第3章 过程系统的稳态模拟讲解
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拟节点中又识别出一个环路
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)。
优
•
物性计算 单元计算 流程计算 设计计算 算 1
2
图２－５ 面向方程法的迭代循环圈
3.1.3 联立模块法
又称双层法：
取序贯模块法及联 立方程法两者之长。
不可分隔 相关子系统
按严格单元模型 进行单元模拟计算 生成简化模 型的模型参数 简化模型联结方程的求 解进行系统模拟或优化 收敛判据1
Y N N
A,(B,C,D)
B,C,D,E为拟节点，该节点包含两个环路:(B,C,D,B)及(C,E,C)
(
E
)
（3）C开始
wenku.baidu.com合并A,B,C,D,E
A,(B,C,D),A E
节点C,A,B,C构成一环路,合并A,B,C,D,E为拟节点,该节点 包含3个环路:(B,C,D,B)、（C,E,C)及(C,A,B,C)。 （4）D开始 ( A,B,C,D),E,C,D
f1 f
2
x1
1 0 1 0 0 2
x
0 1 0 1 0 2
2
x
1 0 1 0 1 3
3
x
0 1 0 1 0 2
4
x5 1 0 0 0 1 2
（1）列出事件（关联）矩阵S Sij= 1，变量xj存在于方程fi中
f3 f
4
0，变量xj不存在于方程fi中
f5
（2）找出非零元素最多的列，k=3 （3）k列元素值为零行保留；元素为1的行用布尔加法
A C B
D
A C D
E
E
B
F
含两个循环回路的最大循环网
两个序贯相连的循环回路
1. Sargent 和 Westerberg 的单元串搜索法
（1）A(有系统输入)开始 合并B,C,D A,B,C,D,B B,C,D为一拟节点。 （2）C开始 合并B,C,D,E
A,（B,C,D）
A,(B,C,D),E,C
两个层次： 单元模块的层次； 系统流程的层次。
联立模块法兼有序贯模块法和 面向方程法的优点。既能使用序贯 模块法积累的大量模块，又能将最 费计算时间的流程收敛和设计约束 收敛等迭代循环合并处理，通过联 立求解达到同时收敛。
收敛判据2
输出计算 结果
Y
过程系统稳态模拟三种方法的比较
方法 序 贯 模 块 法 面 向 方 程 法 优 点 与工程师直观经验一致， 便于学习使用； 易于通用化，已积累了丰 富的单元模块； 需要计算机内存较小； 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； 可以利用前人开发的单元 操作模块； 可以避免序贯模块法中的 循环流迭代；比较容易实 现通用。 缺 点 再循环引起的收敛迭代很 费机时； 进行设计型计算时，很费 机时； 不宜用于最优化计算； 要求给定较好的初值，否 则可能得不到解；计算失 败后诊断错误所在困难； 形成通用化程序有困难 有，故使用不便；难以继 承已有的单元操作模块。 将严格模型做成简化模型 时，需要花费机时； 用简化模型来寻求优化 时，其解与严格与严格模 型优化解是否一致，有争 论。 代 表 软 件 系 统 PROCESS（美） CONCEPT（英） CAPES（日） ASPEN（美） FLOWTRAN（美）
合并
x1 x2 x3 x4 x 5 f2 f4 0 0 1
1
1 1 0
2
0 0 1
1
1 1
0 0
f1 U f 3 U f 5
0 1
2 1
再重复第三步
（4）重复第（2）步，找出非零元素最多的列，k=2或k=4
x1
f 1U f 3 U f 5 f2 U f4 1 0
x2
0 1
x3
1 0 1
x4
0 1 1
数学模型。 3.2.1系统分解步骤 （1）系统的分隔（或分割)
① 识别独立的子系统
② 从子系统中识别循环回路或最大循环网 （2）子系统（循环回路或最大循环网）的断裂
3.2.2 不相关子系统的识别
f1 ( x1 , x3 , x5 ) 0 f 2 ( x2 , x4 ) 0 f 3 ( x1 , x3 ) 0 f 4 ( x2 , x4 ) 0 f 5 ( x3 , x5 ) 0
ASCEND－Ⅱ（美） SPEEDUP（英）
