化工过程系统稳态模拟研讨(ppt 94页)实用资料

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。
✓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。
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。
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。
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）。
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。
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。
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）
[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
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合并处理，通过联立求解达到同时收敛。
Байду номын сангаас
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。
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。