流程工业综合自动化仿真平台的建设毕业论文(doc 65页)

1、作者：/u/2562182793毕业设计(论文) 题 目:流程工业综合自动化仿真平台的建设 学 院: 专 业: * 班 级: * 姓 名: * 指导老师: * 起讫日期: 2009-03-012009-06-10 2010 年 06 月 V流程工业综合自动化仿真平台的建设摘 要随着现代流程工业日趋大型化、复杂化和自动化、系统的模型化与仿真已成为过程系统工程领域的重要研究内容，并成为进行设备参数设定、控制系统设计、生产预测分析、决策支持优化，以及员工培训等活动不可或缺的一门技术。而计算机技术的不断发展，更是推动了仿真技术的广泛应用。本文首先设计了流程模拟系统，开发了三个流程模拟实验：基于Aspe

2、n的精馏分离静态模拟、动态模拟，Simulink建立的CSTR（连续搅拌反应）实时仿真和乙醇发酵仿真。然后将流程模拟系统的仿真数据存储在后台数据库Oracle，最后利用ASP.NET技术开发了基于浏览器/服务器模式的数据展示系统，通过ADO.NET接口技术调用数据库在Web页面上生成流程模拟各装置的相关参数和整个系统的仿真数据，建立起流程工业综合自动化仿真平台。关键词 : 流程模拟 流程工业The Building of Process Industry Automation Simulation PlatformAbstractWith the increasing enlargement,

3、 complication and automation of t modern process industry, system modeling and simulation has become an important research area of process systems engineering and an essential technology for equipment parameter settings, control system design, production and forecasting analysis, decision support op

4、timization as well as staff training and other activities .The continuous development of computer technology promote the wider use of simulation technology.The process simulation system consists of three process simulation experiments: the static and dynamic simulation of Distillation based on the A

5、spen software, the Real-Time Simulation of CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) and the ethanol fermentation simulation established on Simulink .The process simulation system simulation data are stored in the back-end database Oracle. The data exhibition system is developed based on browser / serv

6、er model with ASP.NET technology and it calls the Oracle database storage to generate various device parameters of the process simulation and the whole system simulation data on the Web page. The integrated process industry automation simulation platform is established after these steps.Key Words: P

7、rocess Simulation; Distillation; CSTR; Ethanol Fermentation目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc60698551 摘 要 PAGEREF _Toc60698551 h I HYPERLINK l _Toc60698552 Abstract PAGEREF _Toc60698552 h II HYPERLINK l _Toc60698553 第一章 绪论 PAGEREF _Toc60698553 h 1 HYPERLINK l _Toc60698554 1.1 流程工业综合自动化 PAGEREF _To

8、c60698554 h 1 HYPERLINK l _Toc60698555 1.1.1 流程工业的重要地位 PAGEREF _Toc60698555 h 1 HYPERLINK l _Toc60698556 1.1.2 流程工业综合自动化技术发展现状 PAGEREF _Toc60698556 h 1 HYPERLINK l _Toc60698557 1.2 流程模拟仿真平台 PAGEREF _Toc60698557 h 3 HYPERLINK l _Toc60698558 1.2.1 流程模拟技术 PAGEREF _Toc60698558 h 3 HYPERLINK l _Toc606985

9、59 1.2.2 稳态仿真 PAGEREF _Toc60698559 h 3 HYPERLINK l _Toc60698560 1.2.3 动态仿真 PAGEREF _Toc60698560 h 4 HYPERLINK l _Toc60698561 1.3 本文主要内容与目标 PAGEREF _Toc60698561 h 4 HYPERLINK l _Toc60698562 1.4 系统设计方案 PAGEREF _Toc60698562 h 5 HYPERLINK l _Toc60698563 第二章 精馏分离模拟 PAGEREF _Toc60698563 h 6 HYPERLINK l _T

10、oc60698564 2.1 Apsen Plus进行精馏分离静态模拟 PAGEREF _Toc60698564 h 6 HYPERLINK l _Toc60698565 2.1.1 RadFrac（严格法精馏）单元操作模块 PAGEREF _Toc60698565 h 6 HYPERLINK l _Toc60698566 2.1.2 精馏分离模型定义 PAGEREF _Toc60698566 h 6 HYPERLINK l _Toc60698567 2.1.3 Aspen Plus建立精馏分离模型 PAGEREF _Toc60698567 h 7 HYPERLINK l _Toc606985

11、68 2.1.4 仿真结果分析 PAGEREF _Toc60698568 h 8 HYPERLINK l _Toc60698569 2.2 精馏分离模型添加动态数据 PAGEREF _Toc60698569 h 11 HYPERLINK l _Toc60698570 2.3 Apsen Dynamics进行精馏分离动态仿真 PAGEREF _Toc60698570 h 12 HYPERLINK l _Toc60698571 2.3.1 PID控制 PAGEREF _Toc60698571 h 12 HYPERLINK l _Toc60698572 2.3.2 设置PID控制器 PAGEREF

