化工过程的模拟与优化

化工过程的模拟与优化一、绪论什么叫过程模拟？一般方法？过程模拟的用处？优点，限制？过程模拟的一些基本概念1.模拟的概念和一般方法模拟（simulation）：利用一个更为方便、经济而性能相似的系统来模仿复杂系统的性能系统A：复杂，难预测；系统B：简单，操作特性与A相同物理模拟：系统A与B，性能相似，物理化学过程本质一样，仅规模尺寸不同数学模拟：系统A与B，物理过程本质不同，B为计算机B的数学方程可以描述化工过程A“模拟”可以理解为“模仿”与“拟合”，是用计算机（软件）作为工具，去模仿一个过程（反应、精馏、吸收、萃取、换热、结晶等），根据用户所给过程的条件（温度、压力、流量、设备尺寸），对相应过程进行物料平衡、能量平衡、及相平衡、化学平衡的计算，从而预测过程中可能发生的现象，指导科研、设计、生产部门的工作过程可以是实际生产过程、实验过程、假想过程当前进行系统研究的普适化方法，生产操作的辅助工具模拟的层次（三大层次）管理业务过程（核心：企业经营管理）化工过程模拟（核心：三传一反，流程模拟，10-7-102m）分子模拟（核心：产品设计）环境化学供应链管理企业优化制造工厂工艺装置单元设备三传一反NANO系统分子模拟10510410210010-310-710-910-10步骤1.提出问题（决定意义）2.寻找过程的已知规律，理论基础3.化工基础数据的收集整理（物性，单元操作，成本核算等）4.建立数学模型（最困难一环）减少变量和方程数目，忽略次要影响因素判定最合适模型5.选择解算方法6.编制程序7.求解8.整理结果，核对，验证模型是否正确模型分类1.数学描述本质机理模型：基于物理－化学过程的本质和机理经验模型（黑箱模型）：实测数据为基础2.时间关系稳态模型，动态模型3.过程属性确定模型，模糊模型，随机模型4.系统工程学白箱模型，黑箱模型，灰色模型5.过程对象的数学描述方法集中参数模型：参数的数值与空间位置无关分布参数模型：参数是空间位置的函数2.数学模拟的用途及限制用途：1.化工开发过程（放大）特点：放大至工业化的速度越来越快；开发新工艺要求技术合理并达到最优化；提供信息全面完整实质：利用实验室获得的结果以及前人积累的对物理－化学规律的了解，建立一个描述过程的初级模型，然后通过与各种试验客队，不断修改数学模型，尽可能的把对本过程的正确理解都反映到数学模型中去，此模型即为放大过程的基础2.化工设计流程方案的选择设计基础：确定设计参数，固定设计参数值的确定，数学模型的选择等设计策略：对剩余设计变量进行初值选定以及确定合适的收敛方法工艺设计（核心）物料与热量衡算，工艺流股总揽，工艺流程图，工艺说明，热力学第二定律分析减少装置设计时间，提高工作效率，便于多方案评比，给出信息深入全面3.改进工厂生产操作在给定的限制内优化工艺条件，如：如何在规定的产品规格条件下，减少公用工程的使用量不设计设备改造，投资小，见效快4.过程控制5.规划和计划限制1.数学模型的准确性和有效性取决于实测数据的准确性化学反应动力学数据往往存在很大不确定性2.数学解算工具的局限3.模型的实际意义赋予应谨慎4.必须强调数学模型（特别是经验模型）的危险性基本概念1.单元操作（unitoperation)将指定的原料经一系列物质和能量的转换步骤，最终转换成规定要求的一种或几种化学产品每个单元都有指定的物质和/或能量转换过程2.过程系统模拟对已给定系统条件的现有过程系统，建立整个系统的数学模型，在计算机上进行求解，得出在给定条件下系统的特性和行为3.