第3章-过程系统的稳态模拟

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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。

沈阳化工大学-期末复习-化工过程分析与综合

2.2 基本公式
（1）自由度计算公式：
n
d (Ci 2) (S 1) e r g i 1
n——输入流股数
e——与物料无关的能量流
Ci——第 i 个输入流股组
和压力引入的自由度
分数
r——独立反应数
S——分支输出流股数
g——几何自由度，通常=0
（2）守恒关系式（P35）
一、物料质量平衡
质量累积速率=质量流入系统速率-质量流出系统速率
分割器
闪蒸器
独立方程数 m=C+2
自由度
d=n—m=3(C+2)-(C+2)= 2(C+2)
m=2C+3
分割成 2 股物流，自由度： d=(C+2)+1 分割成 S 股物流，自由度： d=(C+2)+(S-1)
d=3(C+2)+1-（2C+3） =C+4
换热器
反应器压力变化单元
d c1 c2
第七分之二章信号流图
7/2.1 基本概念（1）信息流图：可以用结点代表方程，有向线代表在方程之间传送的变量的信息，这种有向图是一种信息流图（2）信号流图：可以用有向图中的结点代表向量，而用有向线表明变量之间的变换关系—这就构成了信号流图（3）支路：结点间的有向线称为支路. （4）传输比：每条支路均带有称为传输比的某一数值，它代表线性方程中变量前的系数。（5）始端点和末端点：一条支路两端（始端和末端）的结点，分别称为该支路的始端点和末端点。（6）输入支路和输出支路：指向和离开一个结点的支路，分别称为该结点的输入支路和输出支路。（7）自环：始端和末端为同一结点的支路，称为自环支路，或简称 “自环”。（8）源结点：只有输出支路的结点，称为源结点。（9）汇结点：只有输入支路的结点，称之为汇结点。（10）残图：经过简化只剩下源结点和汇结点的图，称为残图。