12、_Toc60698572 h 13 HYPERLINK l _Toc60698573 2.3.3 Aspen Dynamics进行动态仿真 PAGEREF _Toc60698573 h 14 HYPERLINK l _Toc60698574 第三章 CSTR模拟 PAGEREF _Toc60698574 h 16 HYPERLINK l _Toc60698575 3.1 CSTR模型 PAGEREF _Toc60698575 h 16 HYPERLINK l _Toc60698576 3.1.1 CSTR 简介 PAGEREF _Toc60698576 h 16 HYPERLINK l _To

13、c60698577 3.1.2 CSTR仿真模型 PAGEREF _Toc60698577 h 17 HYPERLINK l _Toc60698578 3.1.3 CSTR仿真模型参数 PAGEREF _Toc60698578 h 17 HYPERLINK l _Toc60698579 3.2 CSTR模型的建立与仿真 PAGEREF _Toc60698579 h 19 HYPERLINK l _Toc60698580 3.2.1 Simulink简介 PAGEREF _Toc60698580 h 19 HYPERLINK l _Toc60698581 3.2.2 使用Simulink建立仿真

14、模型 PAGEREF _Toc60698581 h 20 HYPERLINK l _Toc60698582 3.2.3 Simulink仿真CSTR结果 PAGEREF _Toc60698582 h 22 HYPERLINK l _Toc60698583 3.3 模拟结果存入数据库 PAGEREF _Toc60698583 h 24 HYPERLINK l _Toc60698584 3.3.1 Matlab里的S_function PAGEREF _Toc60698584 h 24 HYPERLINK l _Toc60698585 3.3.2使用S_function将仿真结果存入Oracle数

15、据库 PAGEREF _Toc60698585 h 24 HYPERLINK l _Toc60698586 第四章 乙醇发酵模拟 PAGEREF _Toc60698586 h 27 HYPERLINK l _Toc60698587 4.1 乙醇发酵 PAGEREF _Toc60698587 h 27 HYPERLINK l _Toc60698588 4.1.1 工业乙醇发酵方法 PAGEREF _Toc60698588 h 27 HYPERLINK l _Toc60698589 4.1.2 工业发酵流程 PAGEREF _Toc60698589 h 27 HYPERLINK l _Toc606

16、98590 4.1.3 乙醇发酵工艺 PAGEREF _Toc60698590 h 28 HYPERLINK l _Toc60698591 4.2 乙醇发酵模型 PAGEREF _Toc60698591 h 28 HYPERLINK l _Toc60698592 4.3 乙醇发酵模块模型的建立与仿真 PAGEREF _Toc60698592 h 32 HYPERLINK l _Toc60698593 4.3.1单罐仿真 PAGEREF _Toc60698593 h 32 HYPERLINK l _Toc60698594 4.3.2系统仿真 PAGEREF _Toc60698594 h 32 H

17、YPERLINK l _Toc60698595 4.4 模拟结果存入数据库 PAGEREF _Toc60698595 h 34 HYPERLINK l _Toc60698596 第五章 数据存储系统 PAGEREF _Toc60698596 h 35 HYPERLINK l _Toc60698597 5.1 数据库技术 PAGEREF _Toc60698597 h 35 HYPERLINK l _Toc60698598 5.1.1 数据库的基本概念 PAGEREF _Toc60698598 h 35 HYPERLINK l _Toc60698599 5.1.2 Oracle数据库 PAGERE

18、F _Toc60698599 h 35 HYPERLINK l _Toc60698600 5.2 Oracle的创建与配置 PAGEREF _Toc60698600 h 36 HYPERLINK l _Toc60698601 5.2.1 创建数据库 PAGEREF _Toc60698601 h 36 HYPERLINK l _Toc60698602 5.2.2 配置数据库连接 PAGEREF _Toc60698602 h 37 HYPERLINK l _Toc60698603 5.3存储流程模拟数据 PAGEREF _Toc60698603 h 38 HYPERLINK l _Toc60698

19、604 5.3.1 精馏分离平台数据 PAGEREF _Toc60698604 h 38 HYPERLINK l _Toc60698605 5.3.2 CSTR仿真平台数据 PAGEREF _Toc60698605 h 39 HYPERLINK l _Toc60698606 5.3.2 乙醇发酵平台数据 PAGEREF _Toc60698606 h 40 HYPERLINK l _Toc60698607 第六章 数据展示系统 PAGEREF _Toc60698607 h 41 HYPERLINK l _Toc60698608 6.1 数据展示系统原理 PAGEREF _Toc60698608

