过程系统工程-1绪论

化工过程系统工程 ChemicalProcessSystemsEngineering 上海师范大学生命与环境学院郭亚军教授 2009年9月 2010年1月 学时 48学时 3学分成绩评定 平时作业 30分 课程论文 10分 期末考试 60分 40分 60分 教学安排及要求 参考书 1 杨友麒 实用化工系统工程 化学工业出版社 1989 2 杨冀宏 麻德贤 过程系统工程导论 烃加工出版社 1989 3 姚平经 化工过程系统工程 大连理工大学出版社 第1版 1992 4 姚平经 全过程系统能量优化综合 大连理工大学教授学术丛书 95 大连理工大学出版社 1995 5 化工过程模拟与分析 6 系统能量优化综合 7 数值分析 8 RuddDF ProcessSynthesis 1973 9 LinnhoffB UserGuideonProcessIntegrationFortheEfficientUseofEnergy 1982 1994 10 DouglasJM ConceptualDesignofChemicalProcesses 1988 教材 姚平经 过程系统工程 华东理工大学出版社 第1版 2009年6月 1 1系统与系统工程1 2化工过程系统工程1 2 1化工过程系统模拟与分析1 2 2化工过程系统综合1 2 3化工过程系统的操作与控制1 2 4间歇化工过程系统的设计与操作优化1 2 5人工智能技术在化工过程系统中的应用1 3数学模拟的优点与限制1 3 1数学模拟的优点1 3 2数学模拟的限制因素 1绪论 1 4流程结构的图形表示1 4 1信息流图 Informationflowdiagram 1 4 2信号流图 Signalflowdiagram 1 5流程结构的矩阵表示1 5 1过程矩阵 processmatrix 1 5 2关联矩阵 occurrencematrix 1 5 3邻接矩阵 adjacencymatrix 1 6化工过程系统稳态模拟方法1 6 1化工过程系统稳态模拟的基本类型1 6 2化工过程系统稳态模拟的基本方法1 6 3流程模拟系统软件 1绪论 人们对化工类型生产过程的认识在不断深化 从廿世纪20年代至今已发生三次认识上的飞跃 第一次飞跃发生在廿世纪20年代 从各种各样化工生产工艺中找出了组成它们的共同的基本单元 抽象出 单元操作 的概念 从而奠定了化学工程的基础 第二次飞跃发生在廿世纪50年代 从 单元操作 中又进一步归纳出其中共同的基本规律 进而提出了 传递过程 的概念 第三次飞跃发生在廿世纪50年代以后 是将各种单元操作所组成的化工系统作为一个整体进行研究 引言 化工生产认识上的三次飞跃 化工过程系统工程产生 必要性 生产的发展为化工过程系统工程的产生提供了必要性 两个矛盾 可能性 临近学科的发展为化工过程系统工程这门学科的产生提供了可能性 生产发展带来的两大矛盾 首先 新产品 新过程的开发加快与工业放大技术落后之间的矛盾尖锐化 要求将过去的相似模拟 如实验室的试验 逐级放大的方法改为通过数学模拟来指导放大与设计 以加快放大与设计的整个过程 缩短开发周期 现代工业的综合化发展 使流程结构日益复杂 在这种综合企业的合理设计时 就不能把单个装置孤立起来 而必须要整个地作为一个系统来进行研究 分析其整体特性 装置规模的日益大型化对设计提出了更高的要求 即要求做到大型系统的整体最优化设计 这样可大幅度节省投资费用和操作费用 其次 化学工程本身的发展 使人们对过程的机理了解比较清楚 计算数学的发展 为复杂问题在计算机上顺利求解提供了有效的方法 运筹学及后来的系统工程学科的发展提供了分析大规模系统的手段 控制论学科的发展 使人们能从过程控制的角度 运用系统工程方法来研究整体控制性能 计算机技术的快速发展 