化工过程模拟与计算绪论演示文稿
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化工计算绪论及第一章
5q 0.625 kcal / s 1Btu 2.48 Btu s
0.252 kcal
6q 266.9kgf m / s 1lbf 3.2808 ft
0.4536kgf 1m 1929.6lbf ft s
1－6 20％蔗糖溶液，20ºC粘度为1.967cp，换算 成:(1)kg/m·h（2）kgf·S/m2;(3)N·S/m2;(4)mPa·S; (5)lb/ft·S;(6)lbf·S/ft2。（1cp=0.01p)
例1-1 25℃时水的粘度为0.8937厘泊，换算成千 克/米·时及帕·秒。（1厘泊=0.01泊，1泊=1克/厘 米·秒）
解：1、找出比例形式（熟了后该步可忽略）
1k g 1000 g
100cm 1m
3600s 1h
2. 0.8937cp 0.8937102. g 1kg 100cm 3600s
第二节
单位换算
1— 4单位换算的方法
单位换算，是用不同单位制表示同一物理量。
连接单位法：将所有单位（原单位及所需换算 成单位）写出来，根据量与量间关系及单位间关 系写成数字与单位连乘连除式。
连接单位法步骤:
1、先查出同一因次不同单位制的换算系数，写 成比例形式（其比例 实质为1 ）
2、将需换成的量和单位根据其间关系写成数字 附带单位连乘连除的式子进行运算。
每个比值间垂直线相当于乘号，注意所乘比例
与要求单位间换算关系。
例2 将R=0.08205 atm.l.mol-1.K-1→SI单位
解:
R 0.08205 atm.l mol.K
101325Pa 1atm
1N 1Pa m 2
1m3 1000l
8.314N m mol1 K 1 8.314J mol1 K 1
0.252 kcal
6q 266.9kgf m / s 1lbf 3.2808 ft
0.4536kgf 1m 1929.6lbf ft s
1－6 20％蔗糖溶液，20ºC粘度为1.967cp，换算 成:(1)kg/m·h（2）kgf·S/m2;(3)N·S/m2;(4)mPa·S; (5)lb/ft·S;(6)lbf·S/ft2。（1cp=0.01p)
例1-1 25℃时水的粘度为0.8937厘泊，换算成千 克/米·时及帕·秒。（1厘泊=0.01泊，1泊=1克/厘 米·秒）
解：1、找出比例形式（熟了后该步可忽略）
1k g 1000 g
100cm 1m
3600s 1h
2. 0.8937cp 0.8937102. g 1kg 100cm 3600s
第二节
单位换算
1— 4单位换算的方法
单位换算，是用不同单位制表示同一物理量。
连接单位法：将所有单位（原单位及所需换算 成单位）写出来，根据量与量间关系及单位间关 系写成数字与单位连乘连除式。
连接单位法步骤:
1、先查出同一因次不同单位制的换算系数，写 成比例形式（其比例 实质为1 ）
2、将需换成的量和单位根据其间关系写成数字 附带单位连乘连除的式子进行运算。
每个比值间垂直线相当于乘号，注意所乘比例
与要求单位间换算关系。
例2 将R=0.08205 atm.l.mol-1.K-1→SI单位
解:
R 0.08205 atm.l mol.K
101325Pa 1atm
1N 1Pa m 2
1m3 1000l
8.314N m mol1 K 1 8.314J mol1 K 1
化工应用数学 1第一章 绪论
静态模型 七桥问题模型
七孔桥问题
在18世纪初，哥尼斯堡城有一 条河，河中有两个小岛，有七 座桥把它们连接起来。当时有 人提出：能否从岛上或岸上任 一A点出发，当且仅当通过每座 桥一次而回到A点。
