化工过程模拟与计算资料重点
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。
化工过程分析与计算机模拟
PART FIVE
Aspen Plus： 广泛应用于化工、 石油化工、生物 化工等领域，可 以进行物料平衡、 能量平衡、设备
尺寸计算等。
Pro/II：主要用 于石油化工、天 然气加工、炼油 等领域，可以进 行工艺流程模拟、 设备选型、经济
评价等。
HYSYS：广泛应 用于石油化工、 天然气加工、炼 油等领域，可以 进行工艺流程模 拟、设备选型、
模拟化学反应、 模拟材料性能、 模拟生物系统、 模拟大气、水、 模拟建筑、机 模拟市场、投
流体流动等过 结构等特性 药物作用等过 土壤等环境过 械等工程设计 资等经济金融
程
程
程
过程
过程
优势：可以模拟复杂的化学反 应过程，提高实验效率
优势：可以预测化学反应的结 果，减少实验成本
局限性：模拟结果可能受到模 型和参数设置的影响
,
汇报人：
CONTENTS
PART ONE
PART TWO
添加标题
原料：包括原料的种 类、性质、数量等
添加标题
设备：包括设备的类 型、规格、数量等
添加标题
工艺流程：包括工艺 流程的步骤、顺序、 时间等
添加标题
控制参数：包括温度、 压力、流量等控制参 数
添加标题
产物：包括产物的种 类、性质、数量等
团队协作：与团队 成员共同探讨、分 享经验，提高分析 水平
汇报人：
软件类型：过程模拟软件、反应器模拟软件、工艺流程模拟软件等
应用实例：使用Aspen Plus进行化工过程设计，使用HYSYS进行反应器模拟，使用 Pro/II进行工艺流程模拟等
应用效果：提高化工过程设计效率，降低生产成本，提高产品质量等
选择合适的模拟 软件：根据化工 过程的特点和需 求选择合适的模 拟软件
化工计算资料
• 前馈控制：根据过程输入预测输出
• 自适应控制：根据过程变化自动调整控制参数
化工生产过程调节策略与技巧
化工生产过程调节策略
化工生产过程调节技巧
• 参数调节：调整操作参数，控制过程性能
• 模糊控制：利用模糊逻辑控制过程
• 设备调节：调整设备运行状态，控制过程性能
• 神经网络控制：利用神经网络预测和控制过程
化工计算未来发展的建议
化工计算未来发展的展望
• 加强多学科合作：结合化学工程、数学、计算机科学等
• 广泛应用于化工领域：为化工过程设计、生产和控制提
多学科知识
供支持
• 提高软件开发能力：提高软件的开发效率和兼容性
• 创新技术发展：推动化工新技术和新产品的研发
• 培养创新人才：培养具有跨学科知识和技能的人才
• 优化发酵工艺，提高抗生素产量和纯度
化工计算软件与工具的发展趋势与前景
化工计算软件与工具的发展趋势
• 多学科交叉：结合化学工程、数学、计算机科学等多学科知识
• 智能化发展：结合人工智能和机器学习技术，实现化工过程的自动控制和优化
• 云计算发展：利用云计算技术提高计算能力和数据共享
化工计算软件与工具的发展前景
• CFD：流体力学模拟软件
• Excel：数据处理和计算工具
化工计算软件与工具的应用案例分析
案例一：某化肥厂合成氨生产过程模拟与优化
• 利用ASPEN Plus软件分析合成氨生产过程
• 优化操作参数，提高氨产量和降低能耗
案例二：某制药厂抗生素生产过程模拟与优化
• 利用MATLAB软件分析抗生素生产过程
• 工艺调节：调整工艺流程，控制过程性能
• 优化控制：利用优化算法求解最优控制策略
7.1第七章-化工过程动态模拟与分析
第七章化工过程动态模拟与分析第一节化工过程系统动态模拟简介化工进展CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS2000 Vol.19 No.1 P.76-78化工过程模拟及相关高新技术(Ⅱ)化工过程动态模拟陆恩锡张慧娟随着化工过程稳态模拟的发展，动态模拟相继被提到日程上来。
由于化工稳态过程只是相对的、暂时的，实际过程中总是存在各种各样的波动、干扰以及条件的变化。
因而化工过程的动态变化是必然的、经常发生的。
归纳引起波动的因素主要有以下几类：·计划内的变更，如原料批次变化，计划内的高负荷生产或减负荷操作，设备的定期切换等。
·事物本身的不稳定性，如同一批原料性质上的差异和波动，冷却水温度随季节的变化，随生产时间的增加而引起催化剂活性的降低，设备的结垢等。
·意外事故，设备故障、人为的误操作等。
·装置的开停车。
以上的种种波动和干扰，都会引起原有的稳态过程和平衡发生破坏，而使系统向着新的平衡发展。
