化工过程与合成Ch2-1

1、 化工系统的定常态模拟与分析化工系统的定常态模拟与分析 2.1 2.1 过程系统模拟的三种基本方法过程系统模拟的三种基本方法 2.2 2.2 过程系统模拟的序贯模块法过程系统模拟的序贯模块法 2.3 2.3 过程系统模拟的面向方程法过程系统模拟的面向方程法 2.4 2.4 过程系统模拟的联立模块法过程系统模拟的联立模块法 2.5 2.5 氨合成工艺流程的模拟与分析氨合成工艺流程的模拟与分析 化工系统的定常态模拟与分析化工系统的定常态模拟与分析 关键词：关键词：化工系统、化工系统、定常态、定常态、 模拟、模拟、分析分析 重重 点：点： 学学 时：时： 8 8 发酵液的分离问题发酵液的分离问题 多

2、效蒸发器多效蒸发器 发酵液发酵液 水水 乙醇乙醇 废液废液 水水 乙醇乙醇 废液废液 水水 乙醇乙醇 产品产品 水水 乙醇乙醇 发酵液流率发酵液流率=50 kg/min，其中含，其中含 97%(wt)的水和的水和3%(wt)的乙醇。的乙醇。 建立蒸发器的模型：建立蒸发器的模型： 计算产品和废液的总流率，同时计算产品计算产品和废液的总流率，同时计算产品 和废液中水和乙醇的流率和废液中水和乙醇的流率 平衡闪蒸单元模型 321 FFF 332211 FHFHQFH 32 Kxx 332211 xFxFxF 组分衡算关系组分衡算关系 热量衡算关系热量衡算关系 相相平平衡衡关关系系 将上例中加入如下要求

3、，将上例中加入如下要求， 必须使乙醇回收率达到必须使乙醇回收率达到99%，另外，产品，另外，产品 中必须含中必须含50%的乙醇。的乙醇。 计算产品和废液的总流率，同时计算产品和废计算产品和废液的总流率，同时计算产品和废 液中水和乙醇的流率液中水和乙醇的流率 要求进一步提高产品中的乙醇含量，达到要求进一步提高产品中的乙醇含量，达到 90% Flash 1 Flash 2 Flash 3 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 再进一步要求乙醇的回收率也必须达到再进一步要求乙醇的回收率也必须达到90%90%， 即，对废液中乙醇的浓度提出了要求即，对废液中乙醇的浓度提出了要求

4、 Flash 1 Flash 2 Flash 3 1 12 2 3 3 4 4 5 5 7 7 6 6 8 8 乙醇在反应器中通过发酵而得到，在这个乙醇在反应器中通过发酵而得到，在这个 理想流程中，通过发酵可以将理想流程中，通过发酵可以将2kg的谷物转的谷物转 化为化为1kg 水和水和1kg乙醇乙醇 进料流率为进料流率为100kg/min ,含谷物含谷物20%(wt),水水 80% (wt)。反应器效率为。反应器效率为0.25 发酵产物经过滤后，在浆液中，每发酵产物经过滤后，在浆液中，每10 kg 的谷的谷 物中仍含物中仍含1kg的水的水/乙醇溶液乙醇溶液 5%(wt)的浆液排放掉的浆液排放掉

5、 发酵反应器发酵反应器过滤器过滤器 排放排放 含谷物、含谷物、 乙醇、水乙醇、水 采出采出 乙醇、水乙醇、水 循环流循环流 含谷物、含谷物、 乙醇、水乙醇、水 进料进料 100kg/s 谷物（谷物（20%） 水（水（80%） 1 1 2 23 34 4 5 5 6 67 7 用用EXCELEXCEL求解此问题求解此问题 模拟是对过程系统模型的求解模拟是对过程系统模型的求解 过程系统的模拟分析过程系统的模拟分析 对某个给定的过程系统模型进行模拟求解，对某个给定的过程系统模型进行模拟求解， 可得出该系统的全部状态变量，从而可以对该过可得出该系统的全部状态变量，从而可以对该过 程系统进行工况分析程系

