化工过程模拟与分析(第一章绪论).ppt

化工过程模拟与分析化工学院 陶少辉第一章 绪论1.1 化学工程学科发展的三次飞跃第一次飞跃：“单元操作”概念的提出；第二次飞跃：“传递过程”概念的提出，Bird 传递现象出版，“三传一反”特征确立；第三次飞跃？过程系统工程、产品工程、多尺度。过程系统工程（Process system engineering,PSE）一门正在成长的较新的边缘学科，它以处理物料-能量-信息流的过程系统为研究对象，研究其设计、控制、运行和组织管理，目的是在总体上达到最优化。过程（Process）对原料进行某些物理或化学变换，使其性能发生预期的变化，从而增加了附加的价值，这种操作或处理称为“过程”。系统（System）为了某种目标，由共同的物质流股或信息流联系在一起的单元组合而成的整体称为系统。PSE发展简史20世纪30年代 美国雷德无线电公司“系统”&“系统规模”20世纪40年代 美国Bell 电话公司“系统工程”二战期间 盟军 研究和应用系统工程方法（运筹学）20世纪50年代 经济发展使得系统工程方法受到重视系统工程（System engineering）：方法论对于复杂系统应用的研究PSE:系统工程的方法、观点和思路应用于过程系统。PSE发展三个时期1968年1979年 初创时期 标志 1968年Rudd 和Watson出版“Strategy of process engineering”,1969 年矢木荣和西村肇出版“过程工程学”，明确了学科范畴为：过程系统分析、过程综合和过程控制；1979年-2000年 成长时期 70年代石油危机影响，计算机技术长足发展，1982年 日本京都 Takamatsu 教授主持第一届国际过程系统工程会议 PSE82，PSE 由理论走向应用；http:/2000年 扩展时期 范围：颗粒、薄膜、气泡到车间、工厂，向两级扩大，微观方面向分子模拟、产品设计扩充（nm 级），宏观方面向整个公司、整个供应链、一个工业园区乃至全球气候变化扩充；研究内容：从物理-化学制造过程扩大到管理业务过程（Business Process）；最优化成了多目标优化 化学产品工程（Chemical product engineering）化学产品分类示意图导向：产品中心研究内容：结构和性质的关系关键问题：设计和制造细化分类的各种新产品，快速、高效地生产满足客户需要产品研究领域：分子产品工程、配方产品工程、间歇生产和柔性制造技术 前沿方向：分子或微观水平上的基础科学发现和工业制造及生产规划的策略相结合 多目标非线性系统规划和优化 多产品集成间歇生产过程排序优化产品开发与过程技术集成 多尺度法（Multi-scale method）工艺设备放大困难原因：基于单一尺度的平均方法无法反映过程内在机理，必须引进诸多可调经验参数，预测性很差。多尺度法的尺度/过程结构多尺度法基本思路（1）分尺度简化 复杂系统分解为不同尺度的相对简单结构；（2）子过程分析 复杂过程分解为伴随各尺度和尺度间耦联的子过程；（3）多尺度综合 进一步分析不同尺度下各种子过程的相互量化关系，并于已知条件关联，构成描述复杂系统的综合模型。多尺度法基本思路示意图1.2 PSE基本术语过程系统（Process system）使原料进行物理的乃至化学的变化，从而由低价值的原料变成高价值的产品的系统。状态变量（State variables）描述系统所处状态(温度、压力、浓度)的变量，其值往往不能自由设定。决策变量（Decision variables）数值可以由设计者给定的变量。模拟（Simulation）用一个更为方便、经济而性能相似的系统B 来模仿系统A 的性能的方法，试验系统B 称为系统A 的模型（Model）。若模拟系统B 是一台计算机，它所演算的数学方程组可以足够准确地描述过程A，则称为数学模拟。数学模型（Mathematical model）物理实体的数学抽象，即关联研究对象的输入、输出以及一系列参数的数学方程式，可分为机理模型、统计模型和混合模型。