第三章化工过程系统动态模拟与分析CHprofLi

1、2022-3-211第三章第三章化工过程系统动态模拟与分析化工过程系统动态模拟与分析2022-3-2123.1 3.1 化工过程系统动态模型化工过程系统动态模型 什么是化工过程系统？什么是化工过程系统？ CPTCPT 通过一系列物理化学分离和化学反应（包括催化、电通过一系列物理化学分离和化学反应（包括催化、电化与生化）改变原料状态、微观结构和化与生化）改变原料状态、微观结构和/ /或化学组成的加或化学组成的加工技术。工技术。 CPICPI 以化学加工技术为基础建立的工业部门通称为化学加以化学加工技术为基础建立的工业部门通称为化学加工工业，或过程工业。工工业，或过程工业。 按美国工业分类标准，包

2、括按美国工业分类标准，包括110110多个行业。多个行业。 2022-3-2133.1 3.1 化工过程系统动态模型化工过程系统动态模型 系统系统 为了某种特定目的而将相互关联的一些单元组合为了某种特定目的而将相互关联的一些单元组合在一起的整体（或网络）称为系统在一起的整体（或网络）称为系统。 系统工程系统工程 以系统的优化为目标，以模型和模拟作为工具，以系统的优化为目标，以模型和模拟作为工具，研究系统组成、分解、综合、性能模拟与分析的工程研究系统组成、分解、综合、性能模拟与分析的工程科学。科学。 关键词：系统；关键词：系统； 模拟；模拟； 优化优化2022-3-2143.1 3.1 化工过程

3、系统动态模型化工过程系统动态模型 化工过程系统化工过程系统 一系列化工单元过程构成的有机整体，称为化工一系列化工单元过程构成的有机整体，称为化工过程系统。过程系统。单元过程：流体动力过程、传热过程、传质过程、热力学过程、机单元过程：流体动力过程、传热过程、传质过程、热力学过程、机 械过程、化学反应过程械过程、化学反应过程有机整体：原料、产品种类、规格；加工工艺；构成系统的方式与有机整体：原料、产品种类、规格；加工工艺；构成系统的方式与 网络结构网络结构 反应BB+C分离反应CE分离C+DD（最终产品）ACB2022-3-2153.1.1 3.1.1 化工过程系统动态特性化工过程系统动态特性化工

4、过程系统动态特性是其基本特性。下列各化工过程系统动态特性是其基本特性。下列各类问题都会涉及到系统的动态特性：类问题都会涉及到系统的动态特性：与时与时俱变性是动态特性。俱变性是动态特性。 间歇过程间歇过程 连续、定常（稳态）过程开停工连续、定常（稳态）过程开停工 连续过程本征参数依时变化连续过程本征参数依时变化 控制系统合成控制系统合成 过程系统局部及全局动态分析过程系统局部及全局动态分析 过程系统人为非定态操作过程系统人为非定态操作 从过程系统动态特性中检出有用信息从过程系统动态特性中检出有用信息发达国家化工系多有过程动态学或过程控制的发达国家化工系多有过程动态学或过程控制的选课选课。2022

5、-3-2163.1.2 3.1.2 化工过程系统的动态模型化工过程系统的动态模型 数学模型与模型化数学模型与模型化 对过程系统规律性的定量数学描述称为数学模对过程系统规律性的定量数学描述称为数学模型型 数学模型的分类数学模型的分类 经验的（统计的）；半经验的（相似论；人工神经元经验的（统计的）；半经验的（相似论；人工神经元网络）；确定性的（因果的、机理的、基于守恒律的）网络）；确定性的（因果的、机理的、基于守恒律的） 数学模型化：数学模型化：模型的建立、性能模拟、参数估计、模型的建立、性能模拟、参数估计、参变性能分析、过程系统设计、过程系统优化、控制参变性能分析、过程系统设计、过程系统优化、控

6、制系统设计与合成、局部与全局特性分析系统设计与合成、局部与全局特性分析 等。模型等。模型化是现代化学工程占主导地位的方法论。化是现代化学工程占主导地位的方法论。2022-3-2173.1.2 3.1.2 化工过程系统的动态模型化工过程系统的动态模型 确定性模型分类确定性模型分类 表表3-1 3-1 化工过程系统确定性动态模型的数学表达形式化工过程系统确定性动态模型的数学表达形式模型类型模型类型模型表达形式模型表达形式应用实例应用实例集中参数模型集中参数模型代数代数常微分方程组常微分方程组理想搅拌罐反应器动态模型等理想搅拌罐反应器动态模型等分布参数模型分布参数模型代数代数偏微分方程组偏微分方程组

7、填料塔、管式反应器动态模型等填料塔、管式反应器动态模型等多级集中参数模型多级集中参数模型代数代数常微分方程组常微分方程组板式塔动态模型、串联板式塔动态模型、串联CSTR动态动态模型等模型等混合模型混合模型上述二、三类模型的上述二、三类模型的混合形式混合形式多个单元过程组合而成的系统多个单元过程组合而成的系统2022-3-2183.1.3 3.1.3 确定性模型的数学处理确定性模型的数学处理 正问题正问题模型微分方程组的求解模型微分方程组的求解 集中参数系统：常微分方程组或常微集中参数系统：常微分方程组或常微代数方代数方程组的初值问题程组的初值问题 分布参数系统：模型偏微分方程组或偏微分布参数系

