第8章过程系统模拟的基本方法ppt课件.ppt
第3章 化工过程模拟的基本方法,主要内容,过程单元过程单元的自由度过程单元的模型化与模拟过程系统过程系统的自由度系统结构的识别系统的分解序贯模块模拟法原理寻找最佳断裂流股断裂流股的收敛面向方程模拟法及联立模块模拟法原理过程系统的优化常用商业化流程模拟软件简介,公司结构,常减压,催化,焦化,重整,芳烃,原油,产品,产品,炼油厂,换热器车间,塔器车间,钢材,产品,产品,机械厂,石化公司,过程系统模拟一般步骤：,确定需模拟的系统识别不相关子系统（一级子系统，各子系统独立处理）一级子系统自由度分析找到分解成规模最小的二级子系统的决策变量各一级子系统内不可分隔子系统的识别（二级子系统，各二级子系统可依次求解）各二级子系统依次处理找回路、确定最佳断裂位置、确定计算顺序相关单元操作建模，确定迭代方法,第1节 流程的自由度分析,1.一些基本概念过程(Process)：对原料进行某些物理或化学变换，使其性质发生预期的变化机械加工不能称为过程系统：由相互联系，相互作用的若干组成部分结合成的具有特定功能的总机体过程系统：由各种过程构成的系统,流程:描述化工生产的物料流向及能量流向及装置特点的过程,模型：复杂的A简单的B来替代。研究B来预测A的行为 实物模型/数学模型模拟：对某一描述实际过程的数学模型利用数学方法进行求解，并对结果作出解释,2.物流自由度、单元自由度及系统自由度,物流(stream)Dhem定理：对于一个已知每个组分初始质量的封闭体系，其平衡状态完全取决于两个独立变量，而不论该体系有多少个相，多少个组分或多少个化学反应,过程单元自由度分析方法,过程单元自由度:可改变单元操作状态的独立变量数目列方程法：列出现象方程、限制方程等 自由度=变量数-方程数描述规则法：要完全描述一单元设备的操作，必须确定的自由度的数目必定等于能由设备结构确定或能用外部手段控制的变量的数目公式分析法：,常见过程单元自由度,过程系统自由度,过程系统自由度:确定系统状态的独立变量数目 系统自由度=单元自由度+进料自由度,第节 过程系统结构的计算机识别,主要内容1.过程系统结构有向图2.过程系统结构的矩阵表示3.系统结构的识别,1.过程系统结构有向图,节点,边,2.系统结构的矩阵表示,节点-节点节点相邻矩阵节点-边关联矩阵边-边弧相邻矩阵,节点相邻矩阵,相邻矩阵定义为：式中，m为节点数目；sij为矩阵元素，定义为,3.系统结构的识别可及矩阵法,不相关子系统过程系统：建模过程中可分别独立处理方程系统：写出方程组事件矩阵，Himmelblau算法识别不可分隔子系统可及矩阵法，索引矩阵法、图解法，Steward通路法,方程系统识别-Himmelblau算法：,在mm事件矩阵M中，选出非零元素最多的列k。保留M中k列内每个零元素对应的行，k列中为1的元素所对应的行用布尔加法合并成一行排列在最后。得到的新的jm的布尔矩阵记做M(0)；重复，从而得到序列M，M(0)，M(N)；最终得到矩阵M(N)，其每一列只有一个非零元素，其每一行与原方程系统中的不相关子系统对应。,例,过程系统识别,不相关子系统分析不可分隔子系统可及矩阵,公司结构,常减压,催化,焦化,重整,芳烃,原油,产品,产品,炼油厂,换热器车间,塔器车间,钢材,产品,产品,机械厂,石化公司,可及矩阵法识别不相关子系统的准则：,矩阵A的可及矩阵A*定义为：,同属一个回路的节点,当满足该条件的节点数量大于时，说明坐在公用一个节点的复合回路,可及矩阵法识别不可分隔子系统依据：,Berge定理若用A表示某有向图的节点相邻矩阵，那么，矩阵H=A 中为1的元素hij表示从节点i沿弧的正方向经段弧可以到达节点j,矩阵运算规则：,矩阵间：阵代数规则矩阵元素：布尔代数原则,布尔乘法布尔加法,例,系统网络图,例,求解顺序：H-ABCDE-FG-I,第3节 序贯模块模拟法,主要内容：基本原理循环流股的断裂与迭代断裂变量的收敛,一、基本原理,混合器 Sub