化工过程系统稳态模拟研讨(ppt 94页)实用资料

模拟是对过程系统模型的求解:
用EXCEL求解此问题
2.1.1 过程系统模拟的概念及基本任务 所谓模拟即是对过程系统模型进行求解，通过对这种求解 可解决第1章绪论中所提到的三类问题，即：
模拟
设计
优化
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。
化工过程系统的结构——常表示为化工生产系统的工艺流程图。
2.1.3 过程系统模拟的三种基本方法
化工过程系统的数学模型通常采用一大型的非线性方程组表示， 具有复杂性和特殊性。过程系统模拟非常复杂，手工计算是难以 胜任的，即使采用电子计算机来进行求解也存在一定的困难。
模拟计算求解的方法包括： 序贯模块法（Sequential Modular Method） 面向方程法（Equation Oriented Method） 联立模块法（Simultaneously Modular Method）
A、SMM 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。
系统中的单元设备只要已知其所有输入流股和有关决策变量， 就可通过调用相应的单元模块，解出所有输出流股。
[学习重点与难点] 图的分隔、切断及排序方法； 序贯模块法、联立方程法、联立模块法。
例 发酵液的分离问题
例 1 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：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。
物料衡算关系: F1= F2+ F3 组分衡算关系: F1x1= F2x2+ F3x3
2.1.2 过程系统模拟的基本结构
单元过程模块
输入模块
物性数据库
管理系统 执行模块
热力学数据库
输出模块
计算方法库 经济分析模块
优化方法库
输入模块：提供模拟计算中所需的所有信息，包括过程系统 的拓扑结构信息。输入方式可以是批处理或一次性输入，也 可以采用用户人机对话的方式。
单元过程模块：根据输入流股及单元结构信息，进行物料及 能量衡算，获得所有输出流股的信息（如换热器、精馏塔）。
过程系统设计
过程系统参数优化
广义上模拟的含义：
采用一能反映研究对象本质和内在联系，与原型具有客观 一致性，且可再现原型发生的本质过程和特性的模型，来 进行研究和设计原型过程的方法。
上述三类问题，针对所要求解问题的不同，其求解的复杂程 度也不同。设计问题比模拟分析问题多了一层迭代；而优化 问题不仅增加了循环迭代，还增加了目标函数模型和最优化 模型，使求解过程更加复杂。本章仅针对模拟与设计。
上例中，则需要将系统分割成4个不可再分块，使 各不可再分块之间再无循环流股，可以按流程拓 扑的方向顺序进行求解。对于上例，求解顺序为 {1}——{2，3}——{{4，5}，6}——{7}。
过程系统模拟的序贯模块法优缺点
优点：
缺点：
✓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；
物性数据库、热力学数据库、计算方法库：为单元模块求 解提供基础数据及求解方法。
优化方法库：系统模拟需要进行优化时，提供优化计算方 法。
经济分析模块：将生产操作费用与设备投资费用与市场联 系起来，对系统生产进行经济评价。
管理系统执行模块：过程系统模拟的核心，用以控制计算 顺序及整个模拟过程。
输出模块：按照过程单元或流股输出用户所需的中间结果 及最终结果等。
热量衡算关系: H1F1+Q= H 2 F2+H3F3 相平衡关系: 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%。
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。
C、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ຫໍສະໝຸດ Baidu并处理，通过联立求解达到同时收敛。
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/s，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10kg的谷物中仍 含1kg的水/乙醇溶液，5%(wt)的浆液排放掉。
✓计算出错时易于诊断出错位置。
✓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。
B、EOM
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；
EOM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。
化工过程分析与合成
Analysis and Synthesis of Chemical Process
第二章 化工过程系统稳态模拟与分析
Chapter2 Steady-state Simulation and Analysis of CPS 2-I
[学习目的] 掌握图的分隔、切断和排序； 掌握序贯模块法、联立方程法、联立模块法及其不同点； 了解图论的基本概念； 了解图的数学表达； 了解常见的经典序贯模块方法。
对于开环系统（即不含循环流股的系统），完全可以根据系 统的输入流股，从系统输入开始，按流程方向依次逐个计算 对设备进行顺序计算。
但是当系统内有循环流股时，某些设备的输入流股来自流程 后面的设备，是未知的，这些设备就无法单独求解。
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若采用序贯模块法，首先需要将系统分割成若干 个不可再分块（独立子系统），然后对其进行顺 序求解，对含有多个单元的不可再分块，可用迭 代的方法联立求解。