1736年Euler解决了这个问题!! 七孔桥问题
要回到原点，每个中间点必须 一进一出，因此为偶数条线。
第一章 绪论
1.1 化工中的数学模型
1.2 何为数学模型 1.3 化工传递及反应动力学模型 1.4 化工数学建模及求解方法
1.1 化工中的数学模型
化工无论作为一个行业还是作为一种学科，在过去
的一个世纪里得到了突飞猛进的发展。在这期间数学和计算 机在化工发展过程中起到了巨大的推动作用。可以说没有数 学就不会有今天的化学工业。
按建模方法分类
(1) 机理模型； (2) 经验模型； (3) 半经验模型
按建模方法分类
(1) 数值模型； (2) 数量级模型； (3) 定性模型； (4) 布尔模型
随机性模型
在Fortran，C语言中都是一些伪随机数，在统计力 学的书中有大量的随机数发生器。
怎样利用随机数
求解日常中的基本问题？
（举例说明，在日常生活中用到随机数的事件）
多边形逼近法求解圆周率
Pi *R=L
能否利用其他的方法来求 圆周率呢？
1 Random x，y If(x**2+y**2 <= 1) then N1=N1+1 Endif N1/Nt= ?
-1
1
-1
怎样利用随机数得到圆周率Pi的计算式呢 ？
1
S square 2* 2 4
(c )
控制体内任一时刻的流体质量为 dxdydz ，因此累积率为
化工流程模拟实训：Aspen_Plus教程_第1章绪论幻灯片PPT
教材
教材
1.2 Aspen Plus 软件
Aspen Plus构成
1.2 Aspen Plus 软件
Aspen Plus特性
最完备的物性系 统
先进的计算方法 先进的流程方法 进展过程优化计算
1ห้องสมุดไป่ตู้ 43
完整的单元操作 模型库
快速可靠的流程 模拟功能
1.2 Aspen Plus 软件
Aspen Plus功能
1
对工艺过程进展严格的质量和能量平衡计算
2 可以预测物流的流率、组成以及性质
3
可以预测操作条件、设备尺寸
4
可以减少装置设计时间并进展装置各种设计方案的比较
5
帮助改进当前工艺
教材
中国石油大学〔华东〕 化学工程学院
孙兰义教授 主编 化学工业出版社 出版 国内第一本关于Aspen
Plus的中文教材
1.1 化工过程模拟
化工过程模拟的功能
科学研究 开发新工艺
化工过程模 拟的功能
生产调优 故障诊断
设计 改造
1.1 化工过程模拟
化工过程模拟系统的构成
1.2 Aspen Plus 软件
软件简介
Aspen Plus是一款功能强大的集化工设计、动态模 拟等计算于一体的大型通用流程模拟软件 起源于20世纪70年代美国能源部资助、MIT主持工
第1章 绪论
绪论
1.1 化工过程模拟
化工过程模拟简介 化工过程模拟的功能 化工过程模拟系统的构成
1.2 Aspen Plus软件
Aspen Plus简介 Aspen Plus的主要功能
1.1 化工过程模拟
化工过程模拟简介
实质：使用计算机程序定量计算一个化学过程中的 特性方程
化工过程模拟与分析(第一章绪论)
考虑多个目标函数的优化问题，通过 权衡各个目标之间的关系，寻找最优 解。
智能优化算法
借鉴自然界中的优化机制，如遗传算 法、蚁群算法、粒子群算法等，用于 解决复杂的优化问题。
过程强化技术
通过改进设备结构、优化操作条件等 手段，提高化工过程的效率和经济性。
04 化工过程模拟与分析的应 用领域
石油化工过程中的模拟与分析
现代阶段
当前，化工过程模拟与分析已经发展成为一门综合性的学科，涵 盖了化学工程、计算机科学、数学等多个领域的知识和技术。
化工过程模拟与分析的研究内容和方法
研究内容
化工过程模拟与分析的研究内容包括化工过程的建模 、模拟、优化和控制等方面。
研究方法
研究方法包括数学建模、数值计算、实验验证和案例 分析等。其中，数学建模是化工过程模拟与分析的核 心方法，通过建立数学模型来描述化工过程的本质和 规律。数值计算则是利用计算机对数学模型进行求解 和分析，得出化工过程的性能指标和优化方案。实验 验证是对模拟结果进行验证和评估的重要手段，而案 例分析则是对实际化工过程进行模拟和分析的常用方 法。
ChemCAD
一款易于使用的化工过程模拟 软件，支持多种单元操作和工 艺流程设计。
gPROMS
一款基于方程的化工过程模拟 软件，支持自定义模型和算法
开发。
03 化工过程分析的基本方法
化工过程的热力学分析
热力学基础
研究物质在平衡状态下的性质，包括热容、 热传导、相平衡等。
热力学第一定律
能量守恒定律在热力学中的应用，用于计算 系统的能量变化。
程、传递函数等。
传递过程动力学
研究动量、热量和质量传递过程的科 学，包括流体力学、传热学和传质学 等。
过程模拟与优化
智能优化算法
借鉴自然界中的优化机制，如遗传算 法、蚁群算法、粒子群算法等，用于 解决复杂的优化问题。
过程强化技术
通过改进设备结构、优化操作条件等 手段，提高化工过程的效率和经济性。
04 化工过程模拟与分析的应 用领域
石油化工过程中的模拟与分析
现代阶段
当前，化工过程模拟与分析已经发展成为一门综合性的学科，涵 盖了化学工程、计算机科学、数学等多个领域的知识和技术。
化工过程模拟与分析的研究内容和方法
研究内容
化工过程模拟与分析的研究内容包括化工过程的建模 、模拟、优化和控制等方面。
研究方法
研究方法包括数学建模、数值计算、实验验证和案例 分析等。其中，数学建模是化工过程模拟与分析的核 心方法，通过建立数学模型来描述化工过程的本质和 规律。数值计算则是利用计算机对数学模型进行求解 和分析，得出化工过程的性能指标和优化方案。实验 验证是对模拟结果进行验证和评估的重要手段，而案 例分析则是对实际化工过程进行模拟和分析的常用方 法。
