化工過程模擬與分析第一章緒論

1、第一章 緒論,1.1 化學工程學科發(fā)展的三次飛躍,第一次飛躍： “單元操作”概念的提出；,第二次飛躍：“傳遞過程”概念的提出，Bird《傳遞現(xiàn)象》出版，“三傳一反”特征確立；,第三次飛躍？過程系統(tǒng)工程、產(chǎn)品工程、多尺度。,過程系統(tǒng)工程（Process system engineering, PSE）,一門正在成長的較新的邊緣學科，它以處理物料-能量-信息流的過程系統(tǒng)為研究對象，研究其設計、控制、運行和組織管理，目的是在總體上達到最優(yōu)

2、化。,過程（Process）對原料進行某些物理或化學變換，使其性能發(fā)生預期的變化，從而增加了附加的價值，這種操作或處理稱為“過程”。,系統(tǒng)（System）為了某種目標，由共同的物質(zhì)流股或信息流聯(lián)系在一起的單元組合而成的整體稱為系統(tǒng)。,PSE發(fā)展簡史,20世紀30年代 美國雷德無線電公司 “系統(tǒng)” & “系統(tǒng)規(guī)?！?20世紀40年代 美國Bell電話公司 “系統(tǒng)工程”,二戰(zhàn)期間 盟軍 研究和應用系統(tǒng)工程方法（運籌學）,20世紀50

3、年代 經(jīng)濟發(fā)展使得系統(tǒng)工程方法受到重視,系統(tǒng)工程（System engineering）：方法論對于復雜系統(tǒng)應用的研究,PSE: 系統(tǒng)工程的方法、觀點和思路應用于過程系統(tǒng)。,PSE發(fā)展三個時期,1968年—1979年 初創(chuàng)時期 標志 1968年Rudd和Watson出版“Strategy of process engineering”, 1969年矢木榮和西村肇出版“過程工程學”，明確了學科范疇為：過程系統(tǒng)分析、過程綜合和過程控制；,1

4、979年-2000年 成長時期 70年代石油危機影響，計算機技術長足發(fā)展 ，1982年 日本京都 Takamatsu教授主持第一屆國際過程系統(tǒng)工程會議 PSE‘82 ，PSE由理論走向應用； http://www.pse.org.cn/,2000年～ 擴展時期 范圍：顆粒、薄膜、氣泡到車間、工廠，向兩級擴大，微觀方面向分子模擬、產(chǎn)品設計擴充（nm級），宏觀方面向整個公司、整個供應鏈、一個工業(yè)園區(qū)乃至全球氣候變化擴充 ；研究

5、內(nèi)容：從物理-化學制造過程擴大到管理業(yè)務過程（Business Process）；最優(yōu)化成了多目標優(yōu)化,化學產(chǎn)品工程（Chemical product engineering）,化學產(chǎn)品分類示意圖,導向：產(chǎn)品中心研究內(nèi)容：結構和性質(zhì)的關系,關鍵問題 ：設計和制造細化分類的各種新產(chǎn)品 ，快速、高效地生產(chǎn)滿足客戶需要產(chǎn)品研究領域：分子產(chǎn)品工程、配方產(chǎn)品工程、間歇生產(chǎn)和柔性制造技術 前沿方向：分子或微觀水平上的基礎科學發(fā)現(xiàn)和工業(yè)制造

6、及生產(chǎn)規(guī)劃的策略相結合 多目標非線性系統(tǒng)規(guī)劃和優(yōu)化 多產(chǎn)品集成間歇生產(chǎn)過程排序優(yōu)化產(chǎn)品開發(fā)與過程技術集成,多尺度法（Multi-scale method）,工藝設備放大困難原因：基于單一尺度的平均方法無法反映過程內(nèi)在機理，必須引進諸多可調(diào)經(jīng)驗參數(shù)，預測性很差。,多尺度法的尺度/過程結構,多尺度法基本思路,（1）分尺度簡化 復雜系統(tǒng)分解為不同尺度的相對簡單結構；,（2）子過程分析 復雜過程分解為伴隨各尺度和尺度間耦聯(lián)的子過程；,（3

7、）多尺度綜合 進一步分析不同尺度下各種子過程的相互量化關系，并于已知條件關聯(lián)，構成描述復雜系統(tǒng)的綜合模型。,多尺度法基本思路示意圖,1.2 PSE基本術語,過程系統(tǒng)（Process system） 使原料進行物理的乃至化學的變化，從而由低價值的原料變成高價值的產(chǎn)品的系統(tǒng)。,狀態(tài)變量（State variables） 描述系統(tǒng)所處狀態(tài)(溫度、壓力、濃度…)的變量，其值往往不能自由設定。,決策變量（Decision variable

8、s） 數(shù)值可以由設計者給定的變量。,模擬（Simulation）用一個更為方便、經(jīng)濟而性能相似的系統(tǒng)B來模仿系統(tǒng)A的性能的方法，試驗系統(tǒng)B稱為系統(tǒng)A的模型（Model）。,若模擬系統(tǒng)B是一臺計算機，它所演算的數(shù)學方程組可以足夠準確地描述過程A，則稱為數(shù)學模擬。,數(shù)學模型（Mathematical model） 物理實體的數(shù)學抽象，即關聯(lián)研究對象的輸入、輸出以及一系列參數(shù)的數(shù)學方程式，可分為機理模型、統(tǒng)計模型和混合模型。,參數(shù)（Para

