過程系統(tǒng)工程-3

1、化工過程模擬與優(yōu)化Simulation & Optimization of Chemical Engineering Process,,,,李亞軍87112044 , 13570408408liyajun@scut.edu.cn,第四章 化工過程流程模擬基本技術(shù),2024/3/21,2,4.1、化工流程模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與程序設(shè)計,,4.1.1、流程模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),2024/3/21,3,4.1.1、流程模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),通用

2、穩(wěn)態(tài)流程模擬系統(tǒng)大致由以下幾部分構(gòu)成：1、主控程序；2、拓撲結(jié)構(gòu)模型與分析子系統(tǒng)；3、基本物性數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)；4、熱力學性質(zhì)推算、傳遞性質(zhì)推算子系統(tǒng)；5、單元過程模塊的集合；6、收斂、控制、優(yōu)化等算法子系統(tǒng)；7、輸入輸出界面。,2024/3/21,4,4.1.2、化工流程模擬系統(tǒng)的計算步驟,通用穩(wěn)態(tài)流程模擬系統(tǒng)實際是求解非線性代數(shù)方程組的程序。程序設(shè)計復(fù)雜，運行框架大體如下： 開始 程序初始化，分配基本內(nèi)存、賦初

3、值 （程序執(zhí)行） 定義、輸入系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)（圖形組態(tài)） （用戶執(zhí)行） 定義組分并通過數(shù)據(jù)庫輸入基本物性 （用戶執(zhí)行） 選擇熱力學方法

4、 （用戶執(zhí)行） 流程自由度分析并分配與流程有關(guān)的內(nèi)容 （程序執(zhí)行）,2024/3/21,5,4.1.2、化工流程模擬系統(tǒng)的計算步驟,定義并輸入獨立物流參數(shù) （用戶執(zhí)行）輸入設(shè)備參數(shù)

5、 （用戶執(zhí)行）輸入設(shè)計或優(yōu)化要求 （用戶執(zhí)行）切割與排序 （程序執(zhí)行，亦可由用戶手動執(zhí)行）按排定順序序貫地或迭代地調(diào)用各模塊至收斂 （程序執(zhí)行）如果有設(shè)計要求或優(yōu)化要求則進

6、行外圈迭代 （程序執(zhí)行）全部迭代收斂的判斷 （程序執(zhí)行）輸出計算結(jié)果 （程序執(zhí)行）打印并退出

7、 （用戶執(zhí)行）,2024/3/21,6,化工過程模擬三個要素：物性數(shù)據(jù)、數(shù)學模型和解算方法。 流程模擬系統(tǒng)將三個要素集成在同一個計算機軟件系統(tǒng)之中，可利用流程模擬系統(tǒng)反復(fù)多次進行化工過程系統(tǒng)模擬工作。,第四章 化工過程流程模擬技術(shù),2024/3/21,7,4.2 化工系統(tǒng)模型求解方法,化工系統(tǒng)的數(shù)學模型通常是一個大型非線性方程組，但由于化工

8、系統(tǒng)多變量、嚴重非線性造成的復(fù)雜性和特殊性，通常運用數(shù)學上關(guān)于大型非線性方程組的通用算法求解并不見效，必須建立適合化工系統(tǒng)特點的算法。 化工系統(tǒng)模擬的算法可分為三大類： 序貫?zāi)K法、聯(lián)立方程法、聯(lián)立模塊法。,2024/3/21,8,4.2.1、 序貫?zāi)K法,1、基本概念 序貫?zāi)K法（Sequential Modular Method)是通過模塊依次序貫計算求解系統(tǒng)模型的一種方法。

9、 序貫?zāi)K法的設(shè)計思想是從軟件的組織結(jié)構(gòu)上和處理順序上模擬實際化工加工流程。它的計算順序完全仿真了實際的加工流程。 實際流程確實能夠按照物料依次從上游通過各個設(shè)備流向下游完成加工過程的事實，就確鑿地論證了模擬實際流程的序貫?zāi)K計算方式能夠完成整個流程的模擬計算，能夠由原料計算出最終的產(chǎn)品。,2024/3/21,9,4.2.1、 序貫?zāi)K法,序貫?zāi)K法的核心概念就是單元過程模塊，模塊是完全信息

10、化的設(shè)備。在采用序貫?zāi)K法時，對每一類化工單元設(shè)備均編制一計算機子程序，該子程序包含量相應(yīng)的模型方程和模型求解程序。,單 元 模 塊,2024/3/21,10,4.2 化工系統(tǒng)模型求解方法,2、 序貫?zāi)K法-----穩(wěn)態(tài)過程模擬的解法 有了模塊之后，依照流程方向，從某一個單元設(shè)備（比如第一個設(shè)備）開始，調(diào)用相應(yīng)模塊，由該設(shè)備的輸入物流計算其輸出物流。如果該設(shè)備的輸入物流參數(shù)未知（比如輸入物流為循環(huán)物流時），則