20、h 41 HYPERLINK l _Toc60698609 6.1.1 浏览器/服务器架构 PAGEREF _Toc60698609 h 41 HYPERLINK l _Toc60698610 6.1.2 ASP.NET及其开发环境Visual Studio PAGEREF _Toc60698610 h 41 HYPERLINK l _Toc60698611 6.1.3 C#语言 PAGEREF _Toc60698611 h 42 HYPERLINK l _Toc60698612 6.1.4 IIS的配置 PAGEREF _Toc60698612 h 42 HYPERLINK l _Toc60

21、698613 6.2 ASP.NET连接Oracle数据库 PAGEREF _Toc60698613 h 43 HYPERLINK l _Toc60698614 6.2.1 ADO.NET接口技术 PAGEREF _Toc60698614 h 43 HYPERLINK l _Toc60698615 6.2.2 连接Oracle数据 PAGEREF _Toc60698615 h 44 HYPERLINK l _Toc60698616 6.3 数据表格和曲线图的制作 PAGEREF _Toc60698616 h 45 HYPERLINK l _Toc60698617 6.3.1 使用GridVie

22、w控件制作表格 PAGEREF _Toc60698617 h 45 HYPERLINK l _Toc60698618 6.3.2 使用MsChart控件制作曲线图 PAGEREF _Toc60698618 h 47 HYPERLINK l _Toc60698619 6.4 数据展示页面的制作 PAGEREF _Toc60698619 h 49 HYPERLINK l _Toc60698620 6.4.1 登录页面Login.htm PAGEREF _Toc60698620 h 49 HYPERLINK l _Toc60698621 6.4.2 登录验证页Change.aspx PAGEREF

23、_Toc60698621 h 50 HYPERLINK l _Toc60698622 6.4.3 主页面Main.aspx PAGEREF _Toc60698622 h 50 HYPERLINK l _Toc60698623 6.4.4 数据展示页面 PAGEREF _Toc60698623 h 52 HYPERLINK l _Toc60698624 第七章 总结和展望 PAGEREF _Toc60698624 h 55 HYPERLINK l _Toc60698625 7.1 总结 PAGEREF _Toc60698625 h 55 HYPERLINK l _Toc60698626 7.2

24、展望 PAGEREF _Toc60698626 h 55 HYPERLINK l _Toc60698627 参考文献 PAGEREF _Toc60698627 h 56 HYPERLINK l _Toc60698628 致谢 PAGEREF _Toc60698628 h 57第一章 绪论南京工业大学本科生毕业设计（论文） PAGE 57第一章 绪论1.1 流程工业综合自动化1.1.1 流程工业的重要地位流程工业是指在我国国民经济中占有重要经济地位的石化、炼油、化工、冶金、制药、建材、轻工、造纸、采矿、环保、电力等工业行业。这些行业普遍存在能耗大、产品质量差、生产过程工艺落后、自动化水平低、管理

25、水平低、信息集成度低、综合竞争力弱等现状。流程工业是一个非常巨大的产业，在产业中占据重要的地位，是国民经济发展中极为重要的基础支柱产业，是制造业的重要组成部分。其特点是以处理连续或间歇物料流、能量流为主，产品多以大批量的形式生产。流程工业的生产和加工方法主要有化学反应、分离、混合等等，这些都与离散制造工业有显著不同。在知识经济时代的21世纪，作为传统工业的流程工业将仍然是经济发展的重要支柱产业。据2003年估计全球流程工业的年产值超过5万亿美元，其中仅化工和石油化工部分就超过1万2千亿美元。根据2005年中国统计年鉴，2004年按行业分国有及国有控股企业中，工业总产值35571.18亿元，工业

26、增加值12132.41亿元。其中典型的流程工业工业总产值共计23396.53亿元，占总产值的65.77%，工业增加值8 810.18亿元，占总量的72.62%。从我国2005年工业统计数据来看，工业总产值、工业增加值等主要经济指标，石油和化学工业均居全国第1位，其实现利润占全国工业利润的25.45%；冶金工业居全国第2位；电力工业居第3位。我国22家骨干企业中，流程工业企业约占1/3；在71家重点企业中，流程工业企业约占1/2。在2000年全球500强的行业中，中国石油化工集团公司居58位、中国国家电力公司居83位、中国化工进出口总公司居307位。由此可见，流程工业在我国国民经济中的重要地位。

27、1.1.2 流程工业综合自动化技术发展现状20世纪80年代后期，随着计算机技术和网络技术的迅速发展，流程工业控制中出现了多学科间的相互渗透与交叉，信号处理技术、计算机技术、通讯技术及计算机网络与自动控制技术的结合使过程控制开始突破自动化孤岛模式，出现了集控制、优化、调度、管理、经营于一体的综合自动化新模式。20世纪90年代，随着计算机技术的日新月异，计算机集成生产系统的研究已成为自动化领域的一个前沿课题。国外大型流程企业、特别是石油化工企业均重视信息集成技术的应用，纷纷以极大的热情和精力，构架工厂级、公司级甚至超公司级的信息集成系统。1995年美国、日本、西欧等国已有100多家炼油、化工企业在