mix(F1,F2,P1)P1=F1+F2End Sub分割器Sub SPLT(F1,P1,P2,ALFA)P1=F1*ALFA P2=F1*(1-ALFA)End Sub,收敛单元,S4,S4,单元子程序内容：基础数据 单元方程组 求解算法单元子程序功能：根据给定的进料 条件和设备参数，计算出单元输出 结果(预测型),设S1=10kmol/h，分割比=0.5,进行流程模拟计算解 设S4=0，进行MIX的模拟计算S2=S1+S4=10+0=0 进行分割器的模拟计算S4=S2=0.510=5 比较S4与S4 现假设S4=10，由MIX模块计算得到S2=S1+S4=10+10=20 进行分割器的模拟计算S4=S2=0.520=10 计算得S4与假设S4的数值相等，假设正确。由SPLT模块计算得S3=10。流程计算完成。,序贯模块法模块的特点,单向性,单元操作,输入,输出,设计规定,流程计算,收敛单元-循环流/设计规定,积木式,断裂位置的影响：,如果S2与S4的自由度不同，需迭代的变量数也将不同,二、再循环流股的断裂,方法1,方法2,原则：将所有闭合回路全部打开,2.1 最优断裂准则,(1)被切断的流股数最少；(2)被切断的流股变量数最少；(3)被切断的流股的权重因子之和最少；(4)回路切断的总次数最少。通常选择原则：满足（4）的基础上，选（1）或（2）,抉择依据：最少计算时间,计算时间：计算时间：断裂方式；流程及变量灵敏度有效计算时间：流程计算；断裂流股迭代 迭代时间：迭代次数；收敛速度,2.2 回路矩阵,回路A:单元S2IIIS4回路B:单元IS1S2IIIS5I回路C:单元IS1S2IIIS3S6I回路D:单元S2IIIS3S7,回路矩阵,矩阵元素aij定义为,2.3 UpadhyeGrens断裂法(II),1)有关术语 有效断裂组能够把全部简单回路至少切断一次的断裂流股的集合。S2,S1,S3,S4，S1,S2,S5 S1,S3 多余断裂组若从一个有效断裂组中至少可以除去一个流股，而且得到的断裂组仍为有效断裂组；或者存在着对一个回路的二次断裂。S1,S2,S5 S1,S3,S4,非多余断裂组除去多余断裂组以后的有效断裂组。断裂族具有相同计算顺序的有效断裂组的集合。,2)、替代规则,令D1为一有效断裂组，Ai为全部输入流股均属于D1的单元，将Ai的所有输入流用Ai的全部输出流替代，构成新的断裂组D2，则 D2也是有效断裂组 对直接迭代，D2与D1具有相同的收敛性质,由于全部回路被打开，至少会有一个单元的全部输入条件已知，可以作为计算的起点，计算出其输出流股。而该流股又将作为后续单元的输入流股，产生连锁效应！,3)、Westerberg算法,从任何一有效断裂组开始，运用替代规则如果在任何一步中出现重复断裂组，则消去其中的重复流股，消去重复流股后形成的新断裂组作为新的起点重复、，直到没有重复断裂组出现，且每个树枝上的断裂组重复出现为止，从最后一个新的起点开始，其后出现的所有不重复的断裂组构成非多余断裂族非多余断裂族中总数最小的断裂组为最优断裂组,例,非多余断裂组,准则1,准则2,全部满足准则4：每个回路都断裂，且只断裂1次,三、断裂流股变量的收敛,收敛单元功能,提供循环流x的初值x。根据初值x，及其它输入条件进行流程计算，求出循环流出口值y，比较x和y，若x与y之差满足精度要求则停止计算，否则转。根据x与y值以一定的方式产生x的新估计值x1，转,收敛单元的要求,对初值要求不高,易得，不易引起迭计算的发散,提供的初值组数少,例:初值的影响,数值稳定性好,数值稳定性,单调收敛,续,数值稳定性,振荡收敛,续,数值稳定性,单调发散,续,数值稳定性,振荡发散,收敛速度快,影响收敛的速度主要因素：迭代次数 流程计算次数(Pass)迭代中矩阵求逆次数,占内存小,四、常用迭代法,直接迭代法有界Wegstein法Broyden法主特征值法联立超松弛法 Newton-Raphon法Marquardt法,阻尼直接迭代法,q取值的一般原则：稳定性较好流程，取小于零，加快收敛速度 如合成氨过程取q=-0.75。