8、统：模型偏微分方程组或偏微代代数方程组的初、边值问题数方程组的初、边值问题2022-3-2193.1.3 3.1.3 确定性模型的数学处理确定性模型的数学处理 逆问题逆问题模型参数估计模型参数估计 例例1：已知一套管换热器，用：已知一套管换热器，用120C饱和水蒸饱和水蒸气加热水，水的流量，进、出口温度可测出，气加热水，水的流量，进、出口温度可测出，求总传热系数求总传热系数K。 2121lnTTTTTTKFtGCQmmp2022-3-21103.1.3 3.1.3 确定性模型的数学处理确定性模型的数学处理 例例2 2：集中参数系统动态模型参数估计：集中参数系统动态模型参数估计 （1 1）模型为

9、：模型为： （2 2） 的规律已测出的规律已测出 （3 3）定义参数估计问题定义参数估计问题 目标函数（评价函数）目标函数（评价函数）=F= =F= 参数估计问题为参数估计问题为minF=minF= （4 4）选择适当最优化算法求解上述问题选择适当最优化算法求解上述问题。)(tu0) 0 (, 0);,(uuutufdtudNiMjCjiEjiuu2,)()()(2,NiMjCjiEjiuu2022-3-21113.1.3 3.1.3 确定性模型的数学处理确定性模型的数学处理 过程系统定性分析过程系统定性分析 化工过程系统的非线性特征化工过程系统的非线性特征 许多单元过程或环节的数学模型是非线

10、性甚至强许多单元过程或环节的数学模型是非线性甚至强非线性的，如反应非线性的，如反应k= k= 相平衡等相平衡等 非线性系统可能出现一系列特殊现象非线性系统可能出现一系列特殊现象 定态多重性定态多重性 定态稳定性（局部；大范围）定态稳定性（局部；大范围） 自激振荡自激振荡 混沌（似随机确定性）混沌（似随机确定性）等等等等2022-3-21123.2 3.2 连续搅拌罐反应器的动态特性连续搅拌罐反应器的动态特性3.2.1 3.2.1 连续操作搅拌反应器的动态模型连续操作搅拌反应器的动态模型 集中参数过程系统确定性模型集中参数过程系统确定性模型 目的：以一个实例说明集中参数系统动态模型目的：以一个实

11、例说明集中参数系统动态模型 建立方法建立方法 建模方法：质量、动量、能量守恒建模方法：质量、动量、能量守恒+ +过程动力过程动力学学2022-3-21133.2.1 3.2.1 连续操作搅拌反应器的动态模型连续操作搅拌反应器的动态模型 连续操作搅拌反应器的动态模型连续操作搅拌反应器的动态模型 图示（见图图示（见图3-43-4，教材，教材P63P63） 假设：分子级理想混合假设：分子级理想混合 i i 组分质量守恒组分质量守恒 （i=1i=1，2 2，MM） 反应区能量（热量）守恒反应区能量（热量）守恒 iifiiVRccFdtdcV )(,NjjjcfHRVTTVATTCpFdtdTCpV)(

12、)()(2022-3-21143.2.1 3.2.1 连续操作搅拌反应器的动态模型连续操作搅拌反应器的动态模型 过程速率过程速率 定解条件定解条件 t=0， jjjjijjiiTcRRR),(,00,;TTccii2022-3-21153.2.2 3.2.2 模型求解与应用模型求解与应用 模型的求解模型的求解 问题为常微分方程组的初值问题，可籍欧拉，龙问题为常微分方程组的初值问题，可籍欧拉，龙格格库塔，吉尔等方法的通用程序求解。库塔，吉尔等方法的通用程序求解。 开工过程分析开工过程分析 （1 1）开工时间）开工时间 （2 2）初始条件对开工过渡过程的影响）初始条件对开工过渡过程的影响 动态响应

13、的数值仿真动态响应的数值仿真 对阶式扰动的动态响应对阶式扰动的动态响应 定义某定常态为初始态；定义某定常态为初始态； 定义输入量（定义输入量（F F， 等操作变量）；等操作变量）； 求解：求解：t=0t=0， 操作量，操作量， 相应的初值问题相应的初值问题 CfTc ,ssssTTcc,2022-3-21163.2.2 3.2.2 模型求解与应用模型求解与应用 连续搅拌反应器性能的定性分析连续搅拌反应器性能的定性分析 以均相不可逆一级放热反应为例以均相不可逆一级放热反应为例 A B+Q ；（1 1）定常态多重性）定常态多重性令令 kAgkCRTREkk);exp(0RCAgfPgAgAfAAQ

14、TTVAHcTREVkTTCFQcTREVkccFdtdTdtdc )()()exp()()exp()(000, 2022-3-21173.2.2 3.2.2 模型求解与应用模型求解与应用利用式利用式 消去消去中中 ，使，使作作 图图有三个状态满足定常态条件，试问真正的工作状态是哪有三个状态满足定常态条件，试问真正的工作状态是哪一个？一个？Ac)();(21TfQTfQRg)();(21TfQTfQRgRgQQ,TACB2022-3-21183.2.2 3.2.2 模型求解与应用模型求解与应用（2 2）定常态稳定性与相图（状态演化图）定常态稳定性与相图（状态演化图） 求解求解3.2.13.2.1中动态模型（常微分方程组初值问题）中动态模型（常微分方程组初值问题）的数值解，结果为：的数值解，结果为： 将数据在将数据在 T T 二维空间（平面）作图，见原教二维空间（平面）作图，见原教材材P67P67，图，图3-53-5。tTActtttL.,021ssALAAAAccccc,2,1 ,0,.,ss