第1讲-化工过程模拟概论及ProII使用过程简介

第第11讲讲化工过程模拟概论与化工过程模拟概论与PRO/IIPRO/II软件软件使用过程简介使用过程简介过程模拟与软件应用教科组化工计算软件种类化工计算软件种类Origin，Excel数据处理桌面化学软件科学计算化工流程模拟计算流体力学量子化学计算反应动力学ChemOffice，ChemSketchMatlab，Mathematica，Mathcad，MaplePro/II，AspenPlus，Hysys,ChemCADFluent，CFX,PHOENICSChemKinMaterialStudio，Gaussian，VASP流程模拟技术流程模拟技术流程模拟技术流程模拟技术是综合应用过程工程、系统是综合应用过程工程、系统工程、计算数学等学科的理论和方法，开工程、计算数学等学科的理论和方法，开发专用软件对流程工业的单元过程、设备发专用软件对流程工业的单元过程、设备及整个流程系统在计算机上进行描述的技及整个流程系统在计算机上进行描述的技术，这种描述既可以是静态的，也可以是术，这种描述既可以是静态的，也可以是动态的；既可以对过程进行物料平衡、热动态的；既可以对过程进行物料平衡、热量平衡、化学平衡、相平衡等的计算，也量平衡、化学平衡、相平衡等的计算，也可以预测操作变量变化对过程的工艺及工可以预测操作变量变化对过程的工艺及工程技术和计算机技术互相融合的产物，随程技术和计算机技术互相融合的产物，随着计算机技术的发展而不断发展，为过程着计算机技术的发展而不断发展，为过程系统的综合分析和优化提供了快速高效的系统的综合分析和优化提供了快速高效的方法，已成为过程系统工程的重要技术。方法，已成为过程系统工程的重要技术。本本课程的教学计划课程的教学计划第第11讲讲化工过程模拟概论及化工过程模拟概论及ProIIProII使用过程简介使用过程简介第第22讲讲反应器模块反应器模块第第33讲讲热力学模型的选用热力学模型的选用第第44讲讲分离模块分离模块第第55讲讲传热模块与压力改变模块传热模块与压力改变模块第第66讲讲带循环物流的化工流程模拟带循环物流的化工流程模拟第第77讲讲化工流程的控制和优化化工流程的控制和优化概要概要1.1.本课程的目的本课程的目的2.2.化工过程模拟的主要内容化工过程模拟的主要内容3.3.化工过程模拟的应用化工过程模拟的应用4.4.化工过程模拟的基本问题化工过程模拟的基本问题5.5.化工过程模拟的方法化工过程模拟的方法6.6.ProIIProII及其它过程模拟软件的主要功能及其它过程模拟软件的主要功能7.7.ProIIProII在化工类各主干课程中的应用在化工类各主干课程中的应用8.8.ProIIProII的使用步骤的使用步骤11本课程的目的本课程的目的¾¾以化工流程模拟软件以化工流程模拟软件Pro/II(ASPENPLUS)Pro/II(ASPENPLUS)为为工具，掌握化工过程模拟的基本技能工具，掌握化工过程模拟的基本技能，应，应用于化工过程的研究开发、设计、生产操用于化工过程的研究开发、设计、生产操作的控制与优化、技术改造等作的控制与优化、技术改造等¾¾设计是工程技术的起点，是当代工程师设计是工程技术的起点，是当代工程师的基本技能，是高等工科教育的主要内的基本技能，是高等工科教育的主要内容之一容之一¾¾过程模拟软件已成为当今工程设计最先过程模拟软件已成为当今工程设计最先进的工具之一进的工具之一¾¾只有掌握先进的工程设计工具的工程只有掌握先进的工程设计工具的工程师，才能孕育出先进的工程技术成果师，才能孕育出先进的工程技术成果通过学习过程模拟软件，可在化学工程、通过学习过程模拟软件，可在化学工程、石油化工、制气炼油、制药、工程建设石油化工、制气炼油、制药、工程建设与施工中进行：与施工中进行：¾¾过程设计过程设计¾¾过程操作分析过程操作分析¾¾设计和操作过程优化设计和操作过程优化适应现代企业、设计科研单位对高质量适应现代企业、设计科研单位对高质量毕业生的要求毕业生的要求22化工过程模拟的主要内容化工过程模拟的主要内容FlowsheetingFlowsheeting((流程模拟流程模拟))输入有关化工过程的流程水平上的信息，进输入有关化工过程的流程水平上的信息，进行有关化工过程开发、设计和操作的分行有关化工过程开发、设计和操作的分析。