E,C)
()
()
（3）C开始
A,(B,C,D),A E
合并A,B,C,D,E
( A, B,C,D)
E
节点C,A,B,C构成一环路,合并A,B,C,D,E为拟节点,该节点
包含3个环路:(B,C,D,B)、（C,E,C)及(C,A,B,C)。
化
计
物性计算
单元计算
流程计算
设计计算
优
算
1
2
图２－５ 面向方程法的迭代循环圈
3.1.3 联立模块法
又称双层法： 取序贯模块法及联 立方程法两者之长。
两个层次： 单元模块的层次； 系统流程的层次。
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
联立模块法兼有序贯模块法和 面向方程法的优点。既能使用序贯 模块法积累的大量模块，又能将最 费计算时间的流程收敛和设计约束 收敛等迭代循环合并处理，通过联 立求解达到同时收敛。
简化模型联结方程的求 解进行系统模拟或优化
N
收敛判据1
Y
收敛判据2
Y
输出计算 结果
N
过程系统稳态模拟三种方法的比较
方法
优 点
缺 点
代 表 软 件 系 统
序 贯 模 块 法
与工程师直观经验一致， 便于学习使用； 易于通用化，已积累了丰 富的单元模块； 需要计算机内存较小；
再循环引起的收敛迭代很 费机时； 进行设计型计算时，很费 机时； 不宜用于最优化计算；
F,G,F构成一环路，合并成另一节点。
（6）G开始
(A,B,C,D,E),(F,G),I 单元I只有系统输出流股，没有输出到系统内其他单元的流
2.123化工过程系统稳态模拟
③非线性
2.2.1 稀疏线性方程组的直接求解方法
（1）稀疏性（Sparseness）
设线性方程组为: A·X = b 式中：A — n×n 阶矩阵； X — n 维向量； B — n 维向量。 系数矩阵 A 中，若大部分元素是零，而非零元素占很小比例，则为稀疏矩 阵（sparse matrix），稀疏性用稀疏比φ 描述： 非零元素数N φ= ——————————×100% A中元素总数(n×n)
2.2.3 非线性方程组的迭代求解方法
（1）直接迭代法与部分迭代法
对于非线性方程组 F（X）= 0
可以化为等价形式：G（X）- X = 0 由此构成直接迭代法（也称“不动点迭代法”）的公式：
1
0
0
2Leabharlann -1-10
0
-4
0
2
3
=
0
3
2
0
0
1
·
0
0
-2
0
1
3
（3）Bending & Hutchison 法
Bending & Hutchison 法是以主元素 Gauss 消去法为基础的
一种求解方法。
求解过程的特点是： 只存贮非零元素； 只对非零元素进行运算。
设线性方程组 A·X = b，经消元后转化为 U·X = b′，U为 上三角阵，方程组的求解可以通过自上而下“回代”求出X。
出现的顺序接着编号。
⑤ 从最后选择的那个主元素开始，按相反的顺序进行回代，依次求出
各
变量值。
【例2.2】 稀疏线性方程组：
1 3 2 x1 x 2 0
① ② ③ ④ ⑤ ⑥
3
x1 x 3 0
稳态流程模拟软件PROII
HQCEC
流股规定和定义
直接输入 流股性质 = 值
例如: 摩尔分率 = 0.99 粘度 = 0.7 cp
间接输入 (性质1) [运算] (性质2) = 值
中的溶解度尤为重要的场合
HQCEC
应用指南 :烃体系 (化工厂 )
SRKM,PRM & SRKS: 含有水,甲烷及其它
极性组分的物系
GLYCOL: TEG脱水,治理芳烃排放 AMINE: 天然气脱硫 SRK & PR: 所有类型的化工装置,低温过程 SRKK,IGS,SRKM,SRKS: 适用于轻组分在
例如: 丙烯流量/总进料量 = 0.9
利用前馈(Calculator)/反馈(Controller) 控 制器
HQCEC
设计规定 (实例 )
OVE R HE A D 1
Contains 90 % iC4, nC4, iC5, nC5, in FEED
2
3 4 FE E D 5
C3, iC4, nC4, iC5, nC5, nC6
间接定义 (实例 )
Def ine Compressor(C-1) Work as 90% of Expander(E-1) Work
C-1 S10 S6 E-1
S4 S9
S1
S2
S3
E1 S8
E2
F1
S5 V1
S7
HQCEC
通过间接定义将膨胀机输出功与压缩机轴功联结
PRO/II运行模式
过程系统稳态模拟的基本方法及应用
摘要：