为化工过程分析和顺利而高效地进行过程设计提供了基础 等等 临近学科的发展 将系统工程的思想和方法应用于化工过程 即称为化工过程系统工程 化工过程系统模拟与分析是化工过程系统工程的重要组成部分 是其研究的基础与主要内容 系统 这一概念 来源于人类的长期社会实践 但由于受到早年科学技术发展水平的限制 一直没有受到应有的重视 直到廿世纪40年代美国才开始在工程设计中应用 系统 这一概念 到了50年代以后才把 系统 这一概念逐步明确化 具体化 并在工程技术系统的研究和管理中广泛应用 1 1系统与系统工程 系统 这一概念的来源 传统的分析方法与系统工程学的分析方法的区别 系统工程 的对象是什么 系统工程对系统整体的协调与优化过程是一个怎样的过程 正像科学与其它领域中的每一个新的观念一样 系统的概念也有一段漫长的历史 系统工程学认为 把所研究的对象当作一个整体来研究 也即把一个研究的对象看作一个系统 从系统整体出发去研究系统内部各组成之间的有机联系和系统外部环境的相互关系 综合研究的方法 即是系统工程研究方法 传统的分析方法 往往把一个事物分解成许多独立的部分 把问题分得很细 然后分别进行深入研究 由于这样的研究方法往往容易把事物看成是孤立的 静止的 因此得出的结论往往被限制在一个局部的条件下 如果扩大到更大的范围来考察 那么整体的结论就可能是片面的 甚至是错误的 一般系统论是美籍奥地利生物学家贝塔朗菲L V Bertalanffy 创立的一门逻辑和数学领域的科学 它的主要目的是企图确立适用于系统的一般原则 它运用完整性 集中化 等级结构 终极性 逻辑同构等概念 找出适用于一切综合系统或子系统的模式 原则和规律 后来又发展成为试图包括一般系统论 控制论 自动机理论 信息论 集合论 图论 网络理论 系统数学 对策论 判定论 计算数学 模拟 的理论和方法 统称为系统论 它活跃于国际学术界 已成为科学哲学流派之一 以研究大系统为对象的一门新兴的边缘学科 它将自然科学和社会科学中的某些思想 理论 方法 策略和手段等根据总体协调的需要有机地联系起来 将人们的生产 科研 经济活动等有效地组织起来 用数学方法和计算机等工具 对系统的构成要素 组织结构 信息交换 反馈控制等功能进行分析 设计 制造和服务 从而达到最优设计 控制 管理 使局部和整体之间的关系协调配合 以实现系统的综合最优化 系统工程 系统工程与其它工程学不同 不限于某个领域 不限于物质系统 被认为是一种 软科学 系统工程作为一门工程技术 是在运筹学 控制论 计算机技术 工程设计 管理科学等学科的基础上发展起来的 系统工程对系统整体的协调与优化过程可用图1 1表示 电子计算机 分析制造 设计服务 构成要素组织结构信息交换反馈控制 局部利益整体利益 系统综合最优化 协调配合 最优设计控制管理 生产科研经济活动 构成系统 功能 利益 系统思想 理论 方法 策略 手段 图1 1系统整体的协调与优化过程 化工过程系统工程是化学工程学的一个分支 是将系统工程学的理论和方法应用于化工过程领域的一门新兴的边缘学科 所涉及的学科有 化学工程 系统工程 运筹学 控制论 计算机科学 计算数学 人工智能等 基本内容 是从化工系统的整体目标出发 根据系统内部各个组成部分的特性及其相互关系 确定化工系统在规划 设计 控制和管理等方面的最优策略 包括 过程系统模拟与分析 过程系统综合 过程系统的控制与操作 过程系统的设计与优化和人工智能技术在化工过程中的应用等 1 2化工过程系统工程 廿世纪60年代是化工过程系统工程产生和发展的理论准备时期 代表性的研究者有美国的Rudd和Watson 1968 Himmelblau和Bischoff 1968 日本的矢木荣和西村肇 1969 苏联的 1971 等 他们的论著阐述了化工过程系统工程的研究方法和内容 