11、需要假定該物流各參數(shù)的初值。依次序貫計算下去，直至系統(tǒng)的全部物流變量均被求出，這種依次逐個調(diào)用單元模塊的算法稱為序貫?zāi)K法，是目前應(yīng)用的最廣的化工系統(tǒng)模擬計算方法。通過嚴格的質(zhì)量和能量平衡，相態(tài)和化學平衡，去預(yù)測一個工藝過程的表觀現(xiàn)象。,2024/3/21,11,4.2.1、 序貫?zāi)K法,序貫?zāi)K法的特點：1、在模塊的結(jié)構(gòu)和功能方面模擬了實際裝置的結(jié)構(gòu)功能；2、模塊之間的信息傳遞、上下游關(guān)系與實際流程是對應(yīng)的；3、模塊為數(shù)學模型與

12、解算的集成，即模型和解法合二為一，故最終流程模擬用戶不必關(guān)心其具體模型與算法；,2024/3/21,12,4.2.1、 序貫?zāi)K法,序貫?zāi)K法的特點：4、模塊的算法有利于專業(yè)研發(fā)者繼承和發(fā)展流程模擬技術(shù)；5、模塊有利于化工工程師理解其程序結(jié)構(gòu)和設(shè)計思路；6、最為重要的是采用模塊的方式，恰好巧妙的對全流程數(shù)學模型中的所有方程進行了合理的分塊，對求解極為有利。 優(yōu)點：計算方法易實現(xiàn)，穩(wěn)定可解,2024/3/21,13,4.2.1

13、、 序貫?zāi)K法,例子,2024/3/21,14,4.2.2、過程系統(tǒng)的分解,序貫?zāi)K法是以單元模塊為基本計算單元，通過單元模塊序貫計算來求解系統(tǒng)模型。但是系統(tǒng)內(nèi)有循環(huán)物流時，某些設(shè)備的輸入物流來自流程后面的設(shè)備，是未知的，這些設(shè)備模塊就無法單獨求解。,具有帶循環(huán)子系統(tǒng)的流程,2024/3/21,15,1、系統(tǒng)分隔,系統(tǒng)分隔：從系統(tǒng)中識別出相互獨立的不可再分塊，排出各不可再分塊的計算順序。 系統(tǒng)流程若采用序貫?zāi)K法，

14、首先須將系統(tǒng)分隔成相互之間不存在循環(huán)流的不可再分塊獨立子系統(tǒng)，然后順序求解這些不可再分塊。序貫?zāi)K法對不可再分塊也是采用序貫計算進行求解。這樣，系統(tǒng)模型的求解全部成為模塊的序貫計算。,具有帶循環(huán)子系統(tǒng)的流程,2024/3/21,16,4.2.2、過程系統(tǒng)的分解,問題：對內(nèi)部有循環(huán)流的不可再分塊如何求解？解決問題的關(guān)鍵：將再循環(huán)物流給予切割。 2、流程切割與排序 流程切割：在適當?shù)牡胤綄⒒芈非袛啵怪槐芈?lián)立求解，只需用

15、各單元的序貫計算，對切割物流進行迭代，求出子系統(tǒng)的解。 對包含循環(huán)流的不可再分塊，確定切割物流的參數(shù)需要事先假定。,2024/3/21,17,2、流程切割與排序,在序貫?zāi)K法的流程模擬系統(tǒng)中，執(zhí)行切割任務(wù)的一套計算也完全封裝在一種稱為“收斂塊”的子程序之中。收斂塊同樣是由輸入物流的狀態(tài)計算出輸出物流的狀態(tài)。,切割再循環(huán)物流并插入收斂塊,2024/3/21,18,切割再循環(huán)物流并插入收斂快,計算步驟：切割物流6，（

16、混合） （收斂 換熱 反應(yīng) 分離）,,,,,2、流程切割與排序,2024/3/21,19,4.2.2、過程系統(tǒng)的分解,切割排序：在使用序貫?zāi)K法求解全流程時，根據(jù)流程的結(jié)構(gòu)，選取切割物流并尋求對應(yīng)的計算順序的工作過程，稱為切割排序。 切割排序是過程系統(tǒng)工程中最經(jīng)典的概念和技術(shù)之一，是化工系統(tǒng)工程的核心技術(shù)。,2024/3/21,20,切割物流 6，（混合） （收斂

17、 換熱 反應(yīng) 分離）,,,,,2、流程切割與排序,切割物流 3，（混合） （收斂 反應(yīng) 分離 換熱）,切割物流 4，（混合） （收斂 分離 換熱 反應(yīng)）,,,,,,,,,,2024/3/21,21,2、流程切割與排序,切割排序： 切割的方案往往不是唯一的，那么就存在哪個切割排序方案更為有

