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1、过程系统模拟的基本方法第1页，本讲稿共89页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第2页，本讲稿共89页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
2、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第3页，本讲稿共89页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4页，本讲稿共89页第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
3、能的总机体过程系统：由各种过程构成的系统第5页，本讲稿共89页流程: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第6页，本讲稿共89页模型：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，并对结果作出解释第7页，本讲稿共89页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 第
4、8页，本讲稿共89页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：第9页，本讲稿共89页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，换热量第10页
5、，本讲稿共89页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+进料自由度第11页，本讲稿共89页第节 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.系统结构的识别第12页，本讲稿共89页1.过程系统结构有向图节点边第13页，本讲稿共89页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-边弧相邻矩阵第14页，本讲稿共89页节点相邻矩阵相邻矩阵定义为：式中，m为节点数目；sij为矩阵元素，定义为第15页，本讲稿共89页第16页，本讲稿共89页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
6、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通路法第17页，本讲稿共89页方程系统识别-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。第18页，本讲稿共89页例第19页，本讲稿共89页过程系统识别不相关子系
7、统分析不可分隔子系统可及矩阵第20页，本讲稿共89页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第21页，本讲稿共89页可及矩阵法识别不相关子系统的准则：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：同属一个回路的节点当满足该条件的节点数量大于时，说明坐在公用一个节点的复合回路第22页，本讲稿共89页可及矩阵法识别不可分隔子系统依据：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
8、经段弧可以到达节点j第23页，本讲稿共89页矩阵运算规则：矩阵运算规则：矩阵间：阵代数规则矩阵元素：布尔代数原则 布尔乘法布尔加法第24页，本讲稿共89页例第25页，本讲稿共89页系统网络图 第26页，本讲稿共89页例求解顺序：H-ABCDE-FG-I第27页，本讲稿共89页第第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第28页，本讲稿共89页一、基本原理一、基本原理混合器Submix(F1,F2,P1)P1=F1+F2EndSub分割器SubSPLT(F1,P1,P2,ALFA)P1=F1*ALFAP2=F1*(1-ALFA)EndSub收敛
9、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)第29页，本讲稿共89页设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。第30页，本讲稿共89页序贯模块法模块
10、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/设计规定积木式第31页，本讲稿共89页断裂位置的影响：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第32页，本讲稿共89页二、再循环流股的断裂二、再循环流股的断裂方法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第33页，本讲稿共89页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）第34
11、页，本讲稿共89页抉择依据：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；收敛速度第35页，本讲稿共89页2.2 回路矩阵 回路A:单元S2IIIS4回路B:单元IS1S2IIIS5I回路C:单元IS1S2IIIS3S6I回路D:单元S2IIIS3S7第36页，本讲稿共89页回路矩阵 矩阵元素aij定义为第37页，本讲稿共89页2.3 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
12、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 第38页，本讲稿共89页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。第39页，本讲稿共89页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已知，可由于全部回路被打开，至少会有一个单元的全部输入条件
13、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！的输入流股，产生连锁效应！第40页，本讲稿共89页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第41页，本讲稿共89页例 第42页，本讲稿共89页非多余断
14、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次次第43页，本讲稿共89页三、断裂流股变量的收敛 第44页，本讲稿共89页收敛单元功能 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 第45页，本讲稿共89页收敛单元的要求 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
15、响第46页，本讲稿共89页数值稳定性好数值稳定性单调收敛第47页，本讲稿共89页续数值稳定性振荡收敛第48页，本讲稿共89页续数值稳定性单调发散第49页，本讲稿共89页续数值稳定性振荡发散第50页，本讲稿共89页收敛速度快 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第51页，本讲稿共89页占内存小 第52页，本讲稿共89页四、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法第53页，本讲稿共89页阻尼直接迭代法 q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
