1、作者：/u/2562182793畢業設計(論文) 題 目:流程工業綜合自動化仿真平臺的建設 學 院: 專 業: * 班 級: * 姓 名: * 指導老師: * 起訖日期: 2009-03-012009-06-10 2010 年 06 月 V流程工業綜合自動化仿真平臺的建設摘 要隨著現代流程工業日趨大型化、復雜化和自動化、系統的模型化與仿真已成為過程系統工程領域的重要研究內容，并成為進行設備參數設定、控制系統設計、生產預測分析、決策支持優化，以及員工培訓等活動不可或缺的一門技術。而計算機技術的不斷發展，更是推動了仿真技術的廣泛應用。本文首先設計了流程模擬系統，開發了三個流程模擬實驗：基于Aspe

2、n的精餾分離靜態模擬、動態模擬，Simulink建立的CSTR（連續攪拌反應）實時仿真和乙醇發酵仿真。然后將流程模擬系統的仿真數據存儲在后臺數據庫Oracle，最后利用ASP.NET技術開發了基于瀏覽器/服務器模式的數據展示系統，通過ADO.NET接口技術調用數據庫在Web頁面上生成流程模擬各裝置的相關參數和整個系統的仿真數據，建立起流程工業綜合自動化仿真平臺。關鍵詞 : 流程模擬 流程工業The Building of Process Industry Automation Simulation PlatformAbstractWith the increasing enlargement,

3、 complication and automation of t modern process industry, system modeling and simulation has become an important research area of process systems engineering and an essential technology for equipment parameter settings, control system design, production and forecasting analysis, decision support op

4、timization as well as staff training and other activities .The continuous development of computer technology promote the wider use of simulation technology.The process simulation system consists of three process simulation experiments: the static and dynamic simulation of Distillation based on the A

5、spen software, the Real-Time Simulation of CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) and the ethanol fermentation simulation established on Simulink .The process simulation system simulation data are stored in the back-end database Oracle. The data exhibition system is developed based on browser / serv

6、er model with ASP.NET technology and it calls the Oracle database storage to generate various device parameters of the process simulation and the whole system simulation data on the Web page. The integrated process industry automation simulation platform is established after these steps.Key Words: P

7、rocess Simulation; Distillation; CSTR; Ethanol Fermentation目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc60698551 摘 要 PAGEREF _Toc60698551 h I HYPERLINK l _Toc60698552 Abstract PAGEREF _Toc60698552 h II HYPERLINK l _Toc60698553 第一章 緒論 PAGEREF _Toc60698553 h 1 HYPERLINK l _Toc60698554 1.1 流程工業綜合自動化 PAGEREF _To

8、c60698554 h 1 HYPERLINK l _Toc60698555 1.1.1 流程工業的重要地位 PAGEREF _Toc60698555 h 1 HYPERLINK l _Toc60698556 1.1.2 流程工業綜合自動化技術發展現狀 PAGEREF _Toc60698556 h 1 HYPERLINK l _Toc60698557 1.2 流程模擬仿真平臺 PAGEREF _Toc60698557 h 3 HYPERLINK l _Toc60698558 1.2.1 流程模擬技術 PAGEREF _Toc60698558 h 3 HYPERLINK l _Toc606985

9、59 1.2.2 穩態仿真 PAGEREF _Toc60698559 h 3 HYPERLINK l _Toc60698560 1.2.3 動態仿真 PAGEREF _Toc60698560 h 4 HYPERLINK l _Toc60698561 1.3 本文主要內容與目標 PAGEREF _Toc60698561 h 4 HYPERLINK l _Toc60698562 1.4 系統設計方案 PAGEREF _Toc60698562 h 5 HYPERLINK l _Toc60698563 第二章 精餾分離模擬 PAGEREF _Toc60698563 h 6 HYPERLINK l _T

10、oc60698564 2.1 Apsen Plus進行精餾分離靜態模擬 PAGEREF _Toc60698564 h 6 HYPERLINK l _Toc60698565 2.1.1 RadFrac（嚴格法精餾）單元操作模塊 PAGEREF _Toc60698565 h 6 HYPERLINK l _Toc60698566 2.1.2 精餾分離模型定義 PAGEREF _Toc60698566 h 6 HYPERLINK l _Toc60698567 2.1.3 Aspen Plus建立精餾分離模型 PAGEREF _Toc60698567 h 7 HYPERLINK l _Toc606985

11、68 2.1.4 仿真結果分析 PAGEREF _Toc60698568 h 8 HYPERLINK l _Toc60698569 2.2 精餾分離模型添加動態數據 PAGEREF _Toc60698569 h 11 HYPERLINK l _Toc60698570 2.3 Apsen Dynamics進行精餾分離動態仿真 PAGEREF _Toc60698570 h 12 HYPERLINK l _Toc60698571 2.3.1 PID控制 PAGEREF _Toc60698571 h 12 HYPERLINK l _Toc60698572 2.3.2 設置PID控制器 PAGEREF