这一过程中，人们最为关心的问题是：·整个系统会产生多大的影响?产品品质、产量会有多大的波动?·有无发生危险的可能?可能会导致哪些危害?危害程度如何?·一旦产生波动或事故，应当如何处理、调整?最恰当的措施、步骤是什么?·干扰波动持续的时间有多久?克服干扰、波动到系统恢复正常需要多长时间?·开停车的最佳策略。
这些问题就不是稳态模拟所能解决的，而必须由化工过程动态模拟来回答。
也正是在这样一个背景下，动态模拟在近20多年来尤其是进入90年代后获得了长足的进展和广泛的应用［1～14］。
1动态模拟的主要功能和应用领域1.1 动态特性研究动态模拟广泛地应用于各种过程动态特性的研究。
研究过程参数随时间变化的规律，从而得到有关过程的正确的设计方案，或操作步骤。
过程的动态特性并非完全可以从静态特性或者根据经验推断而出，而且往往这类推断是片面的、有错误的。
第三章化工过程系统动态模拟与分析ppt课件
N j
Rj (H j ),
j 1,2,...,N。
(3- 21)
其中，T、Tf分别代表反应区内和加料混合物的温度； U表示反应液体与冷却剂之间热交换的总传热系数；
A表示反应液体与冷却剂之间的总传热面；
Tc表示冷却剂平均温度； 、Cp分别代表反应混合物的平均密度与比热容； （－Hj）表示第j个反应的热效应； Rj表示第j个反应的速率； Ri表示因化学反应引起的第i个组分浓度的变化速率
排液量与时间的变化关系为：
kt
Fo ((kH 0 - Fi )e A Fi )
-0.7
H
-0.5
0 1
0
5
10
15
20
25
Time
图3-2. 搅拌罐中液位高度随时间的变化关系图
例3－2：搅拌槽内含盐量的动态模型
初始情况是槽内盛有V0的水，把浓度为Ci的盐水以恒 定流量Fi加入槽内，与此同时完全混合后的盐水以恒定 流量Fo排放，试求槽内盐水浓度C的变化规律。
其中u、u0 分别代表任一时刻和起始时刻的状态向量， μ代表未知而且待估计的参数向量。
• 模型参数估计就是为了确定参数向量µ的最优值，使限制 下的解最大限度地逼近已采集到的状态变量在不同时刻的
离散数据。
NM
Min F
i
(uid, j uic, j )2 f ( )
j
其中 F称为最优化的目标函数，或评价函数。 udi,j代表第i个状态变量在j时刻的采集数据。 uci,j代表第i个状态变量在j时刻的模型计算值，即在j
• i组分质量守恒
V
dci dt
F (ci, f
ci ) VRi ,
i 1,2,...,M。(3- 20)
化工过程设计复习重点
一、不可简约的流程：采用洋葱逻辑结构，他首先选择反应器，然后通过增加分离与循环系统向外扩展，最后是换热网络公用工程。
缺点：（1）在每个设计阶段可能有不同的设计决定（2）即便完成并且评估了许多设计选择也不能保证最终找到最优设计；优点：主观能动性大，设计者能够控制基本设计决定，而且能够随设计进展与设计本身进行交流。
5、可简约流程：首先是一种超结构，而这种超结构包括所有可行的操作过程和可行的、相互影响的最优设计设备流程，其次是用设计方程和设计变量将设计问题转变成数学问题，再次运用优化算法求解。
缺点：是在决策过程中排除了设计工程师的作用。
优点：它能够同时考虑许多不同的设计方案。
另外，它能够将全部的设计编写成计算机程序，从而快速、高效低获得设计方案。
7、转变过程是通过反应、分离、混合、加热、冷却、压力改变和颗粒尺寸的变化等实现的。
8、模拟就是试图用该过程的数学模型预测它建成以后的行为。
9、化工过程合成的复杂性是双重的：（1）是否能确定所有的流程结构；（2）是否能够优化每一个流程并进行合理的比较，当优化流程结构时，有些多方法能用来完成每一个独立的任务，也有许多方法能把所有的任务相互连接起来。
10、在进行化工设计过程时，需要考虑两类基本问题？（1）是否能够确定所有的流程结构；（2）是否能够优化每一个流程并进行合理的比较。
11、过程设计的原则是从洋葱模型的中心即反应器开始的。
第二章1、理想的反应路径是利用最便宜的原料并生产少量的副产品。
2、影响新反应路径开发的最主要的原因是缺少合适的催化剂。
3、反应系统类型分类：单一反应；平行反应；串联反应；平行反应又串联反应；聚合反应。
4、反应器性能指标：转化率；选择性；反应器收率。
3、单一反应的目标：用最小的体积实现最大生产；单一不可逆的转化率应选择在95%左右，可逆转化率则为平衡转化率的95%左右。
系统宜采用理想间歇反应器或活塞流反应器。
单一可逆反应的浓度改变可以通过：（1）进料比；（2）惰性物的浓度；（3）在反应中间移走产物。
化工过程模拟与分析(第六章联立方程法)
闪 蒸 器 4 P2
R3
i 1
13
ci
1,
P2
i 1
13
ci
1
R3ci K i R3c , P2c , p4 , T4 P 2ci i 1,2,..., 13
