（系统工程专业论文）基于gPROMS的流程动态模拟.pdf

摘要 流程模拟是对复杂工业过程进行透彻分析的关键手段，更是对系统进行最 优决策的前提。而在工业过程中，存在许多不稳定的变化过程，只有通过动态 模拟才能更好地掌握这些过程的本质，因此对流程进行动态模拟研究意义重大。 面向方程的动态建模将时间变量引入到模型系统，即系统内部的性质随着时间 而变。动态模型将过程模拟、控制理论、化工单元以及热力学模型有机地结合 起来，组成微分代数系统( d i 跽r e n t i a l 越g e b r a i ce q u a t i o n s ，d a e s ) 。 本文将动态模拟软件g p i 的m s 作为建模工具和模拟环境，通过调用大规模 d a e 求解算法，对多类流程进行动态模拟，并将结果与稳态模拟结果进行比较 和分析，讨论动、稳态关系。 本文的研究工作主要包括以下几个方面： 研究妒r o m s 平台下进行动态模拟的各关键问题，主要通过实例说明此环 境下对物质的热力学物性调用计算的方法；分析对不同形式模型的各种求 解算法；总结动态模拟过程的各影响因素。 将乙烯分离流程中两个重要精馏单元脱丙烷塔和脱丁烷塔作为研究对象， 对联塔的大规模系统进行动态模型搭建，在启动和工作点变换等多个动态 变化过程进行模拟，并将动态模拟最终达到稳定的结果与a s p e np l u s 稳态 模拟结果比较。 提出动、稳态关系相关的4 类不同问题描述，从模型的形式以及求解方法 出发，深入研究动、稳态的关系。主要以几个不同类型的过程为实例，分 别根据这几类不同问题描述方式进行建模，将模型及模拟结果作比较并总 结。 关键词：动态模拟；动、稳态关系；面向方程；微分代数方程系统；、g p r o m s 。 a b s t r a c t s i m t l l a t i o ni st i l ek e yt oa n a l y z ec o l p l e xi n d u s n y p r o c e s s e si m e 珊i v e l y t h e r e a r em a n yu n s t a _ b l ep r o c e s s e si nt h ei n d i l s 妇叮s y s t e m s ，t l l ee s s e n c eo fw h i c hc a nb e s t u d i e do n l yb yd y n a l i cs i m u i a t i o 衄t h ee q u a t i o n 耐e n t e dd y n 锄i cm o d e l i n g i n 仃o d u c e st h et i m ev a r i a b l e 血。也em o d e ls y s t e n l ，i e ，t h ec h a r a c t e r i s t i c s a r e v a r i a t i n gw i t ht i m e t h em o d e l i go fad y 的m i cp r o c e s si sac o m b i n a t i o no fp r o c e s s s j m u l a n o n ，c o n 拍lt 1 1 c h 锄j c a ll l n j tm o d e l sa n d 出e 啪0 d y n 锄i c s i ti sas y s t c m o f d i 疵舰t i a la l g e b m i ce q u a t i s ( d a e s ) t h i sd i s s e 艇i o nf o c u s e so nt b ed y n 蝴i cs i m u l a t i o n sf l o rd i 益：r e n t 尊r o c e s s e s t h e c o m l n e r c i a ls o 矗w a r eg p r ( ) m si su s e d 舔t h cm o d e l 证g 幻0 1 a n ds j m u l a t i o n 蚴v i r o n m e n t ，如dt l l ea l g 喇t b i n sa r cc a l l c df 曲c a l c u l a 血g 也e1 a r ：g e s c a l ed a e s t h e r e s u l t so ft l l ed y n a m i ca n ds t e a d ys t a t es i m l l l a t i o n sf o rs e v e r a l 出丘b r e n tl ( i n d so f p r o c e s s e s 越ec o m p a r e da n d 如a l y z c d t h em a i nc o n 砸b u t i o n si n c l u d et h ef b l l o w i n g 豁p e c t s ： t h ek e yp m b l 锄si nd y n a m i cs i m u l a t i o n sw i m 妒r d m sa r