本文在论述过程系统及稳态模拟的概念后， 主要讲述了解决此模拟问题的两个目前应用 较为广泛的方法：序贯模块法和联立方程法。通过叙述此两种方法的基本思路，到深入讨论 其所代表的意义，并提出其在模拟问题求解中所面临的问题，同时给出相应的解决方法。通 过一步一步的讨论， 最终完成此方法解决实际问题的步骤。 最后讨论了两种方法在进行模拟 时各自的不足之处，结合两种方法各自的优缺点，讨论了两种方法的应用范围，对于模拟型 问题，序贯模块法易于理解，便于直接进行计算，而对于设计型、优化型问题其计算程序中 需加入控制块，这显得过于累赘，使得计算效率大大降低。而联立方程法则对此三类问题无 区别，都可直接进行计算，但难点在于计算问题的求解，我们已给出了一些解决方法。最后 简要叙述了几种新的方法。 关键词：过程，系统，稳态模拟，序贯模块法，联立方程；
1 概述：
现在我们引入一个定义：过程系统工程（Processing System Engineering ，PSE） ，即将系 统工程学的理论与方法应用于化工过程领域的边缘学科，是化学工程的一个分支。 过程系统工程的主要研究内容就是如何实现过程操作系统的操作模拟、 设计模拟、 操作 最优化、设计最优化以及过程系统的最优合成，这些问题均属过程系统模拟。 进入 21 世纪以来，以化学工程工业代表的过程工业发生了深刻的变化，这些大型的传 统工业面临着新世纪的挑战。首先，工业走向数字化、网络化，系统向全价值链的自动化和 优化发展；其次，大宗产品盈利空间持续下降，使生产转向精细化，生产方式向着个性化订 制模式发展； 最后， 本世纪强调可持续发展， 促使生产目标从单纯追求利润最优到节约资源、 环境友好、经济效益等的多目标追求发展。为迎接挑战，势必要求工业构架向系统全盘信息 化发展，而这一切的基础核心就是过程系统的模拟与优化。 过程模拟的一般方法有物理模拟及数学模拟。 用一个较为简单的、 与所研究系统操纵特 性相同的系统来研究以预知实际系统的效果， 这种方法即为模拟亦称仿真。 而简化的系统也 叫模型。若模型与目标系统不仅性能相似（描述系统的数学方程相同） ，而且物理化学本质 一样，仅是尺寸上不同，此时的模拟为“物理模拟” ；鉴于时下电子信息技术的发展，若模
稳态流程模拟软件proii(培训课件)
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档或联系技术支持获取帮助。
03
界面介绍
提供常用命令的快捷按钮，方 便用户快速执行常用操作。
属性窗口
显示当前选中元素或连接线的 属性信息，并支持属性编辑和 修改。
菜单栏
包含文件、编辑、视图、工具、 窗口和帮助等菜单，提供软件 的基本功能和操作命令。
学员C
通过实际操作和案例分析，我对稳态流程模拟有了更深入的理解。同时，我也认识到了自 己在理论知识和实践经验方面的不足，今后需要更加努力地学习和实践。
行业发展趋势预测及挑战应对
发展趋势预测
随着化工行业的不断发展，稳态流程模拟软件的应用范围将不断扩大，功能也将不断完善。未来，稳 态流程模拟软件将更加智能化、自动化和集成化，为化工行业提供更加高效、准确和便捷的服务。
稳态流程模拟软件proii(培训 课件)
• 软件概述与背景 • 软件安装与配置 • 界面介绍与基本操作 • 稳态流程建模方法 • 模拟结果分析与优化 • 高级功能应用与拓展 • 总结回顾与展望未来
01
软件概述与背景
稳态流程模拟定义
• 稳态流程模拟：稳态流程模拟是一种基于数学模型和计算机算 法的技术，用于预测和优化化工、石油、制药等流程工业中的 生产过程和设备性能。它通过模拟实际生产过程中的物质流动、 能量传递和化学反应等，为工程师提供有关工艺流程设计、操 作条件优化、设备选型和改造等方面的决策支持。
挑战应对
面对行业发展的挑战，我们需要不断提高自身的综合素质和专业技能水平，积极学习和掌握新技术、 新方法。同时，我们还需要加强团队协作和沟通能力，以便更好地适应行业发展的需求。
THANKS
过程系统的稳态模拟概要
x1 x 2 x 3 x 4 x5
（1）列出事件（关联）矩阵S
f1
1
0
1
0
1
f2
0
1
0
1
0
Sij=
1，变量xj存在于方程fi中
f3
1
0
1
0
0
0，变量xj不存在于方程fi中 f 4 0 1 0 1 0
f5
0
0
1
0
1
2 2 3 2 2
第7页/共30页
（2）找出非零元素最多的列，k=3
（3）k列元素值为零行保留；元素为1的行用布尔加法
（5）寻找非多余断裂族和最优断裂组步骤 ① 选择任一有效断裂组； ② 运用替代规则；
如果在任何一步中出现二次断裂组(断裂组中某一流
股重复 出现两次)，则消去其中的重复流股，消去重复后
所形成的新断裂组作为新的起点。
第20页/共30页