28、实施CIMS计划，推动了流程工业综合自动化技术在实际生产中的应用，如日本三井石油化学工业公司、美国德曹达公司、高尔公司等化工企业都相继建立了综合自动化系统。意大利AGIP石油公司提出了以数据模型为核心的工厂信息集成系统的方案，信息采集从低层到上层，从供应链的源头到产品的客户。他以面向数据的模型为核心系统，连接实时数据库和关系数据库，对生产过程进行过程监视、控制和诊断，环境监测，单元整合，模拟和优化。在管理决策层进行物料平衡、生产计划、调度、排产、企业资源计划、离线在线模拟与优化等。目前国外实施综合自动化技术的大型流程工业企业已占很大比例。另一方面，国外已有许多传统的自动化仪器仪表厂家逐步向综合

29、自动化整体解决方案供应商转化，如Honeywell、ABB、Rockwell等著名公司。Rockwell公司提出eManufacturingTM解决方案；ABB公司提出基于MES（生产过程制造执行系统）的综合自动化解决方案，开发相应的工业IT；AspenTech和Honeywell这两家大公司都已不再局限于过程自动化软件与软件领域，而是在其中下层自动化软硬件优势的基础上分别提出了面向企业整体的解决方案，如AspenTech公司推出的Aspen Engineering SuiteTM、Aspen Manufacturing SuiteTM和Aspen Supply Chain SuiteTM套件

30、，以及提出了智能化工厂的概念PlantelligenceTM。Honeywell的子公司HiSpec Solutions推出面向石油与天然气、制浆造纸、化工、炼油工业的Unified ManufacturingTM Solutions for Business Optimization套件。我国经过20年的研究和攻关，在流程工业综合自动化领域已积累了大量的科研成果，特别是在“九五”计划期间，产生了大批具有产业化前景的高技术成果和产品，如集散控制系统（DCS)、现场总线技术、先进控制软件、实时优化软件、过程管理与优化软件、企业管理和生产调度系统软件等。已缩短了与国际先进水平的差距，部分成果达到国

31、际先进水平，并广泛应用于国内众多石化、化工、医药、冶金、建材/轻工等流程企业，产生了巨大的经济效益和社会效益。在以信息化带动工业化的进程中发挥了重要的作用。 但总体而言，我国在流程工业综合自动化技术与系统的研究与产业化过程中同国外先进技术相比还存在很大的差距，主要体现在技术深度上不够、应用基础研究不够、相关领域技术借用不够、系统化程度不够、集成能力不够、产品化程度不够、产业化能力不强等诸多方面。1.2 流程模拟仿真平台随着现代流程工业日趋大型化、复杂化和自动化，系统的模型化与仿真已成为过程系统工程领域的重要研究内容，并成为进行设备参数设定、控制系统设计、生产预测分析、决策支持优化，以及员工培训

32、等活动不可或缺的一门技术。而计算机技术的不断发展，更是推动了仿真技术的广泛应用。现在,企业迫切需要通过仿真技术来提高自身的竞争能力，能否有效应用仿真，将成为决定企业成败的关键因素之一 。流程模拟仿真平台实现了在实验室条件下模拟真实工厂物料流程和数据集成过程。用户可方便地进行组态、建立装置物料平衡机理模型等。仿真数据可与各种数据库连接，用户可方便查询调用生产数据、查看生产报表、切换生产方案，进而为数据校正、生产调度、生产质量管理和成本控制等应用软件的开发和实施提供理想的平台。1.2.1 流程模拟技术流程模拟技术是近几十年来发展起来的,它涉及到流程系统、控制仪表、数据协调算法等多项技术，是一门交叉

33、性、综合性学科，有着广泛的应用。 一些过程控制算法就可以利用流程模拟技术获得较为完备的数据,应用这一技术，可以模拟不同工艺条件下的生产结果. 调度人员可利用这些产生的数据进行分析，在流程工艺的基础上确定最佳方案，也可以将这些数据作为理论研究的基础数据使用，而无需破坏生产的连续性，节省了大量的人力、物力。流程模拟分为稳态模拟/仿真和动态模拟/仿真两大类。 1.2.2 稳态仿真 化工过程稳态仿真又称静态模拟或离线模拟，它是根据化工过程的静态数据，诸如物料的压力、温度、流、组成和有关的工艺操作条件、工艺规定、产品规格以及一定的设备参数，如蒸馏塔的板数、进料位等，采用适当的棋拟软件，用计算机模拟实际的