廿世纪70年代是化工过程系统工程走上实用的时期 随着计算机应用的普及 采用化工过程系统工程方法 陆续研制出有效的工业用化工流程通用模拟系统 并对过程生产实现计算机控制 取得显著经济效益 廿世纪80年代是化工过程系统工程普及推广的时代 不仅在化工 石油 石油化工 核工业和能源工业中获得广泛应用 而且向冶金 轻工 食品等连续加工过程工业部门推广 有力地促进了这些部门生产技术的飞速发展 相应地 化工过程系统工程学科在理论 方法和内容方面也在不断完善和发展 自1982年起每隔三年一届的国际化工过程系统工程会议就是这一进步的标志之一 我国从廿世纪70年代开始介绍这门新学科 廿世纪80年代开始这一学科发展很快 化工过程系统工程的产生和发展 在过程开发阶段 又称为规划决策阶段 主要完成可行性研究 提出可行性研究报告 在科研阶段 建立数学模型 描述过程对象的规律性与特点 在数学模型基础上进行流程方案的开发 用流程模拟系统和经济评价进一步进行可行性研究 在技术开发阶段 通过中试 或小试 与系统模拟相结合 寻找装置整体操作的最优条件 缩短开发周期 同时也可以利用中试的实验数据来修正模型 化工过程系统工程研究的目的和任务 在设计阶段化工过程系统工程的主要任务是CAD 即计算机辅助设计 ComputerAidedDesign 仍以化工过程系统模拟为基础 化工过程设计就是如何找到一个理想的过程以满足给定的生产要求 长期以来是凭工程师的经验完成的 而 过程综合 则将化工流程设计由经验上升到科学 即用计算机实现最优化设计 在生产阶段投产之前研制模拟培训系统 对操作人员进行培训 投产之后对已有的化工系统进行模拟与分析 找到适宜的操作条件 与集散控制系统结合起来 指导生产操作 在扩产改造阶段对现有装置进行模拟与分析 寻找薄弱环节 提出改造方案 一般含义上的模拟是指 借助于一个系统或过程的性能 对另一个系统或过程的性能作出模仿性的演示 物理模拟例子 用试验水槽里的船舶模型来研究船舶的性能 用风洞中的飞机模型来研究飞机的性能 数学模拟 把要加以研究讨论的系统或过程的性能用一个数学模型 指一组数学方程 描述出来 之后采取某种解算手段去对数学模型进行求解 从而达到研究的目的 化工过程系统模拟与分析的定义 建立化工过程系统的数学模型或描述模型并在计算机上加以体现 试验和分析 1 2 1化工过程系统模拟与分析 计算机模拟二次世界大战期间分子动力学模拟 数学模型或描述模型是指借助有关概念 变量 规则 逻辑关系 数学表达式 图形和表格等对系统的一般描述 把这种模型转换成计算机上可执行的程序 并给出系统参数 初始状态和环境条件等输入数据后 便在计算机上进行运算 得出结果 并提供各种直观形式的输出 还可根据对结果的分析改变有关参数或系统模型的部分结构 重新进行运算 了解在各种不同条件下系统的行为和性能 具体地说 是将系统逐级分解成一系列子系统 根据系统分解原理确定系统的解算方法及解算顺序 建立单元数学模型 进行系统的稳态模拟计算 乃至动态特性分析 计算系统的可靠性与灵敏度 进行设备设计及成本核算等 数学模型 数学模型的基本类型 1 按数学模型的建立方法分类 2 按对象的时态本质分类 3 按过程对象的数学描述方法分类 4 按过程对象的属性分类 数学模型 理论模型 经验模型 稳态模型 动态模型 集中参数模型 分布参数模型 确定性模型 随机性模型 模糊性模型 用于化工过程系统模拟与分析的应用软件称为化工模拟系统 它是过程综合的重要手段 也是过程综合的基础 要对化工过程系统进行模拟与分析 必须首先要有工作平台 即性能可靠的系统模拟软件 该软件中要包含许多过程单元操作的数学模型 开发这样的系统软件的工作量很大 也是过程模拟与分析的基本和中心工作 其基本步骤见图1 2 化工模拟系统 