化工系统模拟

5.1、用序贯法模块法模拟稳态系统 、
上图2所示框图进行计算时需切断的流股是S7进行计算的顺序是A、 B、C、D。 (4)进行迭代计算，直到过程收敛为止。
由此可知，序员模块法的数学实质是将大系统分解成若干块小的子 系统，将高阶方程组降阶为低阶方程组进行迭代求解。这种算法在运 算时严格按信息流方向进行，与过程实际进行的方向和步骤一致，因 而直观，容易学握，特别是用计算机进行模拟计算时，可以使用最多 的流程模拟计算法。
不管拓扑表输入的单元模块的顺序如何，执行程序都将自动分割流程，并 按照A、B，C、D、E、F、G、I、J、H的顺序进行计算。
5.2、系统流程模拟软件的组成 、
3、向模块传递进行计算所需要的物流数据和模块参数，并储存单元模块 、向模块传递进行计算所需要的物流数据和模块参数， 所产生的各种信息。 所产生的各种信息。 4、判别循环物流或热流是否收敛，并根据用户的要求输出数据。 、判别循环物流或热流是否收敛，并根据用户的要求输出数据。 5.2.2物性数据库 物性数据库 物性数据库包括两个部分；物性数据和计算物性的子程序。 物性数据库包括两个部分；物性数据和计算物性的子程序。 一般通用流程模拟系统的物性数据库，有几百个至一千多个组分，物 性数据包括分子量、临界温度、临界压力、临界分子体积、临界压缩 因子、偏心因子、溶解度参数、偶极矩、标准生成热和标准生成自由 焓、标准沸点、标准沸点下汽化热、零焓系数以及物性子程序所需要 的各种系数，如，亨利常数、二元交互作用系数等。物性子程序用于 估算单元模块计算和物流输出时所需的热力学性质和传递性质，如速 度、活度、汽液平衡常数、焓、熵、密度、粘度、导热系数、扩散系 数、表面张力等。因此在流程计算过程中，只要是数据库中包含的组 分．使用者就不需输入任何物性数据。
5.2、系统流程模拟软件的组成 、
物性数据库在流程模拟中有重要作用。 第一，虽然流程模拟软件的强壮性(Robustness)和正确性取决于 数学模型的质量，但计算精度却受制于物性数据的精度。 第二，在流程模拟计算中，物性计算占据了大量计算时间，对于 精馏、闪蒸等平衡级过程的计算更是如此，可能占总机时的80％以 80 上。因此物性数据库能否快速而精确地向单元模块传递物性和物性 是否齐全是评价流程模拟软件优劣的一个重要指标 5.2.3算法子程序 算法子程序 算法子程序包括各种非线性方程组的数值解法，稀疏代数方程组 解法，最优化算法，参数拟合、插值计算和各种迭代算法等。
5.3、系统流程模拟软件的用途 、
流程模拟软件是化工过程合成、分析和优化最有用和不可缺少的工具，可 以认为没有流程模拟软件就不可能得到技术先进合理、生产成本最低的化工过 程设计。 (1) 合成流程 。 有经验的设计人员常用探试规则合成初始流程。根据不同的探 1 合成流程。 试规则常能生成几个不同的流程方案，最终判断流程的优劣需要经过几个方案 全流程的物料、能量衡算以及单元设备计算才能得出结论。没有流程模拟软件， 要在一定的时间内完成如此繁复的工作是非常困难的，因此只能根据设计师的 主观判断或少量方案比较结果作出决策，这在多数情况下不能得到最优的流程。 工艺参数优化。 ( 2 ) 工艺参数优化 。 参数灵敏度分析或直接优化法都要使用流程模拟软件才能 快速而全面地进行。 脱除瓶颈。 ( 3 ) 脱除瓶颈 。 由于原料、公用工程条件或产品数量、质量要求的变化，或由 于原设计考虑不周，可能使已建成的装置有某一设备成为瓶颈(薄弱环节)。分 析生产数据可以得出哪个设备能力不足的定性结论，但究竟怎样改造，要在新 的条件下重新进行流程模拟和单元设备能力计算，得到定量数据后才能确定脱 除瓶颈的方案。
