化工过程分析与合成.doc

化工过程分析与合成绪论：1：化工过程的定义：原料经过物理或化学加工制成产品的过程。2：实现方法：通过反应、分离、混合、加热、冷却、压力改变和颗粒尺寸的变化等一系列步骤实现的。3：工艺流程：独立转化的单元过程由被处理的物料流连接起来，成化工过程生产工艺流程。4：最重要的也是最常用的单元过程：1：化学反应过程2：分离过程3：换热过程4：流体输送过程 5：设计的目标：高效益、易控制、环境友好和安全的过程。6：两类优化流程结构的方法：探试法、算法方法方法优点缺点软件代表序贯模块法与工程师直接经验一致，便于学习和使用；易于通用化，已积累了丰富的单元模块；需要计算内存小；有错误易于诊断检查。再循环引起的收敛迭代很费机时；进行设计型计算时很费机时；不易于用于最优化计算。ASPEN PLUSPRO/IICONCEPTCAPESFLOWTRAN面向方程法解算快；模拟型计算与设计型计算一样；适合最优化计算，效率高；便于与动态模拟联合实现。要求给定较好的初值，否则可能得不到解；计算失败后诊断错误所在困难；形成通用化程序有困难，故使用不便；难以继承已有的单元操作模块ASPEN PLUSASCEND-IISPEED-UP联立模块法可以利用前人开发的单元操作模块；可以避免序贯模块法中循环流迭代；比较容易实现通用化。将严格模型做成简化模型时，需要花费机时；用简化模型来寻求优化时，其解与严格模型优化是否一直有争论。TISFLOFLOWPACK-II7：判断最佳断裂的准则分为四类：断裂的物流数最少；断裂物流的变量数最少；断裂物流的权重因子之和最少；断裂回路的总次数最少。 8：自由度（设计变量）的选择原则：1：所选择的自由度必须真正独立2：自由度的选择应使问题求解尽量方便9：模拟型问题：理论级数、进料位置、塔顶（或塔底馏出量)、回流比塔顶、塔底的产品组成10：设计型问题：轻关键组分的塔顶回收率、重关键组分的塔底回收率、进料位置判据、回流比理论级数、进料位置、塔顶和塔底馏出量第二章：1：非理想体系采用状态方程与活度系数相结合的模型；2：汽相状态方程模型：非理想气体模型：Benedict-Webb-Rubin-Lee-Starling（BWRS）；Hayden-OConnell（用于Hexamerization的氢-氟化物状态方程）理想气体模型：Lee-Kesler（LK）；Lee-Kesler-Plocker；Peng-Robinson（PR）；采用Wong-Sandler混合规则的SRK或PR；采用修正的Huron-Vidal-2混合规则的SRK或PR；用于聚合物的Sanchez-Lacombe模型。 3：液体活度系数模型：Eletrolyte NRTL；Flory-Huggins；NRTL；Scatchard-Hilde-Brand；UNIQUAC；UNIFAC；van Laar；WILSON。4：运行模拟最小要求的输入是：1：Setup（设置）2：Components（组分）3：Properties（性质）4：Streams（流股）5：Blocks（模块）第三章：1：固有性质：物性代号物性代号分子量MW临界压缩因子ZC临界温度TC偏心因子OMEGA临界压力PC偶极距MUP临界体积VC回转半径RGYR2：ASPEN PLUS的物性方法和模型：类别详细内容热力学性质模型状态方程模型活度系数模型蒸汽压和液体逸度模型汽化热模型摩尔体积和密度模型热容模型溶解度关联模型其它传递性质模型粘度模型导热系数模型扩散系数模型表面张力模型非常规固体性质模型一般焓和密度模型煤和焦碳的焓和密度模型3：状态方程模型：1：IDEAL：用于气相和液相处于理想状态的体系（如减压体系、低压下的同分异构体系）2：BK10、CHAO-SEA、GRAYSON：用于炼油(如原油塔、减压塔和乙烯装置的部分工艺过程）3：PENG-ROB、RK-SOAVE：用于气体加工、炼油及化工应用。