流程模拟进展讲义

2019年8月31日星期六1过程模拟技术基本知识•概论•过程系统工程的基本概念•过程系统工程包含的内容•过程系统工程研究方法•稳态模拟基础知识2019年8月31日星期六2概论•60年代过程系统工程产生和发展的理论准备时期•70年代过程系统工程走上实用的时期•80年代过程系统工程普及时代2019年8月31日星期六3过程系统工程的基本概念•过程系统工程是将系统工程学的理论和方法应用于过程工业领域的确一门边缘学科，是化学工程的一个分支。•过程系统工程的基本内容就是从过程系统的整体目标出发，根据系统内部各个组成部分的特性及其相互关系，确定在规划、设计、操作和控制等方面的最优策略。2019年8月31日星期六4研究开发市场调查设备设计设备制造建设工程试运转操作运行过程设计外协检查经营管理控制环境的变化2019年8月31日星期六5过程系统工程包含的内容•过程系统分析•过程系统集成•过程系统优化•过程系统设计2019年8月31日星期六6过程系统输入输出过程系统分析示意图（待求）2019年8月31日星期六7过程系统（待求）输入输出过程系统集成示意图2019年8月31日星期六8过程系统优化•过程系统优化或系统优化可分为参数优化和结构优化•参数优化：在一确定的系统流程中对其操作参数进行优化。•结构优化：改变过程系统中设备类型或其相互间的联结，以优化过程系统。2019年8月31日星期六9过程系统设计•过程系统的设计原则上讲，是过程系统集成与过程系统分析交替过程的整体。•包括三个主要的步骤：过程系统集成、分析与优化2019年8月31日星期六10过程系统经济评价综合参数优化需求计算设备尺寸、费用结构优化最终的过程系统热量物料衡算决策变量优化2019年8月31日星期六11数学模拟•数学模拟：对数学模型求解的过程•优点：经济、灵活、可以减少中间试验，可获得实验条件下难以得到的性能信息，可以利用已有的理论成果来研究复杂过程系统的性能。2019年8月31日星期六12过程系统模型•过程系统模型是借助有关概念、变量、规则、逻辑关系、数学表达式、图形和表格等对系统的总体描述。2019年8月31日星期六13数学模型的类型与建立•按建模的方法分为：机理模型和经验模型•按建模是否考虑时间分为：动态模型和稳态模型•按建模是否考虑空间分为：集中参数模型和分布参数模型•按过程的特征分为：确定模型和随机模•数学模型的建立过程称为模型化，模型化的最基本要求，数学模型与所研究的过程系统具有客观的一至性。2019年8月31日星期六14过程系统模型组成及表示•过程单元模型•过程系统结构•过程系统结构表示：有向图表示、矩阵表示2019年8月31日星期六15稳态模拟的基本知识•数学模型的基本类型与主要形式•稳态模拟所研究问题的基本类型•稳态模拟的基本方法•稳态模拟软件•化工过程物性系统•化工过程的数学模型2019年8月31日星期六16数学模型的基本类型•集中参数模型与分布参数模型•确定模型与随机模型•机理模型与经验模型2019年8月31日星期六17稳态模拟所研究的基本问题•标准型问题•设计型问题•最优化问题2019年8月31日星期六18单元模块输入流股向量输出流股向量标准型问题2019年8月31日星期六19单元模块输入流股向量输出流股向量设计型问题控制模块设备参数向量要求的输出向量特性2019年8月31日星期六20过程模拟模型给定输入物理特性最优化问题经济模拟模型给定的参数控制变量约束条件优化程序约束条件2019年8月31日星期六21公用工程及原料量成本数据物料与能量衡算设备尺寸计算成本估算经济评价输入条件设备尺寸计算投资费用数据收益流程模拟的一般步骤2019年8月31日星期六22稳态模拟的基本方法•序贯模块法•联立方程法•最优联立模块法2019年8月31日星期六23流程模拟系统软件•模拟系统开发者结构特点•ASCEND美国Carnegie-Mellon联立方程法模拟与优化•ASPENPLUS美国ASPEN公司序贯模块法模拟与优化•CAPES日本序贯模块法有优化费用•CHESS美国Washington大学•CONCEPTIII英国CAD中心序贯模块法交互作用方式•DESIGN2000美国ChemShare序贯模块法•FLOWPACKII英国德国ICI-LINDE序贯模块法批处理与交互•FLOWSIM美国Connecticut大学联立方程法图形输入•FLOWTRAN美国MonsantoCo.序贯模块法有费用和尺寸•GMB美国BadgerCo.序贯模块法交互作用方式2019年8月31日星期六24流程模拟系统软件•模拟系统开发者结构特点•HYSIM加拿大HYPROTECHCo.序贯模块法交互作用方式•PRO/II美国Simulation公司序贯模块法批处理与交互•QUASLIN英国CAD中心联立方程法模拟与优化•SIMMOD美国Illinois大学序贯模块联立模块法模拟与优化•SPEEDUP英国Imperial大学PASCAL编程•SYMBOL英国Cambridge大学联立方程法线性化法•ECSS青岛化工学院序贯模块法•MicroSAPROSS兰州设计院序贯模块法合成氨专用系统程•大连理工大学•华东理工大学2019年8月31日星期六25流程模拟系统的基本结构计算方法库单元模块库物性数据库热力学性质库输入输出管理系统执行程序求解优化经济分析2019年8月31日星期六26物性系统的作用•根据模拟计算的进程与要求向程序提供所需的各种物性数据•允许用户输入自己的数据并转换成模拟系统所要求的形式•当缺少化合物的物性时，可为用户提供物性推算模型•当用户自己有实验数据时，可以按要求的模型形式进行回归，给出回归模型的参数2019年8月31日星期六27化工过程的数学模型•基本定律•质量守恒定律•能量守恒定律•传递速率方程，包括热量、质量、动量传递速率方程•状态方程•化学平衡•化学反学动力学2019年8月31日星期六28八步法流程模拟画流程图定义组分选择方法定义物流定义单元操作运行模拟察看结果修改参数2019年8月31日星期六29