9、meter） 代表過程或其環(huán)境的某種性質(zhì)，而且可以被賦予一定數(shù)值的量稱為“參數(shù)”，其中也包括方程式中的常數(shù)或系數(shù)。,流程 (Flowsheet) 又稱作流程圖，原指將各種單元設備等用圖形符號畫出，并示出其間聯(lián)接關系，從而將整個化工系統(tǒng)的構成情況描繪出來的圖形表達；現(xiàn)也用來一般地指一個化工系統(tǒng)的構成情況。,過程系統(tǒng)模擬分析 在確定過程系統(tǒng)的結構及其子系統(tǒng)特性的前提下，借助計算機和系統(tǒng)模型，通過數(shù)學模擬的方法，推測特定系統(tǒng)的特性，確定其各部

10、位信息和總體技術經(jīng)濟指標的方法，簡稱系統(tǒng)模擬。,過程系統(tǒng)優(yōu)化 一、對確定過程系統(tǒng)的優(yōu)化，通常是求取使過程系統(tǒng)目標最優(yōu)的決策變量值；二、給定輸入、輸出或僅給定其中之一，求取能使目標函數(shù)最優(yōu)的最佳過程系統(tǒng)，此類優(yōu)化稱為過程系統(tǒng)合成或過程系統(tǒng)綜合（Process synthesis）,PSE四大研究內(nèi)容：模擬問題、設計問題、優(yōu)化問題和合成問題，其中模擬問題是基礎。,1.3 過程模擬應用,1、化工開發(fā)數(shù)學模型為放大設計的基礎，減少放大

11、工作量，提高放大倍數(shù)。,2、化工設計計算機輔助工藝設計 ，選擇最優(yōu)方案，顯示流程系統(tǒng)性能。,3、操作優(yōu)化生產(chǎn)條件變化、設備更換、生產(chǎn)策略改變,應用,5、規(guī)劃和設計 更大尺度上比較各種方案,優(yōu)點,1、經(jīng)濟性；2、加大放大倍數(shù)；3、外延性；4、便于互換性；5、便于研究穩(wěn)定性和靈敏度；6、便于研究控制方式 ；7、提供深入系統(tǒng)的技術資料 。,數(shù)學模擬的限制,(1) 數(shù)據(jù)的完備性及準確性 ；（2）解算數(shù)學模型的手段限制 ；（3）數(shù)學模型適用

12、范圍的限制 。,1.3 過程模擬的基本問題,一、模擬基本環(huán)節(jié),核心環(huán)節(jié)系統(tǒng)模型：單元操作模型和系統(tǒng)結構模型；物性數(shù)據(jù) ：物料性質(zhì)變化需要；解算方法：針對不同模型特點，有效 。,輔助環(huán)節(jié)程序設計：正確、巧妙、合理，錯誤診斷，注釋；輸入輸出：易于掌握和理解。,二、模擬型問題與設計型問題,模擬型問題根據(jù)給定的系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)以及表達系統(tǒng)特性的數(shù)據(jù)，預計系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)。,設計型問題對流程結構為已知的化工系統(tǒng)，計算出能滿足設計者所規(guī)

13、定的要求的某些參數(shù)或變量所應具有的數(shù)值 。,三、流程模擬系統(tǒng),專用流程模擬系統(tǒng)針對特定流程專門開發(fā)的模擬系統(tǒng)，只用于對該流程進行模擬的目的，不具有通用性。,合成氨模擬系統(tǒng)HTFS：換熱模擬與設計軟件KBC PROFIMATICS：煉油反應模擬軟件,ASPEN Plus（Aspen Tech 公司）Advanced System for Process Engineering，高校、研發(fā)PRO II（Simulation Sc

14、ience 公司）Process 后期版本，設計院使用更多 gPROMS（Process Systems Enterprise Ltd.） general Process Modeling System，穩(wěn)態(tài)、動態(tài)模擬功能，連續(xù)與間歇過程模擬，面向問題語言,通用流程模擬系統(tǒng)對不同流程均可適用的、帶有通用性的流程模擬系統(tǒng)，通常具有可擴展性。,四、通用流程模擬系統(tǒng)組成,一、輸入、輸出模塊：系統(tǒng)結構、輸入流股、設備參數(shù)、計算精度要求

15、、費用信息；二、物性數(shù)據(jù)庫：基礎物性、物性計算、數(shù)據(jù)處理程序三、算法子程序：各種數(shù)值計算方法四、成本估算與經(jīng)濟評價五、單元操作,本課程主要內(nèi)容,一、緒論二、化工過程系統(tǒng)數(shù)學模擬方法模型化概念、單元模型、切割方法、系統(tǒng)模型、模擬方法概述…三、代數(shù)方程組的求解線性方程組求解、非線性方程組求解,四、過程系統(tǒng)的分解系統(tǒng)分隔、不可再分塊切斷五、序貫模塊法系統(tǒng)自由度分析、不可再分塊的迭代收斂方法、序貫模塊法求解設計問題六