化工过程分析与模拟-i.ppt

化工过程模拟培训 主要内容 §1. 过程系统工程简介 §2. 化工过程的数学模型与数学模拟 §3. 化工过程模拟的基本方法 §4. 化工流程动态模拟 §5. 稳态模拟实例及化工流程模拟软件简介 §1. 过程系统工程简介 过程系统工程：是在系统工程、化学工程、过程控制、计算数学、信息技术等学科的边缘上产生的一门综合性学科，它以处理物料－能量－信息流的过程系统为研究对象。 系统工程的形成与发展 系统工程学科，产生于20世纪的40年代，在60年代形成了体系。 1981年，在日本京都召开第一届国际过程系统工程学术会议，标志这一学科的正式形成。 1991年，中国系统工程学会过程系统工程专业委员会正式成立。 §1. 过程系统工程简介 现代化工生产的发展要求系统工程方法的引入： （1）过程工业向规模化、大型化、综合化方向发展。 （2）企业发展的综合化、多目标化。 （3）能源紧张、自然资源短缺。 （4）缩短开发到工业实践的时间。 （5）过程工业信息化的要求。 §1. 过程系统工程简介 企业信息化的发展进程 过程系统模拟——过程系统工程研究的基础和核心工具 过程系统分析（模拟）：对于系统结构确定的现有过程系统进行分析，即建立系统的数学模型，对整个系统进行数学模拟，预测在不同条件下系统的特性和行为，发现其薄弱环节予以改进。 过程模拟 过程模拟在节能中的应用 以节能为目标的装置操作模拟优化——装置（设备）模拟 换热网络的模拟——流程模拟 §2. 化工过程的数学模型与数学模拟 一、化工过程的数学模型 模型：用物理或数学方法对真实过程中发生的现象进行描述。 化工过程模型化：在现有理论、实验研究、工程实践的基础上，通过分析研究及科学、合理简化，抽象出能够深刻、正确反映过程系统本质的数学描述，即数学方程组。 §2. 化工过程的数学模型与数学模拟 数学模型的分类： 稳态模型：描述过程的状态不随时间变化的模型，一般为代数方程组。 动态模型：描述过程的状态为时间的函数，即反映过程在外部干扰下引起的不稳定过程或开车、停车过程，或某些生产函数操作过程时间 t 是主要的自变量，一般为常微分方程组。 集中参数模型：描述过程的参数不随空间位置变化，而被看作在整个系统中是均一的。模型中各种参数的位置与空间位置无关。一般为代数或常微分方程组。 分布参数模型：描述过程的状态常数随空间位置变化，即过程参数变化与空间位置有关。一般为常微分或偏微分方程组。 §2. 化工过程的数学模型与数学模拟 机理模型：在对过程本质进行理论分析基础上得到的模型。概念清晰，物理意义明确，但往往很难做到。 经验模型（黑箱模型）：靠回归实验或生产数据得到的模型。只反映输出与输入的关系，不能反映过程本质。适用范围有局限性。 由大量数据中归纳出有用的经验模型的方法形成了一个新的热点分支，称为“数据挖掘与知识获取（data mining and knowledge discovery）” 半经验半理论模型：介于以上二者之间，既有一定的理论基础（模型方程形式），又有实验数据支持（模型参数的取值）。是最具有实际意义，最常用的模型。 §2. 化工过程的数学模型与数学模拟 化工过程的数学模型：把与过程有关的数量关系归纳成为反映过程机理与特性的数学方程组。 主要包括三个部分： ① 单元模型：描述各种化工单元操作的模型； ② 过程结构模型：表达各单元在系统中的排列结构； （①＋③＝单纯对系统工况进行模拟的模拟型问题） ③ 表述设计要求部分：流程结构已知条件下的设计计算，求取某些满足设计要求下的参数或变量。 （①＋②＋③＝流程结构已知的设计型问题） §2. 化工过程的数学模型与数学模拟 数学模型的组成： 常数－数值已确定的量，在运算过程中一直保持不变。 参数－常数的一种，但每次计算后可以改变数值，用于再次计算。 变量－ 外部变量－系统输入变量，控制变量。 内部变量－系统给定输入变量后出现的变量，不可控制变量。 状态变量－系统内部在某一时间t所处状态的一组变量。 函数关系－描述组成模型的各种常数、参数、变量之间的相互关系，通过函数关系可建立所需数学模型。 §2. 化工过程的数学模型与数学模拟 数学模型的包含的内容： 物料衡算和能量衡算方程。考虑物流运动的流型，表示物流的温度、组成以及有关的一些性质，例如密度、粘度、热容等的分布； 物流局部微元的“基本”过程方程，包括传质、传热过程和化学反应过程的描述； 各种过程参数间理论的、半经验的或纯经验的关联式，例如传质系数和物流速度的关联式，物流的热容及其组成的关联式等； 对过程参数的约束。模拟某些过程时，必需注意客观存在的对某些参数变化范围的约束。 §2. 化工过程的数学模型与数学模拟 模型的简化： 科学的简化 ——能更深刻地反映事物的本质