过程系统模拟的基本方法

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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。

工艺流程的仿真与模拟分析

工艺流程的仿真与模拟分析工艺流程的仿真与模拟分析在现代制造业中起着重要的作用。

通过对工艺流程进行模拟分析，可以有效地评估和改进生产系统的性能，并提供决策支持。

本文将介绍工艺流程的仿真与模拟分析的概念、方法和应用领域。

一、概念工艺流程的仿真与模拟分析是指利用计算机技术对生产系统的工艺流程进行虚拟建模和仿真，并通过模拟实验来评估和优化生产系统的性能。

它通过对工艺流程中的各个环节进行建模和仿真，可以研究不同参数和变量对系统性能的影响，预测系统的运行情况，并提供改进方案。

二、方法1. 数据采集工艺流程的仿真与模拟分析需要大量的数据支持。

首先需要对所研究的生产系统进行全面的数据采集，包括生产线的结构和布局、设备的性能参数、工艺参数以及员工的工作情况等。

2. 建模与仿真在数据采集的基础上，利用专业的仿真软件对工艺流程进行建模。

根据生产系统的实际情况，将各个环节、设备和人员进行虚拟建模，并确定模型中各个元素的工艺参数和性能指标。

3. 参数设置根据实际需求，设定不同的参数和变量，模拟系统的不同工作状态。

通过对不同参数和变量的设置，可以评估系统在不同条件下的性能，如生产效率、质量控制等。

4. 仿真实验利用建模的生产系统进行仿真实验，模拟系统的运行过程。

通过对不同参数和变量的调整，观察系统的运行情况和性能指标的变化，并对比分析不同方案的效果。

5. 优化改进根据仿真实验的结果，对系统进行性能评估和优化改进。

根据性能指标的变化和要求，提出相应的优化策略，如设备调整、工艺改进等。

三、应用领域工艺流程的仿真与模拟分析在许多领域都有广泛的应用，以下是几个常见的应用领域：1. 生产线优化通过对生产线的工艺流程进行仿真模拟，可以评估生产线的性能并进行优化改进，提高生产效率和质量控制水平。

2. 物流系统设计对物流系统进行仿真模拟可以评估物流过程中的瓶颈和问题，并提出相应的解决方案，优化物流流程和配送策略。

3. 设备选型与布局通过仿真分析不同设备的工作状态和协同效果，可以进行设备选型和布局规划，提高设备利用率和生产效率。

过程系统稳态模拟的基本方法及应用

数学方法程序库
选择解算方法
编制或装配计算程序
第六、七步：在现代计算机上实现计算
上机解算
计算结果整理解释
第八、九步：整理计算结果与已有试验结果比较
不合理核对试验结果
核对，验证数学模型建立的是否正确
合理
正确解
图 1 过程系统数学模型的建立步骤
3 / 13
环境化学供应链管理路均被断裂。当然我们需要找到最优的断裂方式使得我们的计算简单，易于收敛。通常我们的最优断裂方式判据有以下几个： 1）断裂流线数量最少； 2）断裂流线的物流变量总数最少； 3）断裂流线的加权和最小，权重即反映断裂该流线对迭代收敛影响的困难程度； 4）断裂简单回路的总次数最少，避免一个简单回路被断裂多次，每个简单回路最好只被断裂 1 次。一般我们有以下几种断裂方法。 1）基本断裂法（判据 3）基本断裂法的优化模型可以表示为；s.t.
2 过程系统稳态模拟基本概念
过程系统稳态模拟是过程系统分析的有效手段，过程系统分析有效手段，其目的是通过对某一化工系统建立数学模型，利用对数学模型的求解，研究这一化工系统的整体稳态特性，即通过稳态过程模拟，分析系统中各单元输入、输出物流，设备结构参数和操作参数间的关系，及对系统整体特性的影响。为了对过程系统进行模拟则首先要建立能够描述过程系统性能的数学模型。该数学模型是由能描述此系统过程的数学方程及限制条件组成的。它是对某个过程系统工况特性关系的数学表达。具体而言，它包括以下几类方程。单元模型方程，过程系统通常是由各种单元操作组成，因此单元模型是过程系统模型的
3 过程系统稳态模拟的基本方法及应用
3.1 序贯模块法
序贯模块法（ Sequential Modular method）：模块是指用以描述单元操作，物性及系统其他功能的子程序；序贯模块法是按照过程系统的结构。对组合起来的各种单元模块序贯模拟计算。我们知道过程系统由各种单元操作联接而成，所以序贯分析法基本思想便是依据单元操作模块，前一模块的输出即为后一模块的输入，这时模拟是逐模块进行的，按这一思想模式建立的解决过程系统稳态模拟的方法就是序贯模块法的基本思想。因为过程工业中常有循环操作，因而其计算必须采用迭代计算，所以在系统中就出现嵌套式迭代，其迭代层次如图 3 所示。

