1、第七章第七章 化工過程的模擬與分析化工過程的模擬與分析 7.1 化工過程設計、化工過程模擬分析、化工技術經濟三者之間相互關系化工過程設計、化工過程模擬分析、化工技術經濟三者之間相互關系化工工藝設計的內容與步驟化工工藝設計的內容與步驟第一步：流程組織（過程合成）第二步：物料衡算及熱量衡算第三步：設備設計及選型第四步：PFD圖及PID圖的設計與繪制第五步：流程的平立面布置設計及配管設計第六步：主要材料表及概（預）算（工藝部分）第七步：對流程的技術經濟分析第八步：編寫工藝設計說明書內循環優化內循環優化外循環優化外循環優化內循環優化：內循環優化： 在流程結構不變的前提下，通過修改、調整流程內部的部分設

2、備參數和操作參數，來對流程進行優化設計。外循環優化：外循環優化： 在內循環優化不能滿足優化目標的情況下，重新做流程組織，對流程結構進行改頭換面的大變動，而達到對流程進行優化設計的目的。內循環優化經常用于老流程的改造，并對實驗室研究開發有指導意義。內循環優化經常用于老流程的改造，并對實驗室研究開發有指導意義。外循環優化經常用于新廠設計時，對多個流程方案進行分析比較。外循環優化經常用于新廠設計時，對多個流程方案進行分析比較。 二層循環優化設計，工作量巨大，手工設計很難完成，只有靠計算二層循環優化設計，工作量巨大，手工設計很難完成，只有靠計算機輔助設計。機輔助設計。設計任務書提出設計任務流程組織（過

3、程合成）工藝流程草圖將流程結構輸入計算機系統將已知參數輸入計算機系統MB、HB計算設備設計及選型PFD與PID圖的設計與繪制平立面布置與配管設計材料表及工程概（預）算流程的技術經濟分析設備參數、操作參數的優化調整流程結構優化調整內循環優化外循環優化現代計算機輔助化工過程設計與模擬運行示意圖現代計算機輔助化工過程設計與模擬運行示意圖綜合階段設計階段優化階段一個實際運行的一個實際運行的化工項目化工項目或或它建成運行前它建成運行前的設計資料的設計資料首先，從其中提取出來其項目投資、產品成本、銷售收入、稅金、利潤等基基本經濟數據。本經濟數據。然后，針對這些基本經濟數據，用技術經濟的觀點歸納、分析出其技

4、術經濟指標技術經濟指標（投資利潤率、投資還本期等）。最后，判斷其經濟經濟合理性合理性。化工過程設計與化工項目經濟分析之間的關系化工過程設計與化工項目經濟分析之間的關系在實際化工過程設計工作中，設計、經濟、模擬三者之間關系：在實際化工過程設計工作中，設計、經濟、模擬三者之間關系：、設計出一個較好的流程是化工過程設計的最終目的；、經濟分析與評價是挑選和判斷流程優劣的依據；、計算機輔助化工過程設計與模擬是設計的有力手段；7.2 化工過程（系統）模擬的一些基本概念化工過程（系統）模擬的一些基本概念一、化工系統一、化工系統 為了實現一定目的，由若干相互聯系、彼此影響的化工單元設備組成的一個流程，稱為一個

5、化工系統。、化工系統，實質就是化工過程設計或化工系統模擬處理的對象，就是過程合成（流程組織）得到的流程圖。、化工系統根據設計或模擬的目的不同，化工系統可大可小；、一個大的化工系統可以分成若干個子系統。二、化工系統的工況特性及化工系統分析二、化工系統的工況特性及化工系統分析化工系統的外界：化工系統范圍以外的一切事物。 有意義的化工系統，決不會是與外界隔絕的孤立系統，它與外界有物物料流、能量流、信息流料流、能量流、信息流的輸入與輸出。化工流程的特性參數流程的單元結構參數單元的種類、數量單元之間位置關系流股走向關鍵單元設備的特性參數關鍵工藝工段的操作參數化工系統特性由系統（流程）的特性參數所決定：化

6、工系統特性由系統（流程）的特性參數所決定： 化工系統（系統特性）輸入輸出化工系統工況特性：化工系統工況特性：一個化工系統一個化工系統“輸入系統特性輸出輸入系統特性輸出”之間的規律性聯系。之間的規律性聯系。化工系統分析：化工系統分析：在一個化工系統的特性已知的前提下，給定其輸入，預測分析其在一個化工系統的特性已知的前提下，給定其輸入，預測分析其輸出，這一分析過程稱為化工系統分析。輸出，這一分析過程稱為化工系統分析。三、模擬（仿真，三、模擬（仿真，Simulation）模擬物理模擬數學模擬物理模擬：物理模擬：用真實的物理試驗手段研究某個化工過程；數學模擬：數學模擬：不用真實的物理試驗，而是列出過程