稳态过程模拟对象的输入－系统特性－输出均不随时间推移而变化，系统处于稳态应用计算机辅助手段，对化工过程进行稳态的热量和物料衡算、尺寸计算和费用估算3.过程模拟的基本概念过程模拟问题类型1.模拟型问题对某一流程系统做工况特性分析，即根据给定的流程系统的输入数据（进料组成，流量）以及表达系统的数据（设备参数），预计系统的输出数据（产品的组成，流量等）2.设计型问题预先规定了系统输出的某项数据，寻求能够满足规定要求的某些设备参数值3.优化型问题确定过程的某些主要操作条件，从而达到所期望的目标（系统性能最佳，产量最大，能耗最小等）设计规定举例冷却器出口温度是多少才能使异丙基苯产品纯度达到98%（摩尔百分数）?被操作（改变的）变量是什么?冷却器出口温度被测量（采集）变量是什么?物流PRODUCT中的异丙基苯摩尔分率要达到的规定（目标）是什么?物流PRODUCT中的异丙基苯摩尔分率=0.98REACTORFEEDRECYCLEREAC-OUTCOOLCOOL-OUTSEPPRODUCT过程模拟的基本环节模拟系统能够用来实现过程模拟的计算程序或软件系统1.流程系统的模型组成系统的各单元模型流程结构的明确表述2.物性数据和热力学模型物料状态和组成的变化3.解算方法变量的分类输入物流变量输出物流变量相应物流的状态（热力学状态，组成，流量等）设备参数单元操作设备的设备参数及操作参数其他计算结果除出口物流变量以外的其他计算结果（例：换热器热负荷，泵动率）寄存变量非用户直接需要的结果设计变量可改变某些变量的取值，从而控制系统设计方案状态变量确定设计变量后，其余被求解的变量通过自由度分析方法确定设计变量数目描述一个系统的状态所需变量的数目与建立这些变量之间关系的独立方程数目之差一个系统如果有m个变量和n个独立方程，则需确定m-n个独立变量进行赋值设计变量的选择考虑实际问题，区别对待：模拟问题，首选物流变量和设备变量；设计问题，首选设计规定值变量，再选输入物流变量和设备变量需求解模块参数不能选择选受限制较多的变量使求解最为方便容易二、单元操作模型的主要类型混合器/分流器分离器换热器塔反应器压力变换器调节器固体处理器1.相平衡及闪蒸器最基本单元闪蒸为最常用的单元操作过程模拟中对每一股物流都要计算相分布闪蒸计算类型等温绝热非绝热液体质量分数蒸汽质量分数液体纯度蒸汽纯度分离基本模型机械平衡vlpp热平衡vlTT相平衡(i=1,2,...,c)iiiykx组分物料平衡(i=1,2,...,c-1)iiiFzVyLx总物料平衡FVL热量平衡FVLHFQHVHL摩尔分数约束方程111iiizxy2.物料混合与分割混合器：总物料衡算组分物料衡算出口压力：一般选各进口物流中压力最小值为出口压力出口物流的其它性质（温度，焓，液化率，密度，熵等）由算术平均值计算：分割器：每股物流除流量外，其余参数均与进料F的参数完全相同123FFF112233iiixFxFxF312min(,)ppp11223FgFggFjjFLF1NjjFF3.泵增加液体压力的器械，由于液体分子的比体积很小，所以比起气体压缩机而言，所需的功小很多接近泡点容易出现气堵现象功：压力变化式：泵效率：驱动效率：()inoutOFhhW()outinpoutinpWFhhFUdppWW轴dWW轴电动机4.