化工过程分析与合成

一、单项选择题。

本大题共14个小题，每小题5.0 分，共70.0分。

在每小题给出的选项中，只有一项是符合题目要求的。

重质油催化剂裂化制轻质油的反应过程是（B）。

脱氢过程裂化反应热裂解反应过程催化过程数值稳定性好，通常，迭代收敛过程有（C）。

很缓慢很快四种可能情况收敛解氨合成过程的物料必须进行循环，主要集中在（D）。

制气工段压缩工段脱硫工段氨合成工段蒸馏的原理是（A）。

物质的沸点不同物质分子量大小物料的浓度进料快慢过程系统结构的优化属于过程系统的（B）。

过程系统的问题合成问题过程系统的分析优化问题氨厂包括的工序有（A）。

原料气制备原料气脱硫氨的分离空气净化天然气中的主要成分是（B）。

氩甲烷（CH4）氢气氮气实验数据归纳的模型被称为（A）。

经验模型半经验模型特定模型多级参数模型工业上已得到广泛应用的低能耗分离技术是（D）。

吸附分离技术非定态技术变压吸附乙苯脱氢制苯乙烯的反应过程是（A）。

脱氢反应制苯乙烯裂解反应过程催化过程对均一系物料的气相分离，可采用（A）。

吸附吸收汽提蒸发萃取变压吸附是在工业上已经得到广泛应用的（D）。

气体分离技术非定态技术节能分离技术吸附分离技术化工过程系统合成是（C）。

产品生产合成设备合成换热网络合成反应物料合成泡点温度是指气液平衡时与液相组成相对应的（C）。

液相起泡时温度沸腾温度平衡温度气相温度二、多项选择题。

本大题共6个小题，每小题5.0 分，共30.0分。

在每小题给出的选项中，有一项或多项是符合题目要求的。

用人工智能技术模拟人脑的思维过程，两种不同的成功途径是（DE）。

离散模拟模糊模拟非数值模拟客观模拟微观模拟单元操作模拟中每个模块中包含有（AB）。

单元操作相关方程相关的物性计算程序物流焓值进口物料组成出口组成对化工过程进行描述的数学模型有（CD）。

机理模型经验模型集中参数模型分布参数模型人工智能模型在典型的工厂中优化可能涉及（BC）。

一个车间过程设计和装置规范车间操作某个过程某个装置物性模型包括的重要两项是（AB）。

《化工过程分析与合成》习题

《化工过程分析与合成》习题第一章1.化工过程分析的含义是什么？化工过程合成的含义是什么？2.常见化学反应过程的类型有哪些？请举例说明。

3.化工PID是什么请解释DCS的含义和作用。

4.稳态模拟和动态模拟的特征分别是怎样的？5.人工智能技术的含义是什么？6.人工神经网络的含义和用途。

第二章1.过程系统模拟有哪几类问题？2.过程系统的模拟分析是指什么，用流程框图画出其示意图。

3.过程系统设计的含义是怎样的？用流程框图画出其示意图。

4.过程系统参数优化的含义是怎样的？用流程框图画出其示意图。

5.请解释过程系统模拟的序贯模块法含义，特点，适用范围。

6.请解释过程系统模拟的面向方程法含义，特点，适用范围。

7.请解释过程系统模拟的联立方程法含义，特点，适用范围。

8.在计算再循环物流时，需要对某些物流进行“断裂”，此处“断裂”的含义是什么？9.判断最佳断裂的准则是什么，如何用数学表达式表示？10.请解释有效断裂组、多余断裂组、非多余断裂组。

11.请描述搜索断裂组的替代规则。

12.解释断裂族的概念。

13.再循环物流断裂处设置收敛单元，其功能有哪些？14.适合于收敛单元的数值计算方法一般应满足哪些条件？15.直接迭代法的原理和优缺点是什么？16.阻尼迭代的含义是什么，请用公式表达，阻尼因子的选择对迭代收敛有何影响？17.一个大型稀疏方程组，阶数为60,非零系数个数为240,求稀疏比和方程中为零的单元有多少个？18.请画出下面不可分割子系统的回路矩阵，并寻求最优断裂组。

19.直接迭代法求解下列方程组。

20.直接迭代法求解下列方程组。

2X 1＋X 23=35.568X 12－0.5X 2=0.36 第四章1. 某工厂甲、乙两种产品，每件甲产品要耗钢材2kg 、煤2kg 、产值为120元；每件乙产品要耗钢材3kg ，煤1kg ，产值为100元。

现钢厂有钢材600kg ，煤400kg ，试确定甲、乙两种产品各生产多少件，才能使该厂的总产值最大？2. 某工厂在计划期内要安排甲、乙两种产品。

过程分析与合成.

定要求，如图2-7所示。
参
参
数
数
决策变量
过程系统模型状态变量
满足设计规定否？
设计结果 T
F
调整
图2-7 过程系统设计
过程系统模拟的三类问题
（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2-8所示。
决策变量
参数
过程系统模型
过程系统模拟的三类问题及三种基本方法
专业：化学工程姓名： hh
目录
2.2.1 过程系统模拟的三类问题 2.2.2 过程系统模拟的三种基本方法
过程系统模拟的三类问题
化工过程系统的稳态模拟与分析，就是对化工工艺流程系统进行稳态与分析。模拟是对过程系统模型的求解。通过解决下述三类问题。
（1）过程系统的模拟分析
过程系统模拟的联立模块法
1、定义将过程系统的近似模型方程与单元模块交替求解。联
立模块法又被称作双层法。
图2-11
图2-12
过程系统模拟的联立模块法
2、优点 ①使用序贯模块法积累的大量模块； ②可将流程收敛和设计约束收敛合并处理； ③只须求解各单元过程的外部变量，对计算机内存要求减
少。
过程系统模拟的联立模块法
3、缺点 ①将严格模型转化为简化模型，花费机时长。 ②求解优化问题时，解的一致性发生矛盾。
过程系统模拟的联立模块法
方
优点
法
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；有错误易于诊断检查
解算快；面模拟型计算与设计型计算一样；向适合最优化计算，效率高；方便于与动态模拟联合实现；程

