第八章流程模拟软件简介及其应用.ppt
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,第八章流程模拟软件简介及其应用,8.1化工流程模拟8.2化工流程模拟软件简介8.3化工流程模拟软件在物料衡算与能量衡算中的应用,授课教师简介,授课教师简介,1991-2001,学士,硕士,博士生华东理工大学,化学工程系,联合化学工程研究所,国家重点反应过程实验室。
导师:
袁渭康院士,授课教师简介,2001-2007,博士,美国弗吉尼亚理工大学(VirginiaPolytechnicInstituteandStateUniversity,VirginiaTech),化学工程系(DepartmentofChemicalEngineering),大分子与界面科学学院(MacromoleculesandInterfaceInstitute,MII),授课教师简介,导师:
ErdoganKiran教授(超临界流体杂志创立主编),授课教师简介,2008-2011,博士后,美国弗吉尼亚联邦大学(VirginiaCommonwealthUniversity),化学工程与生物科学工程系(DepartmentofChemical&LifeScienceEngineering),,授课教师简介,导师:
MarkAMcHugh教授,授课教师简介-研究领域-1)聚合物材料微包裹(化肥、农药、基本麻醉药),NovelAccurateRescueStrategiesUsingNon-pulmonaryOxygenationPolymerMicroencapsulation-Solventextractionofsolid/oil/oilsuspension,SEMpictureofthepurePLGA(left),PLGAmicrosphereswithureahydrogenperoxide(UHP)encapsulated(right),NovelAccurateRescueStrategiesUsingNon-pulmonaryOxygenationPolymerMicroencapsulationIn-VitroTest,TheschematicdiagramofthesetupoftheIn-Vitrotest(left)andthereleasekineticsofthemicrospheres(right).,授课教师简介-研究领域-2)超临界流体中聚合物材料加工,高压二氧化碳中的静电喷雾/纺丝过程,Electrospinning&ElectrosprayinginCarbonDioxide-ExpandedAnti-SolventElectrosprayingCondition:
Distance=8.5cm,FlowRate=1ml/hr,Voltage=20kV,StartingSolution:
1wt%PLGAsolutioninacetone,Hexane,AmbientPressure,CarbonDioxide,800psi,CO2-ExpandedHexane400psi,CO2-ExpandedHexane800psi,CO2-ExpandedHexane1200psi,高压二氧化碳辅助高分子材料发泡技术,授课教师简介-研究领域-2)超临界流体中聚合物材料加工,授课教师简介-研究领域-3)高压流体性质,K=instrumentalconstant,授课教师简介-研究领域-3)高压流体性质,授课教师简介,联系方式办公室:
升华楼-311(308对面)实验室:
升华楼-524Email信箱:
手机:
15855101259,第八章流程模拟软件简介及其应用,8.1化工流程模拟8.2化工流程模拟软件简介8.3化工流程模拟软件在物料衡算与能量衡算中的应用,化工设计在化学工程中的重要性何为“化学工程”?