析。流程模拟的形式流程模拟的形式¾¾稳态模拟稳态模拟（（Pro/IIPro/II））¾¾动态模拟（动态模拟（DynsimDynsim））¾¾过程优化过程优化¾¾过程合成过程合成¾¾用能效率分析用能效率分析（（HextranHextran））¾¾安全和可靠性分析安全和可靠性分析普遍应用的是流程的稳态模拟：普遍应用的是流程的稳态模拟：™™物料和能量衡算物料和能量衡算（操作型计算）（操作型计算）™™设备尺寸设备尺寸（设计型计算）（设计型计算）™™费用计算及过程的技术经济评价费用计算及过程的技术经济评价流程水平上的信息构成流程水平上的信息构成流程水平上的信息包括：流程水平上的信息包括：¾¾组成流程的单元设备的规定组成流程的单元设备的规定¾¾单元设备之间的连接方式单元设备之间的连接方式¾¾流程所处理的物质的性质流程所处理的物质的性质((热力学性质、传热力学性质、传递性质、化学反应性质递性质、化学反应性质))设备尺寸计算费用计算经济评价物料衡算、热量衡算流程规定利润率所有物流、能流、设备性质的规定设备尺寸数据费用数据工程数据设备尺寸投资和制造费用流程模拟的信息流公用工程和原材料需求33化工过程流程模拟的应用化工过程流程模拟的应用¾¾化工过程开发系指将化学实验室的研究成果转化工过程开发系指将化学实验室的研究成果转化为社会生产力的整个过程，一般经历：化为社会生产力的整个过程，一般经历：小试小试模试模试中试中试概念设计概念设计基础设计基础设计工程设计工程设计基本建设基本建设投产投产主要应用主要应用化工过程流程模拟软件可用于化工过程开发的各个化工过程流程模拟软件可用于化工过程开发的各个阶段：阶段：(1)(1)小试和概念设计阶段小试和概念设计阶段(2)(2)模试、中试和基础设计阶段模试、中试和基础设计阶段(3)(3)工程设计和建厂阶段工程设计和建厂阶段(4)(4)装置投产阶段装置投产阶段¾¾新装置的设计新装置的设计¾¾指导已有装置的操作指导已有装置的操作化工过程设计的三个步骤化工过程设计的三个步骤¾¾过程合成过程合成根据预定目标确定生产流程根据预定目标确定生产流程¾¾过程分析过程分析在流程结构已确定的前提下，考察在不同操在流程结构已确定的前提下，考察在不同操作条件下流程的技术经济性能作条件下流程的技术经济性能¾¾过程优化过程优化通过改变过程的参数或结构使得流程性能显通过改变过程的参数或结构使得流程性能显著改善著改善¾¾就流程水平而言就流程水平而言，当，当将将流程模拟作为设计流程模拟作为设计工具时，理想的工作方式应是能以预定的工具时，理想的工作方式应是能以预定的目标推算出流程的结构、操作条件和所有目标推算出流程的结构、操作条件和所有输入变量。但目前大部分流程模拟软件都输入变量。但目前大部分流程模拟软件都是以核算型是以核算型(rating)(rating)工作的工作的¾¾就单个设备而言就单个设备而言，过程模拟软件可进行核，过程模拟软件可进行核算型的计算，也可进行设计型算型的计算，也可进行设计型(sizing)(sizing)的计的计算算44化工过程流程模拟的基本问题化工过程流程模拟的基本问题U1U2U3U4U1U2U3(a)树结构流程(b)再循环结构流程S1S2S3S4S5S6S1S2S3S4S5¾¾化工流程系统可能兼有树结构和再循环化工流程系统可能兼有树结构和再循环结构的特点，即一个复杂的化工流程可结构的特点，即一个复杂的化工流程可分解为相互之间不存在循环物流的子系分解为相互之间不存在循环物流的子系统，但每个子系统内部可存在循环物流统，但每个子系统内部可存在循环物流U1U2U3U4U6U5具有二个循环子系统的流程S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