1、 化工系統的定常態模擬與分析化工系統的定常態模擬與分析 2.1 2.1 過程系統模擬的三種基本方法過程系統模擬的三種基本方法 2.2 2.2 過程系統模擬的序貫模塊法過程系統模擬的序貫模塊法 2.3 2.3 過程系統模擬的面向方程法過程系統模擬的面向方程法 2.4 2.4 過程系統模擬的聯立模塊法過程系統模擬的聯立模塊法 2.5 2.5 氨合成工藝流程的模擬與分析氨合成工藝流程的模擬與分析 化工系統的定常態模擬與分析化工系統的定常態模擬與分析 關鍵詞：關鍵詞：化工系統、化工系統、定常態、定常態、 模擬、模擬、分析分析 重重 點：點： 學學 時：時： 8 8 發酵液的分離問題發酵液的分離問題 多

2、效蒸發器多效蒸發器 發酵液發酵液 水水 乙醇乙醇 廢液廢液 水水 乙醇乙醇 廢液廢液 水水 乙醇乙醇 產品產品 水水 乙醇乙醇 發酵液流率發酵液流率=50 kg/min，其中含，其中含 97%(wt)的水和的水和3%(wt)的乙醇。的乙醇。 建立蒸發器的模型：建立蒸發器的模型： 計算產品和廢液的總流率，同時計算產品計算產品和廢液的總流率，同時計算產品 和廢液中水和乙醇的流率和廢液中水和乙醇的流率 平衡閃蒸單元模型 321 FFF 332211 FHFHQFH 32 Kxx 332211 xFxFxF 組分衡算關系組分衡算關系 熱量衡算關系熱量衡算關系 相相平平衡衡關關系系 將上例中加入如下要求

3、，將上例中加入如下要求， 必須使乙醇回收率達到必須使乙醇回收率達到99%，另外，產品，另外，產品 中必須含中必須含50%的乙醇。的乙醇。 計算產品和廢液的總流率，同時計算產品和廢計算產品和廢液的總流率，同時計算產品和廢 液中水和乙醇的流率液中水和乙醇的流率 要求進一步提高產品中的乙醇含量，達到要求進一步提高產品中的乙醇含量，達到 90% Flash 1 Flash 2 Flash 3 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 再進一步要求乙醇的回收率也必須達到再進一步要求乙醇的回收率也必須達到90%90%， 即，對廢液中乙醇的濃度提出了要求即，對廢液中乙醇的濃度提出了要求

4、 Flash 1 Flash 2 Flash 3 1 12 2 3 3 4 4 5 5 7 7 6 6 8 8 乙醇在反應器中通過發酵而得到，在這個乙醇在反應器中通過發酵而得到，在這個 理想流程中，通過發酵可以將理想流程中，通過發酵可以將2kg的谷物轉的谷物轉 化為化為1kg 水和水和1kg乙醇乙醇 進料流率為進料流率為100kg/min ,含谷物含谷物20%(wt),水水 80% (wt)。反應器效率為。反應器效率為0.25 發酵產物經過濾后，在漿液中，每發酵產物經過濾后，在漿液中，每10 kg 的谷的谷 物中仍含物中仍含1kg的水的水/乙醇溶液乙醇溶液 5%(wt)的漿液排放掉的漿液排放掉

5、 發酵反應器發酵反應器過濾器過濾器 排放排放 含谷物、含谷物、 乙醇、水乙醇、水 采出采出 乙醇、水乙醇、水 循環流循環流 含谷物、含谷物、 乙醇、水乙醇、水 進料進料 100kg/s 谷物（谷物（20%） 水（水（80%） 1 1 2 23 34 4 5 5 6 67 7 用用EXCELEXCEL求解此問題求解此問題 模擬是對過程系統模型的求解模擬是對過程系統模型的求解 過程系統的模擬分析過程系統的模擬分析 對某個給定的過程系統模型進行模擬求解，對某個給定的過程系統模型進行模擬求解， 可得出該系統的全部狀態變量，從而可以對該過可得出該系統的全部狀態變量，從而可以對該過 程系統進行工況分析程系