34、稳态生产过程，得出详细的物料平衡和热平衡。其中包括人们最为关心的原材料消耗、公用工程消耗和产品、副产品的产和质最等重要数据。简言之，化工过程模拟就是在计算机上“再现” 实际的生产过程。 稳态仿真描述的过程对象不包括时间参数，过程中的各因素不随时间而改变，所以稳态仿真只是动态过程达到平稳状态时的简化处理，它通过一系列物热衡算，为动态仿真提供初值和起始状态，同时还是过程综合和优化的基础。利用过程系统的稳态仿真主要解决以下三类问题：(1) 过程系统的模拟分析。对给定过程系统进行模拟求解,得到需要的系统状态变量，使得对该过程进行分析和验证成为可能 。这类稳态仿真应用化工过程的动态仿真具有一定的指导作用

35、。(2) 过程系统的设计。对某个或某些系统变量提出设计规定要求，通过调整某些决策变量使模拟结果满足设计规定要求。这类仿真主要用于新装置的设计、旧装置的改造和新工艺新流程的开发研究。(3) 过程系统的参数优化。过程系统模型与最优化模型联立求解，得到一组使工况目标函数最佳的决策变量(优化变量)，以便实施最佳工况。与过程系统的设计和改造不同，这里的优化不通过修改工艺或增加生产设备进行，而是通过调整工艺操作条件来实现。通常将稳态模拟软件和优化软件结合，对过程操作变量进行优化。1.2.3 动态仿真动态仿真比稳态仿真更能反映真实的生产情况,其主要功能是把该装置的内部生产流程及机理模拟出来，同时反映装置的控

36、制和操作条件，尽量模拟与工业现场相近的生产条件及操作条件。稳态仿真只是动态过程达到平稳状态时的简化处理，然而化工稳态过程只是相对且暂时的，实际过程中总是存在各种各样的波动、干扰和条件的变化,因此化工过程的动态变化是必然的，如开停车、故障处理等。在研究这类动态问题时,必须使用动态仿真。动态仿真中的动态模型由一系列微分方程组成，能真实地对实际的生产流程进行模拟，为生产制造企业进行工艺流程设计、控制系统设计、故障处理策略设计等提供了有效的工具。利用动态仿真可以解决很多生产实际问题：(1) 过程系统的工艺设计。完成生产方案选择、生产参数确定等工艺设计问题，使过程系统运行在最佳状态 。(2) 过程系统的

37、控制器设计。动态仿真软件接收控制器生成的控制量，得到被控对象动态模型实时的动态输出，根据该动态模型的输入输出关系,设计合理的控制器 。(3) 过程系统的安全分析和预测。对现有生产流程进行动态建模，运行动态仿真，分析和预测过程系统的安全状况 。1.3 本文主要内容与目标本文为了设计流程工业综合自动化仿真平台，开发了三个分系统：流程模拟系统、数据存储系统、数据展示系统。流程模拟系统建立了三个流程模拟实验：基于Aspen Plus的精馏分离静态模拟、基于Aspen Dynamics的精馏分离动态模拟；Simulink建立的CSTR（连续搅拌反应）实时仿真；Simulink建立的乙醇发酵仿真。基于关系

38、数据库Oracle的数据存储系统通过建立多张数据表存储流程模拟系统的实验装置数据、仿真参数和仿真结果。最后利用ASP.NET技术开发了基于浏览器/服务器模式的数据展示系统，它通过ADO.NET接口技术调用后台数据库Oracle的相关数据在Web页面上生成流程模拟各装置的相关参数和整个系统的仿真数据。本文的主要目标是顺利完成流程模拟系统的三个实验平台的开发，得到仿真结果通过相应的接口技术将数据存储到后台数据库，由数据展示系统展示所有流程模拟仿真平台的数据信息。本文的研究对于流程工业综合自动化技术有一定的指导意义，流程模拟系统可以模拟现场生产，并得到实时生产数据，数据库中集成的实时生产数据可供流程

39、工业企业深层次的挖掘和分析，为其生产运行、成本核算、物料跟踪、和生产调度等业务过程的改进提供基础。数据展示系统的开发使得客户可以在远程使用浏览器访问服务器端了解现场生产相关信息，为其远程操作、现场设备管理、数据采集等活动提供基础。1.4 系统设计方案流程工业综合自动化仿真平台由三个分系统和三种数据接口构成，图1-1所示为系统框图。三个系统自底层向上分别为流程模拟系统、数据存储系统和数据展示系统。流程模拟系统中Aspen软件通过Microsoft自动控制接口连接Oracle数据库，Simulink通过Matlab提供的系统函数（S_function）将仿真数据存入Oracle数据库。数据展示系统

40、中ASP.NET使用其数据库接口ADO.NET技术从后台数据库Oracle中调用底层模拟系统的相关数据，通过Web页面展示数据。 SKIPIF 1 0 图1-1 流程工业综合自动化仿真平台系统框图第二章 精馏分离模拟第二章 精馏分离模拟2.1 Apsen Plus进行精馏分离静态模拟2.1.1 RadFrac（严格法精馏）单元操作模块RadFrac（严格法精馏） 是一个严格模型用于模拟所有类型的多级气-液精馏操作这些操作包括：一般精馏、吸收、再沸吸收、汽提、再沸汽提、萃取和共沸蒸馏。RadFrac 适用于两相蒸馏体系、三相蒸馏体系、窄沸程和宽沸程体系、液相具有非理想性强的体系。在塔的任何地方R