联 立（ 模双 块层 法法 ）
TISFLO（德） FLOWPACK－Ⅱ（英）
3.2 化工过程系统的分解（p51）
将一个结构已定的系统分割成一些更小的次一级系统的方 法。将系统的总目标分解成更小的系统的目标，或者将阶数、
维数很大的系统的数学模型分解成阶数、维数较小的子系统的
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
计 化 规 程 单 程 优 设 流 过 物性 计算 元 定 计 计 算 算 算 算 计
计
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。
化
计
•
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。 联立方程法的形成通用软 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。
• 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。
• 序贯模块法根据由各种单元模块组成的过程系统的结构，按照物流 方向的对各单元模块进行计算，从而完成该过程系统模拟计算。
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，易通用化 计算出错时易于诊断出错位置
缺点：
x5
1 0 1
1 1
该矩阵每列只含1个非零元素，说明此时各行间没有共同的 变量，每行对应了1个不相关的子系统，即子系统：
f1 , f 3 , f 5 f2 , f4
3.2.3 对不相关子系统的分隔
在不相关子系统中识别出不可再分隔的子系统，即循环回
路及最大循环网，并用拟节点表示，然后按信息流方向排出有 利的计算顺序。
第2章 过程系统的稳态模拟
3.1 过程系统模拟的基本方法及其比较（p74）
序贯模块法、联立方程法和联立模块法
3.1.1
序贯模块法
逐个单元模块依次序贯计算求解系统模型的一种方法。 回路（环路）—输入流股与后续的单元设备输出有关。
序贯模块法的特点
• 序贯模块法的基本部分是模块（子程序），用以描述物性、单元操 作以及系统其它功能。
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)。
优
•
物性计算 单元计算 流程计算 设计计算 算 1
2
图２－５ 面向方程法的迭代循环圈
3.1.3 联立模块法
又称双层法：
取序贯模块法及联 立方程法两者之长。
不可分隔 相关子系统
按严格单元模型 进行单元模拟计算 生成简化模 型的模型参数 简化模型联结方程的求 解进行系统模拟或优化 收敛判据1
Y N N
A,(B,C,D)
B,C,D,E为拟节点，该节点包含两个环路:(B,C,D,B)及(C,E,C)
(
E
)
（3）C开始
wenku.baidu.com合并A,B,C,D,E
A,(B,C,D),A E
节点C,A,B,C构成一环路,合并A,B,C,D,E为拟节点,该节点 包含3个环路:(B,C,D,B)、（C,E,C)及(C,A,B,C)。 （4）D开始 ( A,B,C,D),E,C,D
f1 f
2
x1
1 0 1 0 0 2
x
0 1 0 1 0 2
2
x
1 0 1 0 1 3
3
x
0 1 0 1 0 2
4
x5 1 0 0 0 1 2
（1）列出事件（关联）矩阵S Sij= 1，变量xj存在于方程fi中
f3 f
4
0，变量xj不存在于方程fi中
f5
（2）找出非零元素最多的列，k=3 （3）k列元素值为零行保留；元素为1的行用布尔加法
A C B
D
A C D
E
E
B
F
含两个循环回路的最大循环网
两个序贯相连的循环回路
1. Sargent 和 Westerberg 的单元串搜索法
（1）A(有系统输入)开始 合并B,C,D A,B,C,D,B B,C,D为一拟节点。 （2）C开始 合并B,C,D,E
A,（B,C,D）
A,(B,C,D),E,C
两个层次： 单元模块的层次； 系统流程的层次。
联立模块法兼有序贯模块法和 面向方程法的优点。既能使用序贯 模块法积累的大量模块，又能将最 费计算时间的流程收敛和设计约束 收敛等迭代循环合并处理，通过联 立求解达到同时收敛。