6、統進行工況分析 P11 過程系統的模擬分析過程系統的模擬分析 過程系統模型 決策變量狀態變量 參 數 圖2-1 過程系統的模擬分析 P11 過程系統設計過程系統設計 圖2-2 過程系統設計 狀態變量 參 數 參 數 過程系統模型滿足設計規定否？ 決策變量 調 整 初值 設計結果 P11 過程系統參數優化過程系統參數優化 圖2-3 過程系統參數優化 約束 特性指標 狀態變量 目標函數模型 參 數 參 數 過程系統模型最優否？ 決策變量 最優化模型 初值 優化結果 P12 l序貫模塊法（序貫模塊法（ equential equential odular odular ethodethod） l面向

7、方程法（面向方程法（ quation quation riented riented ethodethod） l聯立模塊法（聯立模塊法（ imultaneously imultaneously odular odular ethodethod） P12 的基本部分是模塊（子程序），用以描的基本部分是模塊（子程序），用以描 述物性、單元操作以及系統其它功能。述物性、單元操作以及系統其它功能。 對過程系統的模擬以單元模塊的模擬計對過程系統的模擬以單元模塊的模擬計 算為基礎。算為基礎。 按照由各種單元模塊組成的過程系統的按照由各種單元模塊組成的過程系統的 結構，序貫的對各單元模塊進行計算，從而結構，

8、序貫的對各單元模塊進行計算，從而 完成該過程系統模擬計算。完成該過程系統模擬計算。 P12 與實際過程的直觀聯系強與實際過程的直觀聯系強 模擬系統軟件的建立、維模擬系統軟件的建立、維 護和擴充都很方便，易通護和擴充都很方便，易通 用化用化 計算出錯時易于診斷出錯計算出錯時易于診斷出錯 位置位置 計算效率較低，尤其是解計算效率較低，尤其是解 決設計和優化問題時計算決設計和優化問題時計算 效率更低效率更低 P12 優 化 計 算設 計 規 定 計 算流 程 計 算過 程 單元 計 算 物性 計算 圖2-4 序貫模塊法的迭代循環圈 P12 又稱聯立方程法，將描述整個過程系 統的數學方程式聯立求解，從

9、而得出模擬 計算結果 解算快速有效，對設計、優化問題靈 活方便。效率較高 的形成通用軟件比較困難；不能利用 現有大量豐富的單元模塊；缺乏實際流程 的直觀聯系；計算失敗之后難于診斷錯誤 所在；對初值的要求比較苛刻；計算技術 難度較大 P13 優 化 計 算 物性計算 單元計算 流程計算 設計計算 1 2 圖面向方程法的迭代循環圈 P13 又稱雙層法，將過程系統的近似模型又稱雙層法，將過程系統的近似模型 方程與單元模塊交替求解方程與單元模塊交替求解 兼有序貫模塊法和面向方程法的優點。兼有序貫模塊法和面向方程法的優點。 既能使用序貫模塊法積累的大量模塊，又能既能使用序貫模塊法積累的大量模塊，又能 將

10、最費計算時間的流程收斂和設計約束收斂將最費計算時間的流程收斂和設計約束收斂 等迭代循環合并處理，通過聯立求解達到同等迭代循環合并處理，通過聯立求解達到同 時收斂時收斂 P13 狀態變量 圖聯立模塊法（雙層法） 開始 賦初值 嚴格模型 收斂否？ 結束 簡化模型參數 簡化模型 P14 優 化 計 算 流 程 設 計 單 元 計 算 計 算 計 算 物性計算 圖聯立法的迭代循環圈 P14 過程系統穩態模擬三種方法的比較過程系統穩態模擬三種方法的比較 方法優點缺點代表軟件系統 序 貫 模 塊 法 與工程師直觀經驗一致， 便于學習使用； 易于通用化，已積累了豐 富的單元模塊； 需要計算機內存較小； 有錯誤易于診斷檢查； 再循環引起的收斂迭代很 費機時； 進行設計型計算時，很費 機時； 不宜用于最優化計算； PROCESS（美） CONCEPT（英） CAPES（日） ASPEN（美） FLOWTRAN（美） 面 向 方 程 法 解算快； 模擬型計算與設計型計算 一樣；適合最優化計算， 效率高； 便于與動態模擬聯合實 現； 要求給定較好的初值，否 則可能得不到解；計算失 敗后診斷錯誤所在困難； 形成通用化程序有困難 有，故使用不便；難以繼 承已有的單元操作