化工过程分析与合成A

<<化工过程分析与合成>>试题(A)一、填空题（每空1分，共30分）1. 过程系统模拟的基本方法有法、法和法。

2. 过程系统由过程单元及各单元间的联结关系构成，这些联结关系包括和。

3. 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，请列举出三种常见的求解非线性方程的数值迭代方法：、、。

4. 对过程系统进行动态模拟时，根据对状态变量分布特征的不同描述方式，可以把数学模型分为、、，其中认为状态变量在系统中呈空间均匀分布，如强烈搅拌的反应罐就可以用这一类模型来描述，这种模型的数学形式为方程组。

5. 一个含有C 组分的独立流股具有个自由度。

6. 试判断下图中换热匹配的可行性：1 , 2 , 3 ,4 。

7. 在换热网络设计中，夹点将整个温度区间分为了两部分，夹点之上需要器，夹点之下需要器。

8. 对于夹点下方的夹点匹配换热器，其流股数可行性原则是， FCp 可行性原则是。

9. 过程系统优化主要分为优化和优化两个方面。

10. 如下图所示，T-H 图中热、冷物流的组合曲线分别为AB 和CD ，则最小冷公用工程用量为 kW ，最小热公用工程用量 kW ，最大热回收量 kW 。

11. 用常规精馏的方法将含有5个组分的混合物分离成纯组分产品，则切分点的数目为，分离序列数为，分离的子群数为。

二、判断题（每题1分，共10分）1. 对过程系统进行稳态模拟，描述过程对象的模型中不包括时间参数。

2. 组合曲线上斜率发生变化的点称为角点，夹点一定出现在角点处。

3. 在一个工厂的设计中，要想最大限度的减少公用工程的用量，可以通过采用高效率的换热器，并增大换热夹点221144 33H 1H 2 C 1C 2面积来实现。

4. 在分离序列的综合中，应优先考虑使用能量分离剂的方法，其次才考虑采用质量分离剂的方法。

5. 为了使换热网络的公用工程消耗最小，应避免夹点之上的热物流与夹点之下的冷物流间的匹配。

《化工过程分析与合成》教学大纲

化工过程分析与合成课程教学大纲一、课程的基本信息适应对象：化学工程与工艺、课程代码：41E01016学时分配：32赋予学分：2学分先修课程：高等数学、化工原理、化工设备机械基础、化学反应工程后续课程：化工设计、化工过程开发二、课程性质与任务1课程性质：《化工过程分析与合成》课程是一门具有综合性、应用性、研究性特色的化工类专业主干课程，以科学研究的方法论为主线，培养成人教育学生将实践经验与所学知识相结合分析和解决工程问题的能力。

2课程任务：通过本课程教学，使学生在学习了化工原理、化工热力学、化学反应工程等课程的基础上，学会以系统工程的方法来处理化工过程的分析与合成问题。

三、教学目的与要求本课程以科学研究的方法论为主线，培养学生将实践经验与所学知识相结合、分析和解决工程问题的能力。

通过本课程的学习，使学生掌握将实验室研究成果（新工艺、新产品等）实现工业化的主要方法，掌握化工过程及系统工程的发展概况；氨合成工艺介绍了化工过程系统稳态模拟方法及其分析求解方法；化工过程系统动态模拟的特性、方法及数学处理；化工过程系统的优化和求解方法；化工生产过程操作工况调优的数学模型及调优计算，以及人工神经元网络的基础知识；间歇化工过程的基本概念、模型化方法及设计优化；换热网络的合成及其夹点技术进行了全面的介绍；分离塔序列合成的方法等环节的过程研究。