18、利于迭代計算的問題。 有利于減少計算量的切割方案的判斷：1、切割的流線應(yīng)盡量少；2、被切割的物流易于選取初始值；3、應(yīng)盡量切割那些“不太敏感”的物流。,2024/3/21,22,4.2 化工系統(tǒng)模型求解方法,4.2.3、 聯(lián)立方程法（Equation-based Method，Simultaneous Method) 對于設(shè)計型問題，由于系統(tǒng)或某些單元設(shè)備的輸出規(guī)定在模型計算中無法直接輸入，必須

19、在序貫計算結(jié)束后才能判斷是否滿足設(shè)計規(guī)定。若不滿足，則需改變某些設(shè)備參數(shù)和操作參數(shù)，再進行重復(fù)計算，嚴重影響計算效率。 聯(lián)立方程法是對系統(tǒng)的模型方法聯(lián)立求解。,2024/3/21,23,4.2. 化工系統(tǒng)模型求解方法,4.2.3、聯(lián)立方程法特點：模型和解法分開，對計算方法要求高。一般采用SQP法—Sequential quadratic programing優(yōu)點：快速、靈活的自變量和應(yīng)變量定義,2024

20、/3/21,24,4.2 化工系統(tǒng)模型求解方法,4.2.3、 聯(lián)立方程法 聯(lián)立方程一般采用牛頓－拉夫遜法、擬牛頓法或某些綜合方法對方程組中的所有變量同時求解。 聯(lián)立方程法的主要問題是如何保證收斂的穩(wěn)定性和眾多變量的初值的合適假定，目前這種方法主要用于方程數(shù)不多（小于100）的系統(tǒng)。,2024/3/21,25,4.2. 化工系統(tǒng)模型求解方法,4.2.3、聯(lián)立方程法缺點：1、需要較大的

21、內(nèi)存和比較復(fù)雜的計算程序，如稀疏矩陣技術(shù)；2、無法利用序貫?zāi)K法中花費大量人力、物力開發(fā)的單元模塊；3、方法的靈活性導致用戶容易作出相互矛盾的規(guī)定，當運算出錯或發(fā)散時，診斷困難。,2024/3/21,26,4.2 化工系統(tǒng)模型求解方法概述,4.2.4、 聯(lián)立模塊法 聯(lián)立模塊法是把序貫?zāi)K法和聯(lián)立方程法二者的優(yōu)點結(jié)合起來，用近似的線性模型來代替各單元過程的嚴格模型，使系統(tǒng)模型成為一個線性方程組，可以采用較簡

22、單的方法求解。單元設(shè)備的近似模型是用一組線性代數(shù)方程來表示單元設(shè)備的輸出變量與輸入變量之間的函數(shù)關(guān)系： Xj：單元設(shè)備的第j個輸入變量，yi：單元設(shè)備的第i個輸出變量；αij：系數(shù),2024/3/21,27,4.2 化工系統(tǒng)模型求解方法,4.2.4、 聯(lián)立模塊法 聯(lián)立模塊法可以在求解系統(tǒng)模型時直接處理設(shè)計規(guī)定方程，所以不需要像序貫?zāi)K法那樣，用很費時間的重復(fù)計算使設(shè)計規(guī)定得到滿足。也不

23、像聯(lián)立方程法那樣需要同時求解外部變量和內(nèi)部變量，所以在聯(lián)立模塊法中系統(tǒng)模型要比聯(lián)立方程法少得多，內(nèi)存要求大大減少。 聯(lián)立模塊法的基本問題是系統(tǒng)模型的求解和單元模型的線性化，最困難的是如何選擇線性近似模型的問題。,2024/3/21,28,4.3、化工過程系統(tǒng)優(yōu)化,1、為什么對化工過程優(yōu)化？用優(yōu)化方法做出的決策比直接決策可以多得到多少效益呢？優(yōu)化是使用專門的方法來確定最優(yōu)的成本，并對某一問題或某一過程的設(shè)計進行有效求

24、解的方法。在進行工業(yè)決策時，這一技術(shù)是主要的定量分析工具之一。在化工廠以及許多其他工業(yè)工程的設(shè)計、建設(shè)、操作和分析中所涉及的大部分問題均可使用優(yōu)化方法進行求解。,2024/3/21,29,4.3、化工過程系統(tǒng)優(yōu)化,1、為什么對化工過程優(yōu)化？用優(yōu)化方法做出的決策比直接決策可以多得到多少效益呢？優(yōu)化是改進流程設(shè)備的初始設(shè)計，并且對已經(jīng)運行的裝置設(shè)備盡可能地強化其操作性能，以達到產(chǎn)量最大、成本最小、能耗最小等目的。,2024/3/21,30