ChemCAD
一款易于使用的化工过程模拟 软件，支持多种单元操作和工 艺流程设计。
gPROMS
一款基于方程的化工过程模拟 软件，支持自定义模型和算法
开发。
03 化工过程分析的基本方法
化工过程的热力学分析
热力学基础
研究物质在平衡状态下的性质，包括热容、 热传导、相平衡等。
热力学第一定律
能量守恒定律在热力学中的应用，用于计算 系统的能量变化。
程、传递函数等。
传递过程动力学
研究动量、热量和质量传递过程的科 学，包括流体力学、传热学和传质学 等。
过程模拟与优化
电子教案与课件：《化工单元操作》电子课件 0绪论(2015版)
分离技术
沉降 过滤 蒸发 干燥 蒸馏 吸收 萃取 结晶 膜分离 吸附
从气体或液体中分离悬浮的固体颗粒、液滴或气泡 从气体或液体中分离悬浮的固体颗粒 使非挥发性物质中的溶剂气化，溶液增浓 使固体湿物料中所含湿分气化除去 利用组分的挥发度不同，分离均相混合液体 利用气体在液体（吸收剂）中溶解度不同，分离气相混合物 利用液体在液体（萃取剂）中溶解度不同，分离液相混合物 使溶液中某种溶质变成晶体析出 利用固体或液体的膜来分离气体或液体混合物 利用组分在固体吸附剂上吸附量不同，分离气相或液相混合物
作。化工单元操作（又名化工原理）就是研究这
些物理操作的。
化工单元操作—绪论
2021/2/3
化工单元操作—绪论
2021/2/3
二、单元操作的分类
类别
流体流动 及输送技术
名称
流体流动 及输送
功能与用途 将流体从一个设备输送到另一个设备、提高或降低气体的压力
传热技术
传 热 升温、降温或改变相态 冷 冻 将物料温度冷却到环境温度以下
二、课程目标
• 使学生获得常见化工单元操作的操作技能、
基础知识和基本计算能力，并受到足够的 操作技能训练和职业素质培养，为学生学 习后续专业课程和将来从事工程技术工作， 实施操作控制、工艺调整、生产管理奠定 知识、技能、素质基础。
化工单元操作—绪论
2021/2/3
任务三 了解解决工程问题的基本思路和方法
• 非定态操作: 指操作参数既与位置有关又与时间有关，
如非定态流动和非定态传热等。间歇生产通常属于非定态 操作。非定态操作的特点是过程进行的速率是随时间变化 的，系统内存在物质或能量的积累。
化工单元操作—绪论
2021/2/3
化工过程模拟与分析第一章绪论
决策变量（Decision variables） 数值可以由设计者给 定的变量。
模拟（Simulation）用一个更为方便、经济而性能相似 的系统B来模仿系统A的性能的方法，试验系统B称为系 统A的模型（Model）。 若模拟系统B是一台计算机，它所演算的数学方程组可 以足够准确地描述过程A，则称为数学模拟。
数学模型（Mathematical model） 物理实体的数学抽象， 即关联研究对象的输入、输出以及一系列参数的数学方 程式，可分为机理模型、统计模型和混合模型。
参数（Parameter） 代表过程或其环境的某种性质，而 且可以被赋予一定数值的量称为“参数”，其中也包括 方程式中的常数或系数。
流程 (Flowsheet) 又称作流程图，原指将各种单元设备 等用图形符号画出，并示出其间联接关系，从而将整 个化工系统的构成情况描绘出来的图形表达；现也用 来一般地指一个化工系统的构成情况。 过程系统模拟分析 在确定过程系统的结构及其子系统 特性的前提下，借助计算机和系统模型，通过数学模拟 的方法，推测特定系统的特性，确定其各部位信息和总 体技术经济指标的方法，简称系统模拟。
输入输出：易于掌握和理解。
二、模拟型问题与设计型问题
模拟型问题
根据给定的系统的输入数据以及表达系统特性的数据， 预计系统输出的数据。
设计型问题 对流程结构为已知的化工系统，计算出能满足设计者所 规定的要求的某些参数或变量所应具有的数值 。
三、流程模拟系统 专用流程模拟系统
针对特定流程专门开发的模拟系统，只用于对该流程进 行模拟的目的，不具有通用性。
多目标非线性系统规划和优化
多产品集成间歇生产过程排序优化
产品开发与过程技术集成
多尺度法（Multi-scale method）
化工过程中模型的建立与计算讲解
化工过程中模型的建立与计算姓名：田保华化工过程中模型的建立与计算1. 概述过程的状态监控或过程的在线监测都需要建立合适的数学模型。
化工过程的数学模型主要有三大类方法，即机理模型，统计模型和混合模型。
描述过程的方程组由过程机理出发，经推导得到，并且由实验验证，这样建立起来的模型就是机理模型。
机理模型方法需要凭借可靠的规律及经验知识来建立原始微分方程式，这些规律和经验知识必须被表达为一般的形式。
机理模型是对实际过程直接的数学描述，是过程本质的反映，因此结果可以外推。
数学模型也可以根据实验装置、中型或者大型工业装置的实测数据，通过数据的回归分析得到的纯经验的数学关系式，这就是统计模型。
统计模型和过程机理无关，是根据实验从输出和输入变量之间的关系，经分析整理得到的。
它只是在实验范围内才是有效的，因而不宜外推或者以较大幅度外推。
由于实验条件的限制，统计模型的局限性很大，所以总是希望尽可能建立机理模型。
对于化工过程来说，由于经验模型受到实际条件的限制，应用范围有限，机理模型求解又十分困难，这样就产生了第三种数学模型，即混合模型。
混合模型是对实际过程进行抽象概括和合理简化，然后对简化的物理模型加以数学描述，混合模型主要是设法回避过程中一些不确定的和复杂的因素，代之以一些统计的结果和一定的当量关系，它是半经验半理论性质的。