图1 2化工过程系统模拟与分析步骤 如果考虑模拟对象所要求的特性与时间的关系 过程模拟又可分为稳态模拟和动态模拟 过程模拟 稳态模拟 动态模拟 在化工过程系统工程中 化工过程系统模拟与分析是基础 而且实用化程度最高 无论从学科发展还是从对国民经济发展的作用角度上看 该专题都占有中心地位 化工过程系统工程 化工过程系统模拟与分析 1 稳态过程系统模拟稳态模拟是化工过程流程模拟研究中开发最早 应用最普遍的重要技术 包括物料与能量衡算 设备尺寸与费用计算 过程的技术经济评价等 稳态流程模拟系统分为专用系统和通用系统两大类 专用流程模拟系统是针对某一具体过程开发的 模拟计算效率高 结果准确 通用流程模拟系统具有柔性结构 可用于各种工艺过程 一般商品化的流程模拟系统由以下几部分组成 输入 输出系统 单元操作模块库 物性数据库 数值解算模块库 执行系统 目前 国际上最有名的通用流程模拟软件是麻省理工学院 MassachusettsInstituteofTechnology 开发的ASPEN软件 AdvancedSystemforProcessEngineering国内也有一些模拟软件 如青岛化工学院研制的ECSS 重点是分离过程 兰州石化研究院 大连理工大学 华东理工大学联合研制的合成氨流程专用模拟系统 MicroSAPROSS1 0 2 0版均以通过部级鉴定 2 动态过程系统模拟稳态过程系统模拟是动态过程系统模拟的基础 动态过程系统模拟的发展比稳态过程系统模拟晚10年左右 动态过程系统模拟的用途如下 了解装置经受动态负荷变化的能力及可操作性 分析开 停车及外部干扰作用下的动态性能 为装置及其控制系统的设计提供依据 通过仿真计算 在多种控制方案中进行优选 用动态模型代替实际装置对操作作出动态响应 开发达到训练目的的操作人员培训器 用计算机动态模拟手段代替教学实验设备 培养学生实验研究能力 1 2 2化工过程系统综合 是一个较为复杂的多目标最优组合问题 是化工过程系统工程学科的核心内容 是指 按照规定的系统特性 寻求所需的系统结构及其各子系统的性能 并使系统按规定的目标进行最优组合 研究的主要课题有 1 反应路径的综合 2 换热器网络的综合 3 分离序列的综合 4 反应器网络的综合 5 全流程的综合 6 公用工程系统的综合 7 全过程系统能量优化综合 1 2 3化工过程系统的操作与控制 化工过程系统的操作与控制研究的课题主要有 1 数据的筛选与校正 2 过程操作最优化 3 过程监控与故障诊断 4 操作模拟仿真培训系统 1 2 4间歇化工过程系统的设计与操作优化 英帝国化学公司在1983年组建了专门的研究组 推出了间歇过程设计与操作优化软件BatchMASTER和BeyondMASTER 可帮助工程师迅速将实验室中的 配方 放大为工厂设备序列及操作时间表 我国的研究工作始于廿世纪80年代 天津大学等单位在单产品间歇过程最优设计及多产品间歇过程最优操作时间表方面做了大量研究工作 1 2 5人工智能技术在化工系统中的应用 人工智能在各领域中的应用研究一直是近十几年来的研究热点之一 人工智能的基本问题是 知识的获取 知识的表达和知识的处理 其中专家系统取得的进展最大 应用最广 它是一种基于知识的 用来解决过程综合和过程开发问题的计算机软件 对所面临的复杂问题作出专家水平的结论 也可称为 计算机辅助过程综合系统 专家系统主要用于推理而不是计算 并具备学习功能 主要解决这样一类的问题 例如在特定的条件下选择什么样的过程系统结构和过程单元 以构造满足要求的过程系统等 专家系统的大致结构如图1 3所示 图1 3专家系统结构示意图 推理机主要利用推理规则实现推理过程 数据库用于存储事实 指的是广泛共有的知识 以及通过与用户对话得到的信息 知识库存储专家的经验 