工业过程的稳态模型与仿真课件

1、第二章第二章: 工业过程的稳态模型化与仿真工业过程的稳态模型化与仿真主要内容主要内容 稳态模型及其作用; 建立稳态模型的基本原理; 稳态模型的求解方法; 一个理想二元蒸馏塔的稳态模型化与仿真。稳态模型及其作用稳态模型及其作用 稳态模型是反映一个系统输入与输出定常关系的一种关系； 稳态模型是工业过程开发与设计的主要工具； 稳态模型能够用于工业过程的操作与控制； 稳态模型能够用于工业过程的优化。工业过程的稳态模型化原理工业过程的稳态模型化原理 物料平衡原理； 能量平衡原理； 动量平衡原理； 其它相关原理； 反应动力学与平衡，汽液平衡等。稳态模型的求解策略稳态模型的求解策略 操作型求解策略；操作型求

2、解策略； 给定工业过程的结构与操作条件，要给出能够导致的操作结果。 设计型求解策略；设计型求解策略； 给定要实现的操作结果，要给出具有一定结构的工业过程的操作条件。蒸馏塔的操作问题蒸馏塔的操作问题 给定一个蒸馏塔当前的操作情况，确定操作变量的调整，以使得该系统能够实现所要求的混合物的分离操作。 主要决策变量主要决策变量: 1. 回流量; 2. 再沸器的热负荷。 主要输出变量主要输出变量: 1. 塔顶产品浓度; 2. 塔底产品浓度。蒸馏塔的设计问题蒸馏塔的设计问题 给定一个要分离的混合物的流量及组成，确定一个蒸馏塔的结构与操作条件，使得该系统能够实现最佳的分离操作。 主要决策变量主要决策变量:

3、1. 塔顶产品浓度; 2. 塔底产品浓度。 主要输出变量主要输出变量: 1. 回流量; 2. 再沸器的热负荷。稳态仿真的其它问题稳态仿真的其它问题 稳态模型的预测精度；稳态模型的预测精度； 模型的复杂性、模型的校正。 稳态模型的非线性问题；稳态模型的非线性问题； 初值的灵敏性、多解性。 算法的复杂性和计算强度；算法的复杂性和计算强度； 影响模型性能的主要指标。 算法的收敛性；算法的收敛性； 决定模型的成败。例子例子: 一个理想一个理想二元蒸馏塔的模型化与仿真二元蒸馏塔的模型化与仿真 给定一个二元精馏塔，分离由物质A和B组成的混合物，其相对挥发度为2。进料流量为100 mol/s, 进料浓度是A

4、:B = 0.5:0.5。塔顶产品浓度为0.95(A), 塔底产品浓度也为0.95(B)。 操作压力是9 bar。气化潜热为6944 cal/mol (满足衡分子流假设)。塔板稳态滞液量为1 kmol。冷凝器和再沸器的稳态液量分别为30 kmol。塔板水力学时间常数是8秒。理想二元蒸馏塔的结构理想二元蒸馏塔的结构理想二元蒸馏塔的模型化理想二元蒸馏塔的模型化-物料平衡方程物料平衡方程 冷凝器（ j = 1 ）: (1.1)V2*yi,2-L1*xi,1-D*xi,1 = 0 中间塔板（ 1 j N ）: (1.2)Vj+1*yi,j+1 +Lj-1*xi,j-1 - Lj*xi,j - Vj*y

5、i,j + Fj*zi,j= 0 再沸器（ j=N ）: (1.3)LN-1*xi,N-1 - LN*xi,N - VN*yi,N = 0（j为塔板编号，i为组分编号）理想二元蒸馏塔的模型化理想二元蒸馏塔的模型化-能量平衡方程能量平衡方程 冷凝器（ j = 1 ）: (2.1)V2*H2-L1*H1-D*H1 = 0 中间塔板（ 1 j N ）: (2.2)Vj+1*Hj+1 + Lj-1*Hj-1 - Lj*Hj - Vj*Hj +Fj*Hj= 0 再沸器（ j = N ）: (2.3) LN-1*HN-1 - LN*HN - VN*HN = 0（j为塔板编号）理想二元蒸馏塔的模型化理想二元

6、蒸馏塔的模型化-能量平衡方程能量平衡方程 当假设组分A与B的潜热相等，且显热忽略的情况下，能量平衡方程可简化为： 精馏段（ 1 j F-1 ）： Lj= L1； Vj=VF+1+F*(1-q) (3.1) 提馏段（ F+1 j = 10-8？否调整回流量及再沸器负荷，继续进行xtov和Mbalance的计算并得到最大误差covcov = 10-8？得到计算结果，画出塔内气液相流量，温度，组成分布曲线结束否是是稳态仿真程序介绍稳态仿真程序介绍 主程序； 物性数据子程序； 汽液平衡、上升气体及下降液体流量计算子程序； Newton-Raphson迭代子程序；稳态仿真结果稳态仿真结果-塔板温度的分布

7、塔板温度的分布 05101520253035塔板编号355360365370375温度（K）温度分布稳态仿真结果稳态仿真结果-汽相浓度的分布汽相浓度的分布05101520253035塔板编号0.20.40.60.8浓度（mole fraction）汽相组成分布：A组分汽相浓度：B组分汽相浓度稳态仿真结果稳态仿真结果-液相浓度的分布液相浓度的分布05101520253035塔板编号0.20.40.60.8浓度（mole fraction）液相组成分布：A组分液相浓度：B组分液相浓度稳态仿真结果稳态仿真结果-上升气量与下降液量的分布上升气量与下降液量的分布05101520253035塔板编号501

8、00150流量（mol s）气、液相流量分布：液相流量：汽相流量课堂演示课堂演示 稳态模型的编程: 显示稳态模型的程序结构。 设计型仿真之一: 塔顶A组分与塔底B组分的浓度分别为 0.90。 课堂演示课堂演示 设计型仿真之二: 塔顶A组分与塔底B组分的浓度分别为 0.95。 设计型仿真之三: 塔顶A组分与塔底B组分的浓度分别为 0.99。 总结总结 本章概括地介绍了工业过程稳态模型化的基本原理，即物料平衡、能量平衡、动量平衡以及其它相关原理。 稳态模型的求解方法要与模型的用途相一致， 即模型的用途一般决定模型的求解方法。 通过一个理想二元蒸馏塔,显示了稳态模型化与仿真的主要原理与求解策略。作业作业 建立一个理想二元蒸馏塔的稳态数学模型并进行仿真。要求采用设计型求解策略。即给定塔顶与塔底的浓度，要求给出在一定结构条件下的回流量与回热量的大小。阅读文献阅读文献 1. Luyben, W. L.; Process Modeling, Simulation and Control for Chemical Engineers, McGraw-Hill, New York (1990).2. Cott, B. J., R