通过列举大量化工过程开发的实例，让学生了解正确的理论指导、科学的实验方法、以及工艺与工程相结合的工程观念在化工过程开发中的重要作用。

四、教学内容与安排第一章绪论（课堂讲授学时：2）1.1 化工过程1.2 化工过程生产操作控制1.3 化工过程的分析与合成1.4 化工过程模拟系统1.5 化工企业CIPS技术第二章化工过程系统稳态模拟与分析（课堂讲授学时：4）2.1 典型的稳态模拟与分析问题2.2 过程系统模拟的三类问题及三种基本方法2.3 过程系统模拟的序贯模块法2.4 过程系统模拟的面向方程法2.5 过程系统模拟的联立模块法2.6 氨合成工艺流程的模拟与分析第三章化工过程系统动态模拟与分析（课堂讲授学时：4）3.1 化工过程系统的动态模型3.2 连续搅拌罐反应器的动态特性3.3 精馏塔的动态特性第四章化工过程系统的优化（课堂讲授学时：4）4.1 概述4.2 化工过程系统优化问题基本概念4.3 化工过程系统最优化问题的类型4.4 化工过程中的线性规划问题4.5 化工过程中非线性规划问题的解析求解4.6 化工过程中非线性规划问题的数值求解第五章化工生产过程操作工况调优（课堂讲授学时：2）5.1 化工生产过程操作工况调优的作用与意义5.2 化工生产过程操作工况离线调优的方法第六章间歇化工过程（课堂讲授学时：6）6.1 间歇过程与连续过程6.2 过程动态模型及模拟6.3 间歇过程的最优时间表6.4 多产品间歇过程的设备设计与优化第七章换热网络合成（课堂讲授学时：4）7.1 化工生产流程中换热网络的作用和意义7.2 换热网络合成问题7.3 换热网络合成--夹点技术7.4 夹点法设计能量最优的换热网络第八章分离塔序列的综合（课堂讲授学时：6）8.1 精馏塔分离序列综合概况8.2 分离序列综合的基本概念8.3 动态规划法8.4 分离度系数有序探试法8.5 相对费用函数法8.6 分离序列综合过程的评价五、教学设备和设施多媒体教室、黑板、黑板笔六、课程考核与评估期末闭卷考试，考试时间100min。

化工过程系统工程概论

化工过程系统工程产生的必要性：生产的发展
化工过程系统工程产生的可能性：临近学科的发展
化学工程：对过程的机理了解比较清楚；计算数学：复杂问题在计算机上顺利求解；运筹学及后来的系统工程学科：分析大规模系统的手段；控制论学科：从过程控制的角度，运用系统工程方法来研究整体控制性能；计算机技术：为化工过程分析和顺利而高效地进行过程设计提供了基础；等等。
局部利益整体利益
系统综合最优化
协调配合
最优设计控制管理
生产科研经济活动
构成系统
功能
利益
系统思想、理论、方法、策略、手段
系统整体的协调与优化过程
“系统工程”
——工程学的方法论，以研究大系统为对象的一门边缘学科。将自然科学和社会科学中的某些思想、理论、方法、策略和手段等根据总体协调的需要有机地联系起来，把生产、科研、经济活动等有效地组织起来。用数学方法和计算机等工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换、反馈控制等功能进行分析、设计、制造和服务。从而达到最优设计、控制、管理，使局部和整体之间的关系协调配合，以实现系统的综合最优化。
物理模拟：用试验水槽里的船舶模型来研究船舶的性能；用风洞中的飞机模型来研究飞机的性能。
数学模拟：把要加以研究讨论的系统或过程的性能用一个数学模型（数学方程组）描述出来，之后采取某种解算手段去对数学模型进行求解，从而达到研究的目的。
设计
投产之前研制模拟培训系统，对操作人员进行培训。投产之后对已有的化工系统进行模拟与分析，找到适宜的操作条件，与集散控制系统结合起来，指导生产操作。
生产
对现有装置进行模拟与分析，寻找薄弱环节，提出改造方案。
扩产改造