16、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。第54页，本讲稿共89页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较好适中第55页，本讲稿共89页收敛判据 绝对误差 相对误差 第56页，本讲稿共89页五、解决设计问题 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S4
17、S4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 在在收收敛敛单单元元内内比比较较S5S5和和设设计计值值，若若两两者者不不相相等等则则返返回回，若若相相等则计算结束等则计算结束第57页，本讲稿共89页同时收敛策略 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第58页，本讲稿共89页第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常用软件介绍第59页，本讲稿共89页一、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
18、第60页，本讲稿共89页1 联立方程法原理Sub 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，系统方程组单元模型只提供方程，系统方程组一起求解一起求解无循环物流及设计规定的特殊处理问无循环物流及设计规定的特殊处理问题题第61页，本讲稿共89页1.1模拟结构 循环物流方程设计规定方程仅提供方程仅提供关联式多!特殊处理第62页，本讲稿共89页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
19、子程序调用第63页，本讲稿共89页 1.3 序贯法与联立方程法的对比 第64页，本讲稿共89页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：慢第65页，本讲稿共89页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第66页，本讲稿共89页1.3.2 面向方程法缺点 要求提供较好的
20、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。第67页，本讲稿共89页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第68页，本讲稿共89页第69页，本讲稿共89页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第70页，本讲稿共89页二、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第71页
21、，本讲稿共89页三、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第72页，本讲稿共89页1.流程模拟系统结构第73页，本讲稿共89页2.模拟步骤第74页，本讲稿共89页 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1，7234，856，9输出物流号1，8234，596，7第75页，本讲稿共89页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
22、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76页，本讲稿共89页四、典型流程模拟软件1.著名通用流程模拟软件平台及适用范围20世纪50年代中期开始流程模拟软件的研制和开发1958年美国AI.W.Kellogg公司推出了世界上第一个化工模拟程序Flexible Flowsheeting在80年代，化工过程模拟进入成熟期，模拟软件的开发、研制走向了专业化、商业化到了21世纪初，流程模拟商业化软件更是到达了一个比较成熟的阶段，涌现出了大批的模拟软件第77页，本讲稿共89页常见的化工模
23、拟软件ASPEN PLUS、HYSYS、PRO/IIgPROMS、CHEMCAD、VMGSimDesign II、ECSS 第78页，本讲稿共89页ASPEN PLUS大型通用流程模拟系统，美国AspenTech公司出品全球各大化工、石化、炼油等过程工业制造企业及著名的工程公司都是Aspen Plus的用户。在实际应用中，Aspen Plus 可以帮助工程师进行工艺过程的能量和质量平衡计算，用于装置标定；预测物流的流率、组成和性质；预测操作条件、设备尺寸；设计一个新的工艺过程、查找一个原油加工装置的故障或者优化一个乙烯全装置的操作等工程和操作的关键问题官方网站：http:/www.AspenT
24、 Process Modeling System）是英国PSE公司开发的通用工艺过程模拟系统特点是可建造任何反应过程、分离过程、多个过程的组合特别适用于任何新的工艺过程的研究开发，因为它可以做研发过程的实验设计，过程建模及参数的估值、数据的统计分析，如数据校验、一致性检验、残差分析等。由于它擅长于求解对时空变量的偏微分方程组，所以特别适用于动态过程的建模便于建立仿真培训系统，进行生产装置开工过程的培训、指导、控制，它可以是在线的，也可以是离线的，并可以对动态和稳态过程进行优化控制已广泛用于化学工业、石油化工、石油和天然气加工、造纸、精细化工、食品工业、制药及生物制品技术等加工行业。官方网站：h
25、ttp:/ II美国WinSim Inc.公司开发的流程模拟软件经过近30年的开发和改进，Design II已经成为流程模拟变革的先驱；许多Design II的革新，如在线Fortran和严格塔计算，均已确立了流程模拟的标准。官方网站：http:/www.WinS 加拿大Virtual Materials Group公司的产品VMGSim的核心成员是HYSIM/HYSYS的原始开发人员VMGSim 作为计算准确，功能强大以及高性价比的稳态流程模拟软件，可以详细预测工艺装置和工厂的性能，有效的帮助工程师达到提高操作效率，改善产品质量，实现节省投资，降低操作费用，提高效益，安全生产的目标。官方网站
26、：http:/www.VMGS http:/ PlusHysysPRO/II历历史背景史背景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SimulationScience公司开发(70年代)单单元操作模型元操作模型库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种有物性物性计计算系算系统统纯化合物数目VLE双元交互系数电解质系统可用gPROMS、OLI、PC-SAFT、DIPPR、AspenPropertiesPlus等CAPE-OPEN物性数据库5941个40,000组
27、有2000多种18,0002000多种3000多组有特种工特种工艺艺系系统统模型模型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优化化计计算算有有有有经济经济核算核算有有/有部分动态动态模模拟计拟计算算均为动态(稳态时间方程为零)需AspenDynamics连接可直接转入动态模拟与Dynsim连接进进中国市中国市场时间场时间2002年80年代初90年代80年代末常见流程模拟软件对比第87页，本讲稿共89页第88页，本讲稿共89页第89页，本讲稿共89页