es t u d i e d s e v e m l e x 锄p l e sa r ep r e s e n t e d 粕dd i s c l l s s 酣t oa n s w e r 出ef o l l o w i n g3q u e s t i o n s ：h o w t oc a l lf o r e i 印o b j e c tf o rt h ec a l c u l a t i o no fp h y s i c a lp r o p e m e s ? w h a ta r et h e d i 虢r e n c e sb e 艄俄l nd i 丘b r ta l g o r i t t l m sf o rd i 岱x e n te q u a t i o nm o d e l s ? a n d w h a ta r et l l ek e yf a c t o r st h a ti f l u e n c et h ed y n 眦i cs i m i l l a t i o np r o c e s s e s ? b q u a t i o no r i e n t e d 由m a m i cn l o d e l i sc o n s 劬j c t e df o rt l l em u m c o l u ms y s t e mo f d 印r o p a n i z c r 蛆dd e b m 阻i z e ri ne t h y l e n es 印啪t i o np l a n t t h ed y n a m i c s i m u l a t i o 璐a nf o c u s e do nt h es t a r t - u pp r o c e s sa n d 血es w i t c h i n gp m c e s s e s b e 铆e e nd i 圩e r e n tw o r k i n gp o i n t s a n dt h er e s u l t so fd y n 锄i cs i m u l a t i o n sa r e c o m p a r e dw 油t 1 1 er e s u l t so f s t e a d ys i m u l a t i o n sl l s j n ga s p e np 】u s f o l l rl 【i i l d so fd i m f c n tp r o p o s i t i o 璐a b o u t 也er e l a t i o n s h i pb e 押e e nm e s t e a d y a n dm e 由，n a m i cs t a t e sa p r e s e n t e d t h er e l a d o n s h i pi ss t u 西e du s i n gd i f f b r e n t v 浙江大学硕士学位论文 k i n d so fp r o c e s s e sa se x a m p l e s d i f r e i n tm o d e l sa i _ ee s t a b l i s h e da c c o i d i n gt o t l l ef 0 1 l rk i n d so fp m p o s i t i o n s ，雠ds i m u l a t i o nr e s u l t sa r cc o m p a r e da n d a n a l y z e d 。 k e yw o r d s ：由m a m i cs i m u l a t i o n ；r e l a 6 衄s h i pb c t w e e nd y n a m i ca n ds t e a d ys t a t e s ； e q u a t i o no e n t e d ；d i 妇衙e m i a l - a l g e b r a i ce q l l a t i 咄；g p r o m s v i 致谢 即将结束在浙江大学的6 年难忘的学习生活 感谢浙江大学给我这样一个良好学习环境一一感谢系统所 感谢远方父母一直默默支持 感谢邵之江和陈曦等老师悉心指导 感谢实验室兄弟姐妹一起奋战一起开心 感谢所有关心帮助我的人 谨以此文献给你们! 吴媛媛 2 0 0 6 年5 月 于求是园 第l 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 现代化工生产是一个复杂的过程，从系统工程的观点，化工生产过程的企业、 工厂、车间、乃至一套装置，都可看成互有联系、彼此影响的不同层次的子系统 构成的复杂系统。对于这一复杂系统，要进行最优决策，就必须先对该系统作出 透彻的分析，而运用计算机这一现代化工具对流程进行模拟，是实现系统分析的 强有力的手段。 流程的模拟，主要有稳态模拟和动态模拟两大类。稳态模拟的发展较动态流 程模拟要早得多，从5 0 年代开始开发与应用，稳态模型实现生产过程稳定状态 下各变量之间的关系。主要用于装置的设计和操作的优化( 陆恩锡，张慧娟， 1 9 9 9 1 。