化工系统工程21第二章化工系统分析与模拟2~6

第二章化工系统分析与模拟－化工系统工程的重要环节2第一节模拟2.1.1系统、化工系统系统：为了在给定条件下实现一定目的，由互有联系、影响的事物组成的一个统一整体。单元：相对于系统而言，组成系统的事物。事物—实体、非实体子系统：系统与单元是相对而言的，下一层次的系统是上一层次系统的子系统。化工系统（过程系统）：不同的系统可用其中进行的过程来区别，化工系统是其中进行化工过程的系统，是以物流为加工对象的、区别于机械加工生产“元件”的系统。化工过程：通过某些操作使物料发生某种物理、化学的变化，而生产出所需化工产品的过程。化学工程：研究化学工业和其他过程工业(processindustry)生产中所进行的化学过程和物理过程共同规律的一门工程学科。2.1.2系统的工况特性与系统分析系统范围、向外界（环境）的输入与输出（物料流、能量流、信息流）系统特性：系统本身必须具备的具体特定条件（设备参数+操作条件）工况特性：输入－系统特性－输出,系统规律性关系系统分析的主要内容：是对系统的工况特性分析，即已知系统特性与输入，预测其输出。1.物理模拟：利用一个系统或过程的性能对另一系统或过程的性能作出模仿性的演示。例：利用水槽中的船舶，风洞内的飞机研究实际船舶及飞机的性能。2.数学模拟：提出描述系统或过程的数学模型，加以求解并研究。3.模拟：是对某一个描述实际过程的数学模型求解，任务是对化工系统作出工况特性分析。2.1.3模拟（对某一系统的逼近）相似模拟（实体模拟）：如果两系统不仅性能相似而且物理化学过程本质也一样，只不过规模大小不同。相似模拟的理论基础是相似理论与因次分析。如小试与中试。如,参数不同，但Re相同，即为流动相似。类似模拟：如果两系统仅描述方程相同，但它们的物理过程本质不同，如三传类比，和，电阻抗Ze类比声阻抗Za。数学模拟是类似模拟。4.相似模拟与类似模拟：QtRIURduRe2.1.4化工流程模拟(ProcessFlowsheeting)1.化工流程模拟利用计算机辅助手段对一化工过程进行稳态的热量衡算、物料衡算、尺寸计算和费用计算。2.稳态模拟稳定进料—稳定连续加工操作—稳定出料。如：连续操作过程3.动态模拟对过程的非稳定状态进行模拟，以了解系统在各种非稳定状态下的特性和变化趋势。用途：预测装置经受动态负荷变化的能力及可操作性。如：间歇操作过程分析开、停车及外部干扰下的动态性能，为装置及其控制系统的实现提供依据。用动态模型代替实际装置对操作作出动态响应，培训操作人员。用计算机动态模拟手段代替教学实验设备，培养学生实验研究能力。4.流程模拟在实际化工生产课题中的应用例反应器系统最优设计分离系列设计换热器网络设计整套化工装置设计化工过程离线操作优化化工过程在线操作优化过程监测与数据校正过程先进控制化工装置仿真机研制生产计划优化2.1.5化工过程设计1.化工过程设计为完成某种特定的生产任务，对某化工过程的化工系统进行设计。包括：流程图设计（化工过程设计）化工过程最优设计（最优目标的确定、机辅化工过程设计）2.机辅化工过程设计机辅化工过程设计三个基本环节综合、分析和最优化化工系统综合：确定化工系统的结构流程模拟参数最优化结构最优化2.1.6模拟的基本环节核心环节（模拟三要素）系统模型（单元模型，系统结构模型）物性数据解算方法（数学模型求解方法）模型的取舍：三通（混合、分流），换热器（热量衡算、物料衡算），…单台设备与化工系统的模拟区别：流程结构模型及计算复杂性的不同辅助环节（程序设计Programming）编程知识与技巧采用主程序调用子程序结构（单元操作模块调用物性模块，module）模拟数据的输入、输出（易掌握和使用，清晰和美观）提供错误诊断信息插入注释行其它一些使程序更完善的作法2.1.7模拟型与设计型问题模拟型问题（操作型问题）已知流程结构、设备参数、工艺参数的情况下，单纯对系统工况进行模拟，即计算系统物料衡算、能量衡算及其它计算问题，属于对系统进行工况分析。