25、,4.3、化工過程系統(tǒng)優(yōu)化,2、優(yōu)化類型 可以分成兩類：（1）對確定的過程系統(tǒng)的優(yōu)化，如化工廠的操作優(yōu)化以及在確定工藝流程前提下的設(shè)計優(yōu)化，通常是求取能使過程系統(tǒng)的目標函數(shù)（某些技術(shù)經(jīng)濟指標的綜合）極小（或極大）的最佳決策變量（某些靈敏的可調(diào)操作變量）的值，這一類優(yōu)化被稱為過程系統(tǒng)系統(tǒng)的優(yōu)化。（2）對不確定的過程系統(tǒng)的優(yōu)化，通常給定輸入、輸出或僅給定其中之一，要求取得能使目標函數(shù)最優(yōu)的最佳過程系統(tǒng)，稱為過程系統(tǒng)合成或過程

26、系統(tǒng)綜合。,2024/3/21,31,4.3、化工過程系統(tǒng)優(yōu)化,3、優(yōu)化問題的本質(zhì)和組成 對于一個典型的工程問題，某一過程既可以用一些具體的方程來描述，也可以僅通過實驗數(shù)據(jù)來表達。這時就需要一個確定的標準，如最小成本。優(yōu)化的目的就在于找到使過程達到最佳性能的變量值。在投資和操作成本之間通常會存在一個折中，即一個最優(yōu)值。需要進行描述的因素——過程或模型以及性能標準——構(gòu)成了最優(yōu)化“問題”。,2024/3/21,32,

27、過程系統(tǒng)的能耗跟操作密切相關(guān),,,,,,,操作變量組,,,操作點,最優(yōu)/設(shè)計操作點,系統(tǒng)能耗,設(shè)計工況,,,,實際工況,,,4.3、化工過程系統(tǒng)優(yōu)化,2024/3/21,33,4.3、化工過程系統(tǒng)優(yōu)化,優(yōu)化問題的組成： 建立一個過程優(yōu)化問題是優(yōu)化過程中最嚴格的一步。無論復(fù)雜還是簡單，其目的都是求取其最優(yōu)值。要實現(xiàn)這一點，必須：1、建立一個能代表該過程的模型；2、選擇一個適宜的目標標準。目標函數(shù)代表了一些如利潤、成本

28、、能量和以被分析過程中的關(guān)鍵變量所表示的產(chǎn)率等因素。過程模型和約束條件則描述了關(guān)鍵變量間的相互關(guān)系。 每個優(yōu)化問題都含有三個基本方面：①至少有一個要進行優(yōu)化的目標函數(shù)（利潤函數(shù)、成本函數(shù)等）；②等式約束（等式）；③不等式約束（不等式）。,2024/3/21,34,4.3、化工過程系統(tǒng)優(yōu)化,4、優(yōu)化的范圍和層次 優(yōu)化問題存在于任何層次上，可以包括整個公司、某一個車間、一個過程、單個的單元操作、單元操作中的某一

29、個裝置或其中的某一中間系統(tǒng)。 優(yōu)化可用于以下三方面： A、管理；B；過程設(shè)計和裝置優(yōu)化；C、車間操作優(yōu)化。A、管理人員在做出決策時要考慮項目評價、產(chǎn)品的選擇、總體預(yù)算、銷售和研發(fā)成本、新車間的建設(shè)（時間和地點）等。,2024/3/21,35,4.3、化工過程系統(tǒng)優(yōu)化,4、優(yōu)化的范圍和層次B、在生產(chǎn)一種石油化工產(chǎn)品時要用到多少反應(yīng)器？車間的結(jié)構(gòu)該如何布置？如何安排流程使操作效率最高？單元或組合單元的最佳尺寸是多少？所有

30、這些問題可以通過過程設(shè)計模擬解決。C、優(yōu)化的第三個應(yīng)用在操作規(guī)模上明顯不同。過程設(shè)計和設(shè)備選型通常優(yōu)化于實現(xiàn)過程，而給定設(shè)計的管理決策又要早于設(shè)計步驟。同時操作條件的優(yōu)化存在于每月、每周、每天、每小時、甚至每分鐘。工廠操作所關(guān)心的是對于一個給定的單元操作，通過操作控制，找到最佳的溫度、壓力、流率等條件。,2024/3/21,36,,5、優(yōu)化應(yīng)用的例子,,,最低費用,4.3、化工過程系統(tǒng)優(yōu)化,例1 傳熱溫差優(yōu)化,2024/3/21,

31、37,,,例2：管徑和保溫厚度的優(yōu)化設(shè)計,熱油品輸送費用與管徑關(guān)系的優(yōu)化,,,2024/3/21,38,例3：分餾塔回流比～塔板數(shù)優(yōu)化,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,費用 O,Od,Oe,Omin,Ropt,Rmin,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,