③ 重复步骤①、 ②，直到没有二次断裂组出现，且某个“树枝” 上的断裂组重复出现为止。从最后一个新的起点开始，其后 出现的所有不重复的断裂组构成非多余断裂族；
最先计算。
计算顺序： H，(A,B,C,D,E)，(F,G)，I
单元串搜索法
第13页/共30页
* 其它的系统分隔方法： 邻接矩阵法等。
第14页/共30页
3.3 再循环回路的断裂
3.3.1 断裂物流的选择
s6
s4
s1
Ⅰ
Ⅱ s2
s3
Ⅲ
Ⅳ
s7
s5
第15页/共30页
3.3.2选择最优断裂流股的准则 I. 断裂的流股数目最少； II. 断裂流股包含的变量数目最少； III.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
稳态过程
(2-7)
cOs和cOs校正因子可分别由(2-3)式和(2-4)式算得。于是，(2-7)式变 为
i −αnFη i βnFη RT i = i 1− −1+ e RT e ( id ) ( id )O R
i −αnFη i = i 1− e RT ( id ) O
0
(2-13)
整理得
( id )O RT i RT − = η ln 0 + ln αnF i αnF ( id )O − i
(2-14)
(2-14)式的等号右边二项分别表示电化学极化过电位 ηe 和浓差 过电位 ηc ，即：
2.1.2 稳态过程的特点
1.通过电极的电流全部用于电化学反应，i=ir 通过电极的电流全部用于电化学反应， 通过电极的电流全部用于电化学反应 无双电层充电电流i 无非法拉第电流i 无双电层充电电流 c；无非法拉第电流 吸=0。 。 2.电极表面处反应物的浓度只与位置有关，与时间无 电极表面处反应物的浓度只与位置有关， 电极表面处反应物的浓度只与位置有关 关，c=f(x)
(2-6)
2.2.1 各种类型的极化和过电位
−αnFη βnFη i = nFυ = nF (ν −ν ) = i − i = nFk c − nFk c = i e RT − e RT
0 f O 0 b R 0
(2-6)
上式中 η = ϕ平 − ϕ ，称为阴极极化过电位；
i0:id=ksδ/D i0:id这个比值代表了电化学极化与浓差极化快慢的比较，决定 这个比值代表了电化学极化与浓差极化快慢的比较， 了电极的可逆性。 了电极的可逆性。
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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。
出流股依次到达其后各个单元，而形成
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Байду номын сангаас
13 4
1
A B
3
C
5
D
8
E
9
F
10
G
12
I
6
H
2
11
7
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，
0
作业
1 2
第八章P293第12题
7 3 C 4 E
A
B 9
5
H 22
6
I 14 15 J 19
11 10
12 F
8
D
13 K 20 21
16 17
L
M
18
N
不可分隔相关子系统
按严格单元模型进行单元模拟计算
联 立 模 块 法
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 收敛判据2 Y 输出计算结果 N
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。
3 S 4 ,S 5 ,S 6 ,S 7
2 S 7 ,S 8
回路矩阵
S1 A B C D f 0 0 1 0 2 S2 1 0 1 0 2 S3 1 0 0 0 1
C ij
1 如物流 S i 在回路 i 内时 0 如物流 S i 不在回路 i 内时
S4 0 0 1 1 2
S5 0 0 0 1 1
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 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。
S2 A B 1 0
S4 0 0
S7 0 1
R 1 1
最大循环网 的计算顺序
1 S3
S1 S2 5 S4
3
S5
S6
S7 2 S8 4
是 否 满 足 (S 2 -S 2 )< ε
0
S3 S2
0
1 S1 S5 3
S2 5 S4 S6 2 S7
S7
0
4 S8 是 否 满 足 (S 7 -S 7 )< ε
A C , 则除去 C
B D , 则除去 D
