第三章 化工过程系统动态模拟与分析CH31profLiPPT课件

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19.08.2020
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3.1.1 化工过程系统动态特性
◆化工过程系统动态特性是其基本特性。下列各 类问题都会涉及到系统的动态特性：——与时 俱变性是动态特性。
★ 间歇过程
★ 连续、定常（稳态）过程开停工
★ 连续过程本征参数依时变化
★ 控制系统合成
★ 过程系统局部及全局动态分析
★ 过程系统人为非定态操作
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3.1.3 确定性模型的数学处理
◆ 正问题—模型微分方程组的求解
★ 集中参数系统：常微分方程组或常微—代数方 程组的初值问题
★ 分布参数系统：模型偏微分方程组或偏微—代 数方程组的初、边值问题
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3.1.3 确定性模型的数学处理
◆ 逆问题—模型参数估计
★ 例1：已知一套管换热器，用120°C饱和水蒸气 加热水，水的流量，进、出口温度可测出，求 总传热系数K。
Q GC t KF T
p
m
T
T 1
T 2
m
ln
T 1
T
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3.1.3 确定性模型的数学处理
Hale Waihona Puke Baidu
★ 例2：集中参数系统动态模型参数估计
（1）模型为：
d du tf(u,)t;0,uu(0)u0
（2）u (t)的规律已测出
（3）定义参数估计问题 N M
目标函数（评价函数）=F=
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3.2.1 连续操作搅拌反应器的动态模型
◆ 连续操作搅拌反应器的动态模型
★ 图示（见图3-4，教材P63） ★ 假设：分子级理想混合 ★ i 组分质量守恒
VddcitF(ci,f ci)VR i （i=1，2，…M）
★ 反应区能量（热量）守恒
V Cd dp T tF C (T fp T ) V(T A T c) V N j R j( H j)
相平衡等
★ 非线性系统可能出现一系列特殊现象
定态多重性
定态稳定性（局部；大范围）
自激振荡
混沌（似随机确定性）…等等
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3.2 连续搅拌罐反应器的动态特性
3.2.1 连续操作搅拌反应器的动态模型
◆ 集中参数过程系统确定性模型
★ 目的：以一个实例说明集中参数系统动态模型 建立方法
★ 建模方法：质量、动量、能量守恒+过程动力 学
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3.2.1 连续操作搅拌反应器的动态模型
★ 过程速率
R i i,jR j i,jR j(c,T)
j
j
★ 定解条件
t=0，ci ci,0;TT0
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3.2.2 模型求解与应用
◆ 模型的求解
问题为常微分方程组的初值问题，可籍欧拉，龙 格—库塔，吉尔等方法的通用程序求解。
★ 从过程系统动态特性中检出有用信息
◆发达国家化工系多有过程动态学或过程控制的
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3.1.2 化工过程系统的动态模型
◆ 数学模型与模型化
★ 对过程系统规律性的定量数学描述称为数学模 型
★ 数学模型的分类
经验的（统计的）；半经验的（相似论；人工神经元 网络）；确定性的（因果的、机理的、基于守恒律的）
——以均相不可逆一级放热反应为例
A k B+Q ；
（1）定常态多重性
kk0exp(RE gT);RkCA
令
dcA dT0 dt dt
① F(cA,f cA)Vk0exp(REgT)cA
Qg
FCP(Tf
T)Vk0e
E xp(RgT)cA(H)VA(TTC)QR
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②
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3.2.2 模型求解与应用
模型类型
模型表达形式
应用实例
集中参数模型 代数—常微分方程组 理想搅拌罐反应器动态模型等
分布参数模型 代数—偏微分方程组 多级集中参数模型 代数—常微分方程组
混合模型
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上述二、三类模型的 混合形式
填料塔、管式反应器动态模型等 板式塔动态模型、串联CSTR动态
模型等 多个单元过程组合而成的系统
第三章
化工过程系统动态模拟与分析
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整体概况
概况一
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01
概况二
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02
概况三
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03
3.1 化工过程系统动态模型
◆ 什么是化工过程系统？
★ CPT
通过一系列物理化学分离和化学反应（包括催化、电 化与生化）改变原料状态、微观结构和/或化学组成的加 工技术。
(ui,
E j
ui,
jC)2
ij
NM
参数估计问题为minF=
(ui,jEui,jC)2 ()
ij
（4）选择适当最优化算法求解上述问题。
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3.1.3 确定性模型的数学处理
◆ 过程系统定性分析
★ 化工过程系统的非线性特征
许多单元过程或环节的数学模型是非线性甚至强
非线性的，如反应k=
★ 数学模型化：模型的建立、性能模拟、参数估计、参
变性能分析、过程系统设计、过程系统优化、控制系
统设计与合成、局部与全局特性分析… …等。模型化
是现代化学工程占主导地位的方法论。
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3.1.2 化工过程系统的动态模型
◆ 确定性模型分类
表3-1 化工过程系统确定性动态模型的数学表达形式
关键词：系统； 模拟； 优化
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3.1 化工过程系统动态模型
★ 化工过程系统
例：
A
C
B 反应 B+C 分离
B
E
反应 C+D 分离
D （最终产品）
C
一系列化工单元过程构成的有机整体，称为化工 过程系统。
单元过程：流体动力过程、传热过程、传质过程、热力学过程、机
械过程、化学反应过程
有机整体：原料、产品种类、规格；加工工艺；构成系统的方式与
★ CPI
以化学加工技术为基础建立的工业部门通称为化学加 工工业，或过程工业。
按美国工业分类标准，包括110多个行业。
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3.1 化工过程系统动态模型
★ 系统
为了某种特定目的而将相互关联的一些单元组合
在一起的整体（或网络）称为系统。
★ 系统工程
以系统的优化为目标，以模型和模拟作为工具， 研究系统组成、分解、综合、性能模拟与分析的工程 科学。
利用式① 消去②中 c A ，使 Q gf1(T)Q ;Rf2(T)
◆ 开工过程分析
（1）开工时间
（2）初始条件对开工过渡过程的影响
◆ 动态响应的数值仿真
对阶式扰动的动态响应—
定义某定常态为初始态；
定义输入量（F，c f , TC 等操作变量）；
求解：t=0， 操作量，ccss,TTss相应的初值问题
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3.2.2 模型求解与应用
◆ 连续搅拌反应器性能的定性分析