设计型问题求取满足一定设计要求的解（一般是全部或部分输出结果已定，反求部分或全部输入值的问题）单元设备一定：设计要求是产品指标，求取设备参数和工艺操作参数。工艺流程一定：设计要求是产品的数量与质量指标，求取流程各单元设备参数、工艺操作参数和原料的质量与数量等。工艺流程未定：设计要求是产品的数量与质量指标，求取流程结构和设备参数、工艺操作参数，以及控制方案等。2.1.8化工流程模拟系统1.化工过程模拟程序系统（流程模拟软件）发展过程简介1958年，美国Kelloge公司开发世界上第一个化工模拟程序FlexibleFlowsheeting－用于大型合成氨流程装置设计。60年代为化工过程模拟的初始发展期。美国Chevron公司CHEVRON，Houston大学CHESS，Purdue大学PACER70年代为成长壮大期。美国Monsando公司FLOWTRAN，SimulationScience公司PROCESS，ChemShare公司DESIGN80年代成熟期，软件研制已进入商业化、专业化，可靠性与准确性提高、应用范围拓宽、功能丰富、使用方便。美国ASPENTECH公司ASPENPLUS，SimulationScience公司PROⅡ，加拿大HYPROTECH公司HYSIM80年代后流程模拟软件开发与应用的深入发展期。特点：离线→在线，稳态模拟→动态模拟→实时优化，生命周期模拟（Lifecyclemodeling）概念的形成，即过程装置的研发、设计、生产、装置退役等均应用过程模拟。新软件不断出现，如：PolymerPlus（聚合物系统）、SpeedUp（动态）、ASPENDynamics(动态)、HYSIS(动态)和GPROMS（动态）等。HYSIS和GPROMS可进行动态模拟，也可作稳态模拟。目前，ASPENPLUS、PROⅡ成为国内、外企业的定级标准。流程模拟软件已成为化工过程合成、分析和优化最有效与不可或缺的工具。2.流程模拟软件的用途(2)设计新流程用试探规则合成初始流程，利用模拟定量计算、比较、确定方案操作优化决策变量优化消除瓶颈可在新条件下进行单元设备能力计算及重做系统模拟、优化得到消除瓶颈最佳方案研究某些设计与操作问题模拟软件可认为是一个实验装置系统，用于过程分析（闪蒸模块—泵进气压力变化，精馏模块—进料与产品的影响）参数灵敏度分析分析不确定因素的影响，采取的措施参数拟合回归模型系数流程模拟软件用于过程开发阶段（评价和筛选流程方案），过程设计阶段（优化流程结构与工艺条件），装置生产阶段（根据原料、市场、能源和环保的变化，重新确定优化工艺条件）。专用化工模拟系统：针对特定流程专门开发的模拟系统。特点：结构（模型、物性数据、解算方法）简单，计算结果较准确。缺点：不通用。合成氨工艺软件包、管道模拟设计、换热器模拟设计、流体力学计算软件FLUENT通用化工模拟系统：特点：可较方便地模拟不同化工流程，缺点：有限通用，结构（模型、物性数据、解算方法、允许用户扩展系统）复杂，计算结果不如专用模拟软件的计算结果。3.专用模拟系统与通用模拟系统4.CHESS(ChemicalEngineeringSimulationSystem)1978年版，NAMELIST输入，自动排序，18单元操作模块，98物料，流程单元50个，物流100条。适用教学。5.PROⅡ适用的行业：油/气加工、炼油、化工、化学、工程和建筑、聚合物、精细化工/制药。模拟应用：设计新工艺、评估改变的装置配置、改进现有装置、依据环境规则进行评估和证明、消除装置工艺瓶颈、优化和改进装置产量和效益。PRO/II典型的化学工艺模型：合成氨、共沸精馏和萃取精馏、结晶、脱水工艺、无机工艺、液-液抽提、苯酚精馏、固体处理，聚合物，炼油，制药，间歇精馏、间歇反应。