S2 A B C D 1 0 1 0 S4 0 0 1 1 S7 0 1 0 1 R 1 1 2 2
S 1 , S 3 S 2 , 则除去 S 1 , S 3
S 5 , S 6 S 4 , 则去除 S 5 , S 6
S 8 S 7 , 则去除 S 8
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。 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。
（6）从单元G沿流股12搜索
( A , B , C , D , E ), ( F , G ), I
12
A B C D E F G 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
0
8 S
7
S7 S2
0
M S S3 L S6 S2 K S1 O S5 是 否 满 足 (S 1 -S 1 )< ε
0
S8
S1
0
S4
课堂习题
1
S1
3
S5
S3
S2
5
S4
S7 S6 2 S8 4
1 S3 5
S1
3
S4
S2 5 S6 1 S 1 ,S 2 ,S 4
S2
1 S ,S 2 3
2
S7
4 S8
S5
6
H
7
A
B
C ABCDE D
E
F
G
I
H
环路（BCDB）与（CEC）
（3）从单元C沿 流股13继续搜索
13
5
A B C
A , ( B , C , D ), A ( A , B , C , D ) E E
合并 A , B , C , D , E
8
D E F G I
6
H
A
B
C ABCDE D
E
F
G
I
H
环路（BCDB）、（CEC）与（CABC）
（4）从单元D沿流 股8继续搜索
A , ( B , C , D ), E ( A , B , C , D ) E E
拟节点中又识 别出一个环路
8
A B C D E
9
F G I
H
7
A
B
C ABCDE D
E
F
G
I
H
原拟节点包含环路（BCDB）（CEC）（CABC） （DECD）
S 3 , S 7 S 2 , 则除去 S 3 , S
7
1 2 3 4
0 1
1 1
S 4 , S 5 , S 6 , S 8 S 1 , 则除去 S 4 , S 5 , S 6 , S 8
除去包含的行
S1 S2
1 1
R
1 2
1 2 3 4
0 1
S1 1 3 0 1
S2 1 0
R 1 1
1 1
(3 ) L
5 4 1 K L 3 7 S 2 M
(4 ) S (5 ) O (6 ) S (8 ) K K
(8 ) K
8
回路矩阵
S1 S2 S3
C ij
1 如物流 S i 在回路 i 内时 0 如物流 S i 不在回路 i 内时
S4
S5
S6
S7
S8
R
1 2 3 4
f
0 1 1 1 3
（5）从单元E沿流股9继续搜索
( A , B , C , D , E ), F , G , F ( A , B , C , D , E ), ( F , G )
合并 F , G
9
A B C D E F
10
G
13
I
H
7
11
A
B
C CDEBA D
E
F FG G
I
H
FGF构成一个环路，合并成另一个拟节点
0 0
1 1
若i行流股秩Ri与第k行流股Rk对下面不等式Ri≥Rk成立， 且k行中非零的列对应行j的列也为非零值，则k行为i行所包含， 只要断裂k行中流股，则i行断裂，因此删除i列。
1,3 , 4 2 , 则除去 2
3 4 , 则除去 4
6 O
计算顺序
K
5 4 1 L 3 2 M
是 否 满 足 (S 2 -S 2 )< ε
1 1 0 0 2
1 0 0 0 1
0 0 1 1 2
0 0 1 0 1
0 0 0 1 1
0 1 0 0 1
0 1 0 1 2
2 4 3 4
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。 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 1 0 0 0 S5 0 0 S6 S7 S8 0 0 0 1 0 1 R 2 4
1 0 0 1 1 0 0 0 3 1 0 0 1 0 1 0 1 4 f 3 2 1 2 1 1 1 2 若第j列流股频率fj与第k列流股fk对下面不等式fj≥fk成立， 且k列中非零的行对应列j的行为非零值， 则k列是不独立的，为列j所包含，则删除k列。
P J K O
Lee-Rudd 使断裂的 流股数目 最少
E
I Q H
L
M R N S
D C A
react or B