收敛判据2
输出计算 结果
Y
过程系统稳态模拟三种方法的比较
方法 序 贯 模 块 法 面 向 方 程 法 优 点 与工程师直观经验一致， 便于学习使用； 易于通用化，已积累了丰 富的单元模块； 需要计算机内存较小； 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； 可以利用前人开发的单元 操作模块； 可以避免序贯模块法中的 循环流迭代；比较容易实 现通用。 缺 点 再循环引起的收敛迭代很 费机时； 进行设计型计算时，很费 机时； 不宜用于最优化计算； 要求给定较好的初值，否 则可能得不到解；计算失 败后诊断错误所在困难； 形成通用化程序有困难 有，故使用不便；难以继 承已有的单元操作模块。 将严格模型做成简化模型 时，需要花费机时； 用简化模型来寻求优化 时，其解与严格与严格模 型优化解是否一致，有争 论。 代 表 软 件 系 统 PROCESS（美） CONCEPT（英） CAPES（日） ASPEN（美） FLOWTRAN（美）
合并
x1 x2 x3 x4 x 5 f2 f4 0 0 1
1
1 1 0
2
0 0 1
1
1 1
0 0
f1 U f 3 U f 5
0 1
2 1
再重复第三步
（4）重复第（2）步，找出非零元素最多的列，k=2或k=4
x1
f 1U f 3 U f 5 f2 U f4 1 0
x2
0 1
x3
1 0 1
x4
0 1 1
数学模型。 3.2.1系统分解步骤 （1）系统的分隔（或分割)
① 识别独立的子系统
② 从子系统中识别循环回路或最大循环网 （2）子系统（循环回路或最大循环网）的断裂
3.2.2 不相关子系统的识别
f1 ( x1 , x3 , x5 ) 0 f 2 ( x2 , x4 ) 0 f 3 ( x1 , x3 ) 0 f 4 ( x2 , x4 ) 0 f 5 ( x3 , x5 ) 0
ASCEND－Ⅱ（美） SPEEDUP（英）
联 立（ 模双 块层 法法 ）
TISFLO（德） FLOWPACK－Ⅱ（英）
3.2 化工过程系统的分解（p51）
将一个结构已定的系统分割成一些更小的次一级系统的方 法。将系统的总目标分解成更小的系统的目标，或者将阶数、
维数很大的系统的数学模型分解成阶数、维数较小的子系统的
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
计 化 规 程 单 程 优 设 流 过 物性 计算 元 定 计 计 算 算 算 算 计
计
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。
化
计
•
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。 联立方程法的形成通用软 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。
• 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。
• 序贯模块法根据由各种单元模块组成的过程系统的结构，按照物流 方向的对各单元模块进行计算，从而完成该过程系统模拟计算。
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，易通用化 计算出错时易于诊断出错位置
缺点：
x5
1 0 1
1 1
该矩阵每列只含1个非零元素，说明此时各行间没有共同的 变量，每行对应了1个不相关的子系统，即子系统：
f1 , f 3 , f 5 f2 , f4
3.2.3 对不相关子系统的分隔
在不相关子系统中识别出不可再分隔的子系统，即循环回
路及最大循环网，并用拟节点表示，然后按信息流方向排出有 利的计算顺序。
第2章 过程系统的稳态模拟
3.1 过程系统模拟的基本方法及其比较（p74）
序贯模块法、联立方程法和联立模块法
3.1.1
序贯模块法
逐个单元模块依次序贯计算求解系统模型的一种方法。 回路（环路）—输入流股与后续的单元设备输出有关。
序贯模块法的特点
• 序贯模块法的基本部分是模块（子程序），用以描述物性、单元操 作以及系统其它功能。