12、_Toc60698572 h 13 HYPERLINK l _Toc60698573 2.3.3 Aspen Dynamics進行動態仿真 PAGEREF _Toc60698573 h 14 HYPERLINK l _Toc60698574 第三章 CSTR模擬 PAGEREF _Toc60698574 h 16 HYPERLINK l _Toc60698575 3.1 CSTR模型 PAGEREF _Toc60698575 h 16 HYPERLINK l _Toc60698576 3.1.1 CSTR 簡介 PAGEREF _Toc60698576 h 16 HYPERLINK l _To

13、c60698577 3.1.2 CSTR仿真模型 PAGEREF _Toc60698577 h 17 HYPERLINK l _Toc60698578 3.1.3 CSTR仿真模型參數 PAGEREF _Toc60698578 h 17 HYPERLINK l _Toc60698579 3.2 CSTR模型的建立與仿真 PAGEREF _Toc60698579 h 19 HYPERLINK l _Toc60698580 3.2.1 Simulink簡介 PAGEREF _Toc60698580 h 19 HYPERLINK l _Toc60698581 3.2.2 使用Simulink建立仿真

14、模型 PAGEREF _Toc60698581 h 20 HYPERLINK l _Toc60698582 3.2.3 Simulink仿真CSTR結果 PAGEREF _Toc60698582 h 22 HYPERLINK l _Toc60698583 3.3 模擬結果存入數據庫 PAGEREF _Toc60698583 h 24 HYPERLINK l _Toc60698584 3.3.1 Matlab里的S_function PAGEREF _Toc60698584 h 24 HYPERLINK l _Toc60698585 3.3.2使用S_function將仿真結果存入Oracle數

15、據庫 PAGEREF _Toc60698585 h 24 HYPERLINK l _Toc60698586 第四章 乙醇發酵模擬 PAGEREF _Toc60698586 h 27 HYPERLINK l _Toc60698587 4.1 乙醇發酵 PAGEREF _Toc60698587 h 27 HYPERLINK l _Toc60698588 4.1.1 工業乙醇發酵方法 PAGEREF _Toc60698588 h 27 HYPERLINK l _Toc60698589 4.1.2 工業發酵流程 PAGEREF _Toc60698589 h 27 HYPERLINK l _Toc606

16、98590 4.1.3 乙醇發酵工藝 PAGEREF _Toc60698590 h 28 HYPERLINK l _Toc60698591 4.2 乙醇發酵模型 PAGEREF _Toc60698591 h 28 HYPERLINK l _Toc60698592 4.3 乙醇發酵模塊模型的建立與仿真 PAGEREF _Toc60698592 h 32 HYPERLINK l _Toc60698593 4.3.1單罐仿真 PAGEREF _Toc60698593 h 32 HYPERLINK l _Toc60698594 4.3.2系統仿真 PAGEREF _Toc60698594 h 32 H

17、YPERLINK l _Toc60698595 4.4 模擬結果存入數據庫 PAGEREF _Toc60698595 h 34 HYPERLINK l _Toc60698596 第五章 數據存儲系統 PAGEREF _Toc60698596 h 35 HYPERLINK l _Toc60698597 5.1 數據庫技術 PAGEREF _Toc60698597 h 35 HYPERLINK l _Toc60698598 5.1.1 數據庫的基本概念 PAGEREF _Toc60698598 h 35 HYPERLINK l _Toc60698599 5.1.2 Oracle數據庫 PAGERE

18、F _Toc60698599 h 35 HYPERLINK l _Toc60698600 5.2 Oracle的創建與配置 PAGEREF _Toc60698600 h 36 HYPERLINK l _Toc60698601 5.2.1 創建數據庫 PAGEREF _Toc60698601 h 36 HYPERLINK l _Toc60698602 5.2.2 配置數據庫連接 PAGEREF _Toc60698602 h 37 HYPERLINK l _Toc60698603 5.3存儲流程模擬數據 PAGEREF _Toc60698603 h 38 HYPERLINK l _Toc60698

19、604 5.3.1 精餾分離平臺數據 PAGEREF _Toc60698604 h 38 HYPERLINK l _Toc60698605 5.3.2 CSTR仿真平臺數據 PAGEREF _Toc60698605 h 39 HYPERLINK l _Toc60698606 5.3.2 乙醇發酵平臺數據 PAGEREF _Toc60698606 h 40 HYPERLINK l _Toc60698607 第六章 數據展示系統 PAGEREF _Toc60698607 h 41 HYPERLINK l _Toc60698608 6.1 數據展示系統原理 PAGEREF _Toc60698608

20、h 41 HYPERLINK l _Toc60698609 6.1.1 瀏覽器/服務器架構 PAGEREF _Toc60698609 h 41 HYPERLINK l _Toc60698610 6.1.2 ASP.NET及其開發環境Visual Studio PAGEREF _Toc60698610 h 41 HYPERLINK l _Toc60698611 6.1.3 C#語言 PAGEREF _Toc60698611 h 42 HYPERLINK l _Toc60698612 6.1.4 IIS的配置 PAGEREF _Toc60698612 h 42 HYPERLINK l _Toc60

