第4章-过程系统模拟的基本方法ppt课件.ppt

第4章 化工过程模拟的基本方法主要内容过程单元过程单元 过程单元的自由度过程单元的自由度 过程单元的模型化与模拟过程单元的模型化与模拟过程系统过程系统 过程系统的自由度过程系统的自由度 系统结构的识别系统结构的识别 系统的分解系统的分解序贯模块模拟法序贯模块模拟法 原理原理 寻找最佳断裂流股寻找最佳断裂流股 断裂流股的收敛断裂流股的收敛 面向方程模拟法及联立模块模拟法原理面向方程模拟法及联立模块模拟法原理 过程系统的优化过程系统的优化常用商业化流程模拟软件简介常用商业化流程模拟软件简介公司结构常减压催化焦化重整芳烃原油原油产品产品产品产品炼油厂换热器车间塔器车间钢材钢材产品产品产品产品机械厂石化公司不相关子系统不可分隔子系统回路系统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REACTORFEEDRECYCLEREAC-OUTCOOLCOOL-OUTSEPPRODUCT 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) Dhem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 未知组成：C+2已知组成：2 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l列方程法：列出现象方程、限制方程等 自由度=变量数-方程数l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l公式分析法：r个化学反应g个结构变量1.n1.sWPniiUgrescd1)() 1()2(常见过程单元自由度单元名称自由度数常规指定变量混合器0分流器S-1流量分配比闪蒸器2闪蒸温度、压力泵、节流阀1出口压力压缩机/膨胀机2绝热多变效率，出口压力换热器1某一物流出口温度反应器2+r反应程度，绝热，压降常规精馏塔5塔板数，进料位置，R, B, 操作压力平衡级3侧线抽出比，压力，换热量过程系统自由度 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=单元自由度+进料自由度反应器A (B,C)C(A ,B)放空产品精馏进料A (B)C,A (B)(a)(b)反应器加热器混合器进料压缩机调节阀精馏塔分割器产品产品(c)123456798104555555555第节 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反应器A (B,C)C(A ,B)放空产品精馏进料A (B)C,A (B)(a)(b)反应器加热器混合器进料压缩机调节阀精馏塔分割器产品产品(c)123456798104555555555节点边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3. 系统结构的识别可及矩阵法 不相关子系统不相关子系统 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：在mm事件矩阵M中，选出非零元素最多的列k。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jm的布尔矩阵记做M(0)；重复，从而得到序列M，M(0)，M(N)；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111111143214321ffffxxxx11111141324321ffffxxxxxxxxffff123423141111过程系统识别 不相关子系统 分析 不可分隔子系统 可及矩阵公司结构常减压催化焦化重整芳烃原油原油产品产品产品产品炼油厂换热器车间塔器车间钢材钢材产品产品产品产品机械厂石化公司不相关子系统不可分隔子系统回路系统系统网络图 ABCDEFGIHS12S11S10S9S8S5S6S7S13S3S4S2S1求解顺序：H-ABCDE-FG-I第第3 3节节 序贯模块模拟法序贯模块模拟法 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、基本原理一、基本原理SPLTMIXS1S2S3S4混合器 Sub mix(F1,F2,P1) P1=F1+F2End Sub分割器Sub SPLT(F1,P1,P2,ALFA) P1=F1*ALFA P2=F1*(1-ALFA)End Sub 收敛单元S4S4单元子程序内容： 基础数据 单元方程组 求解算法单元子程序功能： 根据给定的进料 条件和设备参数， 计算出单元输出 结果(预测型)设S1=10kmol/h，分割比=0.5, 进行流程模拟计算 解 设S4=0，进行MIX的模拟计算S2=S1+S4=10+0=0 进行分割器的模拟计算S4=S2=0.510=5 比较S4与S4 现假设S4=10，由MIX模块计算得到S2=S1+S4=10+10=20 进行分割器的模拟计算S4=S2=0.520=10 计算得S4与假设S4的数值相等，假设正确。 