收敛速度快稳定性差，可取01，以改善稳定性 如反应器q=0.5。,几种收敛策略的比较,收敛判据,绝对误差 相对误差,五、解决设计问题,估计反应单元的温度为T估计再循环物流S4依次计算混合单元、反应单元、分离单元，得到新的S4的比较S4与S4，若两者相等则进行下一步，若不相等则返回 在收敛单元内比较S5和设计值，若两者不相等则返回，若相等则计算结束,同时收敛策略,控制模块的设置增加了迭代循环圈，导致计算量的增加D设计规定向量 H过程系统方程组p决策变量与系统参数向量,第4节 常用流程模拟软件简介,主要内容：流程模拟技术的进展流程模拟软件的结构常用软件介绍,一、流股模拟技术的进展,流股模拟技术序贯模块法联立方程法（面向方程法）联立模块法,1 联立方程法原理,Sub flow(S1,ALFA,S2,S3,S4)S2=S1+S4 混合器模型 S3=S2*ALFA S4=S2*(1 ALFA)分割器模型End Sub,特点：单元模型只提供方程，系统方程组一起求解无循环物流及设计规定的特殊处理问题,1.1模拟结构,循环物流方程设计规定方程,仅提供方程,仅提供关联式,多!,特殊处理,1.2 物性系统的处理,占用7080%的计算量处理方法：1）不提供方程组，仅提供子程序2）提供 K,H 的方程组，其它物性由子程序调用,1.3 序贯法与联立方程法的对比,1.3.1 序贯模块法,优点：与实际过程的直观联系强，软件的建立、维护和扩充很方便；易于通用化；需要的计算机内存较小；易于诊断出错位置；,缺点：,循环物流及设计问题：慢,1.3.2 面向方程法,优点 便于实际用户的提出的质量性能要求。有设计规定的系统，仅增加几个方程 用空间换取时间。相同的过程单元出现多次，将占用更多的 存储空间，自由度的选择也可能各不相同 以空间换取求解的数值稳定性。有较多回流高度交互作用流程相对容易收敛,1.3.2 面向方程法,缺点 要求提供较好的初值 难于自动产生流程的模型方程组，难以通用化 不容易诊断出现错误的地方。,2.联立模块法,联立模块法又称双层法，将过程系统的近似模型方程与单元模块交替求解联立模块法兼有序贯模块法和面向方程法的优点。既能使用序贯模块法积累的大量模块，又能将最费计算时间的流程收敛和设计约束收敛等迭代循环合并处理，通过联立求解达到同时收敛,过程系统稳态模拟三种方法的比较,二、过程系统优化模型的建立,过程模拟模型,给定参数,可调参数,经济模拟模型,经济参数,最优化程序,过程约束条件,经济约束条件,经济特性指标,三、过程系统模拟软件的结构,流程模拟软件类型通用软件专用软件,1.流程模拟系统结构,2.模拟步骤,输入流程拓朴结构信息 输入单元计算所需的必要信息，选择物性及热力学性质，传递性质计算方法 进行全流程的模拟计算 解释、考核计算结果,过程系统模拟一般步骤：,确定需模拟的系统识别不相关子系统（一级子系统，各子系统独立处理）一级子系统自由度分析找到分解成规模最小的二级子系统的决策变量各一级子系统内不可分隔子系统的识别（二级子系统，各二级子系统可依次求解）各二级子系统依次处理找回路、确定最佳断裂位置、确定计算顺序相关单元操作建模，确定迭代方法,四、典型流程模拟软件,1.著名通用流程模拟软件平台及适用范围20世纪50年代中期开始流程模拟软件的研制和开发1958年美国AI.W.Kellogg公司推出了世界上第一个化工模拟程序Flexible Flowsheeting在80年代，化工过程模拟进入成熟期，模拟软件的开发、研制走向了专业化、商业化到了21世纪初，流程模拟商业化软件更是到达了一个比较成熟的阶段，涌现出了大批的模拟软件,常见的化工模拟软件,ASPEN PLUS、HYSYS、PRO/IIgPROMS、CHEMCAD、VMGSimDesign II、ECSS,ASPEN PLUS,大型通用流程模拟系统，美国AspenTech公司出品全球各大化工、石化、炼油等过程工业制造企业及著名的工程公司都是Aspen Plus的用户。