《化工过程分析与合成》教学大纲

《化工过程分析与合成》教学大纲一、课程信息课程名：化工过程分析与合成（Analysis and synthesis of chemical Process）学时：51学分：3适用专业: 化工类各专业（包括制药工程、生物工程、冶金工程、轻化工程、食品工程及高分子材料等）开课单位：化工学院化工系开课学期：三年级下期(春季)二、课程的性质、任务和目的课程性质：必修（化学工程与工艺专业），选修（制药、生物工程、环境工程、轻工、食品、高分子材料等专业）课程说明（性质、目的和任务）：化学工程与工艺专业的专业核心课，也适合化工类其他专业尤其是生物工程、制药工程和冶金工程的学生选修。

本课程以化工过程系统为研究对象，使学生初步掌握对过程进行模拟、分析、优化和合成的系统工程方法，培养综合运用化工基础知识和专业知识处理实际问题的能力。

三、教学基本要求1.掌握过程系统的概念，过程系统分析与合成的基本概念、基本原理与方法；2.掌握过程系统稳态模型、动态模型建立的基本原理，熟悉过程系统模拟与优化的基本步骤与方法，掌握分离序列合成方法，熟练运行夹点技术进行换热网络合成；3.理解过程系统稳态模型、动态模型求解算法，明确过程系统操作调优的原理、步骤和方法。

明确间歇系统模拟、优化与合成的特殊性；4.了解过程系统对象的特性，学科的发展，该领域的前沿及与其它学科的关系。

四、教学内容及学时分配第1章：化工过程及系统工程的发展概况（2学时）；第2章*：化工过程系统稳态模拟及其分析求解方法：过程系统模拟的序贯模块法、面向方程法以及联立模块法；以氨合成工艺为例说明模拟与分析方法的应用（8学时）；第3章*：化工过程系统动态模拟的特性、方法、数学处理及应用：化工过程系统的动态模型，连续搅拌罐反应器和精馏塔的动态特性（8学时）；第4章*：化工过程系统的优化：化工过程系统优化问题的基本概念，化工过程系统最优化问题的类型，化工过程中的线性规划问题及非线性规划问题（8学时）；第5章*：化工生产过程操作工况调优的数学模型及调优计算，人工神经元网络的基础知识（6学时）；第6章：间歇化工过程的基本概念、模型化方法及设计优化（6学时）第7章*：换热网络的合成、能量最优网络的夹点技术设计法、实际工程项目的换热网络合成（8学时）；第8章：分离塔序列合成的基本概念及方法（5学时）。

