过程模型化和模拟.ppt
第一讲 过程模拟,第一篇,茂名石化,主要内容,什么是模型？过程系统结构的表达典型单元过程模型化过程系统模拟,模型：用物理的或数学的手段对实际过程(原型)中所发生的现象进行描述的工具就称为模型。其主要特性应与实际过程一致。模型可以是一套与实际过程(原型)在主要特性方面相似的实验装置，也可以是一组描述原型所发生的主要现象的数学方程式。这组用来描述原型的数学方程式通常称为数学模型。一般地说，这些数学方程式是描述系统所处的状态的，从这个意义上讲，往往称之为状态方程。所研究的系统、过程、事物或概念的一种表达。模型可以是物理实体，也可以是某种图形或者是一种数学表达式。,什么是模型？,分子模拟,乙烯的轨道图像,流程模拟,过程系统的模拟,过程系统模型,输入流股向量,输出流股向量,设备参数向量,系统结构的表达方式：工艺流程图,单元i，j之间的联系称为联结方程：,（1）图形表示,工艺流程图的有向图或信息流程图（Information flow diagram),基本概念：节点 设备单元 边 流股 子图 路径 循环回路或环路,（2）矩阵表示（a）过程矩阵(Process Matrix)Rp 表达过程系统单元设备与流股之间的关系，由流股将相关 设备关联起来。,(b)邻接矩阵（Adjacency Matrix)RA,一个由n个单元或节点组成的系统，其邻接矩阵或相邻矩阵 可表示为nn的方阵。,空的列（元素都为零）：系统中没有输入的节点；空的行（元素都为零）：系统中没有输出的节点。,邻接矩阵：,（c）关联矩阵（Incidence Matrix)RI,说明：.若有向图中有n个节点m条边，则关联矩阵为n行m列的矩 阵。.每一流股(边)在矩阵中标出两次，即同一条边可是一个节点 的输出又是另一节点的输入边。.列的元素之和为零。,模拟(Simulation)：A 复杂 B简单预测A（以B的行为模拟A的行为，从简单的预测复杂的）,实验模拟：采用实验模型装置进行研究。数学模拟：采用数学模型进行研究。数学模型：（1）稳态模型和动态模型（2）机理模型和“黑箱”模型（经验模型）（3）集中参数模型与分布参数模型（4）确定性模型和随机模型,2.1 过程系统的模拟,物料衡算能量衡算反应模型热力学模型流体力学,过程工业系统模型分类,对某一化工过程机理进行深入研究，通过化工基本理论推导得到表示过程各有关变量之间的物理数学关系，这种纯粹从基本理论出发，用数学方法来表达的关系，称为过程的理论模型。理论模型能反映过程的机理。但由于实际的化工过程比较复杂，影响因素很多，纯用理论方法描叙过程往往是不可能，因而纯理论模型的应用是很有限的。,机理模型建立,FA,PA,按化学工程基本原理（质量守恒定律、能量守恒定律、传质速率方程、状态方程、相平衡、化学平衡、化学反应动力学等），对过程的数学描述,过程工业系统的分析,稳态模拟是过程工业流程模拟中开发最早、应用最普遍的一种。包括：物料和能量衡算，设备尺寸和费用计算及过程的技术经济评价。从数学角度来看，过程模拟的实质是求解非线性方程组。该方程组由单元模块方程、流程联结方程和规定方程（如原料组成、流量、产品纯度等）构成。,过程工业系统的模拟,2.1.2 过程系统模拟的基本结构,过程工业模拟在过程开发中的应用,模拟方法,序贯模块法（sequential modular method）面向方程法（equation oriented method）联立模块法（simultaneously modular method）,过程工业系统的模拟,2.2.1 序贯模块法 逐个单元模块依次序贯计算求解系统模型的一种方法。,回路（环路）输入流股与后续的单元设备输出有关。,基本步骤（与实际过程的一致性）：（1）搜集相关的资料和数据 操作及设计数据、设备结构尺寸；验证模型所需要的生 产数据或实验数据。（2）建立过程系统的结构模型 a.过程系统的拓扑获取信息流图 b.信息流图表示成矩阵形式 c.系统的分隔,d.断裂回路选定适宜断裂流股和初值 e.模拟计算的求解顺序，管理模拟计算过程（3）建立单元设备模块（4）热力学数据及物性数据模块（5）输入模块（6）输出模块 缺点：物性参数、单元模块及系统断裂流股三层嵌套迭代。设计型问题：不断调节输入参数和设备工艺结构参数。2.2.2 联立方程法 将描述过程系统的所有方程组织起来，形成一大型,非线性方程组，进行联立求解。,基本步骤：（1）建立过程系统的数学模型 a.物料平衡方程 b.能量平衡方程 c.化学反应速率方程及化学平衡方程 d.热量、质量和动量传递方程 e.物性推算方程 f.过程拓扑、生产工艺指标及约束条件（2）方程组联立求解的基本方法 a.方程组降维法 方程组的稀疏性降维求解成为可能。,方程节点；变量边。矩阵法识别不相关的子系统；回路和最大循环网的识别；断裂回路或最大循环网，确定适宜的断裂变量；确定计算顺序，对系统进行联立求解。b.方程线性化法 Taylor展开法 稀疏阵通常避开求逆方法，LU（高斯消去法的改进）因次 分解。,省去了嵌套迭代，但对初值要求严格。,2.2.3 联立模块法 又称双层法：取序贯模块法及联 立方程法两者之长。两个层次：单元模块的层次；系统流程的层次。,Y,Y,N,N,简化模型的三种表达方式：方式：联结流股全部切断，表示为上游节点输出流股，下 游节点输入流股，系统流股数增加一倍。流股向量关系由联结方程表示，方程数包括：单元模块方程或其简化模型 流股联结方程 设计规定方程,单元模块方程：,联结方程：,设计规定方程：,方式：单元模块代入联结方程，联结流股均用输入流股表示。,流股联结方程：,设计规定方程：,方式：为进一步减少方程式的数目，采用环路断裂的策略，将环路中的过程单元合并为一虚拟的单元。,流股联结方程：,设计规定方程：,简化模型优点：简化模型在流程水平上联立求解，便于设计 和优化问题的求解。,缺点：简化模型的联立求解存在方法的可靠性问题；需要较 好的初值；雅可比（Jacobi）矩阵的计算费时。,过程系统稳态模拟方法比较,