化工过程分析与合成3.4 过程系统模拟的基本方法和步骤

方式Ⅰ：联结流股全部切断。简化模型以单元过程作为基本模块。方式Ⅱ：仅将系统中所有回路切断。可将回路所含的全部节点
合并为一个虚拟的节点或虚拟的单元过程，并作为简化模型的基本模块。优点：不需要设收敛模块，避免了序贯模块法收敛效率低的缺点；该法不需求解大规模的非线性方程，因而避免了联立方程法不易给初值和计算时间长等缺点。并且，由于简化模型在流程水平上联立求解，便于设计和优化问题的处理。
（5）建立输入模块（6）建立输出模块
3.4.2 联立方程法
基本思想：将描述过程系统的所有方程组织起来，形成一大型非线性方程组，进行联立求解。
优点：对模拟型、设计型和优化型问题没有区别，只要给定方程，其处理方法都是相同的；避免了多层次的嵌套迭代，计算效率高，特别是设计和优化问题效果更加明显。
根据过程系统流程拓扑的信息流图按照流股方向依次调用单元模块前一模块解出的出口物流信息作为后一模块所需的入口物流数据逐个求解全系统的各个单元设备获取全系统的所有输出信息
3.4 过程系统模拟基本方法
序贯模块法、联立方程法和联立模块法
3.4.1 序贯模块法模块：单元过程数学模型与求解方法。
模块功能：只要给定全部输入流股相关变量和设备主要结构尺寸，
方程—节点；变量—边。 ①识别不相关的子系统； ②识别回路和最大循环网； ③断裂回路或最大循环网，确定适宜的断裂变量； ④确定计算顺序，对系统进行联立求解。
b. 方程线性化法
将方程组中的非线性方程线性化，然后与系统中原线性方程一起组成一大型的稀疏线性方程组，按稀疏线性方程的方法求解，通过迭代计算，使之在规定的精度内收敛。
缺点：不能继承已开发的大量单元模块；给定初值比较严格；如果计算中出现问题不易诊断排除；内存需求大；缺少高效的非线性方程组求解算法。