28个方程
混合器2
S2
混合器2 Z2
R3
FZ 2 FS 2 FR3
1 FS 2 S 2ci FR3 R3ci , i 1,2,...,13 Z 2ci FZ 1
6.2 过程系统数学模型的求解
一、微分方程的处理 1. 将微分方程分隔出来数值积分 2. 将微分方程改写成差分方程 3. 直接从严格微分模型开发近似代数模型 二、初值的选取 1. 利用严格模型生成简化模型，并用序贯模块法计算 2. 通过求解线性化产生近似线性方程组并求解得到 3. 按照序贯模块法迭代数次后得到初始解
(i 1,2,, c)
2、建立联立方程中各单元形成的子方程组
各流股由一个13维向量描述，例如对于进料流股F：
第1个组分摩 尔组成 流股摩尔流量
Z1 Z1c1 Z1c 2 ... Z1c13
混合器1
FZ1
R1
F 混合器1 R2 Z1
FZ1 FF FR1 FR 2
1 FR1 R1ci FF Fci FR 2 R2ci , i 1,2,...,13 Z1ci FZ 1
设计规定方程
FP1 spec FS 1
29个方程
闪蒸器2
S1
FS1 FS1 FZ 1
Z1
S1ci FS1 S 2ci FS 2 Z1ci FZ 1 i 1,2,...,12
化工过程模拟与分析(第一章绪论)
智能优化算法
借鉴自然界中的优化机制，如遗传算 法、蚁群算法、粒子群算法等，用于 解决复杂的优化问题。
过程强化技术
通过改进设备结构、优化操作条件等 手段，提高化工过程的效率和经济性。
04 化工过程模拟与分析的应 用领域
石油化工过程中的模拟与分析
现代阶段
当前，化工过程模拟与分析已经发展成为一门综合性的学科，涵 盖了化学工程、计算机科学、数学等多个领域的知识和技术。
化工过程模拟与分析的研究内容和方法
研究内容
化工过程模拟与分析的研究内容包括化工过程的建模 、模拟、优化和控制等方面。
研究方法
研究方法包括数学建模、数值计算、实验验证和案例 分析等。其中，数学建模是化工过程模拟与分析的核 心方法，通过建立数学模型来描述化工过程的本质和 规律。数值计算则是利用计算机对数学模型进行求解 和分析，得出化工过程的性能指标和优化方案。实验 验证是对模拟结果进行验证和评估的重要手段，而案 例分析则是对实际化工过程进行模拟和分析的常用方 法。
ChemCAD
一款易于使用的化工过程模拟 软件，支持多种单元操作和工 艺流程设计。
gPROMS
一款基于方程的化工过程模拟 软件，支持自定义模型和算法
开发。
03 化工过程分析的基本方法
化工过程的热力学分析
热力学基础
研究物质在平衡状态下的性质，包括热容、 热传导、相平衡等。
热力学第一定律
能量守恒定律在热力学中的应用，用于计算 系统的能量变化。
程、传递函数等。
传递过程动力学
研究动量、热量和质量传递过程的科 学，包括流体力学、传热学和传质学 等。
过程模拟与优化
第4章 化工单元过程系统模拟与分析
第4章化工单元过程系统模拟与分析4.1 化工单元过程数学模型及模拟在化工过程系统模拟计算中，当给定系统所有输入流股信息时，则过程系统中部分单元模块可获得全部输入流股信息，这些模块将输入信息加以处理单元，获得该模块的所有输出流股信息，并作为下一级单元模块的输入信息，由此可见，单元过程模拟是系统过程模拟的基础。
对于任何单元过程，都遵守物质和能量守恒定律，通过对单元过程的质量衡算及能量衡算，建立输入流股与输出流股之间的关系。
任何单元过程都会发生物理或化学变化，即体系的热力学性质及化学组成变化，因此需建立单元过程的相平衡关系、各流股焓、温度、压力变关系。
对于存在化学反应的单元过程，还应建立反应动力学和热力学的关系，确定各组分的转化率以及焓的变化。
本章主要介绍下面两个过程的单元模型4.1.1换热器数学模型及模拟4.1.2反应器数学模型及模拟4.1.1 换热器数学模型及模拟化工生产需要大规模地改变物质的化学性质和物理性质，而这些性质的变化都涉及热能的传递，主要应用在：（1）化学反应：向反应器提供热量或从反应器移走热量；（2）蒸发、蒸馏、干燥：按一定的速率向这些设备输入热量；（3）高温或低温设备：隔热保温，减少热损失；（4）热能的合理利用和废热回收。
热量传递方式（1）热传导：依靠物体中微观粒子的热运动，如固体中的传热；（2）热对流：流体质点（微团）发生宏观相对位移而引起的传热现象，对流传热只能发生在流体中，通常把传热表面与接触流体的传热也称为对流传热；（3）热辐射：高温物体以电磁波的形式进行的一种传热现象，热辐射不需要任何介质做媒介；在高温情况下，辐射传热成为主要传热方式。