（如气体加工装置、原油塔及乙烯装置）4：BWR-LS、LK-PLOCK、PR-BM、RKS-BM：处理高温、高压以及接近临界点的体系（如气体管线传输或超临界抽提） 5：PRMHV2、PRWS、PSRK、RK-ASPEN、RKSMHV2、RKSWS、SR-POLAR：计算高温、高压、接近临界点混合物及在高压下的液-液分离的体系。（如乙二醇气体干燥、甲醇脱硫及超临界萃取）4：路线：用于计算一个性质的模型和方法的每个不同组合形式叫作路线（Route）第四章：1：闪蒸计算类型：规定变量闪蒸形式输出变量p、T等温Q、V、yi、L、xip、Q=0绝热T、V、yi、L、xip、Q0非绝热T、V、yi、L、xip、L部分冷凝Q、T、V、yi、xiP（或T）、L部分汽化Q、T（或p）、yi、L、xi 2：露点或泡点计算：计算混合物的露点可以设置气相摩尔分率为1；计算混合物的泡点可以设置气相摩尔分率为0；3：多组分精馏的FUG简捷计算法（FenskeUnderwood-Gilliland） 用芬斯克（Fenske）公式估算最少理论板数和组分分配；用恩特伍德（Underwood）公式估算最小回流比；用吉利兰（Gilliland）图或相应的关系式估算实际回流比下的理论板数。4：简捷法精馏塔设计模型：模型描述目的用于DSTWU使用WinnUnderwood- Gilliland 方法设计简捷法蒸馏确定最小回流比、最小级数或者实际回流比、实际级数一个进料物流和两个产品物流的塔Distl使用Edmister方法进行简捷法蒸馏核算确定以回流比、级数、馏出与进料比为基准的分离程度一个进料物流和两个产品物流的塔SCFrac复杂的多个石油分馏单元的简捷精馏确定产品组成和流率、每段的级数、使用分馏指数的热负荷复杂塔例如原油单元和减压塔DSTWU使用去估算Winn最小级数Underwood最小回流比Gilliland规定级数所必需的回流比或规定回流比所必需级数规定估计/结果回流比必需理论级数理论级数必需回流比轻重关键组分的回收率最小回流比和最小理论级数5：MESH方程（P143）：1：组分物料衡算（M，Nc个方程）2：相平衡关系（E，Nc个方程）3：各相的摩尔分数加和式（S，2N个方程）4：热量衡算（H，N个方程）6：典型求解方法1：方程解离法（典型代表为泡点法（BP法）和流率加和法（SR法） ）2：同时校正法（Naphtali-Sandholm同时校正法（NS-SC)和Goldstein-Stanfield同时校正法（GS-SC） ）3:内外法（Boston和Sullivan提出）7：严格蒸馏模型：模型描述目的用于RadFrac严格分馏执行各塔严格核算和设计计算普通蒸馏、吸收塔、汽提塔、萃取和共沸蒸馏、三相蒸馏、反应蒸馏MultiFrac严格法多塔精馏对一些复杂的多塔执行严格核算和设计计算热整合塔、空气分离塔、吸收/汽提塔组合、乙烯装置初馏塔和急冷塔组合、石油炼制应用PetroFrac石油炼制分馏对石油炼制应用中的复杂塔执行严格核算和设计计算预闪蒸塔、常压原油单元、减压单元、催化裂化主分馏器、延迟焦化主分馏器、减压润滑油分馏器、乙烯装置初馏塔和急冷塔组合RateFrac基于流率的蒸馏对各塔和多塔执行严格核算与设计。基于非平衡级计算，不需要效率和HETPs。蒸馏塔、吸收塔、汽提塔、反应系统、热整合单元、石油应用例如原油和减压单元、吸收/汽提塔组合Extract严格液-液萃取使用一个溶剂模拟一个液体物流的逆流抽提液-液抽提塔8：RadFrac的两种计算模式：1：核算模式计算：温度流率摩尔分率分布2：设计模式计算：满足塔的操作参数（例如纯度或回收率）或塔中任意物流的物性所需要满足的规定有广泛的设计和核算塔板及填料的能力9：ASPEN PLUS设计精馏塔的步骤：1、确定分离过程的关键组分；2、采用DSTWU模型确定精馏塔的理论板数、回流比和进料位置等基本参数；3、采用RADFRAC模型进行严格核算；4、进行设计规定的计算；5、进行填料塔或板式塔的设计计算，确定塔径和塔高等参；6、进行填料塔或板式塔的核算，确定塔的操作性能。