第3章_过程系统模拟的基本方法
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
• 过程系统：由各种过程构成的系统
• 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
FEED
REACTOR
RECYCLE
REAC-OUT
COOL 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
• （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
不相关 子系统
公司结构
常减压 炼油厂
催化
重整
焦化
芳烃
石化公司
不可回分路隔 子系系统统
机械厂
换热器 车间
塔器 车间
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
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：
W
△P
1 .
r个化学反应
1 .
. n
g个结构变量
. s
n
d(U) (ci2)(s1)erg i1
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
1
2
3
4
可及矩阵法识别不可分隔子系统依据：
反应器
5 C ,A (B )
5
A (B ,C )
放空
5
5
5
精馏
5 产品 C (A ,B ) (a)
系统自由度=Σ单元压 自缩 机由度+Σ进料自由分 割度器 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
5
45 进 料 A (B )
反应器
5 C ,A (B )
5
(a) 压缩机
A (B ,C )
放空
5
5
5
精馏
5 产品 C (A ,B )
分割器
产品
进料
混合器 反应器 加热器 调节阀 精馏塔
产品
边
(b )
节点
10
8
9
1
2
3
4
5
6
7
(c)
2. 系统结构的矩阵表示
• 节点----节点
第3章 化工过程模拟的基本方法
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
x7
0
0
0
0
0
1
0
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：
自由度数 0 S-1 2 1 2 1 2+r 5 3
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
5
45 进 料 A (B )
公司结构
常减压 炼油厂
催化
重整
焦化
芳烃
石化公司
不可回分路隔 子系系统统
机械厂
换热器 车间
塔器 车间
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*AA2 A Ak
k1
同属一个回路的节点
aij aji 1
当满足该条件的节点数量大于λ 时，说明坐在公 用一个节点的复合回路
x1 u1
x1
x1 0
x2
0
x3 x4
0
0
x5
0
x6 0
x 7 0
x2 u2 x3 u3 x4
u4
u5
x5
u6 x6 u7 x7
x2 x3 x4 x5 x6 10 0 0 0
01 0 0 0
00 1 0 1
00 0 0 0
10 0 0 0
00 0 1 0
00 0 0 0
例
x1 x2 x3 x4
x1 x2 x3 x4
f1 1
f2
f3 f4
1
1 1
1
1
1
f2 f3 f1 f4
1
1 1
1
1 1
Βιβλιοθήκη Baidu
x1 x2 x3 x4
f2 f3
1
1
f1 f4 1
1
过程系统识别
• 不相关子系统
– 分析
• 不可分隔子系统
– 可及矩阵
不相关 子系统
– 节点相邻矩阵
• 节点----边
– 关联矩阵
• 边----边
– 弧相邻矩阵
节点相邻矩阵
• 相邻矩阵定义为：
S [ s i] m j m( i 1 , , m ; j 1 , , m )
• 式中，m为节点数目； • sij为矩阵元素，定义为
1 从节i到 点节j有 点单向 sij0 否则
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
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。
• 过程系统：由各种过程构成的系统
• 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
FEED
REACTOR
RECYCLE
REAC-OUT
COOL 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
• （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
不相关 子系统
公司结构
常减压 炼油厂
催化
重整
焦化
芳烃
石化公司
不可回分路隔 子系系统统
机械厂
换热器 车间
塔器 车间
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
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：
W
△P
1 .
r个化学反应
1 .
. n
g个结构变量
. s
n
d(U) (ci2)(s1)erg i1
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
1
2
3
4
可及矩阵法识别不可分隔子系统依据：
反应器
5 C ,A (B )
5
A (B ,C )
放空
5
5
5
精馏
5 产品 C (A ,B ) (a)
系统自由度=Σ单元压 自缩 机由度+Σ进料自由分 割度器 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
5
45 进 料 A (B )
反应器
5 C ,A (B )
5
(a) 压缩机
A (B ,C )
放空
5
5
5
精馏
5 产品 C (A ,B )
分割器
产品
进料
混合器 反应器 加热器 调节阀 精馏塔
产品
边
(b )
节点
10
8
9
1
2
3
4
5
6
7
(c)
2. 系统结构的矩阵表示
• 节点----节点
第3章 化工过程模拟的基本方法
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
x7
0
0
0
0
0
1
0
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：
自由度数 0 S-1 2 1 2 1 2+r 5 3
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
5
45 进 料 A (B )
公司结构
常减压 炼油厂
催化
重整
焦化
芳烃
石化公司
不可回分路隔 子系系统统
机械厂
换热器 车间
塔器 车间
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*AA2 A Ak
k1
同属一个回路的节点
aij aji 1
当满足该条件的节点数量大于λ 时，说明坐在公 用一个节点的复合回路
x1 u1
x1
x1 0
x2
0
x3 x4
0
0
x5
0
x6 0
x 7 0
x2 u2 x3 u3 x4
u4
u5
x5
u6 x6 u7 x7
x2 x3 x4 x5 x6 10 0 0 0
01 0 0 0
00 1 0 1
00 0 0 0
10 0 0 0
00 0 1 0
00 0 0 0
例
x1 x2 x3 x4
x1 x2 x3 x4
f1 1
f2
f3 f4
1
1 1
1
1
1
f2 f3 f1 f4
1
1 1
1
1 1
Βιβλιοθήκη Baidu
x1 x2 x3 x4
f2 f3
1
1
f1 f4 1
1
过程系统识别
• 不相关子系统
– 分析
• 不可分隔子系统
– 可及矩阵
不相关 子系统
– 节点相邻矩阵
• 节点----边
– 关联矩阵
• 边----边
– 弧相邻矩阵
节点相邻矩阵
• 相邻矩阵定义为：
S [ s i] m j m( i 1 , , m ; j 1 , , m )
• 式中，m为节点数目； • sij为矩阵元素，定义为
1 从节i到 点节j有 点单向 sij0 否则
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