在化工过程的数学模拟中，混合模型是应用最广的一种模型。
例如，混合模型用于粉仓中粉体流动数学模型分析等等。
近年来，人们将人工神经网络方法用于化工建模，并取得较好的效果。
化工过程中数学建模的建立一般是基于流体的性质。
流体的热力学性质主要是从状态方程（EOS）得到。
至今，文献报道的EOS已有一百五十种之多，有的从理论分析得到的、有的从实验数据分析归纳而来、还有一些是理论分析和实验数据相结合推出来。
比较经典的EOS有VDW方程，R-K方程，Soave方程，CS方程，33参数的MBWR方程。
这些经验、半经验的EOS只能在一定的温度和密度范围内对于某些流体适应，应用的范围比较窄，理论基础不强[34]。
化工过程模拟与计算(第1章绪论)
化工过程的数学模型
总结词
数学模型是用来描述化工过程中物质 和能量变化的数学表达式，包括代数 方程、微分方程、偏微分方程等。
详细描述
建立数学模型是进行化工过程模拟的 基础，通过数学模型可以描述化工过 程的动态行为和稳态行为，预测不同 操作条件下的过程性能。
化工过程模拟的步骤与方法
总结词
化工过程模拟通常包括建立模型、设定边界条件和初始条件、求解数学模型、结果分析和优化等步骤 。
详细描述
质量守恒方程，也称连续性方程，表述了质量在流体运 动过程中守恒的规律；动量守恒方程，也称NavierStokes方程，表述了牛顿第二定律在流体运动中的表 现形式，即流体的动量变化率等于作用在流体上的力； 能量守恒方程，表述了热力学第一定律在流体运动中的 表现形式，即流体所吸收或释放的热量等于其温度变化 的热力学能的变化。这些方程是描述流体运动的数学模 型，为计算流体力学的数值模拟提供了基础。
化学工业
化学工业是化工过程模拟与计算的重要应用领域，包括合 成氨、尿素、硫酸、硝酸等基础化工产品的生产过程的模 拟与优化。
制药工业
制药工业中涉及许多复杂的化学反应和分离过程，通过化 工过程模拟与计算可以实现对药物合成、分离、纯化等过 程的预测和优化。
环境工程
环境工程领域中涉及许多化学反应和传递过程，如污水处 理、烟气脱硫脱硝等，通过化工过程模拟与计算可以实现 对这些过程的优化和控制。
此外，随着工业4.0和智能制造的兴起，化工过程 模拟与计算将面临如何与工业生产实际相结合的 挑战，需要加强与工业界的合作与交流，推动理 论与实践的结合。
THANKS
感谢观看
Simulink
总结词
基于图形的仿真工具
详细描述
化工计算导论 及基本参数计算(浓度 温度 压力 流速流量计算)ppt
2.质量
质量习惯上称为重量，用符号m表示。 质量的单位为千克（kg），在分析化学中常用克 （g），毫克（mg），微克（μg）和纳克（ng）。它们 的关系为：
1kg=103g=106mg=109 μg=1012ng
3.体积
体积或容积用符号V表示，国际单位为立方米（m3）， 在分析化学中常用升（L）、毫升（mL）和微升（μL）。 它们之间的关系为： 1m3=103L=106mL=109 μL
中的任意一个
解：设需要加水x克。 15÷ (15+ x) ＝40% 40%（15+x）＝15 6+0.4x＝15 0.4x＝9 x＝22.5 答：需要加水22.5克
例2：往含盐率10%的800克盐水中，再加入200克水，新 盐水的含盐率是多少？
[分析] ：新盐水的含盐率就是求现在的盐占现在盐水总量 的百分之几，加入的是水，不是盐。所以现在的盐就是原 来的盐，而盐水总量变了。一般的，对于新盐水，加盐时
化工计算
化工计算
一、教 材
化工厂最基本的计算，涉及原料量和浓度、产 物浓度和数量以及供应或发生热量等关系问题， 需要通过物料衡算和热量衡算的方法计算。所 有这些计算统称为化工计算。
化工计算是工厂或车间设计由定性规划转入定 量计算的第一步；而且对现有生产流程的经济 性和存在问题进行评价也是必不可少的。
4.体积分数
盐水浓度计算
盐水浓度就是盐水中盐占盐水的百分之几。
例如，100g的清水中加入25g盐，此时盐水的 含盐率不是25%， 而是25÷（100+25）＝20%。
盐水包括盐和水两部分，含盐率体现的是部分与整体的 关系。
15
15 x 例1： 用15克盐配置成含盐率40%的盐水，需要加 水多
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
《化工计算》课件
高生产效率具有重要意义。
04
化工计算应用实例
石油化工流程模拟
总结词
通过模拟石油化工流程，可以预测和优化生产过程， 提高效率和降低成本。
详细描述
石油化工流程通常涉及多个物理和化学反应，通过计 算机模拟，可以预测不同操作条件下的产品产量、能 耗和物耗等指标，为实际生产提供理论依据。
化学反应器设计计算
化学反应工程基础
总结词
研究化学反应过程和反应器的学科基础。
详细描述
化学反应工程是研究化学反应过程和反应器的学科基础，包括反应动力学、反应器设计和优化等方面 。在化工计算中，化学反应工程用于分析和解决化学反应过程问题，如反应条件优化和反应器设计。
03
化工计算方法
物料衡算
总结词
物料衡算是化工计算中的基础方法，用 于确定物质在系统中的流入和流出量。
总结词
化学反应器是化工生产中的重要设备，通过设计计算可以确定反应器的最佳尺寸和操作 条件。
详细描述
根据化学反应动力学方程和工艺要求，可以计算反应器的体积、传热面积、停留时间等 参数，以确保反应器能够达到预期的生产效果。
传热设备设计计算
要点一
总结词
传热设备是实现热量传递的关键设备，通过设计计算可以 优化设备的传热性能和尺寸。