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 单向性单元操作输入输出设计规定流程计算 收敛单元-循环流/设计规定 积木式断裂位置的影响：SPLTMIXS1S2S3S4如果如果S2S2与与S4S4的自由度不同，需迭代的变量数也将不同的自由度不同，需迭代的变量数也将不同二、再循环流股的断裂二、再循环流股的断裂ABCD(a)ABCD(b)ABCD(c)方法1方法2原则：原则：将所有闭合回路全部打开将所有闭合回路全部打开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（满足（4）的基础上，选（）的基础上，选（1）或（）或（2）抉择依据：最少计算时间 计算时间：计算时间：断裂方式；流程及变量灵敏度有效计算时间： 流程计算；断裂流股迭代 迭代时间： 迭代次数；收敛速度2.2 回路矩阵 S1S2S3S4S6S7S5(2)(3)(2)(9)(2)(3)(4)回路A: 单元S2IIIS4回路B: 单元IS1S2IIIS5I回路C: 单元IS1S2IIIS3S6I回路D: 单元S2IIIS3S7回路矩阵 矩阵元素aij定义为aijijij10,回路 包含流股回路 与流股 无关。SSSSSSSABCD12345671111111111112.3 UpadhyeGrens断裂法(II) 1) 有关术语 有效断裂组有效断裂组 能够把全部简单回路至少切断一次的断裂流股的集合。 S2, S1, S3, S4，S1, S2, S5 S1, S3 多余断裂组多余断裂组 若从一个有效断裂组中至少可以除去一个流股，而且得到的断裂组仍为有效断裂组；或者存在着对一个回路的二次断裂。 S1, S2, S5 S1, S3, S4 S1S2S3S4S6S7S5(2)(3)(2)(9)(2)(3)(4) 非多余断裂组非多余断裂组 除去多余断裂组以后的有效断裂组。 断裂族断裂族 具有相同计算顺序的有效断裂组的集合。 2)、替代规则 令D1为一有效断裂组，Ai为全部输入流股均属于D1的单元，将Ai的所有输入流用Ai的全部输出流替代，构成新的断裂组D2 ，则 D2也是有效断裂组 对直接迭代，D2与D1具有相同的收敛性质 由于全部回路被打开，至少会有一个单元的全部输入条件由于全部回路被打开，至少会有一个单元的全部输入条件已知，可以作为计算的起点，计算出其输出流股。而该流股已知，可以作为计算的起点，计算出其输出流股。而该流股又将作为后续单元的输入流股，产生连锁效应！又将作为后续单元的输入流股，产生连锁效应！3)、Westerberg算法从任何一有效断裂组开始，运用替代规则如果在任何一步中出现重复断裂组，则消去其中的重复流股，消去重复流股后形成的新断裂组作为新的起点重复、，直到没有重复断裂组出现，且每个树枝上的断裂组重复出现为止，从最后一个新的起点开始，其后出现的所有不重复的断裂组构成非多余断裂族非多余断裂族中总数最小的断裂组为最优断裂组例 S1S2S3S4S6S7S5(2)(3)(2)(9)(2)(3)(4)非多余断裂组非多余断裂组断裂变量数S29S1, S4, S72+3+2=7S3, S4, S52+3+3=8S4, S5, S6, S73+3+4+2=12准则1准则2全部满足准则4：每个回路都断裂，且只断裂每个回路都断裂，且只断裂1次次三、断裂流股变量的收敛 过程系统过程系统模块收敛模块xy=g(x)(a)(b)系统流程模拟流程收敛单元功能 提供循环流x的初值x。根据初值x，及其它输入条件进行流程计算，求出循环流出口值y，比较x和y，若x与y之差满足精度要求则停止计算，否则转。根据x与y值以一定的方式产生x的新估计值x1，转 收敛单元的要求 对初值要求不高 易得，不易引起迭计算的发散 提供的初值组数少 例: 初值的影响数值稳定性好 数值稳定性xx*k单调收敛续 数值稳定性xx*k振荡收敛续 数值稳定性xx*k单调发散续 数值稳定性xx*k振荡发散收敛速度快 影响收敛的速度主要因素： 迭代次数 流程计算次数(Pass) 迭代中矩阵求逆次数占内存小 四、常用迭代法 直接迭代法 有界Wegstein法 Broyden法 主特征值法 联立超松弛法 Newton-Raphon法 Marquardt法阻尼直接迭代法 )()1 (1kkkxgqqxx无意义稳定性下降外推迭代，加速收敛，定性带阻尼的迭代，改善稳直接迭代法10100qqqqq取值的一般原则： 稳定性较好流程，取小于零，加快收敛速度 如合成氨过程取q = - 0.75。 收敛速度快稳定性差，可取01，以改善稳定性 如反应器q = 0.5。 