第五章：1：对于严格法核算模型，可以用换热器几何尺寸去估算：膜系数（Film coefficients）压降（Pressure drops）对数平均温差校正因子（Log-mean temperature difference correction factor）2：换热器标准方程是：Q = U A LMTD LMTD是对数平均温差，此方程用于纯逆流流动的换热器。通用方程是：Q = U A F LMTD LMTD是校正因子，F考虑了偏离逆流流动的程度 3：HeatX计算传热系数，使用：hc = 冷流膜系数hh = 热流膜系数 第七章：1：灵敏度分析：是检验一个过程如何对变化的关键操作变量和设计变量反应的一个工具。2：灵敏度分析的步骤：建立一个灵敏度分析块。标识被采集的流程变量。标识要操纵的输入变量来生成一个表。定义你要ASPEN PLUS将什么制表。输入可选的Fortran 语句 3：设计规定：指定要操纵（调整）的一个模块输入变量、过程进料物流变量或其它模拟输入变量来满足规定。4：设计规定的步骤：建立设计规定。标识设计规定中所用的被采集流程变量。为一个被采集变量或一些被采集变量函数指定目标值并指定一个允差。标识一个为达到目标值而被调整的模拟输入变量，并指定调整该变量的上下限。输入可选的Fortran 语句。 5：优化：通过调整决策变量（进料物流、模块输入或其它输入变量）来使一个用户指定的目标函数最大化或最小化 。6：优化的步骤：创建一个优化问题。标识目标函数中所用的被采集变量。为一个被采集变量或被采集变量的函数指定目标函数，标识出与问题有关约束。标出为使目标函数最大或最小而被调整的模拟输入变量，指定可被调整的上下限。定义优化问题的约束条件。输入可选的Fortran语句。补充：一、基本概念 （1）名词解释1、化工过程系统模拟（对于化工过程，在计算机上通过数学模型反映物理原型的规律 ）2、过程系统优化（实现过程系统最优运行，包括结构优化和参数优化 ）3、过程系统合成（P5） 4、过程系统自由度（过程系统有m个独立方程数，其中含有n个变量，则过程系统的自由度为： d=n-m，通过自由度分析正确地确定系统应给定的独立变量数。）5、夹点的意义（夹点处，系统的传热温差最小（等于T min ），系统用能瓶颈位置。夹点处热流量为 0 ，夹点将系统分为热端和冷端两个子系统，热端在夹点温度以上，只需要公用工程加热（热阱），冷端在夹点温度以下，只需要公用工程冷却（热源）； ）6、过程系统能量集成（以用能最小化为目标的考虑整个工艺背景的过程能量综合 ）7、过程系统的结构优化和参数优化（改变过程系统中的设备类型或相互间的联结关系，以优化过程系统；参数优化指在确定的系统结构中，改变操作参数，是过程某些指标达到优化。）二、判断以下问题是非（N，Y） 1.自由度数只与过程系统有关。（ Y ） 2.换热网络的夹点设计，要尽量避免物流穿过夹点。（ N ） 3.在换热夹点分析中，没有物流穿过夹点，就无热流量穿过夹点。（ N ） 4.在夹点上方尽量避免引入冷物流，夹点下方尽量避免引入热物流（ N ） 5.穿过夹点热流量为零，则夹点处传热量为零（ N ） 6.夹点上方热流股数NH.NC，热流股总热负荷QHQC，不能实现夹点匹配( N ) 7.精馏塔跨过夹点，则塔底要用热公用工程，塔顶要用冷公用工程。（ Y ） 8. 对于冷热流股换热系统，传热量一定的前提下，传热温差愈小，过程不可逆程度愈小，