41、adFrac 可以检测和处理游离水相或其它第二液相RadFrac 可在每级上处理固体。一个典型的精馏模型如图2-1所示。图2-1 典型的精馏模型图左边的输入流股FEED为进料物料流，要求至少一股。右上角输出流股DISTILL为塔顶冷凝器产物，也是最终的精馏产物。右下角输出流股BOTTOMS是塔底再沸器产物。2.1.2 精馏分离模型定义1模型：如图2-2所示图2-2 甲基环乙烷（MCH）精馏分离模型图2工艺说明：（1）甲基环乙烷（Methylcyclohexane，简写为MCH，沸点213.681 F）和甲苯（toluene，沸点231.134 F）沸点非常接近，通过简单的二元精馏难以将它们分离

42、（2）使用苯酚（phenol，沸点359.312 F）作为萃取剂来萃取甲苯，从而在塔顶获得纯度较高的甲基环乙烷3任务：（1）利用已有的塔从MCH和toluene的混合物料中回收MCH（2）通过增大萃取剂的流量来提高塔顶MCH产品的纯度（3）在给定的萃取剂流量下，计算产品纯度、塔的流量和组成分布以及塔顶冷凝器和塔底再沸器的热负荷2.1.3 Aspen Plus建立精馏分离模型根据2.1.2中甲基环乙烷回收塔模型的模型定义建立该模型的仿真，具体步骤如下：1定义流程图。选择单元操作模型库中的RadFrac模型，连接萃取剂物流、进料物流、塔顶产品物流以及塔底产品物流，完成流程图的绘制，如图2-3所示。

43、图2-3 精馏静态模拟流程图2Setup选项中输入工艺数据。输入标题，选择输入输出数据单位制为ENG，物流类为CONVEN，物流流速选择为mole。3Components选项中确定组分，根据进料物质的分子式在Aspen Plus添加组分甲基环乙烷、甲苯和苯酚，如图2-4所示。图2-4 组分定义在Properties选项中选择热力学方法为活度系数模型UNIFAC。在Streams选项中输入物流数据：（1）进料参数温度：220 F；压力：20 psi；甲苯流量：200 lbml/h；甲基环乙烷流量：200 lbml/h。（2）萃取剂参数温度：220 F；压力：20 psi；苯酚流量：1200 lb

44、ml/h。在Blocks选项中输入单元操作模块的数据：（1）配置 塔板数：22块；塔顶冷凝器：全冷凝；塔顶馏出物流量：200 lbmol/h；回流比：8。（2）物流位置 萃取剂进料位置：第14块塔板；原料进料位置：第7块塔板。（3）压力分布 第1块板压力：16 psi；第22块板压力：20.2 psi。经过以上步骤之后，一个精馏分离模型就已经建立完毕。点击运行，进行稳态仿真。首先打开Contoll Panel菜单，可以看到收敛循环上 Err/Tol的数值逐渐变小至收敛。2.1.4 仿真结果分析仿真运行完成后，可以查看单元操作模块的计算结果。对这个精馏分离模型Aspen Plus仿真计算的结果非

45、常全面，包括反应后塔顶塔底各种参数（温度、压力等）和各种物质的含量以及每层塔板上的混合物组成情况等等。1塔顶冷凝器计算结果图2-5塔顶冷凝器计算结果如图2-5所示为最上层的冷凝器的计算结果，热负荷为-24165073Btu/hr，温度为218.833 F，高于甲基环乙烷的沸点213.681 F而低于甲苯的沸点231.134 F，在这个温度下，冷凝器里面甲基环乙烷为汽态，能够经过冷凝作用从塔顶馏出，甲苯为液态，会向下面的塔板流动。前面在建立模型过程中Blocks选项中输入单元操作模块的数据时，设置塔顶馏出物流量200 lbmol/h，回流比为8，此时在计算结果上看到冷凝器的数据完全与设置数据吻合

46、，回流率等于蒸馏物流量和回流比的乘积。2各层塔板参数计算结果，如图2-6所示。如图2-6 各层塔板参数计算结果塔顶第一块板(冷凝器的位置)的温度最低，为218.833 F，从上往下各层塔板温度缓慢上升。塔板压力值在前面设置时，塔顶第一块被设为16 psi，塔底第22块为20.2 psi，从上图可以看见这两块板的压力等于设置值，中间各层的压力自下而上逐渐降低。塔顶热负荷最小为负值，塔顶最大，中间其他板都为0。在塔顶只有液相物质，没有汽相，其他塔板汽液混合。从理论上分析，因为塔顶是依靠冷凝器的冷凝作用获得蒸馏产物，其温度应该最低，压力最小，热量负，由于汽态物质在冷凝器上冷凝，所以产物全部为液态。可