换热器的种类：按照换热原理来分，可以分为三大类（1）间壁式换热器：冷、热流体被固体传热表面隔开，而热量的传递通过固体传递面而进行。
（2）直接接触式换热器：冷、热流体直接接触进行热量交换。
（3）蓄热式换热器：冷、热流体交替通过传热表面，冷流体通过时贮存冷量，热流体通过时贮存热量。
化工过程中模型的建立与计算讲解
化工过程中模型的建立与计算姓名：田保华化工过程中模型的建立与计算1. 概述过程的状态监控或过程的在线监测都需要建立合适的数学模型。
化工过程的数学模型主要有三大类方法，即机理模型，统计模型和混合模型。
描述过程的方程组由过程机理出发，经推导得到，并且由实验验证，这样建立起来的模型就是机理模型。
机理模型方法需要凭借可靠的规律及经验知识来建立原始微分方程式，这些规律和经验知识必须被表达为一般的形式。
机理模型是对实际过程直接的数学描述，是过程本质的反映，因此结果可以外推。
数学模型也可以根据实验装置、中型或者大型工业装置的实测数据，通过数据的回归分析得到的纯经验的数学关系式，这就是统计模型。
统计模型和过程机理无关，是根据实验从输出和输入变量之间的关系，经分析整理得到的。
它只是在实验范围内才是有效的，因而不宜外推或者以较大幅度外推。
由于实验条件的限制，统计模型的局限性很大，所以总是希望尽可能建立机理模型。
对于化工过程来说，由于经验模型受到实际条件的限制，应用范围有限，机理模型求解又十分困难，这样就产生了第三种数学模型，即混合模型。
混合模型是对实际过程进行抽象概括和合理简化，然后对简化的物理模型加以数学描述，混合模型主要是设法回避过程中一些不确定的和复杂的因素，代之以一些统计的结果和一定的当量关系，它是半经验半理论性质的。
在化工过程的数学模拟中，混合模型是应用最广的一种模型。
例如，混合模型用于粉仓中粉体流动数学模型分析等等。
近年来，人们将人工神经网络方法用于化工建模，并取得较好的效果。
化工过程中数学建模的建立一般是基于流体的性质。
流体的热力学性质主要是从状态方程（EOS）得到。
至今，文献报道的EOS已有一百五十种之多，有的从理论分析得到的、有的从实验数据分析归纳而来、还有一些是理论分析和实验数据相结合推出来。
比较经典的EOS有VDW方程，R-K方程，Soave方程，CS方程，33参数的MBWR方程。
这些经验、半经验的EOS只能在一定的温度和密度范围内对于某些流体适应，应用的范围比较窄，理论基础不强[34]。
化工计算资料
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４.改变压力 化学反应有气体时，如： 物质的相态变化 用泵或压缩机输送流体
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５.混合（与分离相反的过程） 通常不消耗能量 为加速混合使用搅拌器消耗少量能量
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化工过程开发主要决定于下述因素：
• （1）化学工艺因素——反应体系本性、温度、压 力、组成、催化剂等操作条件以及体系的反应速 度、转化率、循环比等。
– 物料衡算有两种情况，一种是对已有的生产设备或装置，利用实 际测定的数据，算出另一些不能直接测定的物料量。用此计算结 果，对生产情况进行分析、作出判断、提出改进措施。
– 另一种是设计一种新的设备或装置，根据设计任务，先作物料衡 算，求出进出各设备的物料量，然后再作能量衡算，求出设备或 过程的热负荷，从而确定设备尺寸及整个工艺流程。
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２.分离或提纯 分离过程通常只是一种物理过程，不发
生化学反应。 它是利用物质在相变化过程中某些物理
性质（如沸点、熔点、溶解度等）的差异 来进行的。
如：蒸馏、结晶、溶剂萃取。
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３.改变温度 化学反应速度和收率、物质的相态变化（如蒸
气的冷凝、液体的气化或凝固、固体的熔化等） 以及物质的其他物理性质变化（如粘度、溶解度、 表面张力等）等均与温度有密切的关系，改变温 度可调节以上各性质达到所需的要求。
• 理论依据：质量守恒定律
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一、物料衡算式
1、化工过程的类型 两种分类方法：
➢间歇操作、连续操作以及半连续操作 ➢稳定状态操作和不稳定状态操作
02:09
18
• 闻歇操作过程：
化工过程模拟与计算(第1章绪论)
化工过程的数学模型
总结词