7、的數學模型，然后用計算機 手段對此模型進行求解與分析，從而達到對某個化工過程進行研究 的目的；數學模擬：成本低靈活性大可靠性相對較低物理模擬：成本高靈活性小可靠性相對較高注意：化工過程的模擬經常采用數學模擬與物理模擬相結合的方式進行。注意：化工過程的模擬經常采用數學模擬與物理模擬相結合的方式進行。化工過程（系統）模擬：化工過程（系統）模擬： 將描述某個化工過程的數學模型編成計算機軟件，將模型參數（系統的特性參數）也輸入計算機模擬軟件，然后計算機模擬軟件根據輸入信息，自動調用也編成了計算機軟件的模型求解方法，從而對化工過程進行分析，給出模擬計算的輸出結果。化工系統（過程）模型（計算機程序軟件）

8、模型參數（系統特性參數）輸入求解方法軟件程序輸出模擬是進行化工系統分析的有力手段。注意：模擬是正向運行的。即已知系統模型及特性，從輸入預測分析其輸出。注意：模擬是正向運行的。即已知系統模型及特性，從輸入預測分析其輸出。化工過程模擬穩態模擬非穩態模擬（動態模擬）四、模擬型問題和設計型問題四、模擬型問題和設計型問題按照化工過程（系統）模擬的定義，模擬是正向進行的，即： 化工系統（過程） （系統特性）輸入輸出 然而，在實際化工過程設計時，經常遇到過程的部分輸出數值是設計要求已知的，反過來去求滿足這些輸出要求的輸入值。這就是所謂的設計型問題。 也就是說，設計型問題是，根據已知的部分輸出及化工系統（過程

9、）特性，去尋求足夠滿足輸出要求所對應的輸入條件。 現有的模擬軟件包只能直接用于解決模擬型問題。將現有模擬軟件用于設計型問題的方法有二個：、正向試差模擬計算；、將輸出規定改寫成模型求解的約束條件方程；7.3 化工系統（過程）的數學模型化工系統（過程）的數學模型一、化工過程（系統）數學模型的種類一、化工過程（系統）數學模型的種類化工（過程）系統輸入輸出化工（過程）系統數學模型的實質：化工（過程）系統數學模型的實質： 主要根據化工過程“三傳一反”以及MB、HB衡算原理，將化工系統輸入變量、輸出變量、單元變量三者之間用數學關系有機地聯系在一起，而形成的數學方程或方程組。數學模型的種類理論模型半經驗半理

10、論模型經驗模型理論模型：理論模型： 在嚴格理論分析基礎上建立起來的數學模型，模型中的所有系數（參數）都由理論推導出來。 這類模型可靠性最強，但在化工領域出現的幾率很小。半經驗半理論模型（灰箱模型）：半經驗半理論模型（灰箱模型）： 這類模型的建立，即有理論分析作基礎，又有試驗數據和經驗的支撐，是化工領域最常見的數學模型。具有很高的實用價值。 這類模型的框架一般靠理論分析建立，模型中的參數一般靠試驗和經驗確定。在一定使用條件下可靠性較強。經驗模型（黑箱模型）：經驗模型（黑箱模型）： 是純經驗模型。一般出現在對系統機理一點不掌握，只能通過試驗獲得其輸入輸出之間的對應關系。 這類模型在模型試驗范圍內可

11、靠性較好，但超過試驗范圍的外推性較差。這類模型在化工領域出現的幾率也很小。二、化工過程（系統）模型方程的形式二、化工過程（系統）模型方程的形式化工系統（過程）模型方程的形式方程的形式決定于：、穩態還是動態過程決定時間變量是否引入？、是集總參數模型還是分布參數模型決定空間坐標變量是否引入？對穩態集總參數模型其方程形式必然是代數方程（組）對動態集總參數模型其方程形式是以時間為變量的常微分方程（組）對穩態分布參數模型其方程形式是以空間為變量的常微分方程（組）或偏微分方程組對動態分布參數模型其方程形式是以時間和空間為變量的偏微分方程組三、半經驗半理論數學模型的建立三、半經驗半理論數學模型的建立半經驗半

12、理論模型的建立一般分二步進行：第一步：模型識別（確定模型的骨架（框架）形式）第一步：模型識別（確定模型的骨架（框架）形式）依據：“三傳一反”、MB、HB等，以及試驗觀察到的現象。第二步：模型參數估計（估值）第二步：模型參數估計（估值）依據：試驗數據代入模型中，用數值方法進行處理。例如：針對ABC，要建立其反應動力學模型iAAAdCrkCdt首先，確定動力學方程框架：然后，確定以上動力學方程模型中的參數（k、i）： 設計試驗，得到CAt的對應數據，再用最小二乘法、單純形法、Powell共軛法等數值方法完成模型參數估值。例如：谷氨酸發酵過程的數學模型X菌體濃度；P產物（谷氨酸）濃度；S基質（葡萄糖

13、）濃度；CO2排氣CO2濃度。212dXk Xk Xdt354k SdPdXXkdtkSdt678dSdXdPkkkdtdtdt2910dCOdXkk XdtdttXPSCO2.7.4 化工單元模型及模擬分析化工單元模型及模擬分析一、換熱器模型及其模擬分析一、換熱器模型及其模擬分析換熱器換熱器高溫苯蒸汽F2、t2冷水熱水F3、t3F4、t4F1、t1低溫苯蒸汽目的：回收高溫苯蒸汽的熱量。要求：列出該換熱系統的通用模型。1、通用模型、通用模型mQAU t112()()pQFctt苯1434()()FFppcc12水苯（t -t）=（t -t ）24132413()()tlnmtttttttt換熱