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

过程系统稳态模拟技术

过程系统稳态模拟技术一、简介过程系统稳态模拟技术是一种在过程工程领域中常用的技术，用于模拟和分析工业过程中的稳态行为。

通过建立数学模型并进行仿真，可以帮助工程师和研究人员更好地理解和优化工业过程，提高生产效率和产品质量。

二、稳态模拟的意义2.1 稳态与动态稳态是指系统的输入和输出在一段时间内保持不变的状态，而动态则是指系统处于不断变化的状态。

稳态模拟主要关注系统在稳定运行条件下的性能和行为，可以帮助工程师预测和优化系统的稳态运行。

2.2 应用领域稳态模拟技术广泛应用于化工、石油、能源、制药等工业领域。

它可以用于设计和改进工业过程，优化操作条件，减少能源消耗，提高产品质量，降低生产成本。

三、稳态模拟的基本步骤3.1 构建数学模型稳态模拟的关键是建立准确的数学模型来描述系统的行为。

数学模型一般基于物质和能量守恒原理以及系统的物理特性。

常见的建模方法包括质量平衡、能量平衡和动力学方程等。

3.2 参数估计与校准在进行模拟之前，需要获取系统中的各种参数和初始条件。

这些参数可以通过实验、测量和文献调研获得。

然后需要对参数进行估计和校准，以确保模拟结果的准确性。

3.3 求解数学模型一旦数学模型和参数确定，就可以利用数值求解方法求解模型。

常用的求解方法包括有限差分法、有限元法、微分方程求解器等。

求解结果将给出稳态下系统的性能和行为。

3.4 模拟结果分析对模拟结果进行分析是评估系统性能和提出优化方案的关键。

可以通过分析模拟结果的敏感性、稳定性、能量损失等指标来评判系统运行的优劣，并提出改进措施。

四、稳态模拟技术的应用案例4.1 化工过程优化稳态模拟技术可以帮助化工工程师优化生产过程。

例如，在炼油厂中，通过稳态模拟可以预测不同操作条件下的产物分布、能耗和废弃物产生量，以优化操作参数，提高生产效率和利润。

4.2 石油勘探与开发稳态模拟技术在石油勘探与开发中也有广泛应用。

通过对油藏稳态模拟，可以预测油藏内的油气分布情况和流动规律，帮助工程师制定开发计划，提高油气采收率。

《过程控制与自动化仪表(第2版)》课后答案

数
G0
(s)
=
H
(s)
Q1
(s)。
R1 q1
h
R2
R3
q2
q3
解：假设容器 1 和 2 中的高度分别为 h1 、 h2 ，
根据动态平衡关系，可得如下方程组：
⎧⎪∆q1 ⎪
−
∆q2
=
C
d ∆h1 dt
(1)
⎪⎪∆q2
−
∆q3
=
C
d
∆h2 dt
(2)
⎪⎪⎨∆q2 ⎪
=
∆h R2
(3)
⎪ ⎪∆q3 ⎪
=
∆h2 R3
控制器的外形结构、面板布置、操作方式等保留了模拟调节器的特征。2、与模拟调节器相比具有更丰富的运算控制功能。3、具有数据通信功能，便于系统扩展。4、可靠性高具有自诊断功能，维护方便。
数字式控制器的硬件电路由主机电路，过程输入通道、过程输出通道、人/机联系部件、通信部件等。
1-（9）执行器由哪几部分组成？它在过程控制中起什么作用？常用的电动执行器与气动执行器有何特点？答：执行器由执行机构和调节机构（调节阀）两部分组成。
第一章绪论
2-（1）简述下图所示系统的工作原理，画出控制系统的框图并写明每一框图的输入/输出变量名称和所用仪表的名称。
LC
q1 LT
h
A
q2
解：本图为液位控制系统，由对象水箱、液位检测、反馈控制回路组成，为了达到对液位（h）
控制的目的，对液位进行检测，经过液位控制器来控制调节阀，从而调节 q1 的流量达到液
=
⎛ ⎜⎜ C ⎝
d∆h dt
−
∆q1
+
2
∆h R2

化工设计第3、4章物料衡算和能量衡算和过程模拟

= 2.82mol；反应的CH3OH =0.75×1 = 0.75mol
输出： HCHO（输出）= 0.75mol； CH3OH（输出）= 1－ 0.75 = 0.25mol； O2（输出）= 0.75－ 0.75×0.5=0.375mol； H2O（输出）= 0.75mol
循环过程(两种解法）
1) 确定加热剂或冷却剂的消耗量； 2)为公用工程（热工、电、锅炉、给水、冷暖）提供设计条件; 3) 为提高能量利用率，降低能耗提供重要依据; 4)确定总需求能量和能量的费用。
热量衡算步骤
(1)以单位时间为基准的物料流程图，确定热量平衡范围； (2)在物料流程图上标明已知温度、压力、相态等已知条件； (3)选定计算基准温度； (4)列出热量衡算式，求解未知值； (5)整理并校核计算结果，列出热量平衡表。
F1=2000kg/h 75%液体 25%固体
过滤机
滤饼 90%固体 F3=？kg/h 10%液体
F2=？kg/h 1%固体 99%液体
滤液
精馏过程
F3
F1 料液乙醇 40% 水 60%
馏出液
乙醇=1% 水 24% 苯 75%
F2 苯
乙醇产品 F4=1000kg/h
化学反应过程的物料衡算
1.直接计算法
化工工程设计中需要大量的时间查找、筛选和估算物性数据。衡算时必须有足够而准确的原始数据。原始数据的来源根据计算性质而不同。对于设计一个新的工艺过程，有关数据可由实验室试验或中试提供，对于生产过程，则由生产装置测定而得到。当某些数据不能精确测定或缺少时，可在工程设计计算所允许的范围内推算或假设。
过程模拟简介
过程模拟类型模拟型、设计型、优化型
过程模拟的三要素系统模型、物性数据和热力学方法、算法