化工设计&化工研究化工设计的手段-流程模拟,8.1化工流程模拟8.1.1化工流程模拟简介8.1.2化工流程模拟基础,化工流程模拟技术是以工艺过程的机理模型为基础,采用数学方法来描述化工过程,通过应用计算机辅助计算手段,进行化工过程的物料衡算、能量衡算、设备尺寸估算和能量分析,作出环境和经济评价。
它是化学工程、化工热力学、系统工程、计算方法以及计算机应用技术的结合产物,是近几十年发展起来的一门新技术。
该技术主要通过化工流程模拟软件的使用来实现。
8.1.1化工流程模拟简介,化工过程模拟的基本方法:
通过数学模拟方法分析流程。
化工过程模拟的基本步骤:
建立化工系统的数学模型,通过对该数学模型的求解,以研究流程系统的整体特性。
化工过程数学模型的构成:
系统数学模型单元过程数学模型系统结构数学模型模型求解计算方法(算法)物性数据库,8.1.2化工流程模拟基础,数学模拟方法的优缺点优点:
经济性缩短研究周期研究过程稳定性与灵敏度缺点:
数据依赖性解算手段的限制(解析解与数值解),(刚性微分方程)应用范围的限制(假设前提)化工流程模拟与分析的主要用途系统的挖潜改造系统的最优操作单元过程的最优设计,8.1.2化工流程模拟基础,流程模拟的一般步骤,流程模拟的主要内容物料衡算和能量衡算单元设备尺寸和费用计算系统的技术经济评价,8.1.2化工流程模拟基础,机理模型,统计模型和混合模型机理模型:
描述过程的方程组,由过程机理出发,经推导得到,并由实验验证。
例2-1:
流体在圆管中作层流流动时其压力p的变化:
单元过程数学模型概述,可由于测粘度(在低粘度条件下)结果可外推求解困难(由于复杂的边界条件),8.1.2化工流程模拟基础,2.统计模型:
由实验数据,通过数据回归分析得到的纯经验数学关系式。
例2-2:
湍流状态下流体的给热过程数学模型:
此准数方程是根据实验数据,通过因次分析得到;无法外推。
单元过程数学模型概述,8.1.2化工流程模拟基础,3.混合模型:
对实际过程进行抽象概括与合理化简化,对简化的物理模型加以数学描述,得到的数学关系式。
例2-3:
管式固定床反应器:
理想流动+扩散性的轴向混合(回避复杂的解析解的边界条件),通过对过程的简化绕过数学上的困难;,物理上等效,数学上可解。
单元过程数学模型概述,8.1.2化工流程模拟基础,模型的简化(四个依据)1.简化而不失真恰当的简化假定既可使复杂的过程简化,又反应了过程基本的数量关系;只要求有限的意义和目的下与实际过程的等效性,部分范围和部分方面的等效性。
2.简化而满足应用要求模型的繁简程度决定其精确度,要求怎样的精确度是由其应用的目的所决定的;不同的应用目的需要从不同的着眼点建立模型。
单元过程数学模型概述,8.1.2化工流程模拟基础,3.简化使之适应实验条件以便模型鉴别和参数估计对于有效扩散系数,若实验测定比较粗糙,则精细的模型也是没有意义的;聚合反应动力学测定中,假定反应速率常数与聚合度无关。
该假定虽然粗略,却是与目前粗略的聚合物相对分子质量分布测定技术相适应的。
4.简化使之适应现有计算机的能力经典力学中关于质点的简化;平衡级模型,理想流体模型,有效膜理论等。
单元过程数学模型概述,8.1.2化工流程模拟基础,模型的建立和检验,单元过程数学模型概述,8.1.2化工流程模拟基础,可供选择的数学模型分类:
集中参数模型&分布参数模型(从参数分布程度角度)集中参数模型:
应变量不随空间坐标而变分布参数模型:
应变量随空间位置做连续的变化定态模型&非定态模型(从时间变量角度)定态模型:
应变量与时间变量无关非定态模型:
应变量随时间变量而变化,单元过程数学模型概述,8.1.2化工流程模拟基础,抽象到数学模型:
对于系统S,其状态可以用一个n维向量表示,和分别为输入和输出。
数学模型的推演:
从物料、能量、动量等衡算方程、化学平衡和相平衡方程,以及传递和反应等速率方程出发,基于宏观单元(集中参数)或基于微分单元(分布参数)。