重要性
在现代化工生产中，精确的化工计算对于提高产品质量、降低能耗、减少环境污染等方面具有重要意义。通过 化工计算，可以优化化工过程，提高生产效率和经济效益。
化工计算的主要内容与目标
主要内容
包括流体流动、传热、传质、化学反应工程等方面的计算，涉及到的数学模型 和物理定律较多。
目标
通过学习化工计算，学生应掌握基本的计算方法和技巧，能够运用数学模型和 物理定律解决实际化工生产中的问题，为后续的专业课程学习和工作打下基础 。
04
化工计算应用实例
石油化工流程模拟
总结词
通过模拟石油化工流程，可以预测和优化生产过程， 提高效率和降低成本。
详细描述
石油化工流程通常涉及多个物理和化学反应，通过计 算机模拟，可以预测不同操作条件下的产品产量、能 耗和物耗等指标，为实际生产提供理论依据。
化学反应器设计计算
化学反应工程基础
总结词
研究化学反应过程和反应器的学科基础。
详细描述
化学反应工程是研究化学反应过程和反应器的学科基础，包括反应动力学、反应器设计和优化等方面 。在化工计算中，化学反应工程用于分析和解决化学反应过程问题，如反应条件优化和反应器设计。
03
化工计算方法
物料衡算
总结词
物料衡算是化工计算中的基础方法，用 于确定物质在系统中的流入和流出量。
总结词
化学反应器是化工生产中的重要设备，通过设计计算可以确定反应器的最佳尺寸和操作 条件。
详细描述
根据化学反应动力学方程和工艺要求，可以计算反应器的体积、传热面积、停留时间等 参数，以确保反应器能够达到预期的生产效果。
传热设备设计计算
要点一
总结词
传热设备是实现热量传递的关键设备，通过设计计算可以 优化设备的传热性能和尺寸。
重要性
在现代化工生产中，精确的化工计算对于提高产品质量、降低能耗、减少环境污染等方面具有重要意义。通过 化工计算，可以优化化工过程，提高生产效率和经济效益。
化工计算的主要内容与目标
主要内容
包括流体流动、传热、传质、化学反应工程等方面的计算，涉及到的数学模型 和物理定律较多。
目标
通过学习化工计算，学生应掌握基本的计算方法和技巧，能够运用数学模型和 物理定律解决实际化工生产中的问题，为后续的专业课程学习和工作打下基础 。
化工过程模拟与计算(第2章)
10
四、稳态模拟与动态模拟的异同
稳态模拟
仅有代数方程 物料平衡用代数方程描述 能量平衡用代数方程描述 严格的热力学方法 无水力学限制
动态模拟
同时有微分方程和代数方程 物料平衡用微分方程描述 能量平衡用微分方程描述 严格的热力学方法 有水力学限制
无控制器
有控制器
11
2.2 化工过程先进控制
一、概述
28
4、执行过程
• 第一组预期的操作变量设定值付诸实施后，每一次执行多 变量预估控制时，控制变量的预估值都要采用当前的装置 测量进行计算和予以更新，以保证多变量预估控制和实际 装置的一致性。
29
五、先进控制的经济效益
先进控制务必在DCS的基础上方能实施，各种不同石油 化工装置实施先进控制后，其净增（含实时优化）见下 表2-2
9
三、国外动态模拟的发展
20世纪70年代初期：动态研究报道，丁二烯抽提装置开 车。专业型 80年代：通用型商品化的动态模拟软件；美国的普度大 学的BOSS；英国剑桥的QUASLIN。 90年代中期：加拿大Hyprotech公司推出动态模拟软件 HYSIS，同时兼具稳态模拟和动态模拟的功能。 模拟软件推出的基础：机理模型
1、先进控制的历史 先进控制理论20世纪70年代初提出；
工业上的最初应用始于70年代末； 90年代以来，先进控制的工业应用获得了蓬勃发展，获 得巨大经济效益，大量工业装置纷纷在已有的DCS的基 础上配备了先进控制系统。 21世纪，先进控制技术在许多方面发展十分成熟：
• • • • 各种多变量预估控制的理论基础已被广泛认同； 多变量预估控制涉及的范围不断地扩充； 多变量预估控制软件包不断涌现； 大量的先进控制正在在各种工业装置中实施。
四、稳态模拟与动态模拟的异同
稳态模拟
仅有代数方程 物料平衡用代数方程描述 能量平衡用代数方程描述 严格的热力学方法 无水力学限制
动态模拟
同时有微分方程和代数方程 物料平衡用微分方程描述 能量平衡用微分方程描述 严格的热力学方法 有水力学限制
无控制器
有控制器
11
2.2 化工过程先进控制
一、概述
28
4、执行过程
• 第一组预期的操作变量设定值付诸实施后，每一次执行多 变量预估控制时，控制变量的预估值都要采用当前的装置 测量进行计算和予以更新，以保证多变量预估控制和实际 装置的一致性。
29
五、先进控制的经济效益
先进控制务必在DCS的基础上方能实施，各种不同石油 化工装置实施先进控制后，其净增（含实时优化）见下 表2-2
9
三、国外动态模拟的发展
20世纪70年代初期：动态研究报道，丁二烯抽提装置开 车。专业型 80年代：通用型商品化的动态模拟软件；美国的普度大 学的BOSS；英国剑桥的QUASLIN。 90年代中期：加拿大Hyprotech公司推出动态模拟软件 HYSIS，同时兼具稳态模拟和动态模拟的功能。 模拟软件推出的基础：机理模型
1、先进控制的历史 先进控制理论20世纪70年代初提出；
工业上的最初应用始于70年代末； 90年代以来，先进控制的工业应用获得了蓬勃发展，获 得巨大经济效益，大量工业装置纷纷在已有的DCS的基 础上配备了先进控制系统。 21世纪，先进控制技术在许多方面发展十分成熟：
• • • • 各种多变量预估控制的理论基础已被广泛认同； 多变量预估控制涉及的范围不断地扩充； 多变量预估控制软件包不断涌现； 大量的先进控制正在在各种工业装置中实施。