21、698613 6.2 ASP.NET連接Oracle數據庫 PAGEREF _Toc60698613 h 43 HYPERLINK l _Toc60698614 6.2.1 ADO.NET接口技術 PAGEREF _Toc60698614 h 43 HYPERLINK l _Toc60698615 6.2.2 連接Oracle數據 PAGEREF _Toc60698615 h 44 HYPERLINK l _Toc60698616 6.3 數據表格和曲線圖的制作 PAGEREF _Toc60698616 h 45 HYPERLINK l _Toc60698617 6.3.1 使用GridVie

22、w控件制作表格 PAGEREF _Toc60698617 h 45 HYPERLINK l _Toc60698618 6.3.2 使用MsChart控件制作曲線圖 PAGEREF _Toc60698618 h 47 HYPERLINK l _Toc60698619 6.4 數據展示頁面的制作 PAGEREF _Toc60698619 h 49 HYPERLINK l _Toc60698620 6.4.1 登錄頁面Login.htm PAGEREF _Toc60698620 h 49 HYPERLINK l _Toc60698621 6.4.2 登錄驗證頁Change.aspx PAGEREF

23、_Toc60698621 h 50 HYPERLINK l _Toc60698622 6.4.3 主頁面Main.aspx PAGEREF _Toc60698622 h 50 HYPERLINK l _Toc60698623 6.4.4 數據展示頁面 PAGEREF _Toc60698623 h 52 HYPERLINK l _Toc60698624 第七章 總結和展望 PAGEREF _Toc60698624 h 55 HYPERLINK l _Toc60698625 7.1 總結 PAGEREF _Toc60698625 h 55 HYPERLINK l _Toc60698626 7.2

24、展望 PAGEREF _Toc60698626 h 55 HYPERLINK l _Toc60698627 參考文獻 PAGEREF _Toc60698627 h 56 HYPERLINK l _Toc60698628 致謝 PAGEREF _Toc60698628 h 57第一章 緒論南京工業大學本科生畢業設計（論文） PAGE 57第一章 緒論1.1 流程工業綜合自動化1.1.1 流程工業的重要地位流程工業是指在我國國民經濟中占有重要經濟地位的石化、煉油、化工、冶金、制藥、建材、輕工、造紙、采礦、環保、電力等工業行業。這些行業普遍存在能耗大、產品質量差、生產過程工藝落后、自動化水平低、管理

25、水平低、信息集成度低、綜合競爭力弱等現狀。流程工業是一個非常巨大的產業，在產業中占據重要的地位，是國民經濟發展中極為重要的基礎支柱產業，是制造業的重要組成部分。其特點是以處理連續或間歇物料流、能量流為主，產品多以大批量的形式生產。流程工業的生產和加工方法主要有化學反應、分離、混合等等，這些都與離散制造工業有顯著不同。在知識經濟時代的21世紀，作為傳統工業的流程工業將仍然是經濟發展的重要支柱產業。據2003年估計全球流程工業的年產值超過5萬億美元，其中僅化工和石油化工部分就超過1萬2千億美元。根據2005年中國統計年鑒，2004年按行業分國有及國有控股企業中，工業總產值35571.18億元，工業

26、增加值12132.41億元。其中典型的流程工業工業總產值共計23396.53億元，占總產值的65.77%，工業增加值8 810.18億元，占總量的72.62%。從我國2005年工業統計數據來看，工業總產值、工業增加值等主要經濟指標，石油和化學工業均居全國第1位，其實現利潤占全國工業利潤的25.45%；冶金工業居全國第2位；電力工業居第3位。我國22家骨干企業中，流程工業企業約占1/3；在71家重點企業中，流程工業企業約占1/2。在2000年全球500強的行業中，中國石油化工集團公司居58位、中國國家電力公司居83位、中國化工進出口總公司居307位。由此可見，流程工業在我國國民經濟中的重要地位。

27、1.1.2 流程工業綜合自動化技術發展現狀20世紀80年代后期，隨著計算機技術和網絡技術的迅速發展，流程工業控制中出現了多學科間的相互滲透與交叉，信號處理技術、計算機技術、通訊技術及計算機網絡與自動控制技術的結合使過程控制開始突破自動化孤島模式，出現了集控制、優化、調度、管理、經營于一體的綜合自動化新模式。20世紀90年代，隨著計算機技術的日新月異，計算機集成生產系統的研究已成為自動化領域的一個前沿課題。國外大型流程企業、特別是石油化工企業均重視信息集成技術的應用，紛紛以極大的熱情和精力，構架工廠級、公司級甚至超公司級的信息集成系統。1995年美國、日本、西歐等國已有100多家煉油、化工企業在

28、實施CIMS計劃，推動了流程工業綜合自動化技術在實際生產中的應用，如日本三井石油化學工業公司、美國德曹達公司、高爾公司等化工企業都相繼建立了綜合自動化系統。意大利AGIP石油公司提出了以數據模型為核心的工廠信息集成系統的方案，信息采集從低層到上層，從供應鏈的源頭到產品的客戶。他以面向數據的模型為核心系統，連接實時數據庫和關系數據庫，對生產過程進行過程監視、控制和診斷，環境監測，單元整合，模擬和優化。在管理決策層進行物料平衡、生產計劃、調度、排產、企業資源計劃、離線在線模擬與優化等。目前國外實施綜合自動化技術的大型流程工業企業已占很大比例。另一方面，國外已有許多傳統的自動化儀器儀表廠家逐步向綜合

