化工系统模拟与优化
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。
化工仿真模拟过程系统操作程序
化工仿真模拟过程系统操作程序1. 引言化工仿真模拟是一种重要的工具，可用于设计、优化和操作化工过程。
通过模拟和评估不同的工艺操作方案，可以提高工艺的效率、可靠性和安全性。
在化工仿真模拟中，系统操作程序是一个关键环节，它指导操作员在实际生产中如何操作和控制化工生产过程。
本文档将介绍化工仿真模拟过程中的系统操作程序要点，并提供一些常见的操作指南和注意事项。
2. 系统操作程序要点• 2.1 系统概述在编写系统操作程序之前，需要对化工仿真模拟过程系统有一个整体的了解。
了解系统的主要组成部分、各个组件的功能和相互关系，以及系统的运行原理和特点，这对编写操作程序非常重要。
• 2.2 操作流程设计在设计系统操作程序时，需要根据实际情况确定操作流程。
操作流程应该清晰明确，包括启动、运行和停止等过程。
流程设计需要考虑到不同的操作情境和可能的故障情况，灵活性和安全性是流程设计的重要考虑因素。
• 2.3 操作指南编写操作指南是操作程序的核心内容，它指导操作员进行具体的操作和控制步骤。
操作指南应该包括启动和停止系统的操作步骤，不同操作模式的转换和切换步骤，以及常见故障的处理方法和应急措施等内容。
操作指南的编写需要考虑到操作员的实际工作和操作经验，尽可能简明扼要。
• 2.4 错误处理和故障排除在化工仿真模拟过程中，可能会出现各种错误和故障，操作程序应该包含相应的错误处理和故障排除方法。
操作员在操作过程中遇到故障时，应该能够迅速判断故障类型并采取相应的措施进行排除。
特别是对于一些可能引起安全风险的故障情况，操作程序应该给予明确的处理步骤和注意事项。
• 2.5 安全和环保考虑在编写操作程序时，安全和环保是非常重要的考虑因素。
操作程序应该提供相关的安全和环保指导，包括操作员的个人防护措施、有害物质的处理方法、事故处理和紧急撤离等内容。
操作程序还应该明确规定遵循的相关法规和标准，以确保操作的安全和环保性。
3. 操作程序示例3.1 启动系统操作指南1.打开操作面板电源开关；2.启动系统主电源；3.检查系统各个组件的连接状态和运行情况；4.检查系统仪表的读数是否正常；5.按照启动流程依次进行相应的操作步骤；6.监控系统的运行状态，确保系统正常运行。
石油化工流程模拟技术应用及案例
石油化工流程模拟技术应用及案例石油化工流程模拟技术是指利用计算机和数学模型来模拟和优化石油化工生产过程的技术。
通过模拟技术可以预测和分析石油化工流程中的各种条件和参数，帮助工程师更好地设计和运行生产设备。
下面将列举10个石油化工流程模拟技术应用及案例：1. 炼油厂装置动态模拟：利用动态模拟软件，对炼油厂不同装置进行模拟和优化，从而提高生产效率和降低能耗。
例如，通过模拟裂化装置的运行条件和操作参数，可以准确预测产品产率和质量，帮助优化装置设计和操作策略。
2. 脱硫装置模拟：石油中的硫化物是一种环境污染物，脱除硫化物是炼油厂的重要任务之一。
通过模拟脱硫装置的工艺参数和操作条件，可以优化脱硫效率和降低能耗。
例如，利用模拟技术可以预测不同脱硫剂的使用量和反应温度对脱硫效果的影响，帮助优化脱硫装置设计和操作策略。
3. 裂化装置模拟：裂化装置是炼油厂的主要装置之一，用于将重质石油馏分转化为高附加值的轻质石油产品。
通过模拟裂化装置的运行条件和操作参数，可以预测产品产率和质量，帮助优化装置设计和操作策略。
例如，利用模拟技术可以预测不同裂化温度和催化剂用量对产品产率和选择性的影响，帮助优化装置运行。
4. 催化裂化汽油模拟：催化裂化汽油是炼油厂的重要产品之一，其质量和组成对市场需求有重要影响。
通过模拟催化裂化装置和汽油处理装置的运行条件和操作参数，可以预测汽油的组成和性质，帮助优化装置设计和操作策略。
例如，利用模拟技术可以预测不同催化剂和操作温度对汽油组成和性质的影响，帮助优化装置运行。
5. 炼油厂热力系统模拟：炼油厂的热力系统是炼油过程中的重要环节，直接影响能耗和产品质量。
通过模拟炼油厂的热力系统，可以优化能量利用和热交换过程，帮助降低能耗和提高产品质量。
例如，利用模拟技术可以预测不同换热器和蒸馏塔的设计和操作参数对热力系统效果的影响，帮助优化热力系统设计和操作策略。
6. 炼油厂蒸馏塔模拟：蒸馏塔是炼油厂的核心设备之一，用于将原油分离为不同馏分。
化工系统工程在大型炼化一体化企业管理优化中的策略与模型
化工系统工程在大型炼化一体化企业管理优化中的策略与模型化工系统工程是一门综合性学科，通过运用系统理论和工程技术的知识与方法，对化工生产过程进行系统分析、设计、优化与控制。
在大型炼化一体化企业中，化工系统工程的应用可以提供有效的管理优化策略与模型，帮助企业实现资源高效利用、能耗降低、安全生产和环境保护的目标。
一、化工系统工程在大型炼化一体化企业中的应用大型炼化一体化企业涉及多个化工生产过程，包括原料处理、催化剂制备、反应器设计、装置运行和产品分离等。
通过应用化工系统工程的理论和方法，可以对这些过程进行模拟、优化和控制，实现企业的管理优化。
1.1 过程模拟和设计化工系统工程可以开展对生产过程的模拟和设计工作。
通过建立模型，可以分析、预测和评估不同操作条件对生产过程的影响，从而为工艺参数的优化和控制提供依据。
例如，在炼油生产中，可以通过模拟和设计工作确定最佳的操作温度、压力和催化剂用量，以提高产品质量和产量。
1.2 资源优化和能耗降低在大型炼化一体化企业中，资源优化和能耗降低是重要的管理目标。
化工系统工程可以通过优化调度和控制策略，实现资源的高效利用和能耗的降低。
例如，在石化企业中，可以通过合理的物料配送和设备优化配置，降低能耗和原料损耗。