化工过程过程系统的模拟精品PPT课件
S1, S3 S2 , S5 , S6 S4 , S8 S7
S2 S4 S7 R A1 0 0 1 B0 0 1 1 C1 1 0 2 D0 1 1 2
S2 S4 S7 R A1 0 0 1 B0 0 1 1 C1 1 0 2 D0 1 1 2
II. 选择断裂流股 剩下的独立列构成的回路矩阵中，秩为1的行说明
1
2
3
4
关联矩阵 RI=
5 6
7 8
9 10
11 12
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
-1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 –1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 -1 0 0 1 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 -1 0 1 0 -1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 -1 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 -1 -1 0 000000000 0 0 0 1 0 000000000 0 0 0 0 1
单元设 备序号
1 2 3 4
相关物流号
-1 1 -2
流入该节点的流股+ 流出该节点的流股-
11 12
(b) 邻接矩阵（Adjacency Matrix) RA 一个由n个单元或节点组成的系统，其邻接矩阵或相邻矩阵 可表示为n×n的方阵。
RA [ Aij ]
1, 从节点i到节点j有边联结;
S2 S4 S7 R A1 0 0 1 B0 0 1 1 C1 1 0 2 D0 1 1 2
S2 S4 S7 R A1 0 0 1 B0 0 1 1 C1 1 0 2 D0 1 1 2
II. 选择断裂流股 剩下的独立列构成的回路矩阵中，秩为1的行说明
1
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4
关联矩阵 RI=
5 6
7 8
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11 12
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
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单元设 备序号
1 2 3 4
相关物流号
-1 1 -2
流入该节点的流股+ 流出该节点的流股-
11 12
(b) 邻接矩阵（Adjacency Matrix) RA 一个由n个单元或节点组成的系统，其邻接矩阵或相邻矩阵 可表示为n×n的方阵。
RA [ Aij ]
1, 从节点i到节点j有边联结;
化工工程计算与模拟
通过模拟评估设备性能，优化设备 结构和尺寸。
安全评估
通过模拟评估化工过程的安全风险 ，预防事故发生。
04
化工工程计算与模
03
拟软件
常用化工工程计算与模拟软件介绍
01 Aspen HYSYS
02 SimSci Pro/II
03 ChemCAD
04 Aspen Plus
05 Petroleum E…
催化剂和溶剂筛选
通过模拟计算，可以快速筛选出具有 优良性能的催化剂和溶剂，缩短研发 周期和降低实验成本。
化工工程计算与模拟在优化设计中的作用
设备优化设计
01
通过模拟计算，可以对化工设备进行优化设计，提高设备的效
率和可靠性。
流程优化
02
通过模拟不同流程方案的性能，可以找出最优化的流程配置，
降低投资成本和运行费用。
推动化工行业的技术进步
化工工程计算与模拟的发展将推动化工行业的技 术进步，促进产业升级和可持续发展。
THANKS.
优化算法和软件实现
通过优化算法和改进软件实现，降低计算复杂度，提高模拟效率。
化工工程计算与模拟在智能化和自动化中的作用
1 2 3
支持智能化决策
化工工程计算与模拟能够提供实时数据和预测结 果，支持智能化决策，提高生产效率和安全性。
促进自动化控制
通过模拟和优化化工过程，化工工程计算与模拟 能够促进自动化控制技术的发展，降低人工干预 和提高生产稳定性。
节能减排
03
模拟计算有助于评估化工过程的能耗和排放，提出针对性的节
能减排措施，降低环境负荷。
化工工程计算与模
05
拟的未来发展
化工工程计算着计算技术的发展，数值模拟方法将更加精确和高效，能够模拟更复杂的化工过程和系 统。
安全评估
通过模拟评估化工过程的安全风险 ，预防事故发生。
04
化工工程计算与模
03
拟软件
常用化工工程计算与模拟软件介绍
01 Aspen HYSYS
02 SimSci Pro/II
03 ChemCAD
04 Aspen Plus
05 Petroleum E…
催化剂和溶剂筛选
通过模拟计算，可以快速筛选出具有 优良性能的催化剂和溶剂，缩短研发 周期和降低实验成本。
化工工程计算与模拟在优化设计中的作用
设备优化设计
01
通过模拟计算，可以对化工设备进行优化设计，提高设备的效
率和可靠性。
流程优化
02
通过模拟不同流程方案的性能，可以找出最优化的流程配置，
降低投资成本和运行费用。
推动化工行业的技术进步
化工工程计算与模拟的发展将推动化工行业的技 术进步，促进产业升级和可持续发展。
THANKS.