29、自動化整體解決方案供應商轉化，如Honeywell、ABB、Rockwell等著名公司。Rockwell公司提出eManufacturingTM解決方案；ABB公司提出基于MES（生產過程制造執行系統）的綜合自動化解決方案，開發相應的工業IT；AspenTech和Honeywell這兩家大公司都已不再局限于過程自動化軟件與軟件領域，而是在其中下層自動化軟硬件優勢的基礎上分別提出了面向企業整體的解決方案，如AspenTech公司推出的Aspen Engineering SuiteTM、Aspen Manufacturing SuiteTM和Aspen Supply Chain SuiteTM套件

30、，以及提出了智能化工廠的概念PlantelligenceTM。Honeywell的子公司HiSpec Solutions推出面向石油與天然氣、制漿造紙、化工、煉油工業的Unified ManufacturingTM Solutions for Business Optimization套件。我國經過20年的研究和攻關，在流程工業綜合自動化領域已積累了大量的科研成果，特別是在“九五”計劃期間，產生了大批具有產業化前景的高技術成果和產品，如集散控制系統（DCS)、現場總線技術、先進控制軟件、實時優化軟件、過程管理與優化軟件、企業管理和生產調度系統軟件等。已縮短了與國際先進水平的差距，部分成果達到國

31、際先進水平，并廣泛應用于國內眾多石化、化工、醫藥、冶金、建材/輕工等流程企業，產生了巨大的經濟效益和社會效益。在以信息化帶動工業化的進程中發揮了重要的作用。 但總體而言，我國在流程工業綜合自動化技術與系統的研究與產業化過程中同國外先進技術相比還存在很大的差距，主要體現在技術深度上不夠、應用基礎研究不夠、相關領域技術借用不夠、系統化程度不夠、集成能力不夠、產品化程度不夠、產業化能力不強等諸多方面。1.2 流程模擬仿真平臺隨著現代流程工業日趨大型化、復雜化和自動化，系統的模型化與仿真已成為過程系統工程領域的重要研究內容，并成為進行設備參數設定、控制系統設計、生產預測分析、決策支持優化，以及員工培訓

32、等活動不可或缺的一門技術。而計算機技術的不斷發展，更是推動了仿真技術的廣泛應用。現在,企業迫切需要通過仿真技術來提高自身的競爭能力，能否有效應用仿真，將成為決定企業成敗的關鍵因素之一 。流程模擬仿真平臺實現了在實驗室條件下模擬真實工廠物料流程和數據集成過程。用戶可方便地進行組態、建立裝置物料平衡機理模型等。仿真數據可與各種數據庫連接，用戶可方便查詢調用生產數據、查看生產報表、切換生產方案，進而為數據校正、生產調度、生產質量管理和成本控制等應用軟件的開發和實施提供理想的平臺。1.2.1 流程模擬技術流程模擬技術是近幾十年來發展起來的,它涉及到流程系統、控制儀表、數據協調算法等多項技術，是一門交叉

33、性、綜合性學科，有著廣泛的應用。 一些過程控制算法就可以利用流程模擬技術獲得較為完備的數據,應用這一技術，可以模擬不同工藝條件下的生產結果. 調度人員可利用這些產生的數據進行分析，在流程工藝的基礎上確定最佳方案，也可以將這些數據作為理論研究的基礎數據使用，而無需破壞生產的連續性，節省了大量的人力、物力。流程模擬分為穩態模擬/仿真和動態模擬/仿真兩大類。 1.2.2 穩態仿真 化工過程穩態仿真又稱靜態模擬或離線模擬，它是根據化工過程的靜態數據，諸如物料的壓力、溫度、流、組成和有關的工藝操作條件、工藝規定、產品規格以及一定的設備參數，如蒸餾塔的板數、進料位等，采用適當的棋擬軟件，用計算機模擬實際的

34、穩態生產過程，得出詳細的物料平衡和熱平衡。其中包括人們最為關心的原材料消耗、公用工程消耗和產品、副產品的產和質最等重要數據。簡言之，化工過程模擬就是在計算機上“再現” 實際的生產過程。 穩態仿真描述的過程對象不包括時間參數，過程中的各因素不隨時間而改變，所以穩態仿真只是動態過程達到平穩狀態時的簡化處理，它通過一系列物熱衡算，為動態仿真提供初值和起始狀態，同時還是過程綜合和優化的基礎。利用過程系統的穩態仿真主要解決以下三類問題：(1) 過程系統的模擬分析。對給定過程系統進行模擬求解,得到需要的系統狀態變量，使得對該過程進行分析和驗證成為可能 。這類穩態仿真應用化工過程的動態仿真具有一定的指導作用