单元过程数学模型概述,8.1.2化工流程模拟基础,模型的数学描述(由物理模型推导数学模型的步骤)列出有关变量物流变量中的独立变量:
C+2个独立变量(C:
组分数)设备参数与操作参数与外界的热量与功的交换列出全部的独立方程物流衡算,能量衡算,动量衡算压力平衡,化学平衡,相平衡反应动力学,传热速率,传质速率,流动阻力,单元过程数学模型概述,8.1.2化工流程模拟基础,模型的自由度(独立变量数)在求解模型之前,通过自由度分析确定独立变量数,可避免由设定不足或设定过度而引起的方程无解问题。
m个变量,n个方程,mn,方程组有无穷多个解;mn,方程组无解;m=n,方程组有唯一一组解;变量数m和方程个数n之间的差值即为自由度(Fr),即Fr=m-n,单元过程数学模型概述,8.1.2化工流程模拟基础,常用化工单元操作模型:
钝性流动器械(流股混合器,流股分割器)活性分离器械(精馏塔,吸收塔,萃取塔)平衡级器械(闪蒸器,等温,绝热)压力变化器械(泵,压缩机,膨胀机,节流阀)温度变化器械(换热器,再沸器,冷凝器,冷却器,加热炉)化学反应器(转化率反应器,化学计量反应器,平衡反应器)单元模块:
单元模型+解算方法可调用的子程序,Input&Output,化工模拟的基础Excel-BasedProcessSimulator,过程单元模型和模块,8.1.2化工流程模拟基础,1.流股混合器,组分数为C,i=1,2,3,C过程绝热变量数为m=3(C+2),过程独立方程压力平衡物料衡算焓平衡独立方程数:
n=C+2自由度Fr=mn=3(C+2)-(C+2)=2(C+2)=2C+4通过确定(2C+4)个独立变量的值,可对此混合器进行模拟计算。
1个,1个,C个,过程单元模型和模块,8.1.2化工流程模拟基础,2.绝热闪蒸器,组分数为C,i=1,2,3,C三股物流,独立变量数为:
m=3(C+2),过程单元模型和模块,8.1.2化工流程模拟基础,3.绝热闪蒸器,过程独立方程压力平衡热平衡物料衡算相平衡焓平衡共有(2C+3)个独立方程自由度Fr=3(C+2)-(2C+3)=C+3需要确定输入物流的(C+2)个变量+输出物流的一个变量。
1个,1个,C个(C个组分),1个,C个,过程单元模型和模块,8.1.2化工流程模拟基础,4.无相变换热器,变量分析:
物流变量:
传热面积A和传热系数K;变量总数:
10(无组分变化),过程单元模型和模块,8.1.2化工流程模拟基础,过程独立方程物料衡算热量衡算传热速率独立方程数:
4自由度Fr=104=6,2个,1个,1个,过程单元模型和模块,8.1.2化工流程模拟基础,5.氨合成塔的物料衡算模型,两股流,输入流与输出流,含氮、氢、氩、甲烷和氨。
各组分的浓度分别为:
反应式:
净氨值以表征氨合成塔性能,物流变量为:
流量与组成,和设备变量净氨值。
总变量数:
2X5+1=11数学模型为5个组分的物料衡算,5个独立方程自由度Fr=11-5=6,过程单元模型和模块,8.1.2化工流程模拟基础,6.间歇蒸馏釜,t时刻的物料量=(t+dt)时刻的物料量,釜内液体量,组成模型简化假设:
气液两相达到相平衡对于间歇过程,各个变量随时间变化根据不同时刻的总物质量相等,考虑在时间微团dt内物料的变化进行物料衡算,在dt时间内,气化量,气相组成,液相组成变化,过程单元模型和模块,8.1.2化工流程模拟基础,数学模型:
物料衡算方程边界条件相平衡方程,馏出液平均浓度,经时间后的馏出总量,过程单元模型和模块,8.1.2化工流程模拟基础,过程系统结构模型的表示方法工艺流程图结构单元图(信息流程图),氨合成系统工艺流程简图,过程系统的结构模型,8.1.2化工流程模拟基础,结构单元图(单元与物流)除去“循环机”与“冷却器”(无物流变量的变化)加入“混合器”,氨合成系统的结构单元图,过程系统的结构模型,8.1.2化工流程模拟基础,系统的结构模型条件:
由化工过程的工艺流程图得到系统的结构单元图后,各单元设备和各股物流已数字化根据图论中关于网络结构表达的概念,用一定的矩阵表示系统的结构。