14、器換熱器高溫苯蒸汽F2、t2冷水熱水F3、t3F4、t4F1、t1低溫苯蒸汽2134FFFF其中：U（總傳熱系數）、cp（苯）、cp（水）為常數2、模型自由度分析、模型自由度分析、通用模型的自由度分析變量：Q、A、tm、F1、F2、F3、F4、t1、 t2、 t3、 t4 共共11個個方程：共六個共六個通用模型的自由度：1165、手工計算時的自由度分析變量：F1、F4、t1、 t2、 t3、 t4 共六個共六個方程：共一個共一個手工計算時的自由度：615二者是可以統一起來的。二者是可以統一起來的。3、系統的模擬型問題、系統的模擬型問題模擬型問題：已知系統特性，根據已知輸入，來計算輸出。換熱器換

15、熱器高溫苯蒸汽F2、t2冷水熱水F3、t3F4、t4F1、t1低溫苯蒸汽已知：A、F1、F4、t1、t4計算求解：F3、F2、t3、t2、Q、tm通用模型的自由度是通用模型的自由度是5，因此，模擬型問題能解決。，因此，模擬型問題能解決。4、系統的部分設計型問題、系統的部分設計型問題換熱器換熱器高溫苯蒸汽F2、t2冷水熱水F3、t3F4、t4F1、t1低溫苯蒸汽、如果要求t2已知（苯蒸汽出口溫度限制），并已知輸入F1、t1、F4、t4。 反過來求系統特性A和其它未知輸出F3、t3、F2、Q、tm、如果要求t3已知（熱水出口溫度已知），并已知輸入F1、t1、F4、t4。 反過來求系統特性A和其它未

16、知輸出F3、t2、F2、Q、tm、已知： F1、 t1、 t2、t3、A。 求：F4、F3、F2、t4、Q、tm、已知：F1、t1、 t2、 F4、A。 求：F2、F3、t3、t4、Q、tm 問題：設計型問題一共有多少組可能情況？問題：設計型問題一共有多少組可能情況？ 表面上，從11個模型變量集中，挑選5個變量（自由度要求）作為設計變量組，就可以解出其它未知的6個變量。可能共有：511C但有兩個問題值得注意： tm一般不可能作為設計變量； 挑選出來的設計變量不能使模型方程失出獨立性（使方程恒等）；實際上從變量集：Q、A、F1、F4、t1、 t2、 t3、 t4 共共8個中挑選個中挑選5個變量作

17、為設計變量組。就縮小了選擇范圍。但仍然要注意個變量作為設計變量組。就縮小了選擇范圍。但仍然要注意以上兩個問題中的第二個問題。以上兩個問題中的第二個問題。二、連續非絕熱平衡閃蒸的系統模型及其模擬分析二、連續非絕熱平衡閃蒸的系統模型及其模擬分析P，TFFFHTPzF,vHTPyV,LHTPxL,dtdQ非絕熱平衡閃蒸單元操作示意圖非絕熱平衡閃蒸單元操作示意圖其中，xyz,分別是進料、氣相出料、液相出料流股的組成向量，均含有C種組份。1、通用模型、通用模型P，TFFFHTPzF,vHTPyV,LHTPxL,dtdQiiiVyLxFzVLF1-c, . 2, 1,i 其中，MBLVFLHVHdtdQF

18、HHB),(),(),(xTPHHyTPHHzTPHHLLVVFFFF),(yxTPkkiic, . 2, 1,i 為組份的相平衡系數，ik物性數據關聯方程）（相平衡方程：cixkyiii,.,2 , 1 iiiVyLxFzVLF1-c, . 2, 1,i 其中，MBLVFLHVHdtdQFHHB),(),(),(xTPHHyTPHHzTPHHLLVVFFFF),(yxTPkkiic, . 2, 1,i 為組份的相平衡系數，ik物性數據關聯方程）（相平衡方程：cixkyiii,.,2, 1 2、模型自由度分析、模型自由度分析、通用模型的自由度分析) 1,.,2 , 1(),1,.,2 , 1(

19、),1,.,2 , 1(),.,2 , 1(, cizciycixcikdtdQTPTPHHHFVLiiiiFFFVL變量：共共4c8個個方程數：c1c3c3c4個個通用模型的自由度：4c8（3c4）c4、手工計算時的自由度分析) 1,.,2 , 1(),1,.,2 , 1(),1,.,2 , 1(, cizciycixdtdQTPTPFVLiiiFF變量：共共3c5個個方程數：c1c2c1個個通用模型的自由度：3c5（2c1）c4iiiVyLxFzVLF1-c, . 2, 1,i 其中，MBLVFLHVHdtdQFHHB),(),(),(xTPHHyTPHHzTPHHLLVVFFFF),(yxTPkkiic, . 2, 1,i 為組份的相平衡系數，ik物性數據方程）（相平衡方程：cixkyiii,.