35、。(2) 過程系統的設計。對某個或某些系統變量提出設計規定要求，通過調整某些決策變量使模擬結果滿足設計規定要求。這類仿真主要用于新裝置的設計、舊裝置的改造和新工藝新流程的開發研究。(3) 過程系統的參數優化。過程系統模型與最優化模型聯立求解，得到一組使工況目標函數最佳的決策變量(優化變量)，以便實施最佳工況。與過程系統的設計和改造不同，這里的優化不通過修改工藝或增加生產設備進行，而是通過調整工藝操作條件來實現。通常將穩態模擬軟件和優化軟件結合，對過程操作變量進行優化。1.2.3 動態仿真動態仿真比穩態仿真更能反映真實的生產情況,其主要功能是把該裝置的內部生產流程及機理模擬出來，同時反映裝置的控

36、制和操作條件，盡量模擬與工業現場相近的生產條件及操作條件。穩態仿真只是動態過程達到平穩狀態時的簡化處理，然而化工穩態過程只是相對且暫時的，實際過程中總是存在各種各樣的波動、干擾和條件的變化,因此化工過程的動態變化是必然的，如開停車、故障處理等。在研究這類動態問題時,必須使用動態仿真。動態仿真中的動態模型由一系列微分方程組成，能真實地對實際的生產流程進行模擬，為生產制造企業進行工藝流程設計、控制系統設計、故障處理策略設計等提供了有效的工具。利用動態仿真可以解決很多生產實際問題：(1) 過程系統的工藝設計。完成生產方案選擇、生產參數確定等工藝設計問題，使過程系統運行在最佳狀態 。(2) 過程系統的

37、控制器設計。動態仿真軟件接收控制器生成的控制量，得到被控對象動態模型實時的動態輸出，根據該動態模型的輸入輸出關系,設計合理的控制器 。(3) 過程系統的安全分析和預測。對現有生產流程進行動態建模，運行動態仿真，分析和預測過程系統的安全狀況 。1.3 本文主要內容與目標本文為了設計流程工業綜合自動化仿真平臺，開發了三個分系統：流程模擬系統、數據存儲系統、數據展示系統。流程模擬系統建立了三個流程模擬實驗：基于Aspen Plus的精餾分離靜態模擬、基于Aspen Dynamics的精餾分離動態模擬；Simulink建立的CSTR（連續攪拌反應）實時仿真；Simulink建立的乙醇發酵仿真。基于關系

38、數據庫Oracle的數據存儲系統通過建立多張數據表存儲流程模擬系統的實驗裝置數據、仿真參數和仿真結果。最后利用ASP.NET技術開發了基于瀏覽器/服務器模式的數據展示系統，它通過ADO.NET接口技術調用后臺數據庫Oracle的相關數據在Web頁面上生成流程模擬各裝置的相關參數和整個系統的仿真數據。本文的主要目標是順利完成流程模擬系統的三個實驗平臺的開發，得到仿真結果通過相應的接口技術將數據存儲到后臺數據庫，由數據展示系統展示所有流程模擬仿真平臺的數據信息。本文的研究對于流程工業綜合自動化技術有一定的指導意義，流程模擬系統可以模擬現場生產，并得到實時生產數據，數據庫中集成的實時生產數據可供流程

39、工業企業深層次的挖掘和分析，為其生產運行、成本核算、物料跟蹤、和生產調度等業務過程的改進提供基礎。數據展示系統的開發使得客戶可以在遠程使用瀏覽器訪問服務器端了解現場生產相關信息，為其遠程操作、現場設備管理、數據采集等活動提供基礎。1.4 系統設計方案流程工業綜合自動化仿真平臺由三個分系統和三種數據接口構成，圖1-1所示為系統框圖。三個系統自底層向上分別為流程模擬系統、數據存儲系統和數據展示系統。流程模擬系統中Aspen軟件通過Microsoft自動控制接口連接Oracle數據庫，Simulink通過Matlab提供的系統函數（S_function）將仿真數據存入Oracle數據庫。數據展示系統

40、中ASP.NET使用其數據庫接口ADO.NET技術從后臺數據庫Oracle中調用底層模擬系統的相關數據，通過Web頁面展示數據。 SKIPIF 1 0 圖1-1 流程工業綜合自動化仿真平臺系統框圖第二章 精餾分離模擬第二章 精餾分離模擬2.1 Apsen Plus進行精餾分離靜態模擬2.1.1 RadFrac（嚴格法精餾）單元操作模塊RadFrac（嚴格法精餾） 是一個嚴格模型用于模擬所有類型的多級氣-液精餾操作這些操作包括：一般精餾、吸收、再沸吸收、汽提、再沸汽提、萃取和共沸蒸餾。RadFrac 適用于兩相蒸餾體系、三相蒸餾體系、窄沸程和寬沸程體系、液相具有非理想性強的體系。在塔的任何地方R

41、adFrac 可以檢測和處理游離水相或其它第二液相RadFrac 可在每級上處理固體。一個典型的精餾模型如圖2-1所示。圖2-1 典型的精餾模型圖左邊的輸入流股FEED為進料物料流，要求至少一股。右上角輸出流股DISTILL為塔頂冷凝器產物，也是最終的精餾產物。右下角輸出流股BOTTOMS是塔底再沸器產物。2.1.2 精餾分離模型定義1模型：如圖2-2所示圖2-2 甲基環乙烷（MCH）精餾分離模型圖2工藝說明：（1）甲基環乙烷（Methylcyclohexane，簡寫為MCH，沸點213.681 F）和甲苯（toluene，沸點231.134 F）沸點非常接近，通過簡單的二元精餾難以將它們分離