参数（Parameter）代表过程或其环境的某种性质，而且可以被赋予一定数值的量称为“参数”，其中也包括方程式中的常数或系数。流程(Flowsheet)又称作流程图，原指将各种单元设备等用图形符号画出，并示出其间联接关系，从而将整个化工系统的构成情况描绘出来的图形表达；现也用来一般地指一个化工系统的构成情况。过程系统模拟分析 在确定过程系统的结构及其子系统特性的前提下，借助计算机和系统模型，通过数学模拟的方法，推测特定系统的特性，确定其各部位信息和总体技术经济指标的方法，简称系统模拟。过程系统优化 一、对确定过程系统的优化，通常是求取使过程系统目标最优的决策变量值；二、给定输入、输出或仅给定其中之一，求取能使目标函数最优的最佳过程系统，此类优化称为过程系统合成或过程系统综合（Process synthesis）PSE 四大研究内容：模拟问题、设计问题、优化问题和合成问题，其中模拟问题是基础。1.3 过程模拟应用1、化工开发数学模型为放大设计的基础，减少放大工作量，提高放大倍数。2、化工设计计算机辅助工艺设计，选择最优方案，显示流程系统性能。3、操作优化生产条件变化、设备更换、生产策略改变应用5、规划和设计 更大尺度上比较各种方案 优点1、经济性；2、加大放大倍数；3、外延性；4、便于互换性；5、便于研究稳定性和灵敏度；6、便于研究控制方式；7、提供深入系统的技术资料。数学模拟的限制(1)数据的完备性及准确性；（2）解算数学模型的手段限制；（3）数学模型适用范围的限制。1.3 过程模拟的基本问题一、模拟基本环节核心环节系统模型：单元操作模型和系统结构模型；物性数据：物料性质变化需要；解算方法：针对不同模型特点，有效。辅助环节程序设计：正确、巧妙、合理，错误诊断，注释；输入输出：易于掌握和理解。二、模拟型问题与设计型问题模拟型问题根据给定的系统的输入数据以及表达系统特性的数据，预计系统输出的数据。设计型问题对流程结构为已知的化工系统，计算出能满足设计者所规定的要求的某些参数或变量所应具有的数值。三、流程模拟系统专用流程模拟系统针对特定流程专门开发的模拟系统，只用于对该流程进行模拟的目的，不具有通用性。合成氨模拟系统HTFS：换热模拟与设计软件KBC PROFIMATICS：炼油反应模拟软件ASPEN Plus（Aspen Tech 公司）AAdvanced dvanced SSystem for ystem for PProcess rocess EnEngineeringgineering，高校、研发高校、研发PRO II（Simulation Science 公司）Process 后期版本，设计院使用更多 gPROMS（Process Systems Enterprise Ltd.）general Process Modeling System，稳态、动态模拟功能，连续与间歇过程模拟，面向问题语言通用流程模拟系统对不同流程均可适用的、带有通用性的流程模拟系统，通常具有可扩展性。四、通用流程模拟系统组成一、输入、输出模块：系统结构、输入流股、设备参数、计算精度要求、费用信息；二、物性数据库：基础物性、物性计算、数据处理程序三、算法子程序：各种数值计算方法四、成本估算与经济评价五、单元操作本课程主要内容v 一、绪论v 二、化工过程系统数学模拟方法 模型化概念、单元模型、切割方法、系统模型、模拟方法概述v 三、代数方程组的求解 线性方程组求解、非线性方程组求解v 四、过程系统的分解 系统分隔、不可再分块切断v 五、序贯模块法 系统自由度分析、不可再分块的迭代收敛方法、序贯模块法求解设计问题v 六、联立方程法 过程系统数学模型方程组的建立及处理、初值选取、方程组的降阶、迭代解法、稀疏矩阵的消去法、潜在优势v 七、联立模块法 基本思路及发展概况、切断方案与近似线性方程组、摄动法求近似线性方程组Jacobian 矩阵、结构分析特点、与序贯模块法比较、三层法v 八、流体力学与化工过程模拟简介v 九、分子模拟及其在化工中应用