即探试性知识或推理规则 人工神经网络是一种大规模 并行 分布式的处理系统 具有很强的自适应性和自学习功能 按其网络的拓扑结构可分为两大类 无反馈神经网络 典型的为BP网络 和反馈神经网络 典型的为Hopfield网络 两类网络对应两种算法 BP算法 误差回传算法 和Hop field算法 人工神经网络模型是以现场数据或过程模拟计算结果为学习样本 通过培训 即训练 而建立起来的 目前 人工神经网络模型在化工中的应用很多 例如 过程模拟 成分分析 控制算法 模式识别 故障诊断 过程优化等 1 经济 相对于各种规模的试验装置来说 采用数学模型在计算机上进行试验 显然投资要少得多 而且更迅速 2 适用性广 可以模拟各种条件 可以在各种条件下进行模拟计算 以获得过程的性能信息 3 互换性强 可以将各种新的因素 包括新的单元操作 加在系统中 替换旧的因素 加以模拟考核 提供方案的比较 或验证某些假设可否成立 4 信息详尽 可以最大限度地将生产过程的有关基础资料和数据关联起来 加工出这一系统的完备的技术资料 5 加大放大倍数 可以缩短放大试验的进程 减少中间环节 大大缩减新产品 新工艺投产的放大周期 平均由8年以上降为3年左右 如果放大倍数小 则需要放大的级数增多 用于过程研究的时间就长 开发周期也长 1 3数学模拟的优点与限制 1 3 1数学模拟的优点 利用数学模拟的手段能够最大限度地利用大量的理论研究成果来分析复杂的实际过程系统 例如 甲苯歧化反应器由实验室数据直接放大到生产设备 放大倍数达到6000倍 丙烯二聚反应器的放大倍数达到17000倍 兰州石化设计院 大连理工大学化工学院与华东理工大学共同开发完成了合成氨流程专用模拟系统 MicroSAPROSSI II版 其中有的已达到国际先进水平 大连理工大学化工学院以MicroSAPROSSII中所开发的RPS为系统分析平台 研制开发了两项关于低温甲醇洗工艺的专利技术 经与兰州石化设计院合作 现已完成了专利技术工艺软件包与低温甲醇洗工艺扩产10 工艺软件包的研制任务 此外 我国某有机合成厂于廿世纪70年代引进了西德年产10万吨乙烯水合乙醇装置 在技术消化 吸收的基础上 进行了不少改进 取得了明显效果 但能耗仍然很高 大连理工大学化工学院就此装置应用全系统 能量集成策略 实现了生产装置的能量优化综合 1 数学模型的适用范围 即不能将数学模型推广应用到模型建立时的假设前提之外 或是超出变量允许的适用范围 2 数据的准确性 建立数学模型过程中经常遇到的难题是 如何比较准确地确定模型公式中的各种参数 如组分之间的交互作用系数 化学动力学常数 塔板效率 传质系数等等 这些数据的可靠性如何在很大程度上决定了所建数学模型能否真实反应实际工艺过程 3 数学模型的解算手段 数学问题在计算机上求解能否得以实现 显然取决于两个因素 数学方法和计算机本身 4 理论发展 无论是人们对一些过程机理方面的认识深度 还是化工系统工程有关理论研究的进展程度 都势必对数学模拟这种方法的应用范围及应用效果有决定性的影响 1 3 2数学模拟的限制因素 1 4流程结构的图形表示1 4 1信息流图 Informationflowdiagram 混合器 反应器 压缩机 分割器 闪蒸罐 10 G 8 A 3 1 B E 6 D C 图1 4工艺流程示意图 9 F 7 2 4 5 信息流图 又称为信息流程图 结构单元图 重点表示模拟分析中单元之间的信息联系 用方块表示单元 实质上单元起信息转换作用 图1 5信息流图 信息流 程 图与工艺流程图的区别 信息流图用方块图表示 不强调设备外型 流程图中没有的设备在信息流图中有时也需要画出来 如分配 割 器 混合器等 流程图中有的设备有时可以在信息流图中不画出来 如在进行物料衡算时 冷却器不需要画出来 模拟时需要作流股断裂 