数学模型是用来描述化工过程中物质 和能量变化的数学表达式，包括代数 方程、微分方程、偏微分方程等。
详细描述
建立数学模型是进行化工过程模拟的 基础，通过数学模型可以描述化工过 程的动态行为和稳态行为，预测不同 操作条件下的过程性能。
化工过程模拟的步骤与方法
总结词
化工过程模拟通常包括建立模型、设定边界条件和初始条件、求解数学模型、结果分析和优化等步骤 。
详细描述
质量守恒方程，也称连续性方程，表述了质量在流体运 动过程中守恒的规律；动量守恒方程，也称NavierStokes方程，表述了牛顿第二定律在流体运动中的表 现形式，即流体的动量变化率等于作用在流体上的力； 能量守恒方程，表述了热力学第一定律在流体运动中的 表现形式，即流体所吸收或释放的热量等于其温度变化 的热力学能的变化。这些方程是描述流体运动的数学模 型，为计算流体力学的数值模拟提供了基础。
化学工业
化学工业是化工过程模拟与计算的重要应用领域，包括合 成氨、尿素、硫酸、硝酸等基础化工产品的生产过程的模 拟与优化。
制药工业
制药工业中涉及许多复杂的化学反应和分离过程，通过化 工过程模拟与计算可以实现对药物合成、分离、纯化等过 程的预测和优化。
环境工程
环境工程领域中涉及许多化学反应和传递过程，如污水处 理、烟气脱硫脱硝等，通过化工过程模拟与计算可以实现 对这些过程的优化和控制。
此外，随着工业4.0和智能制造的兴起，化工过程 模拟与计算将面临如何与工业生产实际相结合的 挑战，需要加强与工业界的合作与交流，推动理 论与实践的结合。
THANKS
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Simulink
总结词
基于图形的仿真工具
详细描述
化工过程模拟与分析
2，3为独立流股
环路矩阵法步骤 找出块内所有环路 列出环路矩阵，并计算物流频率和环路的秩 除去环路矩阵中不独立的流股，找出候选流股
loop
stream
1 2 3 4 5 6
I II III
1 2 3 4 5 6
原理 从任一单元出发，沿着该单元任一输出流线往前搜索 会有两种情况： （I） 往前再无单元，则剔除并记录该单元 （II） 前面单元又出现，则发现了循环回路，将回路中各单元合并为一虚拟单元，并继承其中所有单元的输入与输出 如此反复，直至所有单元被剔除。
单元串搜索示例
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第三章 过程系统的分解
3.1 一些图的基本概念
1
3
2
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5
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9
图（graph）：对网络结构、拓扑关系的一种数学抽象。图G是结点E和边S的集合：G = (E，S)，可分为有向图和无向图2种，点集E = {e1, e2,…,en}，边集S = {s1, s2,…,sn+1}。 图可用来描述相应过程系统。
I II III
4. 在候选流股中确定切断流股
环路矩阵法步骤
1 2 3 4 5 6
I II III
A 取秩最小的行中值为1的元素所在列为切断流股 B 划去切断流股和切断流股参与的全部环路 C 在剩余环路矩阵中寻找秩最小的行，返回A D 直至所有环路被切断
重水厂 109单元 163流线 13746环路
1
1
2
2
3
3
4
化工过程模拟与分析(第二章化工过程系统数学模拟方法)
化学计量模型的线性化
反应计量式
计 量 式 系 数 矩 阵
线性过程单元模型 在只须进行物料衡算的场合，过程单元模型常只 是一些线性模型。
常数变换矩阵
2.3 化工系统的结构模型
一、流程结构的图形表述
1、流程图（Flow sheet）
A 混合器
两个初值可 用直接迭代 法获得
Wegstein法注记 1. Wegstein法即自适应确定松弛因子的部分迭代法； 2. 几何上，Wegstein法的新点是迭代函数的割线与直 线 y = x 的交点；
3. 显然割线斜率sk不能接近1；
4. 为保持迭代过程的稳定性，有人开发了加界 Wegstein法和间歇Wegstein法（Delayed Wegstein method）;
四、迭代法（Iterative method） 迭代法原理：压缩映射与不动点定理。
算法优劣比较的标准
1. 稳定性：均匀收敛、振荡收敛、迭代发散和振荡发散 2. 收敛域 3. 计算量
4. 收敛速度
物流的加合
…
功能：将多股物流加合成一股物流
FOUT Fin, j
j 1 nfi
出口流量计算