生产排程和生产计划的模拟仿真方法

生产排程和生产计划的模拟仿真方法1. 模拟仿真方法在当今工业生产中扮演着非常重要的角色，特别是对于生产排程和生产计划的优化方面。

通过仿真模拟，可以更好地理解生产系统的运作机理，找出存在的问题并提出改进方案。

2. 生产排程是指确定生产活动的开始和结束时间，以满足客户需求并最大程度地提高生产效率。

而生产计划则是在考虑资源约束和其他限制条件下，确定生产数量和时间安排的过程。

3. 通过模拟仿真方法，可以对生产系统进行全面的建模和分析。

仿真模型可以包括从原材料采购到成品交付的整个生产过程，以及相关的资源利用、运输调度等方面。

4. 生产排程和生产计划的优化是企业提高竞争力的重要手段之一。

通过模拟仿真方法，可以有效地评估不同排程策略和计划方案的效果，为决策提供科学依据。

5. 仿真模拟方法有多种形式，包括离散事件仿真、连续仿真、Agent-Based模拟等。

每种方法都有其适用的场景和优势，企业可以根据自身需求选择合适的仿真模拟方法。

6. 离散事件仿真是一种常见的模拟方法，通过建立事件的时间序列来模拟生产系统中的各种活动和事件。

离散事件仿真能够精确地模拟生产系统的动态运行过程，对排程和计划的优化提供有力支持。

7. 连续仿真是另一种常用的模拟方法，通过对生产系统中各种过程的连续化建模，模拟系统的持续运行状态。

连续仿真主要用于对连续流程的建模和分析，如装配线生产等。

8. Agent-Based模拟是一种基于智能体的模拟方法，模拟系统中不同个体之间的交互和影响。

Agent-Based模拟适用于研究复杂系统中各种主体之间的协作与竞争关系，对生产系统的整体优化具有独特的优势。

9. 在进行生产排程和生产计划的仿真模拟时，需要考虑系统的复杂性和不确定性。

生产系统受多种因素影响，如订单变化、机器故障、人员调度等，这些因素对排程和计划都有重要影响。

10. 为了有效地进行生产排程和生产计划的优化，企业可以借助仿真模拟工具对不同方案进行比较和评估。

化工过程过程系统的模拟

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（7）收敛速度（convergence speed ) 求解方程的任何迭代法的收敛速度可用下式来衡量：
X (k1) X *
lim
X
(k)
X
n
*
C
k
X*是它的解，n和C都是正数。指数n愈大，收敛速度愈快。通常将 n=1和n=2所对应的情况分别称为收敛速度具有线性收敛（linear
8
6
9
87
7
G (X, E) 节点：X(x1, x2,, x12) 边：E（e1，e2，，e14）
基本概念：节点—— 设备单元
边 —— 流股
子图路径循环回路或环路
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（2）矩阵表示
（a）过程矩阵(Process Matrix) Rp
表达过程系统单元设备与流股之间的关系，由流股将相关
输出流股向量
过程系统模型
输出优化结果
经济分析模型
优化变量
约束条件
约束条件
优化程序
性能指标
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2.1 过程系统结构的表达
（1）图形表示
工艺流程图的有向图或信息流程图（Information flow diagram)
13
12
10 11
14
12
11
1
2
3
4
5
10
1 2 34 569
应的回路只剩下一股物流，为此打开该回路，必须将该行非零元素对应的流股断裂。
断裂S2，A、C打开；断裂S7，B、D打开。
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计算顺序图示:
第20页，此课件共38页哦
思考题：

计算机仿真与建模方法

计算机仿真与建模方法计算机仿真与建模是一种利用计算机技术来模拟和重现现实系统或过程的方法。

它被广泛应用于各个领域，包括工程、科学、医学、社会科学等。

本文将介绍计算机仿真与建模的基本原理和常见方法，并探讨其在不同领域中的应用。

一、计算机仿真与建模的基本原理计算机仿真与建模的基本原理是通过数学模型来描述现实系统或过程，并运用计算机技术进行模拟和分析。

其基本步骤包括：系统建模、模型验证、仿真实验和结果评估。

1. 系统建模系统建模是计算机仿真与建模的第一步。

它涉及到对待模拟系统的深入了解，包括系统的结构、特性和行为规律等。

建模可以采用不同的方法，如数学建模、物理建模或逻辑建模等，具体选择取决于模拟对象的特点和研究目的。

2. 模型验证模型验证是保证仿真结果准确性的关键环节。

它包括对模型的数学基础、逻辑关系和参数设定进行检验和验证。

验证方法包括对比实测数据、与已有模型对比和理论推导等。

3. 仿真实验仿真实验是计算机仿真与建模的核心环节。

在仿真实验阶段，利用计算机技术对建立的数学模型进行模拟和分析，得到仿真结果。

实验中会根据需要对系统参数进行调整，以观察不同条件下系统的行为变化。

4. 结果评估结果评估是对仿真实验结果进行分析和评价的过程。

评估结果可以与实际系统进行对比，评估仿真模型的可靠性和准确性。

评估结果还可以为实际系统的改进提供参考和指导意见。

二、常见的计算机仿真与建模方法计算机仿真与建模方法有多种，具体的选择取决于模拟对象的特点和研究目的。

以下列举了几种常见的方法：1. 数值模拟方法数值模拟方法是计算机仿真与建模中常用的一种方法。

它通过将实际问题离散化为一系列数学方程，然后利用数值计算方法求解这些方程，得到仿真结果。

数值方法包括有限元法、差分法、有限差分法等，适用于各种工程、物理和科学领域的仿真建模。

2. 离散事件模拟方法离散事件模拟方法是一种基于事件驱动的仿真方法。

它将系统建模为一系列离散的事件，并模拟这些事件的发生时间和处理过程，得到仿真结果。

第二章(序贯模块法1)

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化工系统工程—第二章化工过程系统稳态模拟与分析
需解决的问题

确定有哪些再循环回路？对哪些物流进行设定猜值？应如何对断裂物流设定猜值，达到快的收敛速度？如何调整下次的猜值（即收敛算法）？如何判断收敛（即收敛的判据）？常见过程模拟三类问题：过程系统模拟分析、过程系统设计、过程系统参数优化
化工系统工程—第二章化工过程系统稳态模拟与分析
第二章
化工过程系统稳态模拟与分析
三种稳态模拟方法序贯模块法基本思想、优缺点比较、存面向方程法在基本问题、基本解法。联立模块法
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化工系统工程—第二章化工过程系统稳态模拟与分析

