【正文】 化工系統(tǒng)工程 — 第二章 化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬與分析 2022/8/27 1 第二章 化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬與分析 三種穩(wěn)態(tài)模擬方法 ?序貫?zāi)K法 ?面向方程法 ?聯(lián)立模塊法 基本思想、優(yōu)缺點比較、存在基本問題、基本解法。 化工系統(tǒng)工程 — 第二章 化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬與分析 2022/8/27 2 ? 典型的穩(wěn)態(tài)模擬與分析問題 ? 過程系統(tǒng)模擬的三種基本方法 ? 過程系統(tǒng)模擬的序貫?zāi)K法 ? 過程系統(tǒng)模擬的面向方程法 ? 過程系統(tǒng)模擬的聯(lián)立模塊法 化工系統(tǒng)工程 — 第二章 化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬與分析 2022/8/27 3 典型的穩(wěn)態(tài)模擬與分析問題 F1 x1 F3 x3 Q F2 x2 321 FFF ??332211 xFxFxF ??332211 HFHFQHF ???32 Kxx ?化工系統(tǒng)工程 — 第二章 化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬與分析 2022/8/27 4 蒸發(fā)器 1 蒸發(fā)器 2 混合器 蒸發(fā)器 3 1 2 4 6 7 8 5 3 化工系統(tǒng)工程 — 第二章 化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬與分析 2022/8/27 5 1 2 6 5 7 3 8 4 化工系統(tǒng)工程 — 第二章 化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬與分析 2022/8/27 6 需解決的問題 ? 確定有哪些再循環(huán)回路？ ? 對哪些物流進行設(shè)定猜值？ ? 應(yīng)如何對斷裂物流設(shè)定猜值，達到快的收斂速度？ ? 如何調(diào)整下次的猜值（即收斂算法） ？ ? 如何判斷收斂（即收斂的判據(jù)）？ ? 常見過程模擬三類問題： 過程系統(tǒng)模擬分析 、 過程系統(tǒng)設(shè)計 、 過程系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化 化工系統(tǒng)工程 — 第二章 化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬與分析 2022/8/27 7 ? 典型的穩(wěn)態(tài)模擬與分析問題 ? 過程系統(tǒng)模擬的三種基本方法 ? 過程系統(tǒng)模擬的序貫?zāi)K法 ? 過程系統(tǒng)模擬的面向方程法 ? 過程系統(tǒng)模擬的聯(lián)立模塊法 化工系統(tǒng)工程 — 第二章 化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬與分析 2022/8/27 8 過程系統(tǒng)模擬的三種基本方法 ① 序貫?zāi)K法 (Sequential Modular Method)； ②面向方程法 (Equation Oriented Method)； ③聯(lián)立模塊法 (Simultaneously ModuIar Method) 開發(fā)最早 、 應(yīng)用最廣 所有的方程同時計算和同步收斂 兼有序貫?zāi)K法和面向方程法的優(yōu)點 化工系統(tǒng)工程 — 第二章 化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬與分析 2022/8/27 9 過程系統(tǒng)模擬的序貫?zāi)K法 ? 基本構(gòu)成 模塊 (子程序 ) ? 即是一些用以描述物性、單元操作以及系統(tǒng)其他功能的模型方程及求解算法組成。 ? 依據(jù) 單元模塊入口 的物流信息，以及 足夠的定義單元特性 的信息，可以計算出 單元出口物流 的信息。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型 化工系統(tǒng)工程 — 第二章 化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬與分析 2022/8/27 10 過程系統(tǒng)模擬的序貫?zāi)K法 ? 定義 ? 按照由各種單元模塊組成的過程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，序貫的對各單元模塊進行計算，從而完成該過程系統(tǒng)的模擬計算。 化工系統(tǒng)工程 — 第二章 化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬與分析 2022/8/27 11 過程系統(tǒng)模擬的序貫?zāi)K法 序貫?zāi)K法的優(yōu)點 ? ①與實際過程的直觀聯(lián)系強； ? ②模擬系統(tǒng)軟件的建立、維護和擴充都很方便，易于通用化； ? ③計算出錯時易于診斷出錯位置。 序貫?zāi)K法的缺點 計算效率低 ????? ? 01)( ii xkTf?? ???? 31 )1(1)1()(i iiikZkf??)1(1 ??? iii kZx?)1(1 ??? iiii kZky?圖 29 化工系統(tǒng)工程 — 第二章 化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬與分析 2022/8/27 12 ? 定義 ? 面向方程法又稱聯(lián)立方程法，是將描述整 個過程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)方程式 聯(lián)立求解 ，從而得 出模擬計算結(jié)果。 ? 可以根據(jù)問題的要求靈活地確定輸入、輸 出變量，而不受實際物流和流程結(jié)構(gòu)的影 響。 化工系統(tǒng)工程 — 第二章 化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬與分析 2022/8/27 13 ? 優(yōu)點 ? 