过程系统模拟的基本方法

常规指定变量
流量分配比 闪蒸温度、压力 出口压力 绝热多变效率，出口压力 某一物流出口温度 反应程度，绝热，压降
塔板数，进料位置，R, B, 操作压力
侧线抽出比，压力，换热量
过程系统自由度
• 过程系统自由度: – 确定系统状态的独立变量数目
5 4 进料 A(B) 5 反应器 5 5 5 C,A(B) 5 5 A(B,C) 5 精馏 放空
– 可及矩阵
不相关 子系统
公司结构
机械厂
常减压
炼油厂
换热器 车间 催化
塔器 车间
重整 芳烃
焦化
不可分隔 回路 子系统 系统
石化公司
可及矩阵法识别不相关子系统的准则：
• 矩阵A的可及矩阵A*定义为：
A* A A 2 A

k 1

Ak
同属一个回路的节点
W △P
1 . . n
r个化学反应 g个结构变量
n
1 . . s
d
(U )
(c i 2) ( s 1) e r g
i 1
常见过程单元自由度
单元名称 混合器 分流器 闪蒸器 泵、节流阀 压缩机/膨胀机 换热器 反应器 常规精馏塔 平衡级
自由度数 0 S-1 2 1 2 1 2+r 5 3
例
f1 f2 f3 f4 x1 1 1 x2 1 1 x3 1 x4 f2 1 f3 1 f1 f 4
x1
x2 1 1
x3
x4 1 1
1
1
x1 f2 f3 f1 f 4 1
x2 1
x3 1
x4 1
过程系统识别
• 不相关子系统
– 分析
• 不可分隔子系统
3. 系统结构的识别－－可及矩阵法
• 不相关子系统 – 过程系统： • 建模过程中可分别独立处理 – 方程系统： • 写出方程组事件矩阵，Himmelblau算法识别 • 不可分隔子系统 – 可及矩阵法，索引矩阵法、图解法，Steward通路法
方程系统识别----Himmelblau算法：
①在mm事件矩阵M中，选出非零元素最多的列k。 ②保留M中k列内每个零元素对应的行，k列中为1的元素 所对应的行用布尔加法合并成一行排列在最后。得到 的新的jm的布尔矩阵记做M(0)； ③重复②，从而得到序列{M，M(0)，…，M(N)}； ④最终得到矩阵M(N)，其每一列只有一个非零元素，其每 一行与原方程系统中的不相关子系统对应。
5 5 5 C,A(B) 5 5
A(B,C) 5 精馏
放空
5 产品 C(A,B) (a) 压缩机 分割器 产品
进料
混合器
反应器
加热器 (b)
调节阀
精馏塔
产品
边
节点
1 2 3
Biblioteka Baidu
10
8
9
4 (c)
5
6
7
2. 系统结构的矩阵表示
• 节点----节点
– 节点相邻矩阵
• 节点----边
– 关联矩阵
• 边----边
2.物流自由度、单元自由度及系统自由度
• 物流(stream) – Dühem 定理：对于一个已知每个组分初始质量的封闭 体系，其平衡状态完全取决于两个独立变量，而不论 该体系有多少个相，多少个组分或多少个化学反应
过程单元自由度分析方法
• 过程单元自由度: –可改变单元操作状态的独立变量数目
列方程法：列出现象方程、限制方程等 自由度=变量数-方程数 描述规则法： 要完全描述一单元设备的操作，必须确定的自由度的数目必定等于能由设备 结构确定或能用外部手段控制的变量的数目 公式分析法：
公司结构
机械厂
常减压
炼油厂
换热器 车间 催化
塔器 车间
重整 芳烃
焦化
不可分隔 回路 子系统 系统
石化公司
过程系统模拟一般步骤：
确定需模拟的系统 识别不相关子系统
• （一级子系统，各子系统独立处理）
一级子系统自由度分析
• 找到分解成规模最小的二级子系统的决策变量
各一级子系统内不可分隔子系统的识别
主要内容
• 过程单元
– 过程单元的自由度 – 过程单元的模型化与模拟
• 过程系统
– 过程系统的自由度 – 系统结构的识别 – 系统的分解
• 序贯模块模拟法
– – – – – 原理 寻找最佳断裂流股 断裂流股的收敛 面向方程模拟法及联立模块模拟法原理 过程系统的优化
• 常用商业化流程模拟软件简介
不相关 子系统
• （二级子系统，各二级子系统可依次求解）
各二级子系统依次处理
• 找回路、确定最佳断裂位置、确定计算顺序
相关单元操作建模，确定迭代方法
第1节 流程的自由度分析
1. 一些基本概念
• 过程(Process)：对原料进行某些物理或化学变换，使其 性质发生预期的变化 – 机械加工不能称为过程 • 系统：由相互联系，相互作用的若干组成部分结合成的具 有特定功能的总机体 • 过程系统：由各种过程构成的系统
– 弧相邻矩阵
节点相邻矩阵
• 相邻矩阵定义为：
S [ sij ]mm
(i 1,, m;
j 1,, m)
• 式中，m为节点数目； • sij为矩阵元素，定义为
1 sij 0
从节点i到节点j有单向弧 否则
x1
u1
x2
u2 u4
x3
u3 u5 u7
x5 0 0 0 0 0 1 0
x4
x5
x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x1 0 0 0 0 0 0 0 x2 1 0 0 0 1 0 0
u6 x 6
x3 0 1 0 0 0 0 0 x4 0 0 1 0 0 0 0

x7
x6 0 0 1 0 0 0 0 x7 0 0 0 0 0 1 0
5 产品 C(A,B) (a) 压缩机 分割器 系统自由度=Σ单元自由度 +Σ进料自由度 产品
进料
混合器
反应器
加热器
调节阀
精馏塔
产品
第２节 过程系统结构的计算机识别
主要内容 1. 过程系统结构有向图 2. 过程系统结构的矩阵表示 3. 系统结构的识别
1. 过程系统结构有向图
5 4 进料 A(B) 5 反应器
• 流程:
描述化工生产的物料流向及能量流向及装置特点的过程
RECYCLE REACTOR COOL FEED REAC-OUT COOL-OUT SEP
PRODUCT
• 模型：复杂的A简单的B来替代。研究B来预测A的行为 实物模型 / 数学模型 • 模拟：对某一描述实际过程的数学模型利用数学方法进行 求解，并对结果作出解释