模 型
2. 切割目的是将一个方程组的求解转化为对原方程 组中含有的某些方程进行一系列运算 ；
3. 应用切割法的关键步骤是选择恰当的切割变量 ； 4. 切割方法只适用于稀疏方程组 。
一元非线性方程的求解 一、牛顿法（Newton’s method） 原理：通过一阶Taylor展开，将非线性方程逐次线性 化，通过求解这些线性问题逼近真实解。
邻接矩阵
2.4 化工流程模拟方法概述
化工过程模拟与计算(第2章)
四、稳态模拟与动态模拟的异同
稳态模拟
仅有代数方程 物料平衡用代数方程描述 能量平衡用代数方程描述 严格的热力学方法 无水力学限制
动态模拟
同时有微分方程和代数方程 物料平衡用微分方程描述 能量平衡用微分方程描述 严格的热力学方法 有水力学限制
无控制器
有控制器
11
2.2 化工过程先进控制
一、概述
28
4、执行过程
• 第一组预期的操作变量设定值付诸实施后，每一次执行多 变量预估控制时，控制变量的预估值都要采用当前的装置 测量进行计算和予以更新，以保证多变量预估控制和实际 装置的一致性。
29
五、先进控制的经济效益
先进控制务必在DCS的基础上方能实施，各种不同石油 化工装置实施先进控制后，其净增（含实时优化）见下 表2-2
9
三、国外动态模拟的发展
20世纪70年代初期：动态研究报道，丁二烯抽提装置开 车。专业型 80年代：通用型商品化的动态模拟软件；美国的普度大 学的BOSS；英国剑桥的QUASLIN。 90年代中期：加拿大Hyprotech公司推出动态模拟软件 HYSIS，同时兼具稳态模拟和动态模拟的功能。 模拟软件推出的基础：机理模型
1、先进控制的历史 先进控制理论20世纪70年代初提出；
工业上的最初应用始于70年代末； 90年代以来，先进控制的工业应用获得了蓬勃发展，获 得巨大经济效益，大量工业装置纷纷在已有的DCS的基 础上配备了先进控制系统。 21世纪，先进控制技术在许多方面发展十分成熟：
• • • • 各种多变量预估控制的理论基础已被广泛认同； 多变量预估控制涉及的范围不断地扩充； 多变量预估控制软件包不断涌现； 大量的先进控制正在在各种工业装置中实施。
化学过程系统工程化工过程系统模拟与分析
h
Th1 Th2 Th1 Tc1
于是得到：
Th2 Th1 h (Th1 Tc1)
再由热衡算方程： Tc2 Tc1 Rh (Th1 Th2 )
式中：
Rh
(W (W
cp )h cp )c
e. 换热器阻力计算
管程：
PT
( fi
L di
4)
Gi2 N p 2103
Fsi Dgi
当Re 105 fi 0.4513Rei(0.2663)
冷流体走管程： Twi Tmc Q /(Hi Ai )
式中管程的表面传热系数Hi，可先采用不计壁温的影响，并计
为Hi’，即 Nu Hi ' di 0.023Re0.8 P r0.33
i
式中Tmc为冷流体平均温度： Tmc (Tc1 Tc2 ) / 2
c. 计算管程实际表面传热系数Hi
0.14
式中 Re Deu
Nu HDe
2D s 当量直径De D s
表面传热系数是流体温度T的函数，增加了求解传热微分方程 的计算复杂性。
最外圈通道只有通道内壁的换热。换热器共有N圈通道，则第N 圈的前半圈（0 之间）通道以及第（N-1）圈的后半圈（ 2 之间）通道相当于该换热器的最外圈通道。
2
[1 (Cmin / Cmax)] 1 (Cmin / Cmax)(1 e ) /(1 e )
式中：
NTU 1 (Cmin / Cmax )2
NTU K A (W cp )min
Cmin (W c p )min
Cmax (W cp )max
当冷流体的热容流率为 (W cp )min 时，传热效率可写为：
A D r( )d 0
所以第n圈螺旋板传热面积为
化工工程计算与模拟
安全评估
通过模拟评估化工过程的安全风险 ，预防事故发生。
04
化工工程计算与模
03
拟软件
常用化工工程计算与模拟软件介绍
01 Aspen HYSYS
02 SimSci Pro/II
03 ChemCAD
04 Aspen Plus
05 Petroleum E…
催化剂和溶剂筛选
通过模拟计算，可以快速筛选出具有 优良性能的催化剂和溶剂，缩短研发 周期和降低实验成本。
化工工程计算与模拟在优化设计中的作用
设备优化设计
01
通过模拟计算，可以对化工设备进行优化设计，提高设备的效
率和可靠性。
流程优化
02
通过模拟不同流程方案的性能，可以找出最优化的流程配置，
降低投资成本和运行费用。
推动化工行业的技术进步
化工工程计算与模拟的发展将推动化工行业的技 术进步，促进产业升级和可持续发展。
THANKS.