1.3 安全生产和环境保护安全生产和环境保护是大型炼化一体化企业的重要任务。
化工系统工程可以通过建立安全评估模型和优化控制策略，提高生产过程的安全性和环境友好性。
例如，在化工企业中，可以通过建立模型和优化算法，实现对危险品储存和转运等环节的安全监控和管理。
二、化工系统工程在大型炼化一体化企业管理优化中的策略针对大型炼化一体化企业的管理优化，可以采用以下策略：2.1 数据采集与分析通过建立和完善数据采集系统，及时获取生产过程中的各项数据，并进行有效的分析。
基于数据分析结果，可实现对生产过程的监控和控制，及时发现问题和异常，并采取相应措施进行调整。
2.2 模型建立与优化建立生产过程的模型，并通过优化算法对模型进行求解，得到最佳的操作参数和控制策略。
化学工程师中的化工流程模拟的方式
化学工程师中的化工流程模拟的方式化工流程模拟是化学工程师在设计和优化化工生产过程中应用的一种重要方法。
它通过建立数学模型，模拟和预测化工流程中的物质传递、能量转移和反应转化等过程，为工程实践提供可靠的依据。
本文将介绍化学工程师中常用的三种化工流程模拟方式：物质平衡模拟、能量平衡模拟和反应转化模拟。
一、物质平衡模拟物质平衡模拟是化工流程模拟中最基本也是最常用的方式之一。
它通过建立物质的输入输出平衡方程，描述化工系统中物质的流动和转化过程。
具体而言，物质平衡模拟涉及以下几个方面：1. 原料和产品流程分析：通过对化工系统进行调研和实地考察，了解原料的组成和性质，以及产品的规格要求。
在模拟过程中，需要将原料的输入流量、组成和物理性质与产品的产出进行平衡，确保产品质量和产能的稳定。
2. 系统流程图绘制：根据化工系统的特点和工艺流程，绘制系统的流程图。
流程图需要涵盖各个单元操作、设备和管道的连接关系，以及物料在流程中的流动方向和方式。
这有助于在模拟过程中更好地理解物质的传递路径和流动规律。
3. 过程参数测量与计算：在物质平衡模拟中，需要准确测量和估算化工系统中各个单元操作的参数。
例如，温度、压力、流量、浓度等关键参数的测量和计算，能够为物质平衡模型提供准确的输入数据。
二、能量平衡模拟能量平衡模拟是化工流程模拟中考虑能量转移和转化的重要方式。
它通过建立能量的输入输出平衡方程，揭示化工系统中能量的流动和转化规律。
以下是能量平衡模拟的主要内容：1. 热力学分析：在能量平衡模拟过程中，需要进行热力学分析，确定化工系统中各个单元操作的热力学性质。
例如，焓、熵、比热等参数的测量和计算，能够为能量平衡模型提供准确的物理数据。
2. 热流分析：通过对化工系统中热能流动路径和传热方式的研究，建立热流分析模型。
该模型可以描述热能在系统中的传递和转化过程，为能量平衡模拟提供必要的理论支持。
3. 能量损失计算：在能量平衡模拟中，要考虑能量的损失和利用效率。
化工工艺设计中的过程模拟优化技术研究
工艺与设备化 工 设 计 通 讯Technology and EquipmentChemical Engineering Design Communications·46·第47卷第8期2021年8月计算机在化工生产应用过程中是比较成熟的技术之一，化工过程模拟技术的应用也能按照特定流程组合的单元操作反应过程来模拟生产过程。
由于化工过程与物料本身特性以及外部环境有关，涉及到能量、物质的改变，可通过在线优化方式实现工艺优化。
因此，本文以气体处理工艺和复杂的分离过程为案例对过程模拟进行合理分析。
1 过程模拟优化技术的核心内涵目前化工过程设计和控制技术的发展，基于严格计算机模型的计算技术和在线应用不断更新，化工装置之类的优化和模型预测有关技术对于模型的准确要求不断增加，过程的高纯度和不确定等特征也给过程模拟优化提供了新的发展方向。
面向工程的复杂过程优化在多个方面得到了有效应用，无论是误差分析还是数据修正，都能够实现对于过程的建模、求解和优化计算。
模型的准确性和过程参数之间存在着密切联系，利用现场的数据来标定模型确定参数后，再进行模型更新也是发展和完善的“必经之路”。
在线优化和模型预测也离不开数据校正和数据调和过程。
从20世纪60年代开始至今，化工过程模拟技术就已经被大量应用于化学工业生产过程当中，稳态过程模拟也是其中最完善与应用最为广泛的技术类型。
目前的模拟软件当中包括计算管理系统、数据输入模块、数据输出模块、过程操作单元、网络通信单元等。
从这一角度来看，过程模式实际上就是利用优化技术来确定模拟系统当中非线性规划问题的稳态模型。
按照机理建模方式，过程模拟优化的求解可以从序贯模块和联立方程两个方面进行评估。
1.1 序贯模块序贯模块在过程模拟优化的基本思路上和装置组织比较接近，整个优化和模拟的过程由专门的单元模块所负责，按照一定的顺序单独地计算参数信息。
在对没有循环回路的流程进行单纯模拟和计算时，序贯模块可以按照不同流程的组织方式对单元操作模块进行求解，让求解过程更加直观清晰。
化工系统模拟运行方案
化工系统模拟运行方案化工系统模拟运行是利用计算机技术对化工生产过程进行模拟和仿真，以实现对系统运行状态、产品质量、能耗等方面的预测和优化。
以下是化工系统模拟运行的方案。
1. 数据采集和建模：首先需要收集化工生产过程中的各种数据，包括原料性质、反应动力学参数、物料流量、温度、压力等关键指标。
然后基于采集到的数据，建立化工系统的数学模型，包括质量平衡、能量平衡、动量平衡等。
2. 模型验证和调优：建立数学模型后，需要通过对比实际运行数据和模拟结果来验证模型的准确性。
如果发现模拟结果与实际数据存在较大差异，就需要对模型进行调优，优化模型中的参数和假设。
3. 系统优化和参数寻优：在模型验证和调优的基础上，可以利用模拟运行来进行系统优化和参数寻优。