组分数据库：2000多纯组分库、以DIPPR为基础的库、固体性质、1900多组分/种类电解质库、非库组分、虚拟组分和性质化验描述、用户库、根据结构确定性质、多个化验混合、用于聚合物的VanKrevelen方法。混合物数据：用于3000多VLE二元作用在线二元参数、用于300多LLE二元作用在线二元参数、2200在线共沸混合物用于参数估算、专用数据包、酒精脱水、天然气脱水、带有三乙烯乙二醇、来自GPA(GPSWAT)的酸水包、气体和液体氨处理、硫醇等。PRO/II程序功能强大，它能灵活地模拟有机工艺和无机工艺。它广泛适用于氨的生产，工业废气处理，基本的和中间的石化产品，聚合物、制药，电解系统（如：胺、酸、盐、酸水和腐蚀清除）；它能精确的模拟复杂的电解质化学、非理想蒸馏，多种反应系统，气／液／固分离。6.ASPENPLUSASPENPLUS是大型通用流程模拟系统，源起于美国能源部在七十年代后期在麻省理工学院MIT组织会战，要求开发新型第三代流程模拟软件。这个项目称为“先进过程工程系统”（AdvancedSystemforProcessEngineering）简称ASPEN。这一大型项目于1981年底完成。1982年AspenTech公司成立将其商品化，称为ASPENPLUS。这一软件经过不断改进、扩充、提高，已经历了十二个版本，成为全世界公认的标准大型流程模拟软件，用户接近上千个。全世界各大化工、石化生产厂家及著名工程公司都是ASPENPLUS的用户。它具有以下特性：一、ASPENPLUS有一个公认的跟踪记录，在一个工艺过程制造的整个生命周期中提供巨大的经济效益，制造生命周期包括从研究与开发经过工程到生产。二、ASPENPLUS使用最新的软件工程技术通过它的MicrosoftWindows图形界面和交互式客户-服务器模拟结构使得工程生产力最大。三、ASPENPLUS拥有精确模拟范围广泛的实际应用所需的工程能力，这些实际应用包括从炼油到非理想化学系统到含电解质和固体的工艺过程。四、ASPENPLUS是AspenTech的集成聪明制造系统技术的一个核心部分，该技术能在公司的整个过程工程基本设施范围内捕获过程专业知识并充分利用。在实际应用中，ASPENPLUS可以帮助工程师解决快速闪蒸计算、设计一个新的工艺过程、查找一个原油加工装置的故障或者优化一个乙烯全装置的操作等工程和操作的关键问题。流程模拟的优越性有以下几点：◇进行工艺过程的能量和质量平衡计算。◇预测物流的流率、组成和性质。◇预测操作条件、设备尺寸。◇缩短装置设计时间，允许设计者快速地测试各种装置的配置方案。◇帮助改进当前工艺。◇在给定的限制内优化工艺条件。◇辅助确定一个工艺约束部位(消除瓶颈)。◇回答“如果…那会怎样”问题ASPENPLUS的重要功能：◇固体处理、◇严格的电解质模拟、◇石油处理、◇数据回归◇数据拟合、◇优化、◇用户子程序过程分析与合成的模拟内容第二节化工系统数学模型2.2.1.基本概念数学模型某种关系的数学表达，如：某个系统（简单的与复杂的）的工况特性关系；某现象各因素间的关系（气态方程、物性关联式、反应动力学）；某普通计算关系（如：设备费用与尺寸）；其它：流程结构关系，设计要求关系，最优化中目标函数等。针对各种问题写出的数学关系均为数学模型。2.2.2.三类模型理论（机理）模型（理想混合蒸汽夹套加热釜）由过程的物理、化学本质出发，利用化学工程基本理论建立描述方程式及边界条件。即将系统分解至已知公理可以解释的程度，再进行相应的数学描述。经验模型（黑箱模型Blackboxmodel）以实测数据为根据的模型。撇开过程本质，仅着眼于输入、输出关系。半经验半理论模型（-dCA/dt=kCAP,…）经过理论分析，确定参数间的函数关系式，再由实践数据确定此关系式中的各系数。2.2.3.化工系统模型模拟型模型化工单元操作模型（包括物性数据模型）；表述流程结构模型；工况模型：表