42、（2）使用苯酚（phenol，沸點359.312 F）作為萃取劑來萃取甲苯，從而在塔頂獲得純度較高的甲基環乙烷3任務：（1）利用已有的塔從MCH和toluene的混合物料中回收MCH（2）通過增大萃取劑的流量來提高塔頂MCH產品的純度（3）在給定的萃取劑流量下，計算產品純度、塔的流量和組成分布以及塔頂冷凝器和塔底再沸器的熱負荷2.1.3 Aspen Plus建立精餾分離模型根據2.1.2中甲基環乙烷回收塔模型的模型定義建立該模型的仿真，具體步驟如下：1定義流程圖。選擇單元操作模型庫中的RadFrac模型，連接萃取劑物流、進料物流、塔頂產品物流以及塔底產品物流，完成流程圖的繪制，如圖2-3所示。

43、圖2-3 精餾靜態模擬流程圖2Setup選項中輸入工藝數據。輸入標題，選擇輸入輸出數據單位制為ENG，物流類為CONVEN，物流流速選擇為mole。3Components選項中確定組分，根據進料物質的分子式在Aspen Plus添加組分甲基環乙烷、甲苯和苯酚，如圖2-4所示。圖2-4 組分定義在Properties選項中選擇熱力學方法為活度系數模型UNIFAC。在Streams選項中輸入物流數據：（1）進料參數溫度：220 F；壓力：20 psi；甲苯流量：200 lbml/h；甲基環乙烷流量：200 lbml/h。（2）萃取劑參數溫度：220 F；壓力：20 psi；苯酚流量：1200 lb

44、ml/h。在Blocks選項中輸入單元操作模塊的數據：（1）配置 塔板數：22塊；塔頂冷凝器：全冷凝；塔頂餾出物流量：200 lbmol/h；回流比：8。（2）物流位置 萃取劑進料位置：第14塊塔板；原料進料位置：第7塊塔板。（3）壓力分布 第1塊板壓力：16 psi；第22塊板壓力：20.2 psi。經過以上步驟之后，一個精餾分離模型就已經建立完畢。點擊運行，進行穩態仿真。首先打開Contoll Panel菜單，可以看到收斂循環上 Err/Tol的數值逐漸變小至收斂。2.1.4 仿真結果分析仿真運行完成后，可以查看單元操作模塊的計算結果。對這個精餾分離模型Aspen Plus仿真計算的結果非

45、常全面，包括反應后塔頂塔底各種參數（溫度、壓力等）和各種物質的含量以及每層塔板上的混合物組成情況等等。1塔頂冷凝器計算結果圖2-5塔頂冷凝器計算結果如圖2-5所示為最上層的冷凝器的計算結果，熱負荷為-24165073Btu/hr，溫度為218.833 F，高于甲基環乙烷的沸點213.681 F而低于甲苯的沸點231.134 F，在這個溫度下，冷凝器里面甲基環乙烷為汽態，能夠經過冷凝作用從塔頂餾出，甲苯為液態，會向下面的塔板流動。前面在建立模型過程中Blocks選項中輸入單元操作模塊的數據時，設置塔頂餾出物流量200 lbmol/h，回流比為8，此時在計算結果上看到冷凝器的數據完全與設置數據吻合

46、，回流率等于蒸餾物流量和回流比的乘積。2各層塔板參數計算結果，如圖2-6所示。如圖2-6 各層塔板參數計算結果塔頂第一塊板(冷凝器的位置)的溫度最低，為218.833 F，從上往下各層塔板溫度緩慢上升。塔板壓力值在前面設置時，塔頂第一塊被設為16 psi，塔底第22塊為20.2 psi，從上圖可以看見這兩塊板的壓力等于設置值，中間各層的壓力自下而上逐漸降低。塔頂熱負荷最小為負值，塔頂最大，中間其他板都為0。在塔頂只有液相物質，沒有汽相，其他塔板汽液混合。從理論上分析，因為塔頂是依靠冷凝器的冷凝作用獲得蒸餾產物，其溫度應該最低，壓力最小，熱量負，由于汽態物質在冷凝器上冷凝，所以產物全部為液態。可

47、見計算結果與理論分析師吻合的。3各層塔板組分計算結果如圖2-7所示。圖2-7 各層塔板組分計算結果可以看見，在塔頂第一層塔板餾出分離的產物甲基環乙烷（MCH），且純度高達98%，越往下面的塔板甲基環乙烷的純度越低。4物流計算結果圖2-8 物流計算結果這個計算結果就是最終的精餾分離達到平衡時各個流股的相關信息（其中1、2為進料流股，3、4為出料流股）。可以看到精餾分離能量平衡時各個流股的溫度、壓力、熱負荷等，物料平衡時各流股的流率，即進料速度、塔內物料流動和出料速度達到平衡，此時甲苯和甲基環乙烷流率為200 lbmol/hr，萃取劑苯酚的流率為1515.015 lbmol/hr，分離提純的甲基環

