第3章 过程系统模拟的基本方法.ppt

第3章 化工过程模拟的基本方法 主要内容 过程单元 过程单元的自由度 过程单元的模型化与模拟 过程系统 过程系统的自由度 系统结构的识别 系统的分解 序贯模块模拟法 原理 寻找最佳断裂流股 断裂流股的收敛 面向方程模拟法及联立模块模拟法原理 过程系统的优化 常用商业化流程模拟软件简介 公司结构 过程系统模拟一般步骤： 确定需模拟的系统 识别不相关子系统 （一级子系统，各子系统独立处理） 一级子系统自由度分析 找到分解成规模最小的二级子系统的决策变量 各一级子系统内不可分隔子系统的识别 （二级子系统，各二级子系统可依次求解） 各二级子系统依次处理 找回路、确定最佳断裂位置、确定计算顺序 相关单元操作建模，确定迭代方法 第1节 流程的自由度分析 1. 一些基本概念 过程(Process)：对原料进行某些物理或化学变换，使其性质发生预期的变化 机械加工不能称为过程 系统：由相互联系，相互作用的若干组成部分结合成的具有特定功能的总机体 过程系统：由各种过程构成的系统 流程: 描述化工生产的物料流向及能量流向及装置特点的过程 模型：复杂的A简单的B来替代。研究B来预测A的行为 实物模型 / 数学模型 模拟：对某一描述实际过程的数学模型利用数学方法进行求解，并对结果作出解释 2.物流自由度、单元自由度及系统自由度 物流(stream) Dühem定理：对于一个已知每个组分初始质量的封闭体系，其平衡状态完全取决于两个独立变量，而不论该体系有多少个相，多少个组分或多少个化学反应 过程单元自由度分析方法 过程单元自由度: 可改变单元操作状态的独立变量数目 列方程法：列出现象方程、限制方程等 自由度=变量数-方程数 描述规则法： 要完全描述一单元设备的操作，必须确定的自由度的数目必定等于能由设备结构确定或能用外部手段控制的变量的数目 公式分析法： 常见过程单元自由度 过程系统自由度 过程系统自由度: 确定系统状态的独立变量数目 系统自由度=Σ单元自由度+Σ进料自由度 第２节 过程系统结构的计算机识别 主要内容 1. 过程系统结构有向图 2. 过程系统结构的矩阵表示 3. 系统结构的识别 1. 过程系统结构有向图 2. 系统结构的矩阵表示 节点----节点 节点相邻矩阵 节点----边 关联矩阵 边----边 弧相邻矩阵 节点相邻矩阵 3. 系统结构的识别－－可及矩阵法 不相关子系统 过程系统： 建模过程中可分别独立处理 方程系统： 写出方程组事件矩阵，Himmelblau算法识别 不可分隔子系统 可及矩阵法，索引矩阵法、图解法，Steward通路法 方程系统识别----Himmelblau算法： ①在m?m事件矩阵M中，选出非零元素最多的列k。 ②保留M中k列内每个零元素对应的行，k列中为1的元素所对应的行用布尔加法合并成一行排列在最后。得到的新的j?m的布尔矩阵记做M(0)； ③重复②，从而得到序列{M，M(0)，…，M(N)}； ④最终得到矩阵M(N)，其每一列只有一个非零元素，其每一行与原方程系统中的不相关子系统对应。 例 过程系统识别 不相关子系统 分析 不可分隔子系统 可及矩阵 公司结构 可及矩阵法识别不相关子系统的准则： 矩阵A的可及矩阵A*定义为： 可及矩阵法识别不可分隔子系统依据： Berge定理∶ 若用A表示某有向图的节点相邻矩阵，那么，矩阵H=A? 中为1的元素hij表示从节点i沿弧的正方向经λ段弧可以到达节点j 矩阵运算规则： 矩阵间：阵代数规则 矩阵元素：布尔代数原则 例 系统网络图 例 第3节 序贯模块模拟法 主要内容： 基本原理 循环流股的断裂与迭代 断裂变量的收敛 一、基本原理 设S1=10kmol/h，分割比=0.5, 进行流程模拟计算 解∶① 设S4=0，进行MIX的模拟计算∶ S2=S1+S4=10+0=0 ② 进行分割器的模拟计算∶ S4’=?S2=0.5?10=5 ③ 比较S4’与S4∶ ④ 现假设S4=10，由MIX模块计算得到∶ S2=S1+S4=10+10=20 ⑤ 进行分割器的模拟计算∶ S4’=?S2=0.5?20=10 ⑥ 计算得S4’与假设S4的数值相等，假设正确。 ⑦ 由SPLT模块计算得S3=10。流程计算完成。 序贯模块法模块的特点 单向性 断裂位置的影响： 二、再循环流股的断裂 2.1 最优断裂准则 (1) 被切断的流股数最少； (2) 被切断的流股变量数最少； (3) 被切断的流股的权重因子之和最少； (4) 回路切断的总次数最少。 通常选择原则： 满足（4）的基础上