化工过程分析与合成1

6
5
3
1
2
Flash 1
4
8
7
Flash 3
例5
• 乙醇在反应器中通过发酵而得到，在这个 理想流程中，通过发酵可以将2kg的谷物转 化为1kg 水和1kg乙醇
– 进料流率为100kg/min ,含谷物20%(wt),水 80% (wt)。反应器效率为0.25
– 发酵产物经过滤后，在浆液中，每10 kg 的谷 物中仍含1kg的水/乙醇溶液
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
P12
化 规
计 定
计
程
计
计
单元
程
计
优
设 流 过 物性 算 算 算 算
计算
过程系统模拟的面向方程法 P13
• EOM又称联立方程法，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
• EOM解算快速有效，对设计、优化问题灵 活方便。效率较高
过程系统的模拟分析 P11
参 数 决策变量 过程系统模型 状态变量
图2-1 过程系统的模拟分析
过程系统设计
P11
决策变量 初值
参 数
过程系统模型
状态变量
参ຫໍສະໝຸດ Baidu数
设计结果 满足设计规定否？
调整 图2-2 过程系统设计
过程系统参数优化
P12
决策变量 初值
参 数
过程系统模型
状态变量
参 数
目标函数模型
约束
• EOM的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
P13
化
计
物性计算
单元计算
流程计算
设计计算
优
算
1
2
P13
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
算算
流
物性计算
１ ２ ３ ４
过程系统稳态模拟三种方法的比较 P14
方法
序 贯 模 块 法
优点
缺点
代表软件系统
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；
PROCESS（美） CONCEPT（英） CAPES（日） ASPEN（美） FLOWTRAN（美）
特性指标
最优化模型
图2-3 过程系统参数优化
最优否？
优化结果
过程系统模拟的三种基本方法P12
序贯模块法（Sequential Modular Method ）
面向方程法（Equation Oriented Method ）
联立模块法（Simultaneously Modular Method）
过程系统模拟的序贯模块法 P12
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
开 始
赋 初 值
简化模型参数
严 格 模 型
简 化 模 型
收 敛 否？
状态变量
结 束
化
计
优算
计 程
单
元
计
设
计
算 计
– 计算产品和废液的总流率，同时计算产品 和废液中水和乙醇的流率
平衡闪蒸单元模型
物料衡算关系 组分衡算关系 热量衡算关系 相平衡关系
F1 F2 F3 F1x1 F2 x2 F3x3 H1F1 Q H2F2 H3F3 x2 Kx3
例2
• 将上例中加入如下要求， • 必须使乙醇回收率达到99%，另外，产品
• SMM的基本部分是模块（子程序），用以描 述物性、单元操作以及系统其它功能。
• SMM对过程系统的模拟以单元模块的模拟计 算为基础。
• SMM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 完成该过程系统模拟计算。
P12
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，易通 用化 计算出错时易于诊断出错 位置
将严格模型做成简化模型 时，需要花费机时； 用简化模型来寻求优化 时，其解与严格与严格模 型优化解是否一致，有争 论。
ASCEND－Ⅱ（美） SPEEDUP（英）
TISFLO（德） FLOWPACK－Ⅱ（英）
化工过程分析与合成
第二章 化工系统的稳态模拟与分析 Ch2 simulation and analysis of chemical process system in steady state
化工系统的稳态模拟与分析
2.1 过程系统模拟的三种基本方法 2.2 过程系统模拟的序贯模块法 2.3 过程系统模拟的面向方程法 2.4 过程系统模拟的联立模块法 2.5 氨合成工艺流程的模拟与分析
– 5%(wt)的浆液排放掉
进料 100kg/s
谷物（20%） 水（80%）
2
1
3 发酵反应器
循环流
含谷物、
乙醇、水
7
4 过滤器
5
6
用EXCEL求解此问题
采出 乙醇、水
排放 含谷物、 乙醇、水
P11
模拟是对过程系统模型的求解
过程系统的模拟分析
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
化工系统的稳态模拟与分析
关键词： 化工系统、 稳态、
模拟、
分析
重 点： 序贯模块法、面向方程法和
联立模块法的思想、方法
发酵液的分离问题
发酵液 水 乙醇
产品 水 乙醇
多效蒸发器
废液 水 乙醇
• 发酵液流率=50 kg/min，其中含 97%(wt)的水和3%(wt)的乙醇。
• 建立蒸发器的模型：
中必须含50%的乙醇。
– 计算产品和废液的总流率，同时计算产品和废 液中水和乙醇的流率
例3
• 要求进一步提高产品中的乙醇含量，达到 90%
6 4
Flash 3
2 Flash 2
1 Flash 1
5
3
7 8
例4
• 再进一步要求乙醇的回收率也必须达到90% ，即，对废液中乙醇的浓度提出了要求
Flash 2
面 向 方 程 法
联 立（ 模双 块层 法法
）
解算快； 模拟型计算与设计型计算 一样；适合最优化计算， 效率高； 便于与动态模拟联合实 现；
可以利用前人开发的单元 操作模块； 可以避免序贯模块法中的 循环流迭代；比较容易实 现通用。
要求给定较好的初值，否 则可能得不到解；计算失 败后诊断错误所在困难； 形成通用化程序有困难 有，故使用不便；难以继 承已有的单元操作模块。