优化算法和软件实现
通过优化算法和改进软件实现，降低计算复杂度，提高模拟效率。
化工工程计算与模拟在智能化和自动化中的作用
1 2 3
支持智能化决策
化工工程计算与模拟能够提供实时数据和预测结 果，支持智能化决策，提高生产效率和安全性。
促进自动化控制
通过模拟和优化化工过程，化工工程计算与模拟 能够促进自动化控制技术的发展，降低人工干预 和提高生产稳定性。
节能减排
03
模拟计算有助于评估化工过程的能耗和排放，提出针对性的节
能减排措施，降低环境负荷。
化工工程计算与模
05
拟的未来发展
化工工程计算着计算技术的发展，数值模拟方法将更加精确和高效，能够模拟更复杂的化工过程和系 统。
化工设计第3章化工过程计算
苯 0.025F3 = 0.08F4
甲苯 0.35F3 = 0.72F4 + x5TF5 二甲苯 0.625F3 = 0.20F4 +(1- x5T)F5
总单元 ：5个未知变量，3个方程
苯 甲苯
0.2F1 = x2BF2 + 0.08F4 0.3F1 = (1-x2B)F2+ 0.72F4 + x5TF5
根据其操作方式可以分成间歇操作、连续操作以及半连续操作三类。 或者将其分为稳定状态操作和不稳定状态操作两类。
2. 物料衡算式
物料衡算是依据物质守恒原理，研究某一个体系内进、出物料量及组成 的变化。
物料衡算基本式
进入量=排出量+反应消耗量+积累量
上式可根据衡算体系特点简化某些项。
2－2 物料衡算的基本方程
2. 估算。可以应用物理和化学的一些基本定律或经验关 联式计算各种物质的性质参数。
3. 用实验直接测定。
1-4 化工过程准数
雷诺数Re、普兰德数Pr、施米特数Sc、皮欧数Bi、努塞 尔数Nu、斯坦顿数St、舍伍德数Sh等。它们的关联式级 物理意义。
第二节 物料衡算
2－1 物料衡算式 1. 化工过程的类型
解：总物料衡算
F1 + F2 = F3 + F4 各组分物料衡算 苯平衡 F2 = 0.75 F3 水平衡 0.6 F1 = 0.24 F3
料液，F1 乙醇，40%
水 60%
苯，F2
醇平衡 0.4 F1 = （1- 0.75 – 0.24 ）F3 + F4 3个未知量，可用3个代数方程联立求解
解得： F1 = 2667 kg/h F2 = 5000 kg/h F3 = 6667 kg/h
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化工过程模拟及相关高新技术
1
课程内容
2.1 化工过程模拟 2.2 化工过程先进控制 2.3 化工过程模实时优化 2.4 四项高新技术之间的关系和效益
2
2.1 化工过程动态模拟 一、概述 二、动态模拟的主要功能和应用领域 三、国外动态模拟的发展 四、稳态模拟与动态模拟的异同
3
一、概述
1、引起化工过程动态变化的因素：
5
二、动态模拟的主要功能和应用领域
（一）动态特性研究
1、内容：研究过程参数随时间变化的规律，从而得到有关过 程的正确的设计方案或操作步骤。
2、作用：应用动态模拟可以更全面、正确的认识一个化工过 程，预测某一个波动或干扰发生时系统会发生怎样的变化。 3、例子：在固定床，催化剂条件下的甲烷化反应，进料为 50%的合成气和50%的水蒸气。
(1)计划内的变更：如原料的批次，计划内的高负荷或减负荷， 设备的定期切换等
(2)事物本身的不稳定性：如同一批次原料质量的差异与波动， 催化剂活性的降低。
(3)意外事故，设备故障，人为的误操作等；
(4)装置的开停车。 原有稳态与平衡破坏，系统向着新的平衡发展。
4
2、动态变化中最为关心的问题：
（1）波动对整个系统产生多大的影响？产品质量与产量有 多大波动？ （2）有无发生危险的可能？可能会导致哪些危害，危害程 度如何？ （3）一旦产生波动或事故，应当如处理、调整？最恰当 的措施、步骤？ （4）干扰波动的持续时间多长？克服之使之恢复正常又需 多久？ （5）开停车的最佳策略。
动态模拟
同时有微分方程和代数方程 物料平衡用微分方程描述 能量平衡用微分方程描述 严格的热力学方法 有水力学限制 有控制器
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2.2 化工过程先进控制
一、概述
二、先进控制和DCS（集散型控制系统）控制的主要区别
三、先进控制的特点 四、多变量预估控制的执行步骤 五、先进控制的经济效益 六、国外发展概况 七、先进控制实施的外部条件
8
（三）动态仿真操作工培训系统
➢ 建立动态仿真系统是动态模拟的重要用途； ➢ 动态仿真系统既有稳态又有波动干扰引起的变化；
（四）先进控制系统的设计工具
