【正文】 化工過程分析與合成 Analysis and Synthesis of Chemical Process 第二章 化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬與分析 Chapter2 Steadystate Simulation and Analysis of CPS 2I ? [學(xué)習(xí)目的 ] ? 掌握圖的分隔、切斷和排序； ? 掌握序貫?zāi)K法、聯(lián)立方程法、聯(lián)立模塊法及其不同點； ? 了解圖論的基本概念； ? 了解圖的數(shù)學(xué)表達(dá)； ? 了解常見的經(jīng)典序貫?zāi)K方法。 ?[學(xué)習(xí)重點與難點 ] ?圖的分隔、切斷及排序方法； ?序貫?zāi)K法、聯(lián)立方程法、聯(lián)立模塊法。 例 發(fā)酵液的分離問題 建立蒸發(fā)器的模型： 計算產(chǎn)品和廢液的總流率，同時計算產(chǎn)品和廢液中水和乙醇的流率。 例 1 發(fā)酵液流率 =50 kg/min，其中含 97%(wt)的水和 3%(wt)的乙醇。 物料衡算關(guān)系 : 相平衡關(guān)系 : 組分衡算關(guān)系 : 熱量衡算關(guān)系 : F1= F2+ F3 x2 = Kx3 F1x1= F2x2+ F3x3 H1F1+Q= H 2 F2+H3F3 將上例中加入如下要求： 必須使乙醇回收率達(dá)到 99%，另外，產(chǎn)品中必須含 50%的乙醇。 計算產(chǎn)品和廢液的總流率，同時計算產(chǎn)品和廢液中水和乙醇的流率。 例 2 例 3 要求進(jìn)一步提高產(chǎn)品中的乙醇含量，達(dá)到 90%。 例 4 再進(jìn)一步要求乙醇的回收率也必須達(dá)到 90%，即，對廢液中乙醇的濃度提出了要求。 例 5 乙醇在反應(yīng)器中通過發(fā)酵而得到，在這個理想流程中，通過發(fā)酵可以將 2kg的谷物轉(zhuǎn)化為 1kg 水和 1kg乙醇，進(jìn)料流率為100kg/s，含谷物 20%(wt)，水 80% (wt)。反應(yīng)器效率為 。發(fā)酵產(chǎn)物經(jīng)過濾后，在漿液中，每 10kg的谷物中仍 含 1kg的水 /乙醇溶液， 5%(wt)的漿液排放掉。 模擬是對過程系統(tǒng)模型的求解 : 用 EXCEL求解此問題 過程系統(tǒng)模擬的概念及基本任務(wù) 所謂 模擬 即是對過程系統(tǒng)模型進(jìn)行求解，通過對這種求解可解決第 1章緒論中所提到的三類問題，即： 優(yōu)化 模擬 設(shè)計 過程系統(tǒng)的模擬分析 對某個給定的過程系統(tǒng)模型進(jìn)行模擬求解，可得出該系統(tǒng)的全部狀態(tài)變量，從而可以對該過程系統(tǒng)進(jìn)行工況分析。 過程系統(tǒng)設(shè)計 過程系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化 采用一能反映研究對象本質(zhì)和內(nèi)在聯(lián)系，與原型具有客觀 一致性，且可再現(xiàn)原型發(fā)生的本質(zhì)過程和特性的模型，來 進(jìn)行研究和設(shè)計原型過程的方法。 廣義上模擬的含義： 上述三類問題，針對所要求解問題的不同，其求解的復(fù)雜程 度也不同。 設(shè)計問題比模擬分析問題多了一層迭代；而優(yōu)化 問題不僅增加了循環(huán)迭代，還增加了目標(biāo)函數(shù)模型和最優(yōu)化 模型 ，使求解過程更加復(fù)雜。本章僅針對 模擬與設(shè)計 。 過程系統(tǒng)模擬的基本結(jié)構(gòu) 單元過程模塊 物性數(shù)據(jù)庫 熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫 計算方法庫 經(jīng)濟分析模塊 優(yōu)化方法庫 輸入模塊 輸出模塊 管理系統(tǒng) 執(zhí)行模塊 ? 輸入模塊： 提供模擬計算中所需的所有信息，包括過程系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息。輸入方式可以是批處理或一次性輸入，也可以采用用戶人機對話的方式。 ?