压缩机气体压缩机是用来给气体增压的少量液体进入高速旋转的叶片会引起压缩机的侵蚀用等熵效率来衡量典型的等熵效率为0.70-0.9之间给定输出压力和等熵效率的压缩机，等熵功率可计算如下出口熵等于进口熵，可找出等熵出口温度可逆绝热过程下，出口摩尔焓等熵功率轴功率能量衡算得到出口物流的真实摩尔热焓真实出口温度2,2,211(,,)(,,)isenisenSSTpZSTpZ2,222(,,)isenisenhhSpZ2,1(,)isenisenWFhhisensWW轴21WhhF轴2222(,,)TThpZ2,121isenisenshhWWhh轴膨胀机用来减少气体压力同时向外做机械功输出轴功率实际出口状态有可能在两相区，因此需求出出口压力p2下的露点温度Td，以及相应的熵Sd，如果S1Sd，则说明等熵过程在气相区进行，否则为两相区。212,1sisenisenisenhh轴5.换热器能量方程用户规定管程及壳程的压降，总传热系数，传热面积A或出口温度，求出两个出口温度（确定A）或A以及另一个出口温度1.单边换热器给定出口压力和出口温度，计算所需热量给定出口压力和温度变化，计算所需热量给定热负荷，计算出口温度T0LMQUATQH2.管壳式换热器对数平均温度平均温度对多流程的校正系数单流程全逆流换热器(,)LMQUATFRS,,,,,,,,lnhoutcinhincoutLMhoutcinhincoutTTTTTTTTT2,,,,2,,,,211ln1(,),,211(1)ln211hincoutcoutcincoutcinhincinSRTTTTRSFRSRSTTTTSRRRSRR(,)1FRS6.多组分混合物分离塔1.组分分割器模型（黑箱模型）不关心内部细节，只关心输入输出关系，全塔恒算物料平衡组分物料平衡热量恒算压力温度123FFF11,121,231,3,(1)FxFxFxc个112233HFQHFHF23pp23TT2.多组分精馏塔的简化经验模型恒摩尔流：各层塔板上虽有物质交换，但汽相和液相通过塔板前后的摩尔流量并无变化清晰分割：比轻关键组分还轻的组分全部从塔顶蒸出，比重会关键组分还重的组分全部从塔底采出挥发度：定量描述混合物中各组分挥发的难易程度相对挥发度：两组分挥发难易的对比两个极限操作条件：最小回流比：平衡级数无穷多最小平衡级数：全回流最小塔板数（Nmin），精馏塔全回流操作时所需理论塔板数最少。由芬斯克（Fenske）方程求解,1,1,1,1min,lg1jiNijNijxxxxN恩德伍德方程求最小回流比qFxFxBBBAAA1....1....minRxxBBDBAADAGilliland关联式（理论塔板数，最小回流比，最少塔板数以及回流比的关系）1*0min,0RRRxD1*minNNNy0.5minmin154.411exp111117.21NNXXYNXXRRXR严格多级分离同时联解物料平衡、能量平衡和相平衡关系，用逐板计算方法求解给定塔设备的操作结果。用于精确计算精馏塔、吸收塔（板式塔或填料塔）的分离能力和设备参数。可对下述过程做两相或三相模拟:普通蒸馏吸收,再沸吸收汽提,再沸汽提恒沸蒸馏反应蒸馏流程气体蒸馏物(DV)1顶级或冷凝器热负荷热(可选)(Q1)液体蒸馏物(DL)水(DW)(可选)D=DL+DVDV:D=DV/D物料回流RR=L1/DRW=LW/DW（任何数量)L1+LW产品(任何数量)热循环回流倾析器热产品热返回(任何数量)上升蒸汽(VN)N级底级或再沸器热负荷热(可选)(QN)塔底(B)BR=VN/B7.化学反应器模型Reators(反应器)以物料平衡为基础Ryield(收率反应器)Rstioc(化学计量反应器)以反应平衡为基础REquil(平衡反应器)RGibbs(吉布斯反应器)以动力学为基础RCSTR(连续搅拌釜式反应器)RPlug(活塞流反应器)RBatch(间歇反应器)基于物料平衡反应器RYield(收率反应器)只要求物料平衡,不要求原子平衡用来模拟入口物流不知道，但出口物流已