➢ 先进控制：起源于20世纪70年； ➢ 过程控制技术： 20世纪90年； ➢ 过程控制技术必要条件：过程的动态特性
9
三、国外动态模拟的发展
➢ 20世纪70年代初期：动态研究报道，丁二烯抽提装置开 车。专业型
精馏塔的先进控制理论：
由先进控制包发出信 号，同时进行调节。
先进控制包：所有控制变化的变化（塔顶、塔釜产品质量
波动、塔内压力差），考虑操作变量对不同控制影响的大
小，通过模型的预估计算，分别得到对塔顶回流量，塔顶
压力及再沸器加热介质流量的调节值。
12
一、概述
2.2 化工过程先进控制
1、化工过程控制的巨大变化：
硬件：手动阀门——自动控制阀——PID控制器（比例-积
分-微分控制器）——集散型控制系统（DCS）——计算机 控制系统
软件：填充式的控制软件——新的数据库软件——新的改
进了的优化算法——基于模型的多变量预估控制软件
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2、典型化工装置的生产操作特性(常规控制手段下)：
➢ 80年代：通用型商品化的动态模拟软件；美国的普度大 学的BOSS；英国剑桥的QUASLIN。
➢ 90年代中期：加拿大Hyprotech公司推出动态模拟软件 HYSIS，同时兼具稳态模拟和动态模拟的功能。
➢ 模拟软件推出的基础：机理模型
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四、稳态模拟与动态模拟的异同
稳态模拟
仅有代数方程 物料平衡用代数方程描述 能量平衡用代数方程描述 严格的热力学方法 无水力学限制 无控制器
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3、DCS的缺点： （70年代初进入工业装置）
➢ 基本不考虑变量之间的相互影响，将操作变量 （manipulated variable ,MV）和控制变量（controlled variable，CV）之间的关系设定为一一对应的关系。
➢ 一一对应的关系忽略了变量之间的耦合关系，不能反 映装置的实际情况，因此难以真正实现装置的平稳控 制。
6
1206
1250
7
（二）开停车指导
1、开停车的重要性 大型石化装置，每开停车一次损失为几十万甚至几百万元。
2、动态模拟对开停车的重要指导作用：
（1）缩短开停车时间，尽快达到稳定操作状态或安全停车； （2）降低物耗、能耗，减少开停车损耗； （3）避免可能产生的误操作或事故； （4）减少不合格产品； （5）保证开停车过程顺利进行； （6）取得最佳经济效益。
（1）对动态反应存在实质性的时间延迟和滞后； （2）要求控制的变量未能在线检测； （3）非线性动态响应； （4）相互耦合； （5）存在约束； （6）存在大的外部干扰。
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3、基本操作系统的弊端： 1）DCS控制器的基础的常规算法是PID算法，这种算 法对于具有较大滞后的回路其效果很差。 2）控制变量对于操作变量的改变而引起的响应经常 是非线性的。
➢ 21世纪，先进控制技术在许多方面发展十分成熟：
• 各种多变量预估控制的理论基础已被广泛认同； • 多变量预估控制涉及的范围不断地扩充； • 多变量预估控制软件包不断涌现； • 大量的先进控制正在在各种工业装置中实施。 16
2、实际上，众多过程变量之间的相互影响是必然 的，操作变化和控制变化之间的关系如图2-3
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精馏塔的传统控制理论：
如：塔釜加热量的变化，其 影响经过一段时间，必然会 到塔顶，引起塔顶产品质量 的变化，对于传统的DCS控 制方法，只有等到这一刻， 塔顶控制器才能动作调节流 量。
三个彼此独立的控制回路：
1）调节回流量（FC）来控制塔顶产品质量； 2）通过调节塔内压力差（ΔPC）控制塔顶压力； 3）通过调节再沸器加热介质的流量来控制塔釜产品的质量。19
3）化工过程操作的叠加的结果使得化工装置的某部 分难以控制，即使采用标准控制器和标准方法。
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二、先进控制和DCS（集散型控制系统）控制的主要区别
1、先进控制的历史
➢ 先进控制理论20世纪70年代初提出；
➢ 工业上的最初应用始于70年代末；
➢ 90年代以来，先进控制的工业应用获得了蓬勃发展，获 得巨大经济效益，大量工业装置纷纷在已有的DCS的基 础上配备了先进控制系统。