假定初值 相当于加一个模块 即收敛框 块 收敛框的作用是比较计算值与假设值 并按一定的原则调整假设值 1 4 2信号流图 Signalflowdiagram 上游节点 输入信号下游节点 输出信号公用工程物流有时可以不关心 图1 6信号流图 着眼于信号之间的联系 1 5流程结构的矩阵表示有了信息流之后 各单元设备及各流股已经数字化 就能够用一定形式的矩阵来表示流程的结构 表示流程结构的矩阵有多种 下面介绍较为常用的过程矩阵 关联矩阵和邻接矩阵三种流程结构模型 流程结构矩阵表示 过程矩阵 processmatrix 关联矩阵 occurrencematrix 邻接矩阵 adjacencymatrix 1 5 1过程矩阵 processmatrix 在过程矩阵中 行代表单元 列代表流股 元素代表进出单元的流股号 规定输入为 输出为 有关流股的先后次序是任意的 图1 7过程矩阵在过程矩阵中只出现一次的流股必为系统总输入或总输出流股 例题中的 1 8 分别代表流程的输入与输出流股 A110 2B2 3C3 4D4 5E5 6 7F7 8 9G9 10 1 5 2关联矩阵 occurrencematrix 关联矩阵同样是表示单元与流股之间的关联情况 在矩阵中 行表示单元 列表示流股号 元素表示单元与流股的关联情况 输入为 1 输出为 1 图1 8关联矩阵由关联矩阵中各列元素值加和所提供的信息 可判别相应流股是系统内部流股 还是系统的输入输出流股 或根据各列元素情况判别 有两个不为 0 元素的列代表中间流股 只有一个不为 0 元素的列代表输入输出流股 如 1 为流程总输入流股 6 8 为流程总输出流股 而如果某列的 1 1 两个元素排列次序为 1 出现在 1 之前 则表示该列流股为再循环流股 如流股 10 12345678910A1 11B1 1C1 1D1 1E1 1 1F1 1 1G1 1 1 5 3邻接矩阵 adjacencymatrix 表示单元之间的关联情况 即是否邻接 邻接矩阵中行 列均代表单元 所以 一个由n个单元组成的流程 其邻接矩阵是一个n n阶方阵 其中行代表物流流出单元 列代表物流流入单元 元素表示各单元之间的关联情况 即相联的情况 行单元的输出为列单元的输入时为 1 不相联为 0 图1 9邻接矩阵这种由 0 1 两种元素构成的矩阵称为布尔矩阵或逻辑矩阵 邻接矩阵虽然比关联矩阵简单 但它只表示了单元之间的关联情况 而没有反映系统的边界信息 即流程的总输入 总输出流股是从哪一个单元流入或流出的 ABCDEFGA1B1C1D1E1F1G1 1 6化工过程系统稳态模拟方法 1 6 1化工过程系统稳态模拟的基本类型以单元模块为例明确过程稳态模拟的三种基本类型 所谓模块 是指流程模拟中的一个基本计算单元 它是为实现一定的计算任务而设置的 可以是一个设备单元 也可以是若干设备单元的综合体系 还可以是单纯的计算单元而无具体的设备作为背景 如收敛模块 控制模块 模块中包括有数学模型及各模型按顺序的解算方法 给定输入条件 即可算出输出流股向量 按过程系统模型的计算模式不同 可分为操作型 设计型和优化型 模型所涉及的参数集有以下几种 输入参数集I 结构参数集C 操作参数集P 输出参数集O和优化要求集M 1 操作型模拟给出I C 指定P 计算O在操作型 亦即模拟型 标准型 问题中 给定输入流股向量与设备参数向量 即可求出输出流股向量 这种类型的模拟适用于研究现有装置在不同操作条件下的操作性能 参见图1 10 图1 10操作型化工过程系统稳态模拟 2 设计型模拟给出O C 指定I 计算出达到某种M下的P在设计型问题中 给定一部分输入流股向量与设备参数向量 给定输出流股中产品的特性要求 调整另一部分的输入流股条件与设备参数 使输出产品到达规定的特性指标 