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5
2.2 过程系统模拟的三种基本方法
①序贯模块法(Sequential Modular Method)；
开发最早、应用最广
②面向方程法(Equation Oriented Method)；
所有的方程同时计算和同步收敛
③联立模块法(Simultaneously ModuIar Method)
兼有序贯模块法和面向方程法的优点

从系统入口物流开始，经过接受该物流变量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。依此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。不能独立变化的变量，服从于描述系统行为的模型方程。
解算快；模拟型计算与设计型计算一样；适合最优化计算，效率高；便于与动态模拟联合实现；

系统仿真方法及其在运筹学中的应用效果

系统仿真方法及其在运筹学中的应用效果运筹学（Operations Research）是一门研究如何通过数学模型、计算机技术和优化方法来优化决策和解决复杂管理问题的学科。

在运筹学领域中，系统仿真方法是一种重要的工具，它可以通过构建模型和模拟实验来帮助决策者制定最佳策略。

本文将介绍系统仿真方法的基本原理和技术，以及其在运筹学中的应用效果。

一、系统仿真方法的基本原理系统仿真是一种通过构建模型和模拟实验来研究复杂系统行为和性能的方法。

它的基本原理是将真实系统抽象为数学或统计模型，并根据模型进行计算机模拟，以获取对系统行为的认识。

系统仿真方法的基本步骤包括：问题定义、模型构建、参数设定、实验设计、模拟运行和结果分析等。

系统仿真方法的核心是建立合适的模型。

模型可以是连续的、离散的、确定的或随机的，具体形式取决于研究对象的特性和问题的需求。

常用的模型包括系统动力学模型、离散事件模型、代理模型等。

根据模型的形式，可以选择合适的仿真工具和软件来支持模拟实验的进行。

二、系统仿真在运筹学中的应用在运筹学领域中，系统仿真方法被广泛应用于决策支持和问题求解。

以下是系统仿真在运筹学中的几个典型应用。

1. 生产调度优化生产调度是指根据产品需求和资源约束，合理安排生产计划和生产资源的分配。

通过系统仿真方法可以构建生产调度模型，模拟生产过程中的各种资源利用情况，从而实现优化调度。

仿真模型可以考虑各类因素，如设备故障、人员变动、原材料短缺等，以及不同的生产策略和调度规则，帮助决策者找到最佳的生产调度方案。

2. 物流网络设计物流网络设计是指如何合理规划和配置物流网络中的各个节点和路径，以满足给定的运输需求和成本约束。

通过系统仿真方法可以模拟物流网络中的运输过程、库存水平、配送路径等，并根据不同的布局方案和策略评估其性能，找到最佳的物流网络设计。

仿真模型可以考虑不同的场景和变量，如产品种类、需求波动、货车容量等，为决策者提供决策支持。

过程系统模拟的三种基本方法

过程系统模拟的三种基本方法嘿，咱今儿个就来唠唠过程系统模拟的三种基本方法。

你可别小瞧这三种方法，它们就像是三把神奇的钥匙，能打开好多扇未知的大门呢！第一种方法呢，就像是一位经验老到的探险家。

它能细致入微地观察和分析整个过程，不放过任何一个小细节。

就好比你要去探索一个神秘的森林，你得知道每棵树的位置、每条小路的走向，这方法就是帮你搞清楚这些的。

有了它，你就能对整个系统有个清晰的认识啦，是不是很厉害？第二种方法呢，就如同一个智慧的谋士。

它能根据各种情况和条件，预测出可能出现的结果。

想象一下，就像是你在下棋，要提前想好后面几步怎么走，才能取得胜利。

这种方法能让你在面对复杂的过程系统时，心中有数，不慌不忙。

第三种方法呀，简直就是一个神奇的魔法师！它可以把一些看似不可能的事情变得可能，创造出令人惊叹的效果。

比如说，它能让一个效率不高的系统瞬间变得高效起来，就像给一辆老爷车装上了火箭发动机一样，那速度，蹭蹭地就上去了！这三种基本方法，各自都有独特的魅力和作用。

它们就像三根支柱，支撑起了过程系统模拟这座大厦。

没有它们，那可不行啊！你说是不是？在实际应用中，我们就像是一个指挥家，要巧妙地运用这三种方法。

根据不同的情况，选择最合适的方法，或者把它们结合起来使用，发挥出最大的效果。

这可需要我们有敏锐的洞察力和果断的决策能力呢！比如说，有时候我们可能会遇到一些特别复杂的过程系统，这时候单一的方法可能就不够用啦。

