工业过程的稳态模型与仿真.ppt

第二章: 工业过程的稳态模型化与仿真 黄克谨 北京化工大学信息科学与技术学院 主要内容 稳态模型及其作用; 建立稳态模型的基本原理; 稳态模型的求解方法; 一个理想二元蒸馏塔的稳态模型化与仿真 。 稳态模型及其作用 稳态模型是反映一个系统输入与输出定常关系 的一种关系； 稳态模型是工业过程开发与设计的主要工具； 稳态模型能够用于工业过程的操作与控制； 稳态模型能够用于工业过程的优化。 工业过程的稳态模型化原理 物料平衡原理； 能量平衡原理； 动量平衡原理； 其它相关原理； 反应动力学与平衡，汽液平衡等。 稳态模型的求解策略 操作型求解策略； 给定工业过程的结构与操作条件，要给 出能够导致的操作结果。 设计型求解策略； 给定要实现的操作结果，要给出具有一 定结构的工业过程的操作条件。 蒸馏塔的操作问题 给定一个蒸馏塔当前的操作情况，确定操 作变量的调整，以使得该系统能够实现所 要求的混合物的分离操作。 主要决策变量: 1. 回流量; 2. 再沸器的热负荷。 主要输出变量: 1. 塔顶产品浓度; 2. 塔底产品浓度。 蒸馏塔的设计问题 给定一个要分离的混合物的流量及组成， 确定一个蒸馏塔的结构与操作条件，使得 该系统能够实现最佳的分离操作。 主要决策变量: 1. 塔顶产品浓度; 2. 塔底产品浓度。 主要输出变量: 1. 回流量; 2. 再沸器的热负荷。 稳态仿真的其它问题 稳态模型的预测精度； 模型的复杂性、模型的校正。 稳态模型的非线性问题； 初值的灵敏性、多解性。 算法的复杂性和计算强度； 影响模型性能的主要指标。 算法的收敛性； 决定模型的成败。 例子: 一个理想 二元蒸馏塔的模型化与仿真 给定一个二元精馏塔，分离由物质A和B组 成的混合物，其相对挥发度为2。进料流量 为100 mol/s, 进料浓度是A:B = 0.5:0.5。塔 顶产品浓度为0.95(A), 塔底产品浓度也为 0.95(B)。 操作压力是9 bar。气化潜热为 6944 cal/mol (满足衡分子流假设)。塔板稳 态滞液量为1 kmol。冷凝器和再沸器的稳 态液量分别为30 kmol。塔板水力学时间常 数是8秒。 理想二元蒸馏塔的结构 理想二元蒸馏塔的模型化 -物料平衡方程 冷凝器（ j = 1 ）: (1.1) V2*yi,2-L1*xi,1-D*xi,1 = 0 中间塔板（ 1 = 10-8？ 否 调整回流量及再沸器负荷，继续进 行xtov和Mbalance的计算 并得到最大误差cov cov = 10-8？ 得到计算结果，画出塔内气液相流量，温度，组成分布曲线 结束 否 是 是 稳态仿真程序介绍 主程序； 物性数据子程序； 汽液平衡、上升气体及下降液体流量计算子程 序； Newton-Raphson迭代子程序； 稳态仿真结果 -塔板温度的分布 稳态仿真结果 -汽相浓度的分布 ：A组分汽相浓度 ：B组分汽相浓度 稳态仿真结果 -液相浓度的分布 ：A组分液相浓度 ：B组分液相浓度 稳态仿真结果 -上升气量与下降液量的分布 ：液相流量 ：汽相流量 课堂演示 稳态模型的编程: 显示稳态模型的程序结构。 设计型仿真之一: 塔顶A组分与塔底B组分的浓度分别为 0.90。 课堂演示 设计型仿真之二: 塔顶A组分与塔底B组分的浓度分别为 0.95。 设计型仿真之三: 塔顶A组分与塔底B组分的浓度分别为 0.99。 总结 本章概括地介绍了工业过程稳态模型化的基 本原理，即物料平衡、能量平衡、动量平衡 以及其它相关原理。 稳态模型的求解方法要与模型的用途相一致 ， 即模型的用途一般决定模型的求解方法。 通过一个理想二元蒸馏塔,显示了稳态模型化 与仿真的主要原理与求解策略。 作业 建立一个理想二元蒸馏塔的稳态数学模型 并进行仿真。要求采用设计型求解策略。 即给定塔顶与塔底的浓度，要求给出在一 定结构条件下的回流量与回热量的大小。 阅读文献 1. Luyben, W. L.; Process Modeling, Simulation and Control for Chemical Engineers, McGraw-Hill, New York (1990). 2. Cott, B. J., R. G. Durham, P. L. Lee, and G. R. Sulli