表示系统结构的矩阵有多种形式:
过程矩阵(ProcessMatrix),关联矩阵(IncidenceMatrix),邻接矩阵(AdjacencyMatrix),过程系统的结构模型,8.1.2化工流程模拟基础,过程矩阵(ProcessMatrix),矩阵行的序号与结构单元的序号对应,各行中矩阵元素的数值为与该单元有关的物流号;流入该单元的物流号取正值,流出取负值;有关物流的次序是任意的。
过程系统的结构模型,8.1.2化工流程模拟基础,关联矩阵(IncidenceMatrix),矩阵行序号对应与结构单元号;列序号对应物流号;矩阵中每个元素的位置对应一个结构单元和一股物流;矩阵i行j列的元素值若为1,表示物流j流入单元i;若值为-1,则表示物流j流出单元i;若为0,则表示物流j和单元i之间无联系。
过程系统的结构模型,8.1.2化工流程模拟基础,第j列元素总和提供信息为0时,表示物流j是中间连接流;为+1时,系统输入流;为-1时,系统输出流;为0且+1出现在-1之前,循环流。
过程系统的结构模型,8.1.2化工流程模拟基础,邻接矩阵(AdjacencyMatrix),RARA=riji,j=1,2,n其中,如果有流股从单元i到单元j,则rij=1;反之,rij=0。
示例:
写出下列氨合成系统单元结构图对应的邻接矩阵,由单元,到单元,RA=,过程系统的结构模型,8.1.2化工流程模拟基础,例:
精馏塔系统的结构模型,工艺流程图,结构单元图,过程系统的结构模型,8.1.2化工流程模拟基础,例:
精馏塔系统的结构模型(续),过程系统的结构模型,8.1.2化工流程模拟基础,系统的结构模型过程矩阵、关联矩阵和邻接矩阵都是系统结构的模型,表明了系统由哪些单元组成以及这些单元之间的结构关系,它们在物理意义上是等价的,只是形式不同和适用于系统模型不同的求解方法。
邻接矩阵形式简单,便于进行矩阵运算。
过程矩阵适用于系统的顺序计算。
系统结构以矩阵形式表示,可输入计算机,结合单元过程的数学模型,建立系统的数学模型,进行系统的模拟计算。
过程系统的结构模型,8.1.2化工流程模拟基础,系统的结构模型表示了各单元之间的结构关系。
数学上,这种结构关系可以用联接方程表示。
例:
写出以下结构单元图中的联接方程(主要考察各流股的流量、温度、压力和组成)。
过程系统的结构模型,8.1.2化工流程模拟基础,例:
写出以下简化合成氨系统的数学模型(假设分离器为平衡分离器)。
该系统的数学模型包括:
混合器模型+合成塔模型+分离器模型+联接方程。
过程系统的结构模型,8.1.2化工流程模拟基础,混合器模型(混合模块),合成塔模型(反应模块),分离器模型(闪蒸模块),联接方程,过程系统的结构模型,8.1.2化工流程模拟基础,过程系统模型及其求解方法的特点:
化工系统数学模型是大型非线性方程组求解通用算法一般无效(由于多变量和非线性)必须建立适合化工系统特点的算法序贯模块法(SequentialModularMethod)联立方程法(EquationBasedMethod)联立模块法(SimultaneousModularMethod),过程系统结构模型求解方法概述,8.1.2化工流程模拟基础,序贯模块法基本思想:
通过模块依次序贯计算求解系统模型的方法基本过程:
建立单元模块。
对每一类过程单元设备编制一计算机子程序,包含模型方程和模型求解程序。
(举例),单元模块,序贯模块法,8.1.2化工流程模拟基础,根据过程系统流程的结构模型确定模块的计算顺序。
序贯计算各单元。
当过程系统结构中无循环时,简单顺序计算;当过程系统中有循环时,需对循环流进行切断并对该物流参数进行假设以进行迭代计算。
序贯模块法,8.1.2化工流程模拟基础,例:
写出简化合成氨系统的序贯模块法计算的顺序。
输入系统输入流变量和的给定值;假定循环流变量和的初始值;调用混合模块,计算混合器单元的输出和;利用联接方程,使;,序贯模块法,8.1.2化工流程模拟基础,例:
写出简化合成氨系统的序贯模块法计算的顺序。
调用反应模块,计算反应器的输出和;利用联接方程,使;调用闪蒸模块,计算分离器的输出和;考察和与和的差值。
如果差值大于预定的精度要求,则利用一定的迭代法修正和的假定值,重复步骤(3)-(8)。
若差值已满足精度要求,最后一次迭代计算得到的和即为该系统模型的解。
序贯模块法,8.1.2化工流程模拟基础,例:
写出简化合成氨系统的序贯模块法计算的顺序。
序贯模块法,8.1.2化工流程模拟基础,序贯模块法是目前应用最广的化工系统模拟计算方法序贯模块法的基本问题是寻找独立子系统(不可再分块)及确定其计算顺序;确定包含循环流子系统的断裂流股及其计算顺序;选择迭代变量;确定修正循环流假定值的迭代方法。
序贯模块法,8.1.2化工流程模拟基础,序贯模块法中的多重迭代,外层迭代是建立在内层多次迭代并收敛的基础上的。
因此,设计计算和优化计算的效率比较低。
序贯模块法,8.1.2化工流程模拟基础,优点:
与实际过程的直观联系强;模拟系统软件的建立、维护和扩充都很方便,易于通用化;计算出错时易于判断出错位置。
缺点:
计算效率低下对于设计型问题:
系统或单元设备的输出规定在模块计算中无法直接输入,必须在序贯计算结束后才能判断是否满足设计规定。
对于优化型问题,序贯模块法,8.1.2化工流程模拟基础,基本思想:
将描述整个过程系统的数学方程式联立求解,从而得出模拟计算的结果。
本质:
大型非线性方程组的建立与求解。
(且方程组系数矩阵为稀疏矩阵),联立方程法,8.1.2化工流程模拟基础,主要问题:
如何保证收敛的稳定性;众多变量的初值的适当选取。
一般方法:
牛顿-拉夫逊法,拟牛顿法、马夸特法等。
联立方程法,8.1.2化工流程模拟基础,过程系统数学模型的特点1.高维数大型非线性方程组物性估算方程:
计算纯组分和混合物在各种状态下(温度,压力)的物性。
单元模型方程:
包括物料平衡方程,焓平衡方程,反应动力学方程,化学平衡方程,相平衡方程,三传方程等。
联接流方程:
描述过程系统结构拓扑关系的系统联接方程。
设计规定方程:
设计所规定的期望调整。
联立方程法,8.1.2化工流程模拟基础,2.方程组的复杂性线性代数方程:
物料平衡方程非线性代数方程:
化学平衡方程,热力学方程,物性估算方程微分方程:
化学反应动力学方程(常微分方程)偏微分方程:
描述反应器内部传递特征的偏微分方程,联立方程法,8.1.2化工流程模拟基础,3.方程组的稀疏性过程系统由很多单元组合而成,系统的总变量数很大;通常,每个单元仅涉及少数几个方程;每个方程仅涉及少数几个变量;无论描述全系统的方程组的维数有多高,函数关系有多复杂,其方程的特征还是稀疏的。
联立方程法,8.1.2化工流程模拟基础,方程的稀疏程度可由稀疏比表示,为描述系统的方程组阶数,为方程线性化后,其系数矩阵含有的非零元素数目。
过程系统方程组的稀疏比一般在0.2%-0.5%之间。
联立方程法,8.1.2化工流程模拟基础,4.变量初值给定的困难性对于变量初值的限制主要来自于:
化工背景决定的物理意义的限制;数学上函数定义域的限制;错误设定变量初值的后果:
数值计算失败。
联立方程法,8.1.2化工流程模拟基础,过程系统数学方程组的建立,连接方程:
根据系统的拓扑结构得到;设计规定方程:
按照用户对流股变量的设计要求写出;系统单元的数学模型:
按照单元模块中描述单元特性的方程组得到;(单元模块用来作为单元模块方程的发生器,提供有关的数学模型方程,并非用来求解单元模块的输出)物性估算方程:
根据纯组分或混合物组分的热力学特性,选择适当的热力学物性估算方程,并注意保持其热力学上的一致性。
联立方程法,8.1.2化工流程模拟基础,优点:
解算系统模型快速有效;对设计、优化问题灵活方便,效率较高。
被认为是求解过程系统的理想方法。
联立方程法,8.1.2化工流程模拟基础,缺点:
需要较大的内存和比较复杂的计算程序,如稀疏矩阵技术;无法利用序贯模块法中花费大量人力、物力开发的单元模块;方法的灵活性导致用户容易作出自相矛盾的规定。
当运算出错或发散时,诊断比较困难。
联立方程法,8.1.2化工流程模拟基础,序贯模块法与联立方程法的比较,联立模块法的基本思路:
集序贯模块法与联立方程法之长,联立模块法,8.1.2化工流程模拟基础,利用严格模块产生相应的简化模型方程的系数,然后将流程各单元简化模型与物流联结方程联立求解,得到系统的一组状态变量。
由于简化模型是严格模型的近似,所得状态变量往往不满足各单元的严格模型,必须用严格模块再次修正简化模型的系数。
重复这一过程,直至收敛。
联立模块法,8.1.2化工流程模拟基础,
(1)用简化模型组成的方程组的联解,代替序贯模块法的回路迭代计算,计算效率较高。
尤其处理带有多重再循环物流或有设计规定要求的问题时,具有较好的收敛行为。
(2)简化模型方程组的维数比联立方程组中严格模型方程组的维数小很多,是线性方程组,易于联立求解。
简化模型的方程组只涉及单元的输入、输出变量,不涉及单元内部变量。
联立模块法,8.1.2化工流程模拟基础,(3)可以利用丰富的序贯模块资源,且基于模块的计算过程使模拟出现错误时,更容易进行错误诊断。
联立模块法的计算效率主要依赖于简化模型的形式。
简化模型是严格模块的近似,同时具有容易建立、求解方便的特点。
联立模块法,8.1.2化工流程模拟基础,基本步骤:
利用近似的线性模型代替各单元过程的严格单元模块模型;将所有单元简化模型构成的线性方程组联立求解。
联立模块法,8.1.2化工流程模拟基础,单元过程的近似模型是用一组线性方程组来表示单元设备的输入变量和输出变量之间的函数关系:
是该单元设备的第个输出变量;是该单元设备的第个输出变量;为系数。
该近似模型由严格模型的线性化得到,或由单元模型的输出与输入关系的线性关联得到。
联立模块法,8.1.2化工流程模拟基础,联立模块技术:
1962年,Rosen提出,采用线性分率模型Rosen的线性分率模型的质量不高,与原非线性方程的等效性较差,因此应用并不成功。
但这一解决问题的思路为联立模块法奠定了基础。
联立模块法,8.1.2化工流程模拟基础,Mahalecetal.(1971)、Umeda&Nisho(1972)吸收了Rosen的思想,采用微分分率模型或差商近似Jacobian矩阵代替线性分率模型,提高了近似线性模型的精度,使联立模块法实用化。
联立模块法,8.1.2化工流程模拟基础,联立模块法的优点:
可直接处理设计规定方程,解设计型问题效率远高于序贯模块法;采用有效而可靠的方法求解系统的线性模型,收敛速度快;,联立模块法,8.1.2化工流程模拟基础,联立模块法的优点:
计算过程中,无需计算内部变量(如精馏塔各塔板上的气液相流量,温度和组成等),仅需要计算外部变量,即单元模块的输入和输出物流变量,因此与联立方程法(需要计算所有外部和内部变量)比较,方程组维数和所需内存都得到很大的降低;可以运用已有模块进行单元模块线性化计算,可以充分利用序贯模块法在单元模块方面的丰富积累。
联立模块法,8.1.2化工流程模拟基础,联立模块法中最困难的是如何选择线性近似模型的问题。
如果选用的近似模型太简单,大多数系数为零,可能导致计算不收敛。
如果近似模型不够简化,则系数的数目可能很大,利用严格模型的计算结果进行回归会遇到可能。
联立模块法,8.1.2化工流程模拟基础,就模拟方法而言,从序贯模块法的直接迭代、部分迭代、Wegstein法、牛顿法,到联立模块法的回路切割方式、流股变量半切割方式、流股变量全切割方式,再到联立方程法的方程组分解降阶、全系统全变量联立求解的方法,是一个逐步渐变的过程,可以看作是一系列不同的加速收敛的方法。
联立模块法,8.1.2化
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- 第八 流程 模拟 软件 简介 及其 应用