47、见计算结果与理论分析师吻合的。3各层塔板组分计算结果如图2-7所示。图2-7 各层塔板组分计算结果可以看见，在塔顶第一层塔板馏出分离的产物甲基环乙烷（MCH），且纯度高达98%，越往下面的塔板甲基环乙烷的纯度越低。4物流计算结果图2-8 物流计算结果这个计算结果就是最终的精馏分离达到平衡时各个流股的相关信息（其中1、2为进料流股，3、4为出料流股）。可以看到精馏分离能量平衡时各个流股的温度、压力、热负荷等，物料平衡时各流股的流率，即进料速度、塔内物料流动和出料速度达到平衡，此时甲苯和甲基环乙烷流率为200 lbmol/hr，萃取剂苯酚的流率为1515.015 lbmol/hr，分离提纯的甲基环

48、乙烷纯度达到195.997/（195.997+0.280+3.724）= 98%。2.2 精馏分离模型添加动态数据稳态仿真可以得到系统的稳态值，进而进行稳态分析，而不能够显现动态系统的动态过程。为了更体现该动态系统的本质特性，进行动态仿真。其不同之处在于，动态系统要体现出输出相对于输入变化的特点。Aspen Dynamics进行的动态模拟仿真是直接建立在原有的Aspen Plus稳态仿真平台上, 只需将原有的静态仿真应用进行转换即可得到动态流程模拟应用。在稳态仿真平台上使能动态特性，然后进入动态数据设置。1设置热传输方法为LMTD(对数平均温差法)。这种方法需要设置入口介质温度、热容积以及位于

49、介质和处理液之间的初始温度，适用于液体交换传感热时温度变化的情形。自动计算初始物流率，而且此流率可以在动态仿真过程中手动操控或由一个控制器操控。2 回流罐几何形状设置为平放、两头椭圆形，长6英尺，直径3英尺。如图所示。图2-9 回流罐几何形状塔板几何尺寸设置。由于第1块板为塔顶蒸馏产物出口，第22块板为塔底其他混合物出口，仅需要设置第2到低21块板，直径全部设置为5英尺。动态数据设置完毕后，将文件导出为Aspen Dynamics的可执行文件，下一步可以在Aspen Dynamics里进行动态仿真。输出类型为流量驱动型。流量驱动的模拟，模块的出口物流压力与流量由模块的进料状况与模块参数决定，不

50、受下游模块的压力影响。流量驱动的动态模拟与Aspen Plus中一样，对于每个模型，给定了进料参数与模块参数有固定的规则来决定出口流率与压力。有些情况下，在动态模拟转化过程中，自动生成由压力和液位控制器决定的出口流率。流量驱动的模拟可以进行大部分的动态模拟应用。这种方法假设了完美的流量控制，这种假设通常比较合适，尤其是模拟仅有液体的系统。对于液体，压力/流量动力学非常快，完美流量控制的假设通常是准确的。2.3 Apsen Dynamics进行精馏分离动态仿真2.3.1 PID控制稳态仿真计算得到精馏分离达到平衡时各物流的相关信息。在动态方仿真里，通过添加扰动，破坏原来稳态仿真的平衡，由PID控

51、制器反馈控制，动态调节，最终达到新的平衡。比例、积分、微分(PID)控制是控制系统中技术最成熟，运用最广泛的一种控制方式。其基本原理是根据反馈控制系统的偏差值按比例、积分、微分函数关系进行运算，所得结果输出给执行机构，执行机构根据偏差值的运算结果来控制被控对象。 e(t)为控制器的输入即控制系统的给定量与输出量的偏差；u(t)为控制器的输出；Kp为比例系数；Tl为积分时间常数；TD为微分时间常数。 在连续时间域中，HYPERLINK /product/searchfile/6127.htmlPID控制器算法的表达式为： 一般控制系统的PID系统控制框图如图所示。其中，r(t)为系统设定值，c(

52、t)为系统反馈值，e(t)为反馈误差，u(t)为PID控制器输出值。图2-10 PID控制系统框图比例环节作用：按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。积分环节作用：使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差,积分调节就进行，直至无差，积分调节停止,积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti,Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。

53、微分环节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性,能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。2.3.2 设置PID控制器在动态仿真软件Aspen Dynamics里打开前面在Aspen Plus导出的精馏分离文件，向精馏分离模型中添加一个PID控

54、制器MCHCOMP和一个延时模块MCHCOMPDT。设置PID控制器的输入即系统反馈值为流股3（馏出产物）中甲基环乙烷的纯度。PID控制器的输出值为流股2中萃取剂苯酚的流率。 则有：c(t) = STREAM(3),Zn(MCH)u(t) = STREAM(2),FcR(PHENOL)在中间加上一个延时模块，设置延时时间为5min。设置后的动态仿真流程图如图2-11所示。 由于稳态仿真计算结果苯酚流量为1515 lbmol/hr时产物中甲基环乙烷纯度98%，设置PID控制器MCHCOMP的输入初始为r(t) = 0.98，输出初始值为1515，比例系数为Kp=-6,积分时间常数为T1=30mi