动态流程模拟发展比稳态模拟晚2 0 年，它由于七十年代末自动控制系统 设计和计算机辅助设计( c a d ) 发展的需要而刺激起来( 杨友麒，1 9 9 6 ) 。 动态模拟主要应用在化工过程几个典型的不稳定状态中，例如： 开停车过程。使装置安全、平稳地开车启动或者停工是生产中的关键技术。 模拟开停车过程，了解开停车过程中各种工艺参数的变化，能更好地确定开 停车方案。 系统受到扰动的过程。当系统内部压力、温度等条件不稳，或者进料条件 改变后，整个系统将从一个稳定工作点变化到另一个工作点，也有可能因扰 动而造成系统振荡发散。通过动态模拟就能预测不同扰动下系统的变化情 况，以便进行流程的改进或者扰动的预防等措施。 控制方案比较。控制方案加入系统中，对控制性能的判定不仅要看最终控 制值与设定值之间是否存在误差，更要比较控制器作用过程中对整个系统的 影响，这样一个动态过程需要通过动态模拟来实现。 对这些非稳态过程进行动态模拟尤为重要，它能够让研究者更清楚地了解过 程本质，以便对其进行更加合理有效的设计和组织，并更为方便地比较各种控制 方案。正由于其重要性，动态模拟在近2 0 多年来获得了长足进展和广泛应用 ( h e r i n a ndj ，s u l h v a ngr ，t h o m a ss 1 9 8 5 ；r o b e na s t o t ta n dj o h nc a l d w e l l ，1 9 9 0 ) 。 浙江大学硕士学位论文 1 2 过程模拟求解方法 1 2 1 模拟方法概述 随着计算机技术的不断发展，借助于计算机软件对工业流程对象进行模拟与 优化的优势日趋明显。目前流程工业对象的过程模型的模拟求解主要有两种主流 策略：过程模拟的序贯法( s 唧l e n t i a lm o d u l a r ，s m ) 和面向方程( e q u a t i o no r i e m e d ， e o ) 的过程模拟方法。 序贯法又称为闭合式方程模型法，它的基本思想是以模块方式按照各个单元 模型连接的顺序逐个进行计算：给定模块的输入流股向量与设备参数向量，从系 统入口流股开始，经过接收该物流的单元模块的计算输出流股向量，将此作为下 一个模块的输入，依次逐级计算，经过流程系统的各单元，最终达到系统的输出 流股( b i e g l e r 1 9 8 5 a ，1 9 8 5 b ；b i e g l c ra 1 1 dh u g l l e s ，1 9 8 5 ) 。它对于含有循环流股的流程 采用撕裂流股的方法解决。 e o 法的基本思想是将描述过程模型的所有方程联立组织到一起，形成一个 大规模方程组，并试图用一个通用的寻找多维解的程序来对方程组进行同时求解 口e 瞄n sj d ，1 9 8 3 ；w e 蛐b e r gw 蛆d p e t e rc p i e l a l ，1 9 9 4 ；p a u li b a n o n ，2 0 0 0 ) 。 e o 法主要由下面4 部分组成： ( 1 ) 流程中所有操作模型的方程和变量都分别进行定义( 注意：虽然在求解 策略上并不采用单元模块形式，但是模型仍分解成为这种形式进行书 写) ； ( 2 1 把所有方程和变量都联立组织到一起，组成一个大规模的方程组： ( 3 ) 引入附加的参数指定( s p e c i f i c a t i o n s ) ，直至方程系统的自由度为o ，并使 其仍为一个适定数学问题( w e l lp o s e dm a m 锄撕c a lp r o b l 锄) ： ( 4 ) 方程系统中所有方程由一个通用求根程序直接进行同步求解。 长期以来，序贯法由于模块模型与实际工业对象之间连接紧密且直观，便于 理解和应用，在流程工业的稳态模拟中一直占据主导地位( b i e 甜e r ，lt ，1 9 8 2 ) 。 但是本质上在求解动态问题时e o 法较序贯法更为适合，它能克服序贯模块法的 诸多缺点，更符合动态建模的特点。 2 第1 章绪论 1 2 2 模拟软件g p r o m s 砰r o m s 是英国p s e 公司于1 9 9 7 年推出的基于模型的计算软件包，它应用 广泛，能同时适用于稳态系统或动态系统，离散系统或连续系统，集总参数系统 或分布参数系统( b f j d g es m d i o s ，2 0 0 4 b ) 。它的前身是s p e e d u p ，经过这几年的 发展，在原有基础上不断改进与完善，到2 0 0 4 年推出了它的2 3 版本，目前的 最新版本为2 3 7 。 妒r o m s 是种面向方程的过程模拟软件。它对对象的描述主要分为两个 层次：模型层和物理操作层。“模型层”( m o d e l ) 描述了系统的物理和化学行为， 是对象的一个通用机理模型；“物理操作层”( t a s k ) 则描述了附加在系统外部行 为以及扰动。另外，还有一个模型实体“过程块”( p r o c e s s ) ，它由具体实例模 型数据以及外部操作组成，表述一个模型的具体实例( 如图1 1 所示) 。它以外加 信息来推动m o d e l ( 例如初始条件及输入变量随时间的变换情况) 。使用者只需 要列出描述系统的方程及边界条件，复杂的计算通过调用各种求解算法来完成。 + 图1 1g p r o m s 下过程模拟结构 g p r o m s 求解模型用的是联立方程法，在更新版本中加入了p m l ( p r o c e s s m o d e ll i b r a r y ) ，此前的研究者需要自己编写所有模型方程( 王林，l ip u ，w o z n y g u e n t e r ，王树青等，2 0 0 3 ；区志励，2 0 0 4 ) 。p m l 的加入使得该软件在建模的直观 性上与序贯模块法的软件之间的距离又拉近了一步。 使用g p r o m s 求解问题非常方便，在与其他动态模拟软件相比较，驴r o m s 有许多自身的特点： 第一，层次化结构。它使用面向对象的层次式建模方法，对于问题的描述分 为物理层( m o d c l ) 和操作层( t a s k ) 。在过程模型中的模型层是生产设备的模型方 程，操作层是操作过程的描述方程，两者构成完整的过程模型。这样的两层化处 理使得过程建模直观，便于代码维护，也便于建立复杂的操作过程模型。并且通 用模型和实例化模型的分离使得对于同一个模型可有多个实例与之对应，便于作 实例间的比较。 浙江大学硕士学位论文 第二，开发性。g p r o m s 模型的体系框架开放，方便调用外部的模型和算 法。g p r o m s 中自带有p m l ( p r o c e s sm o d e ll i b 删奶过程模型库包含了一些化工 过程中常用的变量、模型和操作，其模型代码开放性使得研究者可以对其模型进 行修改或根据自己的方程来构造出合适的模型。a s p e n t e c h 公司推出的a s p e n d y n 眦i c 和g p r o m s 一样也用于动态模拟，目前对动态模拟的研究也有研究者 利用的是该动态模拟软件。驴r o m s 与a s p e n d y n 蛐i c 相比，虽然在界面上后者 略胜一筹，但g p r o m s 的开放性是后者无法比拟的。a s p e nd y n a n l i c 中的每个基 础模型都是已封装的，研究者无法知道其内部结构，这将会带来调试过程中的一 些麻烦，很多变量的设置需要依赖经验：而g p r o m s 模型方程是开放的，研究 者能够从方程自由度等要求出发，逐步调试最终使得模拟过程收敛解。另外，研 究者也可根据实际工况或者设备特点修改模型方程，或者根据研究需要先从简化 模型入手逐步使模型具体化，如此由浅及深，循序渐近，能更好地解决问题。 第三，g p r o m s 的编程语言简单和m a t l a b 编程语言非常类似：类似的条 件语句、循环语句和类似的数组说明和使用方法，这使得模型以及操作的编写简 单明了，并且便于和基于其他语言的模型进行比较研究。 第四，物性计算简便。在驴r o m s 中可以调用外部物性软件包来解决复杂 的物性计算问题。例如，简单物质的物性计算我们可以选择m u 城f l a s h 或者 i k c a p e 软件包；复杂物质亦有e 1 e c 廿0 1 ) 峨cp h y s i c a lp r o p e r t i e si m e 血c e 和0 l i p h y s i c a lp r o p e n i e si n t e 而c e 可供选择。 1 3 动态模拟 1 3 1 动态模型 在稳态模拟中，我们能够得到已知工况以及操作条件下达到稳定状态的工作 点描述。而化工稳态过程只是相对的、暂时的，实际过程中总是存在各种各样的 波动、干扰以及条件的变化( 陆恩锡，张慧娟，2 0 0 0 ) 。对于化工过程中的这些不 稳定的变化过程研究只有通过动态模拟才能更好地掌握其本质。动态模拟的前提 是对问题作动态的建模描述，而动态模拟的实质即为求解这个动态模型联立方程 组。 4 第l 章绪论 1 3 2 1 数学表示形式 在化工过程中，面向方程的动态建模将时间变量引入了模型系统，即系统内 部的性质随着时间而变。动态建模对过程的描述比稳态模拟要严格得多，需要更 多的过程信息，它将过程模拟、控制理论、化工单元以及热力学模型有机地结合 起来，组成微分代数系统( d i 能f e l m a l 触g e b r a i ce q u a t i o 璐，d a e s ) 。d a e 系统的 方程组的一般表示形式如下，称为全隐式结构( b i e 酉e rl t ，2 0 0 0 ) 。 黑肌瑚 ( 1 1 ) ) ，( 0 ) = 蜘 、7 这种描述方式包括了线性隐式结构第嚣卜。 ( 1 2 ) 和半显式结构。，2 ：2 1 ( 1 3 ) g ( z ，z ，f ) = 0 、 其中，x 为微分变量，z 为代数变量，y 7 = 【x 7 2 7 。 不同表示形式的d a e 系统在求解方法和难易程度上也不同。在化工过程的 动态系统中主要碰到的是半显式的结构。 1 3 2 2 精馏塔的动态模型 本文的一个研究重点是乙烯流程的联塔动态模拟。对于精馏过程的稳态数学 模拟研究，自1 9 3 2 年l e w i s 和m a 山e s o n 提出著名的精馏塔逐板计算方法( l e w i s ， w a n dm a 吐l e s o n ，g ，1 9 3 2 ) 以来取得很大发展，精馏塔的模拟计算方法主要分为逐 板计算方法、集总计算方法和非稳态过程计算方法三类( 邵之江，1 9 9 7 ) 。