优化算法和软件实现
通过优化算法和改进软件实现，降低计算复杂度，提高模拟效率。
化工工程计算与模拟在智能化和自动化中的作用
1 2 3
支持智能化决策
化工工程计算与模拟能够提供实时数据和预测结 果，支持智能化决策，提高生产效率和安全性。
促进自动化控制
通过模拟和优化化工过程，化工工程计算与模拟 能够促进自动化控制技术的发展，降低人工干预 和提高生产稳定性。
节能减排
03
模拟计算有助于评估化工过程的能耗和排放，提出针对性的节
能减排措施，降低环境负荷。
化工工程计算与模
05
拟的未来发展
化工工程计算着计算技术的发展，数值模拟方法将更加精确和高效，能够模拟更复杂的化工过程和系 统。
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• 用途：过程动态特性分析、控制方案的制定、开停车方案的 优化以及操作工培训软件的开发等。
1起源：20世纪50年代中后期，1958年美国的 M.W.Kellogg公司推出了世界上第一个化工模拟程序---Flexible Flowsheeting。
初始发展期：整个60年代，国外各有关大学、研究机构 和炼油、石化公司纷纷开始研究自己的模拟系统。特点： 功能简单，计算范围较窄，计算能力较差，收敛能力存 在较多问题。
拓扑分析确定的流程顺序进行计算。 ⑤ 在给定的迭代次数内给出流程计算是否收敛的信息。
➢ 调度系统是程序逻辑性、完善性、灵活性、使用性最重要 的体现，对其组织、编制和逻辑处理的技巧要求是最高的。
1.5.2 模拟软件的基本输入数据——五大输入部分
除了模拟计算流程图外，还需用户输入五部分内容： （1）计算总说明：输入计算的单位制（英制、公制和
“三传一反”概括了化工生产过程的全部特征，传 递过程被认为是单元操作的理论基础，开辟了化学 工程发展过程的第二个历程。
1.1.2化学工程模拟的概念
➢ 化工过程模拟是一种高科技手段； ➢ 它根据化工单元过程和热力学的基本方程，应用现
代数学方法，编制成计算机软件，使之能够模拟实 际的化工生产过程。
1.2 化工过程模拟的分类
图1-1 稳态模拟系统的结构
流程图
数据文件
流程图拓扑分析及数据检查
调度系统
物 热化 功 收经 输
性 力工 能 敛济 出
数 学单 模 方评 文
据 方元 块 法价 件
库 法过 库 库库 生
库程
成
库
系
统
➢ 调度系统的作用： ① 单位制的匹配； ② 热力学方法的调用； ③ 物流和单元过程的动态组合； ④ 动态的组织流程、调用相关单元过程，指挥计算机按照
递现象》出版，“三传一反”特征确立； 第三次飞跃？ 过程系统工程、产品工程、多尺度。
“三传”为动量传递（流体输送、过滤、沉降、固体流态化 等，遵循流体动力学基本规律）、热量传递（加热、冷却、 蒸发、冷凝等，遵循热量传递基本规律）和质量传递（蒸馏、 吸收、萃取、干燥等，遵循质量传递基本规律），“一反” 为化学反应过程。
1.4.2 旧装置改造
1.4.3 新工艺、新流程的开发研究 1.4.4 生产调优、疑难问题诊断
1.4.5 科学研究 1.4.6 工业生产的科学管理 1.4.7 动态模拟、实时优化的基础
1.5 化工过程稳态模拟系统的构成
1.5.1 模拟系统的主要组成部分
➢ 模拟系统的分类： • 专用型：早期模拟软件，仅适用于某一确定的化工流程。 • 通用型：通用化工模拟系统指的是该模拟软件适用于任何 工艺流程。
成长壮大期：模拟技术得到了工业界的普通承认，该时 期比较优秀的软件有：美国Monsando公司的Flowtran 和Simulation sciences公司的Process。
成熟期：进入80年代后，模拟软件的开发走向专业化、 商品化。特点：模拟计算的准确性、可靠性大大增强， 应用范围不断拓宽，功能日益丰富，使用越方便。
国际单位制三种单位）
（2）组分数据：库组分，石油馏分，用户定义的组分。 （3）热力学方法：对准确性起决定性作用。 （4）物流数据：物流的温度、压力、流量和组成 （5）单元过程数据：各个单元过程的工艺条件及可能有
的约束条件。
1.6 课程内容及要求
1.6.1 课程内容
第2章 化工过程模拟及相关高新技术 第3章 石油馏分 第4章 热力学方法 第5章 化工单元过程计算 第6章 蒸馏过程计算
70年代末至80年代初：国内模拟软件水平已经相当接近 国外的先进水平。
80年代引进风的兴起导致70年代的兴旺为昙花一现。
1987年，青岛化工学院（现青岛科技大学）推出了“工 程化学模拟系统（ECSS）”可谓一枝独秀。
1.4 化工过程模拟的功能 1.4.1 新装置设计
➢ 石化和化工装置的设计都要用
化工过程模拟与计算绪论演示文稿
第1章 绪论
1.1 概述 1.2 化工过程模拟分类 1.3 化工过程模拟发展简史 1.4 化工过程模拟的功能 1.5 化工过程稳态模拟系统的构成 1.6 课程内容及要求
1.1 概述
1.1.1化学工程学科发展的三次飞跃
第一次飞跃： “单元操作”概念的提出； 第二次飞跃：“传递过程”概念的提出，Bird《传
化工过程稳态模拟 化工过程动态模拟
➢ 化工过程稳态模拟：
• 为通常所说的化工过程模拟或流程模拟；
• 根据化工过程的稳态数据，如物料的压力、温度、流量、 组成和有关的工艺操作条件、工艺规定、产品规格以及 一定的设备参数，如蒸馏塔的板数，进料位置等，采用 适当的模拟软件，用计算机模拟实际的稳态过程，得出 所计算的整个流程或单元过程详细的物料平衡和热量平 衡数据。
深入发展期：90年代开始，特点：从“离线”走向“在 线”，从稳态模拟发展到动态模拟和实时优化，从单纯 的稳态计算发展到和工业装置紧密相联。
1.3.2国内
起源：60年代末。