调整输入流股条件与设备参数的功能可由控制模块实现 参见图1 11 图1 11设计型化工过程系统稳态模拟 3 优化型模拟给出I O 找出达到某种M下的C和相应的P参见图1 12 与设计型问题相似 通过不断地调整控制变量 即有关的可调的输入流股条件与设备参数 使目标函数值在规定的约束条件下达到最优 而调整控制变量的功能由最优化程序实现 当涉及到经济指标时 在最优化问题的描述中还应包括经济模拟模型 成本估算 经济评价 图1 12优化型化工过程系统稳态模拟 1 6 2化工过程系统稳态模拟的基本方法 1 序贯模块法序贯模块法是发展最成熟 应用最普通的一种流程模拟方法 给定输入流股向量与有关的设备参数向量 给定断裂流股向量初值 按顺序逐个单元模块进行模拟计算 各单元模块的输出流股向量即作为下一个单元模块的输入流股向量 逐个单元模块计算并使各断裂流股收敛 1 6 2化工过程系统稳态模拟的基本方法 2 联立方程法将整个过程系统中涉及到的各个单元模块的所有方程 模块间的联结方程 连同设计规定方程联立起来 形成大型的非线性方程组 或依据一定的方法将其分隔成若干较小规模的方程组 并按照一定的顺序分别联立求解 或将其中的非线性方程线性化 再与其中原有的线性方程一起构成大型稀疏线性方程组 联立求解 迭代收敛 1 6 2化工过程系统稳态模拟的基本方法 3 联立模块法联立模块法的思想是在1962年由Rosen最早提出 并又于1980年区分了联立模块法中流程计算的两种不同方法 即联立求解断裂再循环流股和设计规定 1978年Metcalfe Perkins提出 的方法与 双层法 1979年MahalecEvans提出 Evans于1982年将前一种方法并入序贯模块法 而将 双层法 视为联立模块法 序贯模块法 混合器 反应器 压缩机 分割器 闪蒸罐 假定值 计算值 A B C A B C A B C A B 进料 惰性组分 A C 放热 产品 C A B 减压阀 冷却器 图1 13序贯模块法计算例题流程图 选择循环压缩机的输出流股为断裂流股 给定流程总输入 即混合器进料流股向量及冷却器冷却介质流股的向量 给定有关设备参数 即反应程度 热负荷Q 减压阀压降 P 分流比 压缩机效率 为循环压缩机的输出流股赋初值 假定值 依次计算各设备单元 直至压缩机输出流股的计算值与初值符合 即达到整个流程模拟的最终收敛 完成断裂流股的计算值与假定值的比较 以及断裂流股新假定值的设定任务的模块称为收敛模块或收敛框 图1 14稳态模拟的三种基本方法的循环结构 物性计算 单元计算 流程计算 设计计算 优化计算 a 序贯模块法 b 联立方程法 c 联立模块法 物性计算 单元计算 流程计算 设计计算 优化计算 物性计算 单元计算 流程计算 设计计算 优化计算 序贯模块法的特点是 易于实现通用化 数学处理比较简单 但计算效率不高 回路多则断裂多 收敛迭代的循环也就多 比较复杂 从结构示意图1 8 a 可知序贯模块法的迭代循环为五层 在求解系统的设计与优化问题时效率大为降低 联立方程法的特点是 便于实现用户提出的设计性能要求 适合于设计最优化 不必象序贯模块法那样用控制模块实现反复迭代以拟合设计要求 对于设计型问题 该法只需增加几个等式约束条件 由于是用存储空间去换时间 机时消耗少 计算效率高 易于收敛 尤其是对热集成度高 交互作用强 的流程 而序贯模块法在这种情况下不易收敛或不收敛 联立方程法的缺点是通用化困难 不同流程 联结方程也不同 不能利用现有的大量单元模块 缺乏与实际流程的直观联系 计算失败后难于诊断错误所在 此外尚存在方程求解方法的问题 对初值要求也比较苛刻 联立模块法吸收了前两种方法的长处 既能继承序贯模块法多年来积累的大量单元模块 又能在流程计算中联立求解模型方程和设计规定方程 使流程计