这些模 型均为严格的机理模型形式为基础，通过严格的物性计算和物料平衡、能量平衡、 相平衡为基础建立起来，其特点是精度高、模型参数物理意义明确、使用范围较 宽。 而在动态模拟研究方面，利用微分方程建立过程的数学模型，直到6 0 年代 随着计算机的应用才得以进一步发展。动态精馏过程数学模型同样包括了对各个 塔板作物性计算、非稳态物料衡算、热量衡算以及相平衡等。对该动态模型在一 定初始条件下经过求解，可得到操作条件发生扰动时各个精馏过程参数随时间变 化的历程，即动态响应。若精馏系统内无控制器约束某些参数变化速度和变佬范 浙江大学硕士学位论文 围，其动态相应为开环响应，否则为闭环响应。由于精馏塔动态模型的复杂性， 在建立模型时将对模型做些假设，若所作的假设不同，则可得到不同的动态精馏 模型。目前精馏塔的动态模型主要有平衡级、非平衡级、一维活塞流、一维涡流 扩散、带滞止区的二维涡流扩散( 也称两区模型) 、三维非平衡混合池等6 种类 型。精馏塔的动态数学模型基本是以“平衡级”假设为基础，主要简化假设如下： 塔板上的液体和板间的气体完全混合全混级假设； 离开塔板的气体与塔板上的液体处于相平衡平衡级假设： 忽略塔板上方的气相持留量； 忽略再沸器和冷凝器的动态行为； 塔板能量传递迅速使得能量衡算简化为代数方程f 宋海华，余国琮，王秀英， 1 9 9 4 1 。 v a p o r f v j f d 一 叱 w o f r 图1 2 精馏塔塔板传质示意图 动态数学模型用于生产过程的实时控制、在线优化和动态仿真，因此，缩短 模型的计算时间非常重要。需要对模型的结构和参数进行简化。塔身的精馏操作 是整个精馏塔的主体。精馏操作是基于过程中两相之间物质分子的浓度差度作传 递分离的过程( 王骥程，1 9 9 4 ) 。研究传质过程的动态模型涉及传质、传热和流体 力学关系。精馏塔动态模型是一个典型的d a e 系统，模型通常包括物料平衡、 能量变化以及流体力学方程等。以第j 块塔板第i 组分为例，如图1 2 所示，其 模型主要方程如下： 物料平衡： 警= 渤“+ 嘴壤。+ 硝砖r 矿x 孑一矽x 劣 ( 1 - 4 a ) 能量平衡： 第1 章绪论 等= u 讯i + f 嚣嘤+ f 急h ：! t f 严h 尸一f 挚h 挚 n 一嘞 式中坂，为塔板积液，魄，为增科液量( 即进料液量与侧线抽出液量之差) ， 嘴z 嚣，和硝x 0 一，分别为从相邻塔板流进的气相量和液相量，矿z 孑和矽z 器 分别为流出此塔板的气相量和液相量。c ，为塔板能量积累，u 协，为能量增量( 即 进料能量与侧线抽出能量之差) ，嘴 蜀和硝 篇分别为相邻塔板的气体和液 体流进能量，甲 尸和矽垆分别为流向相邻塔板的气体和液体的能量，其中 尸和 尹分别为气体焓和液体焓，通过有关物性软件包计算得到。 汽液平衡关系： x 孑= x 0 置( 0 ，b ，x 苗) ( 1 4 e ) 组分归一： z “= i ( 1 4 d ) 塔板效率： r 孑= z 孑( 1 一日) + 】：荔昱，) ( 1 4 e ) 式中，和弓分别为塔板温度和塔板压力，x 尝，为气液平衡时气体组分比， e 为默弗里板效率，气液平衡常数芷( i ，碟) 和焓值一样由物性计算模型计算 得到。 另外，精馏塔的动态模型中还有一些与塔的几何尺寸相关的塔板动力学方 程。这是除了引入对时间的微分变量外，动态模型与稳态模型最大的区别。原因 是在稳定状态下无需考虑塔板几何以及动力学方面的影响，而在动态变化过程中 这些因素对具体的变化过程都将产生影响。如：精馏塔动态模型中考虑塔板间向 上的气相流由塔板底部液相压力与下一块塔板上的气体压力差驱动，其中底部液 相压力包括了塔板上的气相匿力与液体的流体静力学( h y d r o s t a t i c ) 压力之和：而气 相流速则是驱动压力和板孔阻力的一个函数。如果驱动压力为0 则无气相流。流 下塔板的滚相流通过改进的f r a n c i s 液堰公式计算得到，如果液体高度低于液堰 高度则无液相流( b i i d g e s t u d j o s ，2 0 0 4 a ) 。这些信息的引入增加了动态模型的维数， 浙江大学硕士学位论文 使得动态模型的规模一般比同类问题的稳态模型规模要大，更加大了模型求解的 难度。 1 3 2 动态模拟求解 由于化工流程的复杂性，描述其动态特性的微分代数模型系统通常是大规模 的，同时，模型方程组稀疏性强( 只有1 左右的雅可比矩阵元素非零) ；且出现 非线性方程；若固定变量选取不当会导致病态方程( 刚性问题) 。对化工流程的动 态模拟的技术要点即为如何有效地求解这个大规模微分代数方程组系统。 1 3 3 1d a e 系统的阶次( i n d e x ) ： 垣问题的阶次( i n d e x ) 为把该d a e 系统转化为常微分( o r d i n l r yd i t j a l e q u a t i o n s ，o d e s ) 系统需要经过对时间求导的最少次数。