解算過程系統(tǒng)模型快速有效 ， 對設(shè)計 、 優(yōu)化問題靈活方便 ， 效率較高 。 圖 210 化工系統(tǒng)工程 — 第二章 化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬與分析 2022/8/27 14 ? 缺點 ? ①形成通用軟件比較困難； ? ② 不能利用現(xiàn)有大量豐富的單元模塊； ? ③ 要求計算機內(nèi)存大； ? ④缺乏實際流程的直觀聯(lián)系； ? ⑤計算失敗之后難于診斷錯誤所在； ? ⑥對初值的要求比較苛刻； ? ⑦計算技術(shù)難度較大等。 化工系統(tǒng)工程 — 第二章 化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬與分析 2022/8/27 15 ? 定義 ? 將過程系統(tǒng)的近似模型方程與單元模塊交替求解。聯(lián)立模塊法又被稱作雙層法。 圖 211 圖 212 化工系統(tǒng)工程 — 第二章 化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬與分析 2022/8/27 16 ? 優(yōu)點 ? ①使用序貫?zāi)K法積累的大量模塊； ? ②可將流程收斂和設(shè)計約束收斂合并處理； ? ③只須求解各單元過程的外部變量，對計算機內(nèi)存要求減少。 內(nèi)部變量：物性變量 、 單元模型變量 外部變量：描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的流程變量 ? 缺點 ? ①將嚴(yán)格模型轉(zhuǎn)化為簡化模型，花費機時長。 ? ②求解優(yōu)化問題時，解的一致性發(fā)生矛盾。 化工系統(tǒng)工程 — 第二章 化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬與分析 2022/8/27 17 方 法 優(yōu)點 缺點 代表軟件系統(tǒng) 序 貫 模 塊 法 與工程師直觀經(jīng)驗一致， 便于學(xué)習(xí)使用； 易于通用化，已積累了豐富的單 元模塊； 需要計算機內(nèi)存較??； 有錯誤易于診斷檢查 再循環(huán)引起的迭代收斂很費機 時； 進行設(shè)計型計算時很費機時； 不宜用于最優(yōu)化計算 PROCESS (美 ) CONCEPT(英 ) CAEPS(日 ) ASPEN（美） FLOWTRAN（美） 面 向 方 程 法 解算快； 模擬型計算與設(shè)計型計算一樣； 適合最優(yōu)化計算，效率高； 便于與動態(tài)模擬聯(lián)合實現(xiàn)； 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，故使用 不方便； 難以繼承已有的單元操作模塊 ASCENDⅡ （美） SPEEDUP(英 ) 聯(lián) 立 模 塊 法 可以利用前人開發(fā)的單元操作 模塊； 可以序貫?zāi)K法中循環(huán)流迭代； 比較容易實現(xiàn)通用 將嚴(yán)格模型做成簡化模型時，需 要花費機時； 用簡化模型來尋求優(yōu)化時，其解 與嚴(yán)格模型優(yōu)化解是否一致，有 爭論 TISFLO（德） FLOWPACKⅡ （英） 化工系統(tǒng)工程 — 第二章 化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬與分析 2022/8/27 18 ? 典型的穩(wěn)態(tài)模擬與分析問題 ? 過程系統(tǒng)模擬的三種基本方法 ? 過程系統(tǒng)模擬的序貫?zāi)K法 ? 過程系統(tǒng)模擬的面向方程法 ? 過程系統(tǒng)模擬的聯(lián)立模塊法 化工系統(tǒng)工程 — 第二章 化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬與分析 2022/8/27 19 過程系統(tǒng)模擬的序貫?zāi)K法 ? 序貫?zāi)K法的基本原理 ? 序貫?zāi)K法的基本問題 ? 化工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 ? 系統(tǒng)分隔與排序 ? 再循環(huán)物流的斷裂 ? 斷裂物流變量的收斂 ? 序貫?zāi)K法解設(shè)計問題 化工系統(tǒng)工程 — 第二章 化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬與分析 2022/8/27 20 過程系統(tǒng)模擬的序貫?zāi)K法 ? 序貫?zāi)K法的基本原理 ? 單元模塊的特點 單向性 圖 213 化工系統(tǒng)工程 — 第二章 化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬與分析 2022/8/27 21 序貫?zāi)K法的基本原理 基本思想 ? 從系統(tǒng) 入口物流 開始，經(jīng)過接受該物流變量的單元模塊的計算得到 輸出物流變量 ，這個輸出物流變量就是下一個相鄰單元的輸入物流變量。依此逐個的計算過程系統(tǒng)中的各個單元，最終計算出系統(tǒng)的輸出物流。 ? 計算得出過程系統(tǒng)中所有的物流變量值，即 狀態(tài)變量 值。 不能獨立變化的變量，服從于描述系統(tǒng)行為的模型方程。 化工系統(tǒng)工程 — 第二章 化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬與分析 2022/8/27 22 序貫?zāi)K法的基本原理 決策變量 ? 是系統(tǒng)變量中可以獨立變化以改變系統(tǒng)行為的變量 。 也稱為 系統(tǒng)的自由度 。 ? 通常是把系統(tǒng) 輸入物流變量及單元模塊參數(shù) （ 設(shè)備特性參數(shù) ） (如與環(huán)境交換但與物流無關(guān)的 能量流 、 反應(yīng)程度 、 分割比 、 幾何尺寸 等 )作為決策變量 。 化工系統(tǒng)工程 — 第二章 化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬與分析 2022/8/27 23 序貫?zāi)K法的基本問題 ? 序貫?zāi)K法的求解與過程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有關(guān)。 ? 當(dāng)涉及的系統(tǒng)為無反饋聯(lián)結(jié)（無再循環(huán)流）的樹