第3章-过程系统的稳态模拟概要

* 其它的系统分隔方法：邻接矩阵法等。
3.3 再循环回路的断裂
3.3.1 断裂物流的选择
s6ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
s4
s1
Ⅰ
Ⅱ s2
s3
Ⅲ
Ⅳ
s7
s5
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
股时迭代计算的难易程度，应当使所有的断裂流股权因子数值总和最小； IV. 选择一组断裂流股，使直接代入法具有最好的收敛特性。说明：准则III应当是比较完善的，但各流股权因子的估计是困难的。准则IV具有相当的实用性。
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
化规
计定
计
程
计
计
单元
程
计
优
设流过物性算算算算
计算
3.1.2 联立方程法
• 联立方程法又称面向方程法，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。
• 联立方程法解算快速有效，对设计、优化问题灵活方便。效率较高。
()
()
（4）D开始
( A,B,C,D),E,C,D
E
拟节点中又识别出一个环路
( A, B,C,D)
E
节点D,E,C,D构成一环路。该拟节点包含4个环路: (B,C,D,B)、（C,E,C)、(C,A,B,C)及（D,E,C,D)。
（5）E开始（A,B,C,D,E),F,G,F
合并F,G
(A,B,C,D,E),(F,G)
X (k ) X (k 1)
此法的收敛速度，具有超线性收敛的性质，比部分迭代法（包括直接迭代法）快。

《化工过程分析与合成》课程教学大纲

《化工过程分析与合成》课程教学大纲制定人：吴淑晶教学团队审核人：门勇开课学院审核人：饶品华课程名称：化工过程分析与合成/ Analysis and Synthesis of Chemical Engineering Process课程代码：040323适用层次（本/专科）：本科学时：32 学分：2 讲课学时：30 上机/实验等学时：2 考核方式：考查先修课程：高等数学、物理化学、化工原理、化学反应工程适用专业：化学工程与工艺教材：张卫东，孙巍，刘君腾．化工过程分析与合成(第二版)．国家精品课程教材，北京：化学化工出版社，2011．主要参考书：1.姚平经．过程系统工程．上海：华东理工大学出版社，2009.2.王弘轼．化工过程系统工程．北京：清华大学出版社，2006.3.都健．化工过程分析与综合．大连：大连理工大学出版社，2009.一、本课程在课程体系中的定位培养学生应用系统工程的观点和方法研究化工过程系统模拟、分析、优化和合成的基本能力。

二、教学目标1.培养学生的工程意识。

2.培养学生从系统工程的角度分析问题和解决问题的基本能力。

3.培养学生应用系统工程的观点和方法研究化工过程系统模拟、分析、优化和合成的基本能力。

三、教学效果通过本课程的学习，学生可具备：1.掌握化工工程分析和合成的基本概念和基本内容。

2.掌握化工过程系统模拟与分析的基本原理和方法。

3.掌握化工过程系统优化与合成的系统工程方法。

4.了解理论知识与工程实际的联系，培养学生的工程意识。

5.从系统工程的角度分析问题和解决问题的基本能力。

6.应用系统工程的观点和方法研究化工过程系统模拟、分析、优化和合成的基本能力。

四、教学内容与教学效果对照表五、教学内容和基本要求第1章绪论教学内容：化工过程；化工过程生产操作控制；化工过程的分析与合成；化工过程模拟系统；化工企业CIPS技术；人工智能技术在化工过程中的应用。