i n d c x - l 的d a e 系统与 o d e 系统非常相似，求解这样的d a e 与0 d e 一样只需要给定与微分变量个数 相等的变量初值条件就可以进行求解，且在求解算法上也非常类似。而对于 “h i 叠h 血d e x ”即阶次大于1 的d a e 系统，其微分变量之间不是独立的，因此可 以给定的初值条件将小于微分变量的个数，这样的系统将无法用与o d e 类似的 求解算法进行求解，必须使用特殊的求解器，或者在求解前先对它进行降阶，使 之成为一个i n d e x 一1 系统( s 吲k ns c h u k2 0 0 3 ) 。 1 1 3 3 2 求解方法 这里我们主要对i n d e x - l 的d a e 系统进行讨论。这样的d a e 系统利用改进 的o d e s 求解器进行求解。主要有两种方法： 1 嵌套法( n e s t e da p p r o a c h ) ： 嵌套法主要步骤是： 在r 。时刻，对于微分变量已知的一个值矗，通过求解代数方程g ( h ，z 。) = o 来得到气关于的表达式毛( 矗) ； 然后用求解常微分方程的方法来求解微分变量下一个时刻的值 x = m ( x 。，z 。o 。) ，f 。) 这个方法是最常用的方法，但是会由于内部的迭代而导致非常耗时。另外， 第1 章绪论 它需要知道代数变量：关于微分变量z 的关系式z = z ( 曲，用显性求解算法( 如欧拉 法或者龙格库塔法) 来进行求解。 2 。并发式法( s i m u l t a n u sa p p a c h ) 这个方法是利用隐形求解器同时求解微分方程部分x = ，( z ，f ) 和代数方程 部分g ( 马0 f ) = o 以同时得到微分变量x 和代数变量= 的解。这一方法比方法1 有 效快速，但是需要一个隐性求解器( b i e g l e rl t ，2 0 0 0 ) 。 在g p r o m s 中提供的两个求解器d a s o l 、，和s r a d a u 分别基于后向差分 ( b a c k w a r dd i 觚t i a lf o r m u l a ，b d f ) 法和龙格库塔法进行d a e 的求解，属于第 一种嵌套式的方法。 1 4 本文研究内容 本文以动态软件g p r o m s 为建模工具和模拟环境，对化工流程的动态模拟 进行研究。以乙烯分离流程的联塔模型为主要研究对象，对脱丙烷塔和脱丁烷塔 的联塔的大规模系统进行模型搭建和动态模拟。在进行动态模拟过程的同时，关 注动态模拟达到稳定状态的阶段，将这个稳定状态与a s p e i lp l u s 直接进行稳态模 拟的结果作比较和分析以了解动、稳态的联系以及区别。另外，在这些工作的基 础上抽提出关于动、稳态之间几类不同问题描述，以几个不同类型的小规模过程 为对象，从模型形式以及求解方法方面进行比较讨论，更深入地研究动、稳态关 系。 全文内容安排如下： 第一章：综述流程模拟的方法与结构，对复杂工业过程的动态模拟的背景、 模型表示及其求解方法进行了分析；从结构与特点方面介绍了动态模拟软件 g p r o m s ；阐述本文的工作意义和研究内容。 第二章：介绍在模拟软件g p r o m s 中调用物性计算的方法；讨论各种形式 动态模型的不同求解算法，并分析在g p r o m s 中不同求解器选择对模拟的影响： 总结动态模拟中可能碰到的问题以及影响因素。 第三章：针对乙烯分离流程中脱丙烷塔和脱丁烷塔的联塔系统，在单塔模型 结构熟悉和动态模拟的基础上，对联塔模型进行动态研究，并将其动态模拟结果 9 浙江大学硕士学位论文 与a s p e np i u s 稳态模拟结果作了比较和分析。 第四章：提出动、稳态关系的4 类不同问题描述，从模型的形式以及求解方 法出发，分别对几个不同类型的过程实例作讨论，深入研究和分析动、稳态的关 系。 第五章：全文总结与展望，对本文所有研究内容进行分析和总结，并提出进 一步的研究设想和建议。 l o 第2 章g p r o m s 环境下动态模拟要点 2 1 引言 本文对动态问题的研究，以商业软件g p r o m s 作为建模工具和模拟环境。 对该环境的模拟特性以及所需注意的关键点进行研究对今后动态模拟工作的展 开相当重要，本章中就此问题进行讨论。第一，作为准备工作首先需要解决的是 化工过程模拟中涉及到的各热力学物性的计算，在g p r o m s 中我们是怎样得到 各物质的热力学物性的呢? 这样计算得到的物性是否合理呢? 第二，对g p r o m s 中的有关求解器及其使用的算法做介绍，并说明不同求解器的选择对模拟的影 响。第三对g p r o m s 环境下动态模拟需要注意的几个问题作了相关讨论。 2 2 物性计算 在大多数化工过程模型中涉及到热力学物性的计算，包含密度、热焓、逸度、 泡点温度、露点温度等。物性数据的准确性直接影响过程模拟和设计结果的可靠 程度。理论上，物性计算可以在妒r o m s 的m o d e l s 中用方程形式编写物性计 算模块，然而这样的方法仅适用于最简单的物性计算方法，不可能包括所有物性 计算。目前，妒r o m s 提供接口，用户可以通过p p i ( p h y s i c a lp r o p e r 哆i m e r f a c e ) 调用外部的专业物性计算软件包来计算模型中涉及到的相关热力学物性。