通过改变不同操作变量，比如温度、流量、反应时间等，来优化系统的生产能力、产品质量和能源消耗等指标。
可以采用启发式算法、优化算法等方法来搜索最优参数组合。
4. 运行状态监测和预测：在实际运行中，可以利用模拟运行来进行运行状态监测和预测。
通过监测关键指标的实时数据，与模拟运行结果进行对比，可以及时发现运行异常和潜在问题。
同时，基于模拟运行的结果，可以预测系统未来的运行状态和趋势，提前采取措施防止问题的发生。
5. 优化生产计划和决策支持：根据模拟运行的结果，可以对生产计划进行优化和调整，合理安排生产资源，提高生产效率和整体经济效益。
同时，模拟运行还可以为管理决策提供支持，通过模拟不同决策方案的效果，评估决策对系统的影响，降低决策风险。
总之，化工系统模拟运行方案包括数据采集和建模、模型验证和调优、系统优化和参数寻优、运行状态监测和预测、优化生产计划和决策支持等环节。
通过模拟运行可以提高化工系统的生产效率、产品质量，减少能源消耗和环境污染，降低生产成本，为决策提供科学依据。
化工系统过程模拟与优化
学号：*********** 《化工系统工程》课程论文学院化学化工学院专业化学工程与工艺年级2009级姓名论文题目化工系统过程模拟与优化指导教师职称讲师成绩2012年6月15日目录摘要 (2)关键词 (2)Abstract (2)前言 (2)1 发展迅猛的成因 (2)2 化工过程模拟的进展 (3)2.1 分子模拟 (3)2.2 单元过程的模拟 (4)2.3 化工流程模拟 (5)2.3.1 模型化的方法 (5)2.3.2 动态流程模拟 (6)3 化工过程的优化 (7)3.1 化工数据的校正 (7)3.2 化工过程优化的层次结构 (7)4 主要的化工模拟软件及其应用 (8)5 结束语 (10)参考文献 (10)化工系统过程模拟与优化摘要：化工系统过程模拟是计算机化工应用中最为基础、发展最为成熟的技术之一。
本文从分子模拟、单元过程模拟及流程模拟三个模拟层次综述其发展现状及发展趋势。
并对过程的优化和当前流行的国际国内商业化化工过程模拟软件及其主要功能、应用领域作了系统的总结。
关键词：过程优化；分子模拟；过程模拟；流程模拟Abstract：Chemical process simulation system is the most basic computer chemical application, development of one of the most mature technology. This article from molecular simulation, unit process simulation and process simulation three simulation in its development level situation and the development tendency. And the process optimization and the current popular international and domestic commercial chemical process simulation software and its main function and application field is the summary of the system.Keywords：Process optimization; Molecular simulation; Process simulation; Process simulation前言利用计算机高超的能力解算化工过程的数学模型[1]，以模拟化工过程系统的性能，这种技术早在50 年代已开始在化学工业中应用。
化工系统工程稳态模拟
通过模拟实验代替实际实验，可以大大缩短新产品的研发 周期，降低研发成本。
02
化工系统稳态模拟基础
化工系统简介
01
02
03
化工系统
指由多个化学反应和物理 过程组成的复杂系统，包 括原料的输入、反应过程、 产物的输出等。
化工系统的特点
具有高度的复杂性、非线 性、时变性和不确定性， 涉及大量的物质、能量和 信息流动。
背景
随着化工行业的快速发展，生产过程越来越复杂，对生产过程的控制和优化要 求也越来越高。稳态模拟作为化工系统工程中的重要技术手段，能够为实际生 产提供理论支持和指导。
稳态模拟的定义和重要性
定义
稳态模拟是指对化工生产过程中的物料平衡、能量平衡和 化学反应等进行的数学建模和计算机模拟。在稳态模拟中 ，系统的状态参数（如温度、压力、流量等）不随时间变 化。
06
结论与展望
结论
稳态模拟是化工系统工程中的重要手段，通过模拟可以预测实际生产过程中可能出 现的各种情况，为优化生产和提高经济效益提供有力支持。
稳态模拟技术在化工生产中得到了广泛应用，不仅提高了生产效率，还降低了能耗 和环境污染，为可持续发展做出了贡献。
稳态模拟技术在实际应用中仍存在一些挑战和限制，如模型精度、计算效率和数据 可靠性等方面的问题，需要进一步研究和改进。
重要性
稳态模拟的重要性主要体现在以下几个方面
1. 优化工艺参数
通过模拟不同工艺参数下的系统性能，可以找到最优的工 艺参数组合，提高产品质量和生效率。
2. 降低能耗
通过模拟不同操作条件下的能耗情况，可以找出最优的能 源利用方案，降低生产成本。
3. 提高安全性
通过模拟潜在的危险操作和事故情况，可以预测系统的安 全性能，及时发现和解决潜在的安全隐患。
MATLAB在化工过程模拟与优化中的应用指南
MATLAB在化工过程模拟与优化中的应用指南随着化工工业的发展，化工过程模拟与优化成为了一个重要的课题。