物性數(shù)據(jù)庫、熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫、計算方法庫： 為單元模塊求解提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及求解方法。 ?單元過程模塊： 根據(jù)輸入流股及單元結(jié)構(gòu)信息，進(jìn)行物料及能量衡算，獲得所有輸出流股的信息（如換熱器、精餾塔）。 ?優(yōu)化方法庫： 系統(tǒng)模擬需要進(jìn)行優(yōu)化時，提供優(yōu)化計算方法。 ?經(jīng)濟分析模塊： 將生產(chǎn)操作費用與設(shè)備投資費用與市場聯(lián)系起來，對系統(tǒng)生產(chǎn)進(jìn)行經(jīng)濟評價。 ?管理系統(tǒng)執(zhí)行模塊： 過程系統(tǒng)模擬的核心 ，用以控制計算順序及整個模擬過程。 ?輸出模塊： 按照過程單元或流股輸出用戶所需的中間結(jié)果及最終結(jié)果等。 ?化工過程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) —— 常表示為化工生產(chǎn)系統(tǒng)的工藝流程圖。 過程系統(tǒng)模擬的三種基本方法 模擬計算求解的方法包括： 序貫?zāi)K法 （ Sequential Modular Method） 面向方程法 （ Equation Oriented Method） 聯(lián)立模塊法 （ Simultaneously Modular Method） 化工過程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型通常采用一大型的非線性方程組表示， 具有復(fù)雜性和特殊性。過程系統(tǒng)模擬非常復(fù)雜，手工計算是難以勝任的，即使采用電子計算機來進(jìn)行求解也存在一定的困難。 ?SMM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(jìn)行計算，從而完成該過程系統(tǒng)模擬計算。 ?SMM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(tǒng)其它功能。 ?SMM對過程系統(tǒng)的模擬以單元模塊的模擬計算為基礎(chǔ)。 A、 SMM ? 系統(tǒng)中的單元設(shè)備只要已知其 所有輸入流股 和有關(guān) 決策變量 ，就可通過調(diào)用相應(yīng)的單元模塊，解出所有輸出流股。 ? 對于開環(huán)系統(tǒng)（即不含循環(huán)流股的系統(tǒng)），完全可以根據(jù)系統(tǒng)的輸入流股，從系統(tǒng)輸入開始，按流程方向依次逐個計算對設(shè)備進(jìn)行順序計算。 ? 但是當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)有循環(huán)流股時，某些設(shè)備的輸入流股來自流程后面的設(shè)備，是未知的，這些設(shè)備就無法單獨求解。 1 2 3 4 5 6 7 ? 若采用序貫?zāi)K法，首先需要將系統(tǒng)分割成若干個不可再分塊（獨立子系統(tǒng)），然后對其進(jìn)行順序求解，對含有多個單元的不可再分塊，可用迭代的方法聯(lián)立求解。 ? 上例中，則需要將系統(tǒng)分割成 4個不可再分塊，使各不可再分塊之間再無循環(huán)流股，可以按流程拓?fù)涞姆较蝽樞蜻M(jìn)行求解。對于上例，求解順序為{1}—— {2， 3}—— {{4， 5}， 6}—— {7}。 過程系統(tǒng)模擬的序貫?zāi)K法優(yōu)缺點 優(yōu)點： ?與實際過程的直觀聯(lián)系強模擬系統(tǒng)軟件的建立、維護和擴充都很方便，易通用化； ?計算出錯時易于診斷出錯位置。 ?計算效率較低，尤其是解決設(shè)計和優(yōu)化問題時計算效率更低。 缺點： B、 EOM ?EOM形成通用軟件比較困難；不能利用現(xiàn)有大量豐富的單元模塊；缺乏實際流程的直觀聯(lián)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(shù)難度較大。 ?EOM又稱聯(lián)立方程法，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