48、乙烷純度達到195.997/（195.997+0.280+3.724）= 98%。2.2 精餾分離模型添加動態數據穩態仿真可以得到系統的穩態值，進而進行穩態分析，而不能夠顯現動態系統的動態過程。為了更體現該動態系統的本質特性，進行動態仿真。其不同之處在于，動態系統要體現出輸出相對于輸入變化的特點。Aspen Dynamics進行的動態模擬仿真是直接建立在原有的Aspen Plus穩態仿真平臺上, 只需將原有的靜態仿真應用進行轉換即可得到動態流程模擬應用。在穩態仿真平臺上使能動態特性，然后進入動態數據設置。1設置熱傳輸方法為LMTD(對數平均溫差法)。這種方法需要設置入口介質溫度、熱容積以及位于

49、介質和處理液之間的初始溫度，適用于液體交換傳感熱時溫度變化的情形。自動計算初始物流率，而且此流率可以在動態仿真過程中手動操控或由一個控制器操控。2 回流罐幾何形狀設置為平放、兩頭橢圓形，長6英尺，直徑3英尺。如圖所示。圖2-9 回流罐幾何形狀塔板幾何尺寸設置。由于第1塊板為塔頂蒸餾產物出口，第22塊板為塔底其他混合物出口，僅需要設置第2到低21塊板，直徑全部設置為5英尺。動態數據設置完畢后，將文件導出為Aspen Dynamics的可執行文件，下一步可以在Aspen Dynamics里進行動態仿真。輸出類型為流量驅動型。流量驅動的模擬，模塊的出口物流壓力與流量由模塊的進料狀況與模塊參數決定，不

50、受下游模塊的壓力影響。流量驅動的動態模擬與Aspen Plus中一樣，對于每個模型，給定了進料參數與模塊參數有固定的規則來決定出口流率與壓力。有些情況下，在動態模擬轉化過程中，自動生成由壓力和液位控制器決定的出口流率。流量驅動的模擬可以進行大部分的動態模擬應用。這種方法假設了完美的流量控制，這種假設通常比較合適，尤其是模擬僅有液體的系統。對于液體，壓力/流量動力學非常快，完美流量控制的假設通常是準確的。2.3 Apsen Dynamics進行精餾分離動態仿真2.3.1 PID控制穩態仿真計算得到精餾分離達到平衡時各物流的相關信息。在動態方仿真里，通過添加擾動，破壞原來穩態仿真的平衡，由PID控

51、制器反饋控制，動態調節，最終達到新的平衡。比例、積分、微分(PID)控制是控制系統中技術最成熟，運用最廣泛的一種控制方式。其基本原理是根據反饋控制系統的偏差值按比例、積分、微分函數關系進行運算，所得結果輸出給執行機構，執行機構根據偏差值的運算結果來控制被控對象。 e(t)為控制器的輸入即控制系統的給定量與輸出量的偏差；u(t)為控制器的輸出；Kp為比例系數；Tl為積分時間常數；TD為微分時間常數。 在連續時間域中，HYPERLINK /product/searchfile/6127.htmlPID控制器算法的表達式為： 一般控制系統的PID系統控制框圖如圖所示。其中，r(t)為系統設定值，c(

52、t)為系統反饋值，e(t)為反饋誤差，u(t)為PID控制器輸出值。圖2-10 PID控制系統框圖比例環節作用：按比例反應系統的偏差，系統一旦出現了偏差,比例調節立即產生調節作用用以減少偏差。比例作用大,可以加快調節，減少誤差，但是過大的比例，使系統的穩定性下降,甚至造成系統的不穩定。積分環節作用：使系統消除穩態誤差，提高無差度。因為有誤差,積分調節就進行，直至無差，積分調節停止,積分調節輸出一常值。積分作用的強弱取決與積分時間常數Ti,Ti越小，積分作用就越強。反之Ti大則積分作用弱，加入積分調節可使系統穩定性下降，動態響應變慢。積分作用常與另兩種調節規律結合，組成PI調節器或PID調節器。

53、微分環節作用：微分作用反映系統偏差信號的變化率，具有預見性,能預見偏差變化的趨勢，因此能產生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調節作用消除。因此，可以改善系統的動態性能。在微分時間選擇合適情況下，可以減少超調，減少調節時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用,因此過強的加微分調節，對系統抗干擾不利。此外，微分反應的是變化率，而當輸入沒有變化時，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調節規律相結合，組成PD或PID控制器。2.3.2 設置PID控制器在動態仿真軟件Aspen Dynamics里打開前面在Aspen Plus導出的精餾分離文件，向精餾分離模型中添加一個PID控

54、制器MCHCOMP和一個延時模塊MCHCOMPDT。設置PID控制器的輸入即系統反饋值為流股3（餾出產物）中甲基環乙烷的純度。PID控制器的輸出值為流股2中萃取劑苯酚的流率。 則有：c(t) = STREAM(3),Zn(MCH)u(t) = STREAM(2),FcR(PHENOL)在中間加上一個延時模塊，設置延時時間為5min。設置后的動態仿真流程圖如圖2-11所示。 由于穩態仿真計算結果苯酚流量為1515 lbmol/hr時產物中甲基環乙烷純度98%，設置PID控制器MCHCOMP的輸入初始為r(t) = 0.98，輸出初始值為1515，比例系數為Kp=-6,積分時間常數為T1=30mi