而MATLAB作为一种高级数学软件，可以为化工工程师提供强大的工具和功能，用于建立数学模型、进行模拟和优化，为化工过程的设计和优化提供支持。
本文将介绍MATLAB在化工过程模拟与优化中的应用指南，包括如何运用MATLAB进行系统建模，模拟过程以及优化控制。
一、MATLAB在化工过程模拟中的应用1.1 数学模型的建立在化工过程中，建立一个准确的数学模型是模拟和优化的基础。
MATLAB提供了丰富的数学工具箱，可以帮助化工工程师通过建立代数方程、微分方程和偏微分方程等来描述化工过程的动态变化。
这些数学工具包括符号计算、方程求解、微分方程求解等。
例如，可以使用MATLAB的符号计算工具箱来建立化学反应过程的动力学模型，并求解模型方程，得到重要的反应动力学参数。
1.2 过程模拟与仿真利用已建立的数学模型，MATLAB可以进行过程模拟与仿真。
通过编程设计仿真用的数学模型，可以模拟整个化工过程的动态变化。
同时，MATLAB还提供了各种绘图和可视化工具，可以直观地展示过程模拟的结果。
例如，在反应器中进行化学反应的模拟时，可以通过MATLAB的动态绘图工具观察反应物浓度随时间的变化，并分析其动态特性。
二、MATLAB在化工过程优化中的应用2.1 数值优化化工过程的优化是通过最小化或最大化某种目标函数来实现的。
MATLAB中的优化工具箱提供了各种数值优化方法，如线性规划、非线性规划、整数规划等。
这些优化方法可以用于化工过程的优化设计，如最小化能耗、最大化产率等。
通过使用MATLAB的优化工具箱，化工工程师可以快速、准确地找到最优解，提高生产效率，节约资源。
2.2 数据拟合与参数估计在化工过程中，有时需要利用实验数据对模型参数进行拟合和估计。
MATLAB 提供了强大的拟合工具，如最小二乘拟合、非线性拟合等。
通过拟合实验数据，可以对模型的参数进行估计和调整，从而提高模型的准确性。
化工过程系统的优化1
即系统自由度为零 此时无最优解可寻 只有状态方程构成的非线性方程组的唯一解 换而言之 自
由度为零的系统优化问题就是系统模拟问题
某些情况下 过程变量向量还包括 S 维单元内部变量向量 z 因此 状态方程的一般形式为
f (w, x, z) = 0
(4-5)
一般来说 在过程系统优化问题中 决策变量数仅占整个过程变量中的一小部分 比如 过程变 量数为 104 决策变量数为 50 这一特性在缩小优化搜索时是很有用的
不论是结构优化还是参数优化 最终目的都是为了以最小的投入获得最大的收益 对于大规模化 工生产过程 生产效益已经成为关注的焦点 因此化工过程系统的优化也就变得十分重要
除了过程系统优化问题本身以外 还存在 求解方法的最优化 由于过程系统比较复杂 在 进行优化之前 首先要分析问题属于哪种类型 是连续操作还是间歇操作 是稳态过程还动态过程 是单目标优化还多目标优化 是有约束问题还是无约束问题 然后选择建立何种模型进行优化 是机 理模型还是统计模型或智能模型等 有了数学模型 最后要考虑用什么样的最优化方法进行求解 总 之 对于不同的系统 要确定优化问题的类型 对于同一种问题 要考虑哪种建模方法最合适 在模 型求解时 要考虑哪种最优化算法最有效
本章和第 5 章着重介绍过程系统参数优化问题 在第 7 章和第 8 章介绍过程系统综合 即结构优 化问题
４．２ 化工过程系统优化问题基本概念
４．２．１ 最优化问题的数学描述
所谓最优化 就是在给定条件下获得最好的结果 在数学上 求解最优化问题就是要找到一组
使得目标函数 J 达到最大或最小的决策变量 由于目标函数 J 的最小值就是 –J 的最大值 即 min J = max[−J ]
尽管有些最优化问题可以没有约束条件 但许多实际问题往往都是有约束条件的 过程系统参数
化工流程模拟软件的介绍与对比
化工流程模拟软件的介绍与对比化工流程模拟软件是一种利用计算机技术、模型算法及化学工程原理对化工生产流程进行模拟和优化的工具。
它可以帮助化工工程师进行虚拟实验，评估不同工艺方案的可行性，优化产品的生产过程，降低生产成本，提高产品质量等。
下面对几种常见的化工流程模拟软件进行介绍与对比。
1. Aspen Plus：Aspen Plus是化工流程模拟软件界的“老大”，也是最为广泛应用的软件之一、它的最大特点是强大的化工系统模拟能力和大规模系统优化能力，可以模拟各种化工装置，包括化工反应器、分离设备、传热设备等。
Aspen Plus具有广泛的物性数据库和建模工具，且可以与其他常见软件（如Excel、Matlab等）进行接口，方便进行数据交互和优化。
2. Hysys：Hysys是Aspen Plus的直接竞争对手，由Aspen Tech开发。
Hysys与Aspen Plus相比，界面更加友好，操作更加简便，因此在教学和学术界较为流行。
Hysys也具备先进的化工系统模拟和优化功能，并有完善的物性数据库和建模工具。
不过Hysys的建模能力稍逊于Aspen Plus，对于大规模系统的模拟和优化处理相对较弱。
3. COMSOL Multiphysics：COMSOL Multiphysics是一种多物理场有限元分析软件，在化工流程模拟领域也有应用。
它可以模拟不同领域的物理现象，如流体动力学、传热传质、电化学、反应动力学等，并可以进行耦合模拟。
COMSOL Multiphysics的优势在于其能够模拟多个物理场的相互作用和耦合效应，对于复杂的化工系统优化有一定的优势。
4.gPROMS：gPROMS是一种基于物理领域模型的通用化工流程模拟和优化软件。
它具有强大的功能，可以对化工系统进行建模、优化和仿真，并可以将各种不同领域的模型进行耦合。
gPROMS也具备较为丰富的物性数据库和建模工具，在建模和模拟过程中较为灵活。
不过，gPROMS在大规模系统的模拟和优化处理方面相对较弱。