这样能 够大大减少建模工作者的工作量，可以把更多的精力投注于模型构造上。 2 2 1m u l 廿n a s h 的调用 m u l t i f l a s h 是由i n f b c h e mc o m p u t e rs e “i c e sl t d 公司提供的物性计算软件包。 动态模拟过程中的热力学物性计算可以通过g p r o m s 调用m u l t m a s h 来实现。 在调用m 诅衄a s h 进行物性计算之前首先需要确认g p r o m s 的1 j c e n s e 允许。 调用的步骤如下( b r i d g es t u m o s ，2 0 0 4 c ) ： 1 在模型( m o d e l ) 中声明使用外部对象为“m m t i n 嬲h ”： 2 编写一个m u l 硼a s h 的输入文件衄”，在这个输入文件中包括问题中 浙江大学硕士学位论文 涉及到的所有组分，所用的具体物性模型等等( 详见1 2 2 ) ； 3 在主体程序( p r o c e s s ) 中指定输入文件： i 渖啤黪：2 鬻譬- 粤然鬟毫囊誊j i ? 萋攀j ； ；i 、蠹i 曩l j 毫j ； 蠹i 叠誊 ；j 誊j | = ：器i 曩i 4 导入“硼”文件到g p r o m s 程序中。 完成以上几个步骤，模型模拟过程中涉及到的物性就能自动调用m 1 1 l t m a s h 使用相应的物性计算模型进行求解。 2 2 2m u l t m a s h 输入文件介绍 m u l t i f l a s h 的输入文件为一文本文件，此文件需要指定所用的物质名称、热 力学模型、二进制交互因子等信息( m u m n 蹈hc o 必dr e f e r e n c e ，2 0 0 1 ) 。见下例： 其中，各关键词的含义描述如下： p u r e d a t a 设定在模型过程中包含的纯净物的物性所用的默认数据库。 例中i n f o d a l 隗表示使用h f o c h e m 流体数据库。 c o m p o n e n t s 说明在模型过程中涉及的物质名称。这些名称要求 m u m n a s h 里包括且能够识别。 b i p d a t a 设定混合物的热力学和流体力学模型中使用的二进制交互因子 ( b i n a r yi n t e m c t i o np a r a m e t e r ，b i p ) 数据库。 m o d e l 设定使用的状态方程q u a l i o no f 她，e o s ) 模型，活动性( a c t i 、，i t y ) 模型，粘度( v i s c o s i 啪模型，表面张力( s u r f a c et e l l s i o n ) 模型等。上示例子中， 萎 ，i 第2 章g p r o m s 环境下动态模拟要点 分别定义了砒岱为e o s 模型，u n i f a c 为a c t i v 时模型，l b c 为v i s c o s n y 模型，且用m r k s 模型计算密度。 p d 设定p h a s ed e s c r i p t o r 。指定在不同相态下用来计算逸度、体积密度、 热焓熵、粘度、热传导性、表面张力等六种物性所用的模型。 2 2 3m u m n a s h 物性测试 为确保物性计算的准确性，我们对m l n i f l a s h 的物性计算功能进行了测试。 主要方法是将g r p o m s 中调用m u l t m a s h 与a s p e np l u s 对有关物性的计算值进行 比较。由于在精馏塔模拟中主要用到的物性为汽、液相平衡常数k 值和汽、液 焓值，因此主要以这几个物性为研究对象。 这里选取出在联塔流程中含量较大的8 个关键组分r c 3 h 4 ，c 3 h 6 ，c 3 h 8 ， c 4 h 6 ，c 4 h 8 ，c 4 h i o ，c 5 h 8 ，c 6 h 6 ) 作为萨r o m s 联塔动态模拟组分，进行 平衡常数k 值以及焓值的计算比较。 两个比较算例： 温度、压力以及汽、液相组分组成条件分别取自某工况下脱丙烷塔稳态模拟 第1 5 块塔板和第3 5 块塔板的结果数据，如下表2 1 和表2 2 所示。 表2 1 算例l xy c 3 h 4 o 0 4 8 6 2 2 3 o 0 4 5 5 7 9 9 c 3 h 6o 4 5 2 6 0 9 5 o ，6 9 4 6 0 7 7 c 3 h 8 0 0 1 2 2 6 8 7 0 0 1 6 8 5 0 8 m 0 1 e c 4 h 6o ，0 7 4 9 4 5 l0 0 2 9 9 8 4 1 f i a c 6 0 c 4 h 8o 4 0 4 8 6 70 2 1 0 0 6 1 3 c 4 h l oo 0 0 5 5 3 9 9o 0 0 2 5 5 8 5 c 5 h 8o o o l1 4 3 7 o o 0 0 3 5 6 9 c 6 h 63 9 4 e 0 69 2 7 e 0 7 1 h n p l m r