6、统进行工况分析 P11 过程系统的模拟分析过程系统的模拟分析 过程系统模型 决策变量状态变量 参 数 图2-1 过程系统的模拟分析 P11 过程系统设计过程系统设计 图2-2 过程系统设计 状态变量 参 数 参 数 过程系统模型满足设计规定否？ 决策变量 调 整 初值 设计结果 P11 过程系统参数优化过程系统参数优化 图2-3 过程系统参数优化 约束 特性指标 状态变量 目标函数模型 参 数 参 数 过程系统模型最优否？ 决策变量 最优化模型 初值 优化结果 P12 l序贯模块法（序贯模块法（ equential equential odular odular ethodethod） l面向

7、方程法（面向方程法（ quation quation riented riented ethodethod） l联立模块法（联立模块法（ imultaneously imultaneously odular odular ethodethod） P12 的基本部分是模块（子程序），用以描的基本部分是模块（子程序），用以描 述物性、单元操作以及系统其它功能。述物性、单元操作以及系统其它功能。 对过程系统的模拟以单元模块的模拟计对过程系统的模拟以单元模块的模拟计 算为基础。算为基础。 按照由各种单元模块组成的过程系统的按照由各种单元模块组成的过程系统的 结构，序贯的对各单元模块进行计算，从而结构，

8、序贯的对各单元模块进行计算，从而 完成该过程系统模拟计算。完成该过程系统模拟计算。 P12 与实际过程的直观联系强与实际过程的直观联系强 模拟系统软件的建立、维模拟系统软件的建立、维 护和扩充都很方便，易通护和扩充都很方便，易通 用化用化 计算出错时易于诊断出错计算出错时易于诊断出错 位置位置 计算效率较低，尤其是解计算效率较低，尤其是解 决设计和优化问题时计算决设计和优化问题时计算 效率更低效率更低 P12 优 化 计 算设 计 规 定 计 算流 程 计 算过 程 单元 计 算 物性 计算 图2-4 序贯模块法的迭代循环圈 P12 又称联立方程法，将描述整个过程系 统的数学方程式联立求解，从

9、而得出模拟 计算结果 解算快速有效，对设计、优化问题灵 活方便。效率较高 的形成通用软件比较困难；不能利用 现有大量丰富的单元模块；缺乏实际流程 的直观联系；计算失败之后难于诊断错误 所在；对初值的要求比较苛刻；计算技术 难度较大 P13 优 化 计 算 物性计算 单元计算 流程计算 设计计算 1 2 图面向方程法的迭代循环圈 P13 又称双层法，将过程系统的近似模型又称双层法，将过程系统的近似模型 方程与单元模块交替求解方程与单元模块交替求解 兼有序贯模块法和面向方程法的优点。兼有序贯模块法和面向方程法的优点。 既能使用序贯模块法积累的大量模块，又能既能使用序贯模块法积累的大量模块，又能 将

10、最费计算时间的流程收敛和设计约束收敛将最费计算时间的流程收敛和设计约束收敛 等迭代循环合并处理，通过联立求解达到同等迭代循环合并处理，通过联立求解达到同 时收敛时收敛 P13 状态变量 图联立模块法（双层法） 开始 赋初值 严格模型 收敛否？ 结束 简化模型参数 简化模型 P14 优 化 计 算 流 程 设 计 单 元 计 算 计 算 计 算 物性计算 图联立法的迭代循环圈 P14 过程系统稳态模拟三种方法的比较过程系统稳态模拟三种方法的比较 方法优点缺点代表软件系统 序 贯 模 块 法 与工程师直观经验一致， 便于学习使用； 易于通用化，已积累了丰 富的单元模块； 需要计算机内存较小； 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； 不宜用于最优化计算； PROCESS（美） CONCEPT（英） CAPES（日） ASPEN（美） FLOWTRAN（美） 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 有，故使用不便；难以继 承已有的单元操作