10S11要进行这样的化工过程流程模拟，从计算的要进行这样的化工过程流程模拟，从计算的角度需要解决两个基本问题：角度需要解决两个基本问题：ƒƒ流程的分割流程的分割ƒƒ包含循环物流的子系统的迭代包含循环物流的子系统的迭代（第（第55讲）讲）55化工过程模拟的方法化工过程模拟的方法从从数学的角度：数学的角度：¾¾化工流程稳态模拟实质上是一个大型非线化工流程稳态模拟实质上是一个大型非线性代数方程组的求解问题性代数方程组的求解问题混合器分流器分流器精馏塔123456789X11Y11X21Y21X31Y32X51Y51X52Y31Y42Y41X12反应器()()()()()0,,0,,,0,,,0,,0,,515251544241414332313132222121112111=====yxxfuyyxfuyyxfuyxfyxxf0000032513141213111214112=−=−=−=−=−yxyxyxyxyx单元模块方程物流连接方程非线性代数方程组的求解方法非线性代数方程组的求解方法1)1)序贯模块法序贯模块法2)2)联立方程法联立方程法3)3)联立模块法联立模块法1)1)序贯模块序贯模块法法¾¾对每一对每一单元设备编制计算机子程序，该子单元设备编制计算机子程序，该子程序将出口物流变量作为进口物流变量和程序将出口物流变量作为进口物流变量和设备参数的函数进行计算。设备参数的函数进行计算。()()()()()0,,0,,,0,,,0,,0,,515251544241414332313132222121112111=====yxxfuyyxfuyyxfuyxfyxxf()()()()()()()525151514414242441414133132323313131221212112111111,,,,,,,xxyuxyuxyuxyuxyuxyxxyϕϕϕϕϕϕϕ=======序贯模块法求解时，必须：序贯模块法求解时，必须：ƒƒ规定流程的各输入物流规定流程的各输入物流ƒƒ提供所有循环物流的初始值提供所有循环物流的初始值利用序贯模块法进行上述流程的求解过程：利用序贯模块法进行上述流程的求解过程：1)1)输入进口流输入进口流xx1111的参数的参数2)2)假定循环流假定循环流xx1212的参数的参数3)3)使用模型方程使用模型方程计算计算yy11114)4)利用连接方程使利用连接方程使xx2121＝＝yy11115)5)使用模型方程使用模型方程计算计算yy21216)6)利用连接方程使利用连接方程使xx3131＝＝yy21217)7)使用模型方程使用模型方程计算计算yy3131和和yy32328)8)利用连接方程使利用连接方程使xx4141＝＝yy31319)9)使用模型方程使用模型方程和和计算计算yy4141和和yy424210)10)考察考察yy4141和和xx1212的的差值差值11)11)利用连接方程使利用连接方程使xx5151＝＝yy323212)12)用模型方程用模型方程计算计算yy5151()12111111,xxyϕ=()2212121,uxyϕ=()3313131,uxyϕ=()4414141,uxyϕ=()4414242,uxyϕ=()52515151,xxyϕ=序贯模块法的数学实质和特点序贯模块法的数学实质和特点¾¾实质实质将大系统分解分解为若干小的子系统，将高阶方程组降将大系统分解分解为若干小的子系统，将高阶方程组降为低阶方程组进行迭代求解。为低阶方程组进行迭代求解。¾¾特点特点运算时严格按信息流的方向进行，与过程实际进行的运算时严格按信息流的方向进行，与过程实际进行的方向和步骤一致方向和步骤一致涉及三个基本层次的迭代收敛运算：涉及三个基本层次的迭代收敛运算：ƒƒ物性计算物性计算ƒƒ单元设备计算单元设备计算ƒƒ系统环路迭代系统环路迭代2)2)联立方程联立方程法法¾¾将将描述一化工流程的所有方程集中组成一描述一化工流程的所有方程集中组成一大型非线性代数