几种收敛策略的比较 方法偏导数函数计算次数稳定性速度直接迭代法否1较好慢Newton-Raphon法是n较差快Broyden法否1较好适中Marquardt法是n好适中Wegstein法否1较好适中主特征值法否1较好适中收敛判据 绝对误差 相对误差 )()(kkkxgxxfkkxxf)(五、解决设计问题 MIXDISTS2S3S5S1RECS4控制模块CONV估计反应单元的温度为估计反应单元的温度为T T估计再循环物流估计再循环物流S4S4依次计算混合单元、反应单元、分离单元，得到新的依次计算混合单元、反应单元、分离单元，得到新的S4S4的的比较比较S4S4与与S4S4，若两者相等则进行下一步，若不相等则返回，若两者相等则进行下一步，若不相等则返回 在收敛单元内比较在收敛单元内比较S5S5和设计值，若两者不相等则返回和设计值，若两者不相等则返回，若，若相等则计算结束相等则计算结束同时收敛策略 控制模块的设置增加了迭代循环圈，导致计算量的增加 D设计规定向量 H过程系统方程组 p决策变量与系统参数向量G x pxH x pD( , )( , )00第4节 常用流程模拟软件简介 主要内容：流程模拟技术的进展流程模拟软件的结构一、流股模拟技术的进展 流股模拟技术序贯模块法联立方程法（面向方程法）联立模块法1 联立方程法原理SPLTMIXS1S2S3S4Sub flow( S1, ALFA, S2, S3, S4 ) S2 = S1 + S4 混合器模型 S3 = S2 * ALFA S4 = S2 * ( 1 ALFA ) 分割器模型End Sub 特点：特点：单元模型只提供方程，系统方程单元模型只提供方程，系统方程组一起求解组一起求解无循环物流及设计规定的特殊处无循环物流及设计规定的特殊处理问题理问题1.1模拟结构 数据输入校核产生方程组方程组排序提供初值单元模块库求解方程组稀疏方程求解器热力学数据库打印循环物流方程设计规定方程仅提供方程仅提供关联式多!特殊处理1.2 物性系统的处理 占用7080%的计算量 处理方法： 1）不提供方程组，仅提供子程序 2）提供 K, H 的方程组，其它物性由子程序调用 1.3 序贯法与联立方程法的对比 1.3.1 序贯模块法优点： 与实际过程的直观联系强， 软件的建立、维护和扩充很方便； 易于通用化； 需要的计算机内存较小； 易于诊断出错位置； 缺点： 循环物流及设计问题：慢1.3.2 面向方程法 优点 便于实际用户的提出的质量性能要求。 有设计规定的系统，仅增加几个方程 用空间换取时间。 相同的过程单元出现多次，将占用更多的 存储空间，自由度的选择也可能各不相同 以空间换取求解的数值稳定性。 有较多回流高度交互作用流程相对容易收敛1.3.2 面向方程法 缺点 要求提供较好的初值 难于自动产生流程的模型方程组， 难以通用化 不容易诊断出现错误的地方。 2. 联立模块法 联立模块法又称双层法，将过程系统的近似模型方程与单元模块交替求解 联立模块法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时收敛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模块。ASCEND（美）SPEEDUP（英）（双层法）联立模块法可以利用前人开发的单元操作模块；可以避免序贯模块法中的循环流迭代；比较容易实现通用。将严格模型做成简化模型时，需要花费机时；用简化模型来寻求优化时，其解与严格与严格模型优化解是否一致，有争论。TISFLO（德）FLOWPACK（英）二、过程系统优化模型的建立过程模拟模型给定参数可调参数经济模拟模型经济参数最优化程序过程约束条件经济约束条件经济特性指标三、过程系统模拟软件的结构 流程模拟软件类型 通用软件 专用软件1. 流程模拟系统结构用 户输 入输 出执行系统单元模块程序包数值计算程序包物性系统程序包物性数据库用户界面内部系统功能系统模拟计算设计计算模拟分析优化计算2. 模拟步骤 输入流程拓朴结构信息 输入单元计算所需的必要信息，选择物性及热力学性质，传递性质计算方法 进行全流程的模拟计算 解释、考核计算结果单元名称进料混合器1反应器精馏塔混合器2分流器产品输入物流号1，7 234，856，9输出物流号1，8234，596，7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，确定迭代方法软件名称软件名称gPROMSAspen PlusHysysPRO/II历史背景历史背景1997由英国帝国理工学院开发成功1981年在美国麻省理工学院MIT开发成功加拿大HyproTech从80年代开发Simulation Science 公司开发(70年代)单元操作模型库单元操作模型库三相闪蒸多级分离塔模型反应器模型固体处理操作 有8种8种可以 有8种7种可以 有可以自由组合5种/ /7种6种有物性计算系统物性计算系统纯化合物数目VLE双元交互系数电解质系统可用gPROMS、OLI、PC-SAFT、DIPPR、Aspen Properties Plus等CAPE-OPEN物性数据库 5941个40,000组有 2000多种18,000 2000多种3000多组有特种工艺系统模型特种工艺系统模型GLC气液接触模型、固定床反应器模型、溶液结晶模型、聚合过程模型、燃料电池模型多种PEP工艺模型（SRI的工艺包）与SPYRO软件接口炼油专用模块 RefSYS, 包括催化裂化，催化重整反应，异构化反应器，烷基化反应器，加氢裂化反应器，加氢精制/处理反应器炼油厂各种典型装置模型优化计算优化计算有有有有经济核算经济核算有有/有部分动态模拟计算动态模拟计算均为动态(稳态时间方程为零)需Aspen Dynamics连接可直接转入动态模拟与Dynsim连接进中国市场时间进中国市场时间2002年 80年代初 90年代 80年代末 常见流程模拟软件对比