c 3 0 8 6 3 6 5 5 7 p r 鹤s i l 嵋( p a ) 8 7 5 5 4 0 5 6 浙j 工丈学碰士学位论文 表2 2 算例2 xy c 3 h 40 0 0 7 3 8 6 2o 0 1 3 5 6 4 2 c 3 h 6 0 3 9 6 5o ，0 8 1 3 3 3 4 c 3 h 80 0 0 1 7 9 7 6o 0 0 4 0 5 3 m o l ec 4 h 6o 2 81 9 9 50 2 4 0 6 3 9 6 f r a c n o n c 4 h 80 4 5 6 2 5 5 9o 5 7 1 3 5 1 2 c 4 h l oo 叭2 3 5 9 20 0 1 3 5 1 4 9 c 5 h 8o 1 0 8 6 7 6 10 0 5 8 鳓1 c 6 h 60 0 9 7 5 6 4 90 0 1 6 9 4 0 6 t e m p 啪t u ( 1 c ) 3 4 9 ，4 5 8 1 8 5 p m s 口a ) 8 7 9 2 9 1 2 注：x 表示液相流体各物质摩尔组分；y 表示气相流体各物质摩尔组成。 在a s p e np 1 u s 和g p r o m s 中都选择r k s 状态方程模型进行计算，各物性数 据结果如下表2 3 和表2 4 所示： 表2 f 3算例1 结果 a s p e np l u s 庐酬s c 3 h 4 0 9 5 5 1 9 7 9 30 9 5 1 0 3 6 4 c 3 h 61 5 4 0 7 2 21 9l _ s 5 6 6 4 6 c 3 h s 】3 8 0 7 5 5 6 71 3 4 9 1 8 0 7 c 4 h 6o 3 3 8 7 4 0 9 7 o | 3 3 9 3 8 7 3 6 k c 4 h 80 5 2 1 7 4 2 0 4 o 5 2 7 8 4 7 6 c 4 h 1 00 4 3 8 8 8 2 8 6o 4 4 7 0 8 1 9 2 c 5 h 80 1 8 6 6 0 6o 2 0 9 9 4 8 6 c 6 h 6o 0 5 1 6 6 5 1 90 0 6 9 4 2 9 8 4 l i q i i i de i 曲a l p y ( j m d l ) 1 0 3 2 3 7 3 5 9 17 5 6 5 6 8 6 、，a p o re n t h a l p y ( j r n 0 1 ) 2 4 4 5 3 3 4 9 331 8 _ 3 6 2 3 4 1 4 第2 章矿r o m s 环境下动态模拟要点 表2 4 算例2 结果 a s p p l u sg p r o m s c 3 h 42 0 0 5 9 7 4 9 32 0 5 9 1 0 0 9 c 3 h 62 9 5 3 8 0 7 83 0 5 0 3 9 8 6 c 3 h 82 7 1 0 3 8 8 5 32 7 3 3 2 6 1 8 c 4 h 6o 8 2 7 5 1 8 9 40 8 7 5 7 9 5 1 k c 4 h 81 2 2 7 2 4 2 7 71 2 3 7 3 5 8 l c 4 h 1 01 0 6 1 6 8 1 7 3 1 0 5 8 8 1 0 6 c 5 h 8 o 5 2 4 8 5 6 4 9 0 5 1 7 8 0 8 4 c 6 h 6 o 1 6 垒4 3 5 8 3o 1 9 9 9 6 4 7 3 l i q u i de n m a l p y ( j ，m 0 1 ) 3 5 3 8 6 0 2 0 8 - 1 6 2 7 7 5 6 6 忡e 山a l p y ( j m 0 1 ) 4 4 1 4 3 8 7 2 23 2 7 2 3 9 5 5 从上表数据易见，两个算例中对于相平衡常数k 值的计算结果a s d e n p l u s 和 妒r o m s 均比较吻合，除了含量比较小的物质c 6 h c 6 外，其余物质g p r o m s 结果相对a s p e np h l s 结果的误差的绝对值均在5 以内。但是很明显，焓值的计 算结果g p r o m s 与a s p e np h 培环境下计算的结果截然不同。 问题与解决 对于焓值计算结果的差异究其原因，主要是对气体焓o 值的定义不同造成 的。目前对气体焓o 值的定义不同物性计算模型有所不同，而被广为认同的方法 是将在标准状态( 温度2 9 8 15k 压力1b 岫下纯净物的气相焓值设定为o ( 物理化 学，1 9 9 2 ) ，a s p e np l u s 中的焓值计算即为采用这种方式定义。但是，在m u m n a s h 中则将标准状态下的所有种类物质的气相焓值设定为0 ，此值与其他物性计算包 中所定义的o 值相差了标准生成焓( s t a l l d a r de 也a l p yo f f o m a t i o n ) 。因此，若要 把调用m u l d n a s h 计算得到的焓值与其他软件包计算的焓值作比较，需要在原调 用“l i q u i d e n 山a l p y ”或“v a 舢t l l a l p y ”计算得到液体焓或气体焓的数值上加 标准生成焓。 对焓值