5.2、系统流程模拟软件的组成 、
流程模拟虽然有序贯法模块法、联立方程法、联立模块三种方法，但是 至今为止得到广泛应用的是序贯模块法。序贯模块法软件由执行程序， 单元模块，数据库，算法子程序，单元设备价格估算模块等几部分组 成，下面介绍它的具体内容。 5.2.1执行程序 执行程序 执行程序又称为主控模块，它的具体任务如下所述。 1、检查输入数据，并将这些数据迭至相应的单元模块，例如： 、检查输入数据， （1）检查数据是否在允许的范围内，例如精馏塔的塔板数不能超出程 序允许的最大板数，反应器菜组分的转化率应低于l等。 （2）输入的决策变量数是否和单元设备的自由度相等。 （3）流体编号是否重复使用，即一个流体编号是否重复出现在两个单 元设备的输出物料中，拟软件的组成 、
2、决定计算次序 、 用户在输入表示流程的拓扑表后，执行程序就决定流程的分割 和计算顺序。所谓分割就是把整个流程分成可以独立运算的部分， 各部分之间没有循环物流或其他的反馈信息，如图5-3所示的流程 可以分成三个部分，即A和B，C、D、E、F、G、I和J以及H三个 部分。 流程分割和排序的原理请参阅有关参考书。
五、稳态系统模拟
5.1、用序贯法模块法模拟稳态系统 、
5.1、用序贯法模块法模拟稳态系统 、
序贯法： 序贯法 ： 每一个设备是一个求解单元，（称为模快），当一个模快 的输入变量得到赋值后，则可求解输出变量，从而使下一个输入 物流变量得到赋值。即所谓序贯。
(1)对每一类单元设备或设备的组合或过程，都根据其数学模型编 制—个子程序，这种子程序就称为模块。序贯法中所有模块都是 核算型的，即给定输入流值和单元设备参数值计算所有的输出流 股值。上图所示的流程，需建立的模块是混和、反应、闪蒸和分 流。 (2)将流程用一个框图来表示，图中的节点是单元模块，流股(物流、 能流)是连接节点的边。 (3)寻找一个适当的顺序，依次计算组成流程的各个单元模块。若流 程中有循环物流，必须对循环物流进行“切断”，假设循环物流 的初值，再依次进行计算。
5.4、实例：天然气处理的实际流程 、实例：
5.4.2天然气的轻烃回收 天然气的轻烃回收 条件一、处理组分较轻的天然气轻烃回收流程， 文件：组份较轻的轻烃回收流程hsc 条件二、处理组分较重的天然气轻烃回收流程， 文件：组份较重的轻烃回收流程.hsc
5.4、实例：天然气处理的实际流程 、实例：
计算过程： 计算过程： 1、确定换热器换热温差（或效率）T1-T6=∆T，换热器压力降。 2、2流股未知，是要求解的， 2点以后各流股全是未知，假设回路5的参 数5-1。 3、5-1流股假设后，由于6点温度、压力已知，可求出6流股的状态。 4、1、5、6流股已知的情况下，根据换热器单元模块，可求出2流股状 态。 5、2流股求解后，可求解分离器SEP，得3、4流股参数。 6、4流股求出后，由节流的等焓关系，求出新的5流股的温度。 7、新的5流股参数求解后，可采用直接迭代法迭代，也可用牛顿－拉 夫森法（Newton-Raphson）迭代，直到计算收敛；式中：代表5流股 k次迭代的任何物性 8、计算结果见文件
5.3、系统流程模拟软件的用途 、