那咱就得把这三种方法都用上，就像组成一个超级战队一样，共同攻克难题。

而且啊，这三种方法还在不断地发展和完善呢！就跟人一样，也得不断学习进步呀。

随着科技的发展和我们对过程系统的深入理解，它们会变得越来越强大，能解决的问题也会越来越多。

总之呢，过程系统模拟的这三种基本方法，那可是相当重要啊！咱可得好好掌握它们，让它们为我们的工作和生活带来更多的便利和惊喜。

别小看了它们，说不定哪天它们就能帮你解决一个大难题呢！你还在等什么呢？赶紧去深入了解它们吧！。

化工过程分析复习

《化工过程分析》复习资料一、填空1、过程系统分解包括对大规模复杂系统进行的识别、的分割、的断裂。

2、换热网络的设计要尽量有热通量穿过夹点。

3、系统的自由度为数减去描述系统的数。

4、过程系统工程学是以、、为基础，以为工具，应用于化工过程领域的一门边缘学科。

5、一个含有C组分的独立流股具有个自由度。

6、Aspen Plus软件的解算方法为，对于有循环回路和设计规定的流程必须。

7、最优化模型一般包括、和三大要素。

8、在实际过程系统中，决策变量数往往系统的自由度数。

9、在通用流程模拟系统中主要涉及物性模型、、和经济模型几大类，有时还涉及和管理模型。

10、综合换热网络时，实现最小公用工程目标的三种方法分别是、和线性规划法。

11、序贯模块法的基础是，单元模块是依据相应过程单元的和编制而成的子程序。

12、过程系统模拟基本方法分为、和三大类。

13、序贯模块法的基础是，单元模块是依据相应过程单元的和编制而成的子程序。

14、化工过程系统分解可分为及。

15、Aspen Plus是基于、、和的大型化工流程模拟软件。

16、过程系统工程的研究主要是：、、、、、人工智能技术的应用等。

17、是过程系统分析的主要工具。

18、过程系统综合的基本方法是、、、。

19、有两个流股混合成一个流股，每一流股有（C+2）个独立变量，则混合器的自由度为。

20、单元过程模拟的核心工作是构建。

21、过程系统模拟的基本任务是：、、。

22、选择最优断裂流股的方法有、、。

23、温-焓图（T-H图）描述的是过程系统中和的热特性。

24、确定夹点位置比较常用的方法是。

25、过程系统模拟的基本方法中，序贯模块法按求解。

26、用“问题表格法”确定夹点位置，可以看出夹点的两个特征：一是；二是。

27、过程系统工程的基本内容是：从过程系统的出发，根据系统内部各个组成部分的，确定过程系统在规划、设计、控制和管理等方面的最优策略。

28、过程系统分解包括对大规模复杂系统进行的识别、的分隔、的断裂。

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。

化工过程模拟与分析(第二章化工过程系统数学模拟方法)

联立方程法基本问题
1、针对稀疏方程的解法； 2、初始值确定； 3、方程解法的选择。
三、联立模块法（Simultaneous modular approach）
研究背景联立方程法的缺点：
1、方程求解和出错诊断困难 2、先前开发的模块被浪费原理将严格单元模型线性化产生只包含流股输入、输出信息的近似线性模型，将之联立形成过程系统的线性模型并求解。
模型
总流量及物流性质的计算与加合器相同
FOUT j j FOUT
若给定j物流占总流的分率
FOUTj fOUTj,k /X OUTj,k 给定k出口物流的组份流量
反应器的化学计量模型及其线性化
流程模拟软件提供的反应器模型：
1. 化学计量模型转化率和一个或多个反应程度；
2. 多相化学平衡反应器每个反应偏离平衡的程度；
zi 1 Ki f 0 i 1 1 K i 1
c
V F
气相分率
求解出气相分率之后，则可获得其他所有状态变量
确定F, z, PF, TF, P, T值
给出气液相组成x和y的估计值
计算 Ki=Ki ( x, y, P, T ) 以x, y的计算值作为新的估计值
平衡闪蒸的不同类型
闪蒸类型 Ⅰ Q，P 设计变量 T，V 状态变量
Ⅱ
Ⅲ Ⅳ
Q，T
Q，V V，T
P，V
P，T P，Q
Ⅴ
Ⅵ 各类
V，P
P，T
T，Q
V，Q
F，PF，TF，zi（i=1，2…，c-1）xi，yi，zc，L，HF，HL，HV， Ki（i=1，2,…，c-1）
模型的求解
对于情况V，若相平衡系数Ki已知，则可将物料平衡、相平衡和组分约束方程组转化为一个非线性方程