教学要求：了解化工过程生产操作控制；掌握化工过程分析与合成的基本概念及主要研究内容；了解化工企业CIPS技术；了解人工智能技术在化工过程中的应用。

过程系统稳态模拟的基本方法及应用

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

2化工过程系统模拟

第一步：提出问题。第二步：从有关的资料和基本原理中寻找这一问题
的已知规律，奠定这一过程的理论基础。第三步：化工基础数据的收集和整理。第四步：建立数学模型。第五步：选择演算方法。第六步：编写计算程序。第七步：上机演算。第八步：整理计算结果。第九步：与已知结果进行核对。
物性数据及程序单元过程化工数据成本核算数据及程序
第三层次是含有多个自变量的偏微分方程。所谓 “多个”，在化工系统中最多也就是4个，三维空间加上时间自变量。如果没有时间自变量就是稳态分布参数模型，加上时间变量就是非稳态分布参数。与此对应的是多级系统中的多维差分方程。
2.1.3 数学模拟
1、数学模拟的手段
(1) 数学模拟手段的发展沿革拉普拉斯变换——电子模拟计算机——电子数字计算机— —混合计算机
物性信息
输入流股变量
过程的模型
输出流股变量
单元参数单元过程的数学模型示意图
4、过程构型
以上讨论的三个方面信息，均是由物理和化学的定律所决定的。但过程构型则完全是由设计者来决定的。
一是哪一些流股是由哪一个单元设备输出，又是输入至哪一些单元设备。就是描述一个流程中的各个单元设备是怎样被一些流股联接起来的。
集中参数模型和分布参数模型
集中参数模型：当过程参数随空间位置不同的变化被忽略的情况下，过程系统的各种参数都被看作在整个系统中是均一的。按这样来建立的模型中，各种参数的数值与空间位置无关，故称为集中参数，数学上表现为代数方程组或常微分方程组（动态情况下）。
分布参数模型：是研究过程参数在整个系统空间从一个点对另一个点的性能变化。这些过程参数不再与空间无关，而成为空间位置的函数。数学上表现为偏微分方程式。
设计问题比模拟分析问题增加了一层迭代，因而求解起来要复杂一些。

(完整版)化工过程分析与合成考点(精华)

化工过程分析与合成考点1、什么叫过程：（1）客观事物从一个状态到另一个状态的转移。

【过程】（2）在工艺生产上，对物料流进行物理或化学的加工工艺称作过程工艺。

【过程工艺】（3）以天然物料为原料经过物理或化学的加工制成产品的过程。

化工过程包括：原料制备、化学反应、产品分离（4）由被处理的物料流联接起来，构成化工过程生产工艺流程。

（5）【最重要的单元过程】化学反应过程、换热过程、分离过程、输送过程、催化反应过程（6）【化学反应过程举例】热裂解反应过程、电解质溶液离子反应过程生化反应过程、分散控制（7）【过程控制技术发展历程】计算机集中控制、集散控制（我国多）、现场总线控制第二章、化工过程系统稳态模拟与分析【模块】模型和算法，一是要建模，二是这个模型的算法，两者组一起才能算作模块。

【单元模型类型】理论模型、经验模型、半经验模型。

【什么叫稳态（化工过程稳态模拟）】各个工艺参数状态量不随时间而发生变化的叫做稳态。

【么叫模拟】对过程系统模型进行求解就叫模拟。

【过程系统模拟可以解决哪些问题（会画图）】（1）过程系统模拟分析问题；（2）过程系统设计问题；（3）过程系统参数优化问题。

过程系统模拟分析问题：已知决策变量输入，已知过程参数，求输出，是一个正向求解问题，最简单的模型。

2）过程系统设计问题：已知输出设计结果，已知过程参数，求决策变量输入；看起来是已知输出求输入，实际上是假设输入猜值去计算输出与已知输出进行比较再调整猜值进行计算。

只能单项求解，从左到右3)过程系统参数优化问题：过程系统模型与最优化模型联立求解，得到一组使工况目标函数最佳的决策变量，从而实施最佳工况。

【过程系统模拟三种基本方法，及其优缺点】（1）序贯模块法（不适于解算设计、优化问题，只适于模拟问题（2）面向方程法（3）联立模块法（同时有（1）、（2）的优点）【单元模块】是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。

具有单向性特点【断裂】通过迭代把高维方程组降阶为低维方程组的办法。