(4)研究某些设计问题或操作问题。流程模拟软件可以认为是 研究某些设计问题或操作问题。 研究某些设计问题或操作问题 一个具有各种单元设备的实验装置，能得到在一定的物流 输入和过程条件下的输出，例如可以用闪蒸模块来研究泵 的进口是否会抽空，减压或调节阀后流体是否有汽化，为 保持所需要的相态应有的温度和压力等，也可利用精馏模 块来研究进料组成变化对顶底产品组成的影响和应怎样调 节工艺参数，为设计和操作分析提供定量的信息。 (5)进行参数灵敏度分析。设计所采用的数学模型参数和物性 进行参数灵敏度分析。 进行参数灵敏度分析 等数据有可能不够精确，在实际生产过程个操作条件有可 能受到外界干扰而偏离设计值，因此一个可靠的、易控制 的设计应研究这些不确定因素对过程的影响以及应采取什 么措施才能保证操作平稳，以始终满
5.1、用序贯法模块法模拟稳态系统 、 在用序贯法求解系统时， 常有“ 循环物流” 在用序贯法求解系统时 ， 常有 “ 循环物流 ” 的出现， 的出现 ， 由于循环物流在未求解完成前是 未知的， 因此需假设后才能求解。 未知的 ， 因此需假设后才能求解 。 对循环 物流赋假定值的作法称为对物流的切割。 物流赋假定值的作法称为对物流的切割。 物流循环： 物流循环：如果在一个流程中存在由后单 元流向前单元的物流， 元流向前单元的物流，这就构成了一个循 环过程，这种物流就称为循环物流。 环过程，这种物流就称为循环物流。
5.4、实例：天然气处理的实际流程 、实例：
5.4.1高压节流制冷重烃脱除流程 工艺原理是利用重组分在低温下挥发度低，冷凝成液体。低温由高压气 体节流产生； 工艺流程图中有以下设备：换热器Heat，分离器Sep，节流阀val。
5.4、实例：天然气处理的实际流程 、实例：
天然气高压节流制冷重烃脱除流程计算是按照以下顺序求解。 1、换热器Heat计算：由输入流股(1)(5)(6)计算出输出流股(2) 这里可以看出输出流股(5) 是未知的。 为了求模快Heat必需对流股5进行切割，即假设流股5的参数。 2、分离器sep的计算：由输入流股(2)计算出输出流股(3) (4) 3、节流阀val的计算：由输入流股(4)计算出输出流股(5) 4、由以上计算可以看出：新的（5）点参数是由入口参数（１） 和假设的（5）点参数得出。
5.2、系统流程模拟软件的组成 、
5.2.4单元操作模块 单元操作模块 一个化工过程通常包括反应、换热、压缩、闪蒸、精馏 或吸收等分离单元。每一个单元过程都可用—个相应的模 块表达。模块的数学模型，包括物料平衡、能量平衡、相 平衡和速率方程，在输入进入单元的物流变量、设计变量 和自数据库取得物性数据后，求解这些方程就能得到输出 物流变量和单元的状态变量。 HYSYS化工系统设计软件包
5.3、系统流程模拟软件的用途 、
足产品的数量和质量指标．这就必须进行参数灵敏度分析。而流程模 拟系统是进行参数灵敏度分析最有效、最精确的工具。 (6)参数拟合。高水平的流程模拟软件的数据库都有很强的参数拟合 参数拟合。 参数拟合 功能，即输入实验或生产数据，指定函数形式，模拟流程软件就能回 归出函数中的各种系数。 因此，在过程开发阶段应用流程模拟软件，可以评价和筛选各种 生产路线和方案，减少甚至取消中试的工作量，节省过程开发的时间 和经费的消耗，在过程设计阶段应用流程模拟软件，可以有效地优化 流程结构和工艺参数，提高设计成品的质量；用流程模拟软件分析工 厂的实际生产数据，可以确定最佳的工艺参数，达到改进操作，降低 成本和／或提高产量的日的。因此，一个当代的化工过程工程师，应 当掌握流程模拟的基本原理和方法，用这个有效的工具提高自己工作 的效率。