在实际应用中，Aspen Plus 可以帮助工程师进行工艺过程的能量和质量平衡计算，用于装置标定；预测物流的流率、组成和性质；预测操作条件、设备尺寸；设计一个新的工艺过程、查找一个原油加工装置的故障或者优化一个乙烯全装置的操作等工程和操作的关键问题官方网站：http:/www.AspenT,HYSYS,hysys是hyprotech公司的软件，原叫hysim，95年推出hysys，2002年Aspen收购了hyprotech公司全部股权，但2004年被美国联邦商务委员会判定为垄断经营。Honeywell和Aspen达成最终协议，由Honeywell收购hysys建模软件知识产权和操作培训仿真ots业务。条款包括：1、Aspen公司将保留hyprotech产品许可，以继续实施推广、销售和开发hyprotech的权利。2、Aspen公司在三年内不参与操作员培训服务竞争。3、两年支持协议，对转让的hyprotech产品，Aspen公司将继续为Honeywell公司提供新版产品的源代码。07年后Honeywell以Hysys源代码为基础开发UniSim,HYSYS,可以利用HYSYS对工业装置进行安全分析和预测；进行操作规律和控制方案的研究及连锁控制调试；分析装置操作、生产过程中的瓶颈问题；确定安全的开工方案；计算间歇生产过程的安全问题；计算特殊的非稳态过程；安全生产指导和调优；在线优化及先进控制；生产培训等。官方网站：http:/www.AspenT,PRO/II,美国SimSci-Esscor公司开发的化工流程模拟软件，现属INVERSYS公司所有PRO/II可广泛应用于各种石油化工过程的严格的质量和能量平衡计算，从油气分离到反应精馏，PRO/II提供了全面、有效和易于使用的解决方案PRO/II可以用于流程的稳态模拟、物性计算、设备设计、费用估算经济评价、环保评测以及其它计算。现已可以模拟整个生产厂，从包括管道、阀门到复杂的反应与分离过程在内的几乎所有装置和流程，并在油气加工、炼油、化学、化工、聚合物、精细化工和制药等行业得到了广泛应用。,gPROMS,gPROMS（general Process Modeling System）是英国PSE公司开发的通用工艺过程模拟系统特点是可建造任何反应过程、分离过程、多个过程的组合特别适用于任何新的工艺过程的研究开发，因为它可以做研发过程的实验设计，过程建模及参数的估值、数据的统计分析，如数据校验、一致性检验、残差分析等。由于它擅长于求解对时空变量的偏微分方程组，所以特别适用于动态过程的建模便于建立仿真培训系统，进行生产装置开工过程的培训、指导、控制，它可以是在线的，也可以是离线的，并可以对动态和稳态过程进行优化控制已广泛用于化学工业、石油化工、石油和天然气加工、造纸、精细化工、食品工业、制药及生物制品技术等加工行业。官方网站：http:/,ChemCAD,美国Chemstations公司开发的化工流程模拟软件。可以在计算机上建立与现场装置吻合的数据模型，并通过运算模拟装置的稳态或动态运行，为工艺开发、工程设计、优化操作和技术改造提供理论指导。官方网站：http:/,Design II,美国WinSim Inc.公司开发的流程模拟软件经过近30年的开发和改进，Design II已经成为流程模拟变革的先驱；许多Design II的革新，如在线Fortran和严格塔计算，均已确立了流程模拟的标准。官方网站：http:/www.WinS,VMGSim,加拿大Virtual Materials Group公司的产品VMGSim的核心成员是HYSIM/HYSYS的原始开发人员VMGSim 作为计算准确，功能强大以及高性价比的稳态流程模拟软件，可以详细预测工艺装置和工厂的性能，有效的帮助工程师达到提高操作效率，改善产品质量，实现节省投资，降低操作费用，提高效益，安全生产的目标。官方网站：http:/www.VMGS 或 http:/,常见流程模拟软件对比,