兴旺期和大发展期：化工部第四、五、六、八、九设计 院，化工部设计公司，燕山石化设计院，上海医药工业 设计院等许多单位均投入相当的人力物力进行模拟系统 的开发。
• 得到的重要参数：材料消耗、公用工程消耗，产品、副 产品的产量、组成和质量等重要参数。
➢ 化工过程动态模拟
• 它是计算装置的某个或数个参数发生变动时，其他所有参数 如何随时间而发生变化。
• 它的计算永远不会终结，对于任何一个参数的变动，计算结 果都是系统中所有工艺参数及相应的性质随时间变化的关系 曲线。
1起源：20世纪50年代中后期，1958年美国的 M.W.Kellogg公司推出了世界上第一个化工模拟程序---Flexible Flowsheeting。
初始发展期：整个60年代，国外各有关大学、研究机构 和炼油、石化公司纷纷开始研究自己的模拟系统。特点： 功能简单，计算范围较窄，计算能力较差，收敛能力存 在较多问题。
拓扑分析确定的流程顺序进行计算。 ⑤ 在给定的迭代次数内给出流程计算是否收敛的信息。
➢ 调度系统是程序逻辑性、完善性、灵活性、使用性最重要 的体现，对其组织、编制和逻辑处理的技巧要求是最高的。
1.5.2 模拟软件的基本输入数据——五大输入部分
除了模拟计算流程图外，还需用户输入五部分内容： （1）计算总说明：输入计算的单位制（英制、公制和
“三传一反”概括了化工生产过程的全部特征，传 递过程被认为是单元操作的理论基础，开辟了化学 工程发展过程的第二个历程。
1.1.2化学工程模拟的概念
➢ 化工过程模拟是一种高科技手段； ➢ 它根据化工单元过程和热力学的基本方程，应用现
代数学方法，编制成计算机软件，使之能够模拟实 际的化工生产过程。
1.2 化工过程模拟的分类
图1-1 稳态模拟系统的结构
流程图
数据文件
流程图拓扑分析及数据检查
调度系统
物 热化 功 收经 输
性 力工 能 敛济 出
数 学单 模 方评 文
据 方元 块 法价 件
库 法过 库 库库 生
库程
成
库
系
统
➢ 调度系统的作用： ① 单位制的匹配； ② 热力学方法的调用； ③ 物流和单元过程的动态组合； ④ 动态的组织流程、调用相关单元过程，指挥计算机按照
递现象》出版，“三传一反”特征确立； 第三次飞跃？ 过程系统工程、产品工程、多尺度。
“三传”为动量传递（流体输送、过滤、沉降、固体流态化 等，遵循流体动力学基本规律）、热量传递（加热、冷却、 蒸发、冷凝等，遵循热量传递基本规律）和质量传递（蒸馏、 吸收、萃取、干燥等，遵循质量传递基本规律），“一反” 为化学反应过程。
1.4.2 旧装置改造
1.4.3 新工艺、新流程的开发研究 1.4.4 生产调优、疑难问题诊断
1.4.5 科学研究 1.4.6 工业生产的科学管理 1.4.7 动态模拟、实时优化的基础
1.5 化工过程稳态模拟系统的构成
1.5.1 模拟系统的主要组成部分
➢ 模拟系统的分类： • 专用型：早期模拟软件，仅适用于某一确定的化工流程。 • 通用型：通用化工模拟系统指的是该模拟软件适用于任何 工艺流程。
成长壮大期：模拟技术得到了工业界的普通承认，该时 期比较优秀的软件有：美国Monsando公司的Flowtran 和Simulation sciences公司的Process。
成熟期：进入80年代后，模拟软件的开发走向专业化、 商品化。特点：模拟计算的准确性、可靠性大大增强， 应用范围不断拓宽，功能日益丰富，使用越方便。
国际单位制三种单位）
（2）组分数据：库组分，石油馏分，用户定义的组分。 （3）热力学方法：对准确性起决定性作用。 （4）物流数据：物流的温度、压力、流量和组成 （5）单元过程数据：各个单元过程的工艺条件及可能有
的约束条件。
1.6 课程内容及要求
1.6.1 课程内容
第2章 化工过程模拟及相关高新技术 第3章 石油馏分 第4章 热力学方法 第5章 化工单元过程计算 第6章 蒸馏过程计算
70年代末至80年代初：国内模拟软件水平已经相当接近 国外的先进水平。
80年代引进风的兴起导致70年代的兴旺为昙花一现。
1987年，青岛化工学院（现青岛科技大学）推出了“工 程化学模拟系统（ECSS）”可谓一枝独秀。
1.4 化工过程模拟的功能 1.4.1 新装置设计
➢ 石化和化工装置的设计都要用
化工过程模拟与计算绪论演示文稿
第1章 绪论
1.1 概述 1.2 化工过程模拟分类 1.3 化工过程模拟发展简史 1.4 化工过程模拟的功能 1.5 化工过程稳态模拟系统的构成 1.6 课程内容及要求
1.1 概述
1.1.1化学工程学科发展的三次飞跃
第一次飞跃： “单元操作”概念的提出； 第二次飞跃：“传递过程”概念的提出，Bird《传
化工过程稳态模拟 化工过程动态模拟
➢ 化工过程稳态模拟：
• 为通常所说的化工过程模拟或流程模拟；
• 根据化工过程的稳态数据，如物料的压力、温度、流量、 组成和有关的工艺操作条件、工艺规定、产品规格以及 一定的设备参数，如蒸馏塔的板数，进料位置等，采用 适当的模拟软件，用计算机模拟实际的稳态过程，得出 所计算的整个流程或单元过程详细的物料平衡和热量平 衡数据。
深入发展期：90年代开始，特点：从“离线”走向“在 线”，从稳态模拟发展到动态模拟和实时优化，从单纯 的稳态计算发展到和工业装置紧密相联。
1.3.2国内
起源：60年代末。
兴旺期和大发展期：化工部第四、五、六、八、九设计 院，化工部设计公司，燕山石化设计院，上海医药工业 设计院等许多单位均投入相当的人力物力进行模拟系统 的开发。
• 得到的重要参数：材料消耗、公用工程消耗，产品、副 产品的产量、组成和质量等重要参数。
➢ 化工过程动态模拟
• 它是计算装置的某个或数个参数发生变动时，其他所有参数 如何随时间而发生变化。
• 它的计算永远不会终结，对于任何一个参数的变动，计算结 果都是系统中所有工艺参数及相应的性质随时间变化的关系 曲线。