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
化学工程师中的化工流程模拟的方法
化学工程师中的化工流程模拟的方法化学工程师在生产过程中扮演着重要的角色，他们负责优化和改进化工流程，提高生产效率和产品质量。
在实际工作中，化工流程模拟成为了一种重要的方法。
本文将介绍化学工程师中常用的化工流程模拟方法，以及其应用和优势。
一、背景介绍化工流程模拟是指利用计算机软件对化工过程中的各种物理和化学过程进行数值模拟和分析的方法。
它可以对流程参数进行预测和优化，减少实际试验次数，提高工艺设计的准确性和可靠性。
化工流程模拟是化学工程师在实际工作中必备的技能之一。
二、常用的化工流程模拟方法1. 物料平衡模拟物料平衡模拟是化工流程模拟的基础，它通过对化工系统中物质的输入和输出进行平衡计算，确定各种原料和产物的流量和浓度。
物料平衡模拟可以解决化工系统中的传质、反应等问题，为后续的流程优化提供基础数据。
2. 传热传质模拟传热传质是化工过程中的重要环节，传热传质模拟可以用于预测和分析反应器、分离设备等的传热传质性能。
基于物理学原理和数学模型，传热传质模拟可以模拟不同工艺条件下的温度、浓度等参数变化，为优化设计提供依据。
3. 反应模拟反应模拟是化工流程模拟的核心内容之一，其目的是预测反应器中的反应动力学行为和产物分布。
通过反应模拟，可以确定最佳的反应条件，提高反应效率和产物纯度。
反应模拟可以结合传热传质模拟，分析反应过程中的温度和浓度分布，优化反应器的设计。
4. 流体流动模拟流体流动模拟可以模拟和分析化工系统中的液体和气体的流动行为。
通过建立流体动力学方程和边界条件，可以模拟不同操作条件下的流量、速度和压力分布等参数。
流体流动模拟可以用于优化管道和设备的设计，提高能源利用效率和流体携带物的输送效果。
三、应用和优势化工流程模拟方法在实际工作中有着广泛的应用和重要的优势。
1. 改进流程设计化工流程模拟可以通过模拟不同参数对流程性能的影响，优化流程设计。
例如，通过模拟不同温度和压力条件下的反应动力学行为，可以确定最佳的操作条件，提高反应器的效率和产物纯度。
第四章化工过程系统的优化
4 解析法与数值法
根据解算方法，则可分为解析法和数值法。 解析法又称为间接最优化方法。只适用于目标函 数(或泛函)及约束条件有显函数表达的情况。 要求把一个最优化问题用数学方程式表达，然后 用导数法或变分法得到最优化的必要条件，通过 对必要条件方程求解得到问题的最优解。 古典的微分法、变分法、拉格朗日乘子法和庞特 里亚金最大值原理等都属于解析法。
(4-10)
f ( w, x, z ) 0
（流程描述方程）
（尺寸，成本方程） （等式设计约束） （不等设计约束）
c( w, x, z ) 0
h( w, x) 0
g ( w, x) 0
动态优化模型中引入了时间变量，过程变量、目标函数和 约束条件均可为时间变量的函数。集中参数的动态优化模型， 通常由常微分－代数方程组成
讨论
对于上述优化问题，变量数为m+r+s，等式约束方程 数为m+l+s，问题的自由度为 d=变量数－方程数＝r －l 若l=0，自由度等于决策变量数r； 若l=r，自由度等于零，此时最优化问题的解是唯 一的（即等于约束方程的交点），没有选择最优 点的余地； 若l>r，则最优化问题无解。由此可见，l<r是最 优化问题有解的必要条件之一
数值法又称为直接最优化方法，或优选法。
不要求目标函数为各种变量的显函数表达式，利 用函数在某一局部区域的性质或一些已知点的数 值，逐步搜索、逼近，最后达到最优点。
5 可行路径法和不可行路径法
对于有约束最优化问题，视其如何处理约束条
件可分为可行路径法和不可行路径法。
可行路径法的整个搜索过程是在可行域内进行
由于非线性规则问题求解困难，有时将其近似地
线性化，用比较成熟的线性规划技术求解
并行计算在化工系统模拟与优化中的应用
并 行 计 算在 化 工 系统 模 拟 与优 化 中的 应 用
三 健 陈 丙珍 何小荣
（ 清华大 学化学工程系 ，北京 １ ０ ８ ） ０ ０ ４
摘
要
在求解 太规模化工过程 模拟与 优化 问题时 ，由于系统 规模 巨大 ，导致耗 费大量 的计算 时间
随着 计算 回顾 了在化
机技术 的迅速发展 。采用并行 计算提高 化工系统模 拟与 优化问题 的效率 成为一个 引人 注 目的热点 工模拟 与优化 领域 应用并行计算技术 的重要研究进 展
Ｗ ＡＮＧ ｉｎ， ＣＨＥＮ ｉ ｇ ｈ ｎ ａ ｄ ＨＥ Ｘｉｏ ｏ ｇ Ｊａ Ｂ ｎ ｚ ｅ ｎ ａ ｒ ｎ （ ｅａｔ ｅ ｔ ｆＣ ｅ ｉ ｎ ｉｅｒ ｇ ｓ ｇ ｕ ｉ ｒｉ＇ ｅ ｎ ０ ０ ４ ｈ ｎ Ｄ ｐ ｒ ｎ ｈ ｒ ｍＩ ｇｎｅｉ ．Ｔ ｉ ｈｓ Ｕｎ￣ ｓＳ．Ｂｉ ｇ １０ ８ ，Ｃ ｉ ｍ ｑ ｎ Ｅ ｎ ｎ ｅ ｅ ｔ ｉ ｆ ａ）
ｔｎ ｎ ｒ１ ｕ ｅａ ｓ ｆ ｈ ａｇ ｃ ｌ ｆｔ ｅｓ ｓｅ ｈ ｅｉ ｅ ｏ ［ｏ ｓｂ ｃ ｕ ｅｏ ｅ ｌｒ ｅｓ ａｅｏ ｈ ｙ ｔｍ．Ａｌｎ ｔ ｈ ａ ｉ ｒ ｇ ｅ ｓ ｆｃｍｐ ｔｒ ｃｅ ｃ ｎｄ ｓ － ｌ ｔ ｏ ｇｗｉ ｔ ｅｒｐｄｐ ｏ ｒ ｓ ｏ ｕ ｅ ｉｎ ｅａ ｈ Ｏ ｓ ｔｃｎｉｕ ｓ ｔ ｉｉｇ ｐ ｒ ｌ ｌｃｍｐ ｔ ｇ ｔｃ ｎｑ ｅ ｏ ｉ－ ｒｖ ｈ ｆｉ ｎ ｙ ０ ｈ ｍｉａ ｐ ｏ ｅ ｉ ｌｔ ｎ ａ ｄ ｅ ｈ ｑ ｅ ．ｕ ｉ ｚ ａ ａｌ ｏ ｕ ｉ ｅｈ ｉｕ ｓｔ ｎ ｐｏ ｅ ｔｅ ｅｆ ｌ ｎ ｅ ｎ ｌ ｄｅ ｃ ｆｃ ｅ ｃｌ ｒｃ ｓ ｓ ｍｕａｉ ｏ ｎ ｏ ｔ ｚ ｔ ｎｈ ｓ ｂ ∞ｍｅ ａ ｒｍａ ｋ ｂｅ ｈ ｔｓ ｏ ． Ｔｈ ｒｓｎ ａ ｅ ｅ ｉｗｓ ｓ ｎｆｃｎ ｅｅ ｒ ｈ ｓ ｒｐ ｒｅ ｎ ｐ ｍｉ ｉ ａ ｅ ｉ ａｏ ｅ ｒ ａ ｌ ｏ ｐ ｔ ｅ ｐ ｅｅ ｔｐ ｐ ｒｒｖｅ ｉ ｉ ａ ｔｒｓ ａｃ ｅ ｅ ｏ ｔｄ ｏ ｇ ｉ