Aspen流程模拟基础(入门)-1

此外，所有模型都可以处理固体和电解质。单元操作模型库约由 50 种单元操作模型构成。
用户可将自身的专用单元操作模型以用户模型（USER MODEL）加入到Aspen Plus系统之中，这为用户提供了极大的方便性和灵活性。

ASPEN PLUS具有完整的单元操作模型—分馏模型

Aspen Plus的多级严格分离模型是基于内外两层结构（双层）、结合最新的联立方程和求解法编制而成。双层法是由 AspenTech总裁 J. Boston博士首创的。他自1981年起一直担任本公司总裁。此法必须提供初值，在大范围内应用十分可靠。 RADFRAC模型能严格地模拟多级气液平衡操作，包括吸收、汽提、有再沸器的吸收和汽提、萃取和共沸蒸馏，以及高度非理想体系的分馏过程。RADFRAC能严格计算任一塔板上两个液相的存在，也可以简单地假设第二液相为纯水。MULTIFRAC可以有效地计算互连的多塔分馏系统，如原油蒸馏、减压塔、催化裂化分馏塔、吸收塔、解吸塔、空气分馏塔以及有热交换的塔系统。 Aspen Plus还有经过工业考验的能处理反应的分离模型，该模型可在塔的任意塔板处或所有塔板上处理速率控制反应、化学平衡反应，以及气、液相反应。反应速率可由置入内部的幂律表示式或由用户提供的反应动力学程序来计算。Aspen Plus的简捷算法蒸馏模型需要输入的数据较少，也具有设计和核算两种型式。在不需要高度精确计算的情况下可以使用这些模型。
2. ASPEN PLUS界面介绍
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3. ASPEN PLUS快速入门
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(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。

化工过程分析与合成期末题库

一、填空题（每空1分）1 稳态模拟的特点是，描述过程对象的模型中？？时间参数。

2 就其模拟计算求解方法而言，过程系统模拟可以归纳为：？？、？？、？？。

3序贯模块法的基础是？？。

4 求解超大型稀疏非线性方程组的方法大致分为？？、？？两类。

5 根据对过程系统中状态变量分布特征的不同描述方式，一般可以把动态模拟时的数学模型分为？？、？？和？？。

6 根据建立模型的不同方法，一般可以将数学模型分为？？、？？和介于两者之间的？？。

7 连续搅拌罐反应器（CSTR）的动态模型可以用？？参数模型进行描述。

8 ？？优化和？？优化是过程系统的两大类优化问题，它们贯穿于化工过程设计和化工过程操作。

9求解非线性有约束条件最优化问题的方法很多，比较常用的有？？和？？。

它们的共同点在于都是将有约束最优化问题转变成？？最优化问题。

10在分离序列的综合中，根据试探法的经验规则S2，难分离的组分应当？？分离。

11化工分析过程，主要是分析过程系统的运行机制、影响因素、？？、？？、优惠工况下的最佳操作参数等。

12化工过程系统的合成包括有：反应路径合成、？？、？？、过程控制系统合成，特别是要解决由各个单元过程合成总体的任务。

13？？优化考虑的是流程方案的优化，在多种可行方案中找出费用最小的流程结构。

14在夹点之上，换热网络仅需要？？公用工程，相对于环境是个？？；在夹点之下，换热网络仅需要？？公用工程，相对于环境是个？？。

15在分离序列综合中，按照？？规则，等摩尔分割最有利。

16采用一种分离方法把一个？？组分混合物用简单塔分离成？？个纯组分的分离过程，共含？？个分离器，？？个分离序列数，含有？？个分离子群，？？个分离子问题。

17以下换热网络中的物流匹配？？是可行的，？？是不可行的。

18如果优化计算结果直接送往控制系统去执行则称为？？。

二、判断题（每题2分）。

请判断对错（√或），并简单解释原因。

1在序贯模块法中的单元模块具有单向性的特点。