55、n,微分時間常數為Td=0。 圖2-11 精餾動態模擬流程圖2.3.3 Aspen Dynamics進行動態仿真設置好PID控制器直接運行仿真，結果如圖2-12所示。由圖看到PID控制器的輸入值穩定在0.98，輸出值穩定在1515.1025。由于仿真是從Aspen Plus的穩態結果開始，沒有加入任何擾動，所以仿真圖所示的變量還是處于穩態。圖2-12 不加擾動動態仿真圖將穩態仿真計算結果中輸入混合物的流率修改，添加組分擾動，如圖2-13所示，流股1中混合物原來甲苯和甲基環乙烷流率都是200 lbmol/hr，現修改為甲苯流率180 lbmol/hr，甲基環乙烷流率220 lbmol/hr。再次

56、運行仿真，得到仿真結果如圖所示。由圖看到，加入擾動后，一開始甲基環乙烷的回收純度超過了98%，通過PID控制器的反饋控制，不斷調節苯酚的流率，經過三小時后甲基環乙烷的純度重新達到98%，此時計算得到萃取劑苯酚的流率為1460.5901 lbmol/hr。圖2-13加擾動后動態仿真圖第三章 CSTR模擬第三章 CSTR模擬3.1 CSTR模型3.1.1 CSTR 簡介CSTR(continuous stirred tank reactor)連續攪拌槽反應器又稱連續攪拌反應器系統，是指帶有攪拌漿的槽式反應器。攪拌的目的在于使物料體系達到均勻狀態，以有利于反應的均勻和傳熱。反應過程包括體系中物料的物

57、理和化學的變化，表征其體系特性的參數包括溫度、壓力、液位及體系組分等。CSTR屬于化學動力學類反應器，在仿真過程中根據化學動力學計算反應結果。CSTR原理：在一個密閉罐體內完成料液的發酵、沼氣產生的過程。消化器內安裝有攪拌裝置，使發酵原料和微生物處于完全混合狀態。投料方式采用恒溫連續投料或半連續投料運行。新進入的原料由于攪拌作用很快與發酵器內的全部發酵液菌種混合，使發酵底物濃度始終保持相對較低狀態。CSTR優點：CSTR工藝可以處理高懸浮固體含量的原料。消化器內物料均勻分布，避免了分層狀態，增加了物料和微生物接觸的機會。CSTR性質：釜內達到理想混合。可模擬單、兩、三相的體系，并可處理固體。可

58、同時處理動力學控制和平衡控制兩類反應。CSTR用途：已知化學反應式、動力學方程和平衡關系，計算所需的反應器體積和反應時間，以及反應器熱負荷。圖3-1 CSTR的連接圖CSTR的連接如圖3-1所示，至少需要一股進料物流和一股出料物流，輸入熱流和輸出熱流都可以隨意選擇。3.1.2 CSTR仿真模型 SKIPIF 1 0 圖3-2 CSTR系統示意圖本章仿真在如 REF _Ref142256075 h 圖所示的非恒溫CSTR(Continuous stirred tank reactor，連續攪拌釜式反應器)系統上實現。反應器中實現一階 SKIPIF 1 0 放熱反應，且假定其中為全混流，物理特性恒

59、定。該系統有一個供給流，一個冷卻流和一個產品流。系統可視為由下式表示的5輸入2輸出的一階動態非線性系統。 SKIPIF 1 0 （3-1） SKIPIF 1 0 （3-2）兩式分別描述了系統中的質量和能量平衡。其中輸入變量包括三個擾動輸入：供給流濃度( SKIPIF 1 0 )和溫度( SKIPIF 1 0 )、產品流流速( SKIPIF 1 0 )和冷卻流溫度( SKIPIF 1 0 )，及一個操縱變量冷卻流流速( SKIPIF 1 0 )。輸出變量包括產品流的濃度( SKIPIF 1 0 )和溫度( SKIPIF 1 0 )。利用控制通過調節冷卻水的流速( SKIPIF 1 0 )可以控制

60、出口處的溫度(T)，這里采用如下比例反饋控制， SKIPIF 1 0 （3-3）3.1.3 CSTR仿真模型參數上述模型中的參數取值如表3-1所示。表3-1 CSTR模型參數仿真中，CSTR由下面過程擾動來激勵， SKIPIF 1 0 （3-4）其中 SKIPIF 1 0 為標準差， SKIPIF 1 0 為標準白噪聲過程， SKIPIF 1 0 為擾動自回歸系數，這里只考慮非自相關的擾動，即 SKIPIF 1 0 。擾動輸入變量的真實值可表示為 SKIPIF 1 0 ， SKIPIF 1 0 為各變量操作點值。每一個過程變量的測量值都可表示為 SKIPIF 1 0 ，其中 SKIPIF 1