2化工过程系统模拟
的已知规律，奠定这一过程的理论基础。 第三步：化工基础数据的收集和整理。 第四步：建立数学模型。 第五步：选择演算方法。 第六步：编写计算程序。 第七步：上机演算。 第八步：整理计算结果。 第九步：与已知结果进行核对。
物性数据及程序 单元过程化工数据 成本核算数据及程序
第三层次是含有多个自变量的偏微分方程。所谓 “多个”，在化工系统中最多也就是4个，三维空间加 上时间自变量。如果没有时间自变量就是稳态分布 参数模型，加上时间变量就是非稳态分布参数。与 此对应的是多级系统中的多维差分方程。
2.1.3 数学模拟
1、 数学模拟的手段
(1) 数学模拟手段的发展沿革 拉普拉斯变换——电子模拟计算机——电子数字计算机— —混合计算机
物性信息
输入流股变量
过程的模型
输出流股变量
单元参数 单元过程的数学模型示意图
4、过程构型
以上讨论的三个方面信息，均是由物理和化学 的定律所决定的。但过程构型则完全是由设计者 来决定的。
一是哪一些流股是由哪一个单元设备输出， 又是输入至哪一些单元设备。就是描述一个流程 中的各个单元设备是怎样被一些流股联接起来的。
集中参数模型和分布参数模型
集中参数模型：当过程参数随空间位置不 同的变化被忽略的情况下，过程系统的各种参 数都被看作在整个系统中是均一的。按这样来 建立的模型中，各种参数的数值与空间位置无 关，故称为集中参数，数学上表现为代数方程 组或常微分方程组（动态情况下）。
分布参数模型：是研究过程参数在整个系 统空间从一个点对另一个点的性能变化。这些 过程参数不再与空间无关，而成为空间位置的 函数。数学上表现为偏微分方程式。
设计问题比模拟分析问题增加了一层迭 代，因而求解起来要复杂一些。
浅谈过程模拟优化在化工工艺设计中的应用
浅谈过程模拟优化在化工工艺设计中的应用随着化工工艺技术的不断发展和进步，过程模拟优化在化工工艺设计中的应用越来越广泛。
它可以帮助工程师们更好地了解工艺过程的运行情况，提高工艺设计的效率和质量，降低能耗和生产成本，提高生产率和产品质量等方面起到了重要的作用。
本文将对过程模拟优化在化工工艺设计中的应用进行浅谈。
1. 工艺设计的初期阶段在工艺设计的初期阶段，工程师们常常需要对不同的工艺方案进行比较和优化，以找到最佳的设计方案。
这时，过程模拟可以帮助工程师们快速建立工艺系统的数学模型，并通过模拟计算来评估各种工艺方案的优劣，以便选择最佳的设计方案。
在工艺设计的后期阶段，工程师们需要进行工艺系统的优化和调整，以适应市场需求和产品变化。
这时，过程模拟可以帮助工程师们对工艺系统进行动态模拟和调整，实时监控工艺系统的运行情况，并根据需要进行优化和调整，以保证工艺系统的稳定运行和高效生产。
以上可以看出，过程模拟在化工工艺设计中的应用是非常广泛的，它可以帮助工程师们在工艺设计的不同阶段对工艺系统进行建模、分析、优化和调整，以实现工艺系统的最优化设计和稳定运行。
1. 快速建模和分析2. 找出问题并改进通过过程模拟软件，工程师们可以对工艺系统进行详细的模拟计算和分析，找出其中存在的问题并进行改进。
这可以帮助工程师们提高工艺系统的效率和可靠性，从而降低能耗和生产成本，提高生产率和产品质量。
3. 实时监控和调整1. 模型的建立和验证建立工艺系统的数学模型是一个非常复杂的过程，需要考虑到工艺系统的各种细节和特性。
还需要对模型进行验证，以确保模型能够准确地反映工艺系统的运行情况。
2. 计算的精度和速度对工艺系统进行模拟计算需要考虑到计算的精度和速度两个方面。
一方面，需要保证计算结果的精度可以满足工艺设计的要求；需要保证计算的速度可以满足工程师们的需求。
3. 数据的获取和处理对工艺系统进行模拟计算需要考虑到数据的获取和处理两个方面。
化工系统过程模拟及优化
化工系统过程模拟及优化化工系统过程模拟是指使用数学模型和计算机技术对化工系统中的各种过程进行定量描述和模拟的过程。
通过对物质和能量的平衡、动力学方程和传递过程等进行建模和求解，可以预测并优化化工系统中的各种过程。
化工系统过程模拟通常依赖于不同的软件平台，如Aspen Plus、MATLAB、LabVIEW等，其模拟结果可以用于工厂设计、设备选型、工艺改进等方面。
化工系统过程优化是指通过求解数学模型中的优化问题，寻找最优操作条件和参数，以提高系统的效率和经济性。
优化问题的目标函数可以是系统的能量利用率、生产能力、产品质量等，限制条件可以是设备的操作限制、产品的质量标准等。
化工系统过程优化通常涉及到多个变量和约束条件，常常需要使用数值优化算法，如线性规划、非线性规划、遗传算法等。
最优化的结果可以提供给操作人员做出相应调整，求得较优的操作方案。
1.确定模拟和优化的目标：根据化工系统的要求和目标，确定需要模拟和优化的具体过程。
2.收集数据和建立模型：收集所需的物性参数、操作数据等，建立可以描述系统过程的数学模型。
3.模型求解和优化：使用合适的软件平台，输入模型参数和初始条件，进行求解和优化。
4.模拟结果的验证：将模拟结果与实际数据进行对比，验证模型的合理性和精确性。
5.优化结果的评估和调整：根据优化结果，评估系统的效果和经济性，对系统参数进行相应的调整。
下面以化工系统中的燃烧过程为例介绍化工系统过程模拟及优化的具体步骤：1.确定目标：以提高燃烧效率和减少污染物排放为目标。
2.收集数据和建立模型：收集所需的燃烧物性参数、环境参数等，建立燃烧的数学模型，包括能量平衡、动力学方程等。