55、n,微分时间常数为Td=0。 图2-11 精馏动态模拟流程图2.3.3 Aspen Dynamics进行动态仿真设置好PID控制器直接运行仿真，结果如图2-12所示。由图看到PID控制器的输入值稳定在0.98，输出值稳定在1515.1025。由于仿真是从Aspen Plus的稳态结果开始，没有加入任何扰动，所以仿真图所示的变量还是处于稳态。图2-12 不加扰动动态仿真图将稳态仿真计算结果中输入混合物的流率修改，添加组分扰动，如图2-13所示，流股1中混合物原来甲苯和甲基环乙烷流率都是200 lbmol/hr，现修改为甲苯流率180 lbmol/hr，甲基环乙烷流率220 lbmol/hr。再次

56、运行仿真，得到仿真结果如图所示。由图看到，加入扰动后，一开始甲基环乙烷的回收纯度超过了98%，通过PID控制器的反馈控制，不断调节苯酚的流率，经过三小时后甲基环乙烷的纯度重新达到98%，此时计算得到萃取剂苯酚的流率为1460.5901 lbmol/hr。图2-13加扰动后动态仿真图第三章 CSTR模拟第三章 CSTR模拟3.1 CSTR模型3.1.1 CSTR 简介CSTR(continuous stirred tank reactor)连续搅拌槽反应器又称连续搅拌反应器系统，是指带有搅拌浆的槽式反应器。搅拌的目的在于使物料体系达到均匀状态，以有利于反应的均匀和传热。反应过程包括体系中物料的物

57、理和化学的变化，表征其体系特性的参数包括温度、压力、液位及体系组分等。CSTR属于化学动力学类反应器，在仿真过程中根据化学动力学计算反应结果。CSTR原理：在一个密闭罐体内完成料液的发酵、沼气产生的过程。消化器内安装有搅拌装置，使发酵原料和微生物处于完全混合状态。投料方式采用恒温连续投料或半连续投料运行。新进入的原料由于搅拌作用很快与发酵器内的全部发酵液菌种混合，使发酵底物浓度始终保持相对较低状态。CSTR优点：CSTR工艺可以处理高悬浮固体含量的原料。消化器内物料均匀分布，避免了分层状态，增加了物料和微生物接触的机会。CSTR性质：釜内达到理想混合。可模拟单、两、三相的体系，并可处理固体。可

58、同时处理动力学控制和平衡控制两类反应。CSTR用途：已知化学反应式、动力学方程和平衡关系，计算所需的反应器体积和反应时间，以及反应器热负荷。图3-1 CSTR的连接图CSTR的连接如图3-1所示，至少需要一股进料物流和一股出料物流，输入热流和输出热流都可以随意选择。3.1.2 CSTR仿真模型 SKIPIF 1 0 图3-2 CSTR系统示意图本章仿真在如 REF _Ref142256075 h 图所示的非恒温CSTR(Continuous stirred tank reactor，连续搅拌釜式反应器)系统上实现。反应器中实现一阶 SKIPIF 1 0 放热反应，且假定其中为全混流，物理特性恒

59、定。该系统有一个供给流，一个冷却流和一个产品流。系统可视为由下式表示的5输入2输出的一阶动态非线性系统。 SKIPIF 1 0 （3-1） SKIPIF 1 0 （3-2）两式分别描述了系统中的质量和能量平衡。其中输入变量包括三个扰动输入：供给流浓度( SKIPIF 1 0 )和温度( SKIPIF 1 0 )、产品流流速( SKIPIF 1 0 )和冷却流温度( SKIPIF 1 0 )，及一个操纵变量冷却流流速( SKIPIF 1 0 )。输出变量包括产品流的浓度( SKIPIF 1 0 )和温度( SKIPIF 1 0 )。利用控制通过调节冷却水的流速( SKIPIF 1 0 )可以控制

60、出口处的温度(T)，这里采用如下比例反馈控制， SKIPIF 1 0 （3-3）3.1.3 CSTR仿真模型参数上述模型中的参数取值如表3-1所示。表3-1 CSTR模型参数仿真中，CSTR由下面过程扰动来激励， SKIPIF 1 0 （3-4）其中 SKIPIF 1 0 为标准差， SKIPIF 1 0 为标准白噪声过程， SKIPIF 1 0 为扰动自回归系数，这里只考虑非自相关的扰动，即 SKIPIF 1 0 。扰动输入变量的真实值可表示为 SKIPIF 1 0 ， SKIPIF 1 0 为各变量操作点值。每一个过程变量的测量值都可表示为 SKIPIF 1 0 ，其中 SKIPIF 1