3. 模型求解和优化：利用化工系统仿真软件如Aspen Plus，输入燃烧物质和操作条件，求解模型并获得燃烧过程的相关数据。
4.模拟结果的验证：将模拟结果与实际燃烧系统中的数据进行对比，验证模型的准确性和可靠性。
5.优化结果的评估和调整：根据模拟结果和实际数据，评估燃烧系统的效果和经济性，对操作条件和参数进行相应的调整，达到提高燃烧效率和减少污染物排放的目标。
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化工系统模拟与优化丁二烯和二氧化硫合成丁二烯砜的案例研究徐国想指导教师：钱宇教授华南理工大学化工研究所一九九九年八月目录序言0．输入信息1．间歇对连续2．流程图的输入－输出结构2．1．流程图的输入－输出结构2．2．设计变量和物料衡算的步骤3．流程图的循环结构3．1．过程循环结构的决策3．2．流程的物料衡算4．分离系统4．1．分离序列的综合4．2．分离系统的总体结构5．丁二烯制备丁二烯砜过程的全流程模拟5．1．丁二烯制备丁二烯砜过程的全流程图5．2．丁二烯制备丁二烯砜过程的全流程经济衡算参考文献附录 PRO/ⅡKEYWORD输入文件序言概念设计是依据开发性基础研究的结果、文献的数据、现有类似装置的操作数据和工程经验，按照所开发的新技术工业化规模而做出的预想设计。
概念设计的目标就是寻找最佳工艺流程和估算最佳设计条件，用以指导过程研究及提出对开发性基础研究进一步的试验要求，所以，它是基础研究与过程研究的指南，是整个开发研究过程中十分关键的一个步骤。
经验指出，如果要考虑所有的可能性，则对任何过程的流程图一般都可以提出许多方案（经常是104~109个），采用分层次决策的方法，就可以在很大程度上避免了漏掉某些重要方案选择的情况。
概念设计的目标就是寻找最佳“方案”，所以，需要尽快降低要予以考虑的方案数目，而基于数量级分析法的简捷算法常常精确得足以消去90％左右无效益的方案。
采用简捷算法和分层次决策方法也可以尽快地把信息反馈给正致力于开发该过程的化学家手中，将有助于化学家去收集那些有可能获取最大效益操作范围内的数据，并且终止掉那些在有效益操作范围之外的实验。
分层次决策方法就是把设计问题简化为分层次的决策，其步骤如下：1. 间歇对连续；2. 流程图的输入 输出结构；3. 流程图的循环结构；4. 分离系统的总体结构；5. 热交换器网络。
0 输入信息1. 反应信息a. 可逆反应：∆H R =－48,000Btu/mol , K eq =(6.846×10-11)exp[-36,940/T(0R)], k 1=(8.172×1015)exp[-52,200/T(0R)], k 1=k -1K eq [mol/(ft 3·h)], 反应速率符合化学计量关系，并且采用CSTR 反应器。
b. 反应条件：反应温度=90 0F , 反应器压力=150psia 。
c.假设反应的选择性为1：x ==尔数反应器进料中丁二烯摩转化的丁二烯摩尔数丁二烯转化率d. 反应动力学：反应在产品沸点下有显著的逆反应速率，这时应选择适宜的反应温度、二氧化硫与丁二烯的摩尔比，不仅要求转化率高，还要求生产控制稳定、产品成本低，一般选择二氧化硫与丁二烯的摩尔比r =1.0，丁二烯的转化率为40% e. 液相，无催化剂2. 丁二烯砜产量：P 丁二烯砜 = 80mol/h3. 丁二烯砜的产品纯度：x D ≥ 0.9854. 物化数据：一般需要的信息是分子量、沸点、蒸汽压、热容、汽化热、反应热、液体密度和逸度系数（或状态方程）。
5. 费用数据：SO 2＝0.064$/mol ，丁二烯＝6.76$/mol ，丁二烯砜＝8.50$/mol ，反应器的年均建设费是3150558.0R V [$/(ft 3·a)]。
1间歇对连续采用间歇操作颇为有利的因素1．产率：a．当产率低于10×106lb/a时，有时采用间歇；b．如果产率低于1×106lb/a时，一般采用间歇；c．多产品装置。
2．市场的力量：a．季节性生产；b．产品的生存期短。
3．放大问题：a．反应的时间非常长；b．要处理低流速的浆料；c．快速结垢性的物料。
产率较低，约为0.17×106lb/a（操作时数按8150 h/a计），一般采用间歇，但根据反应的特点，决定选择一个连续的过程，操作费用和物流费用以年为基准，操作时数为8150 h/a 。
2流程图的输入－输出结构2.1 流程图的输入－输出结构1. 净化进料物流情况：不需净化进料物流。
2. 可逆的副产品情况：无可逆副产物。
3. 气相循环。
4. 产品物流的数目。
所有组分的去向在表2.1中给出，只有一股产品物流。
初步的流程图见图2.1：2.2. 设计变量和物料衡算的步骤可能出现在第2层次上的设计变量：对复杂反应有反应器转化率，反应物摩尔比，反应温度/或压力等；过量反应物的情况，过量反应物是指既不回收，又不是气体循环和放空的反应物。
正常情况下，可由设计变量开发总物料平衡的公式，而根本不必考虑任何循环流量。
只要总方程式定义不足，就必须寻找一个或多个设计变量来完善该问题的定义，而这些设计变量总是对应于“主要的过程优化”问题。
因此，最初的分析总是应该只集中于输入－输出的流量。
开发总物料平衡的步骤：1．从规定的产率入手2．由化学计量关系求出副产物流量和原料需用量（以设计变量表示）3．在反应物需要全部回收和循环的场合，计算进料物流内杂质的进口流率和出口流率4．在反应物既不回收也不循环的场合（循环和放空或是空气或是水），以规定的过剩量表示，计算各反应物的出口流率5．计算随第四步中的反应物流带入的杂质的进口流率和出口流率。
3流程图的循环结构3.1过程循环结构的决策：1、需采用一套反应器系统只有一个主反应，只需要一个反应器系统。
由于反应转化率不可能达到100%，故原料要循环回反应器。
2、采用一股气相循环物流全流程有一个回到反应器去的循环物流。
其流程图见图2. 3。
3、在反应器入口处无需过量反应物4、配置气体压缩机一台反应在高压下进行，需要一台进料气压缩机。
5、反应器采用预热方式进料6、通过改变反应器的停留时间来调节平衡转化率。
图2.3 丁二烯制备丁二烯砜过程循环结构3.2 流程的物料衡算初期物料衡算是基于所有有价值物流全部回收的假设，衡算结果将为用PRO/II作流程模拟提供初值。
严格的物料衡算待确定分离系统的细节后由PRO/II流程模拟结果给出。
1. 设计变量。
将产物分布关联为有限反应物的单程转化率的函数，即设计变量为丁二烯的单程转化率。
2. 物料衡算。
从图2.3看到，所有进入该过程的丁二烯都转化了（没有丁二烯离开系统），这是基于丁二烯完全回收的假设，即忽略掉产品物流中有任何丁二烯的损失。
当反应转化率为x 、反应选择性为S 、丁二烯砜产率为P 丁二烯砜时，该过程的丁二烯新鲜进料量FF C4H6必须为SP FF SO H C H 2646C4(2-1) 令进入反应器的丁二烯流率为F C4H6，当转化率是x 时，离开反应器的丁二烯量是F C4H6 (1-x )。
对于完全回收的分离系统，离开反应器的流率将等于循环流率。
在反应器前的混合器作一衡算，则有FF C4H6+ F C4H6 (1-x ) = F C4H6 (2-2)于是反应器的进料量为F C4H6＝FF C4H6/x (2-3)4分离系统4.1 分离序列的综合选用探试法选择简单塔塔序。
探试法的搜索速度一般比数学规划法要高得多，如果探试法则使用得当，不需要过多的计算便可迅速获得接近最优的分离序列。
Nadgir和Liu提出的有序探试法，就是一种较好的分离序列综合的探试法。
Nadgir和Liu把探试法则分为四大类：①分离方法探试（M探试）法则；②设计探试（D探试）法则③组分探试（S探试）法则；④组成探试（C探试）法则。
这四类探试法则中包括如下探试法则，这些探试法则必须依次顺序采用，不可颠倒：规则1（M1法则），尽量采用直接分离法（只用能量分离剂的分离方法，如普通精馏），避免采用间接分离法（需要用质量分离剂的分离方法）。
但当关键组分的相对挥发度（或分离系数）小于1.05～1.10时，不推荐用普通精馏，该采用质量分离剂，但分离剂应在下一个分离器中分离出来。
规则2（M2法则），避免温度和压力过于偏离环境条件。
如果必须偏离，也宁可向高温或高压方向偏离，而尽量不向低温、低压方向偏离。
如不个、得不采用真空蒸馏，可以考虑用液液萃取来代替。
如果需要冷冻，可以考虑吸收等替代方案。
规则3（D1法则），倾向于产生的产品个数最少的分离序列，也就是避免分离那些在同一目标产物组中的组分。
规则4（S1法则），优先分离具有腐蚀性或毒性的成分。
规则5（S2法则），难于分离的组分最后分离。
特别是关键组分的相对挥发度接近于1.0时，应当在没有非关键组分存在的条件下进行分离。
规则6（C1法则），在相对挥发度允许的条件下，进料组成最大的组分优先分离。
规则7（C2法则），在进料组分的组成相差不大，且相对挥发度允许的条件下，倾向于将进料一分为二的分离，即将进料等摩尔地分成塔顶和塔底产品。
若难以判断哪一种分离最接近一分为二，则可以把易分离系数(CES)值最大的分离点优先分离。
易分离系数定义如下：(3-1) 其中f为产品摩尔流率比，定义为(3-2) 式中 D—塔顶出料摩尔流率；B—塔底出料摩尔流率。
式（3-1）中∆为(3-3)或 (3-4) 式（3-3）表示轻重关键组分间沸点差，式（3-4）中α为轻重关键组分相对挥发度。
易分离系数越大，表示轻、重关键组分越易被分离，所需分离费用一般也较低。
4.2 分离系统的总体结构从反应器的操作条件（90 0F ，150psia）下出来的液相混合物，温度大约在90 0F，经过换热器进行间接升温至340 0F进入分离系统，再通过分别设计蒸汽回收系统和液体分离系统来实现相的最终分离。
丁二烯制备丁二烯砜过程的分离系统总体结构如图4.2.1所示：根据PRO/II的模拟计算知，可采用两个串联的闪蒸器来分割反应器的出料，气相循环到反应器入口处和新鲜进料混合，经过气体压缩机压缩至150psia、477.40F，再经过换热器降温至90 0F 进反应器。
丁二烯制备丁二烯砜过程分离系统的初步结构如图4.2.2所示：图4.2.2 丁二烯制备丁二烯砜过程分离系统的初步结构该分离系统可采用各种替代方案：1．升高混合物的温度或降低它的压力，利用闪蒸器来实现相的分离。
2．升高混合物的温度，采用精馏塔来分割物流。
3．升高混合物的温度，采用稳定塔来分割物流。
以上各种替代方案按照费用递增的顺序排列，故希望采用排列靠前的方案。
5丁二烯制备丁二烯砜过程的全流程模拟5.1丁二烯制备丁二烯砜过程的全流程图在以上分析的基础上，可进行全流程的模拟，利用PRO/II软件进行模拟计算，其流程如图5.1所示。
图5.1丁二烯制备丁二烯砜过程的全流程图5.2丁二烯制备丁二烯砜过程的全流程经济衡算 5.2.1过程的经济潜力以年操作时数8150小时为基准，过程的经济潜力为： EP=产品的价值-原料费用-设备费用1．原料及产品费用SO 2＝0.064$/mol ，丁二烯＝6.76$/mol ，丁二烯砜＝8.50$/mol 2．反应器的费用模型采用CSTR 反应器，反应器的年均建设费可按下式计算： 3150558.0R V [$/(ft 3·a)] 3．闪蒸器的费用模型一般闪蒸器的停留时间为15min 左右（0.25h ），故闪蒸器的体积可按下式计算：v Q V 25.0=式中V 是闪蒸器的体积（ft 3），Q v 是进入闪蒸器物流的体积流率（ft 3/h ）。