过程系统工程-3课件

化工过程模拟与优化Simulation&OptimizationofChemicalEngineeringProcess

李亚军87112044iyajun@第四章化工过程流程模拟基本技术2023/1/1224.1、化工流程模拟系统的结构与程序设计

4.1.1、流程模拟系统的结构2023/1/1234.1.1、流程模拟系统的结构

通用稳态流程模拟系统大致由以下几部分构成：1、主控程序；2、拓扑结构模型与分析子系统；3、基本物性数据库子系统；4、热力学性质推算、传递性质推算子系统；5、单元过程模块的集合；6、收敛、控制、优化等算法子系统；7、输入输出界面。2023/1/1244.1.2、化工流程模拟系统的计算步骤

通用稳态流程模拟系统实际是求解非线性代数方程组的程序。程序设计复杂，运行框架大体如下：开始程序初始化，分配基本内存、赋初值（程序执行）定义、输入系统拓扑结构（图形组态）（用户执行）定义组分并通过数据库输入基本物性（用户执行）选择热力学方法（用户执行）流程自由度分析并分配与流程有关的内容（程序执行）2023/1/1254.1.2、化工流程模拟系统的计算步骤

定义并输入独立物流参数（用户执行）输入设备参数（用户执行）输入设计或优化要求（用户执行）切割与排序（程序执行，亦可由用户手动执行）按排定顺序序贯地或迭代地调用各模块至收敛（程序执行）如果有设计要求或优化要求则进行外圈迭代（程序执行）全部迭代收敛的判断（程序执行）输出计算结果（程序执行）打印并退出（用户执行）2023/1/126

化工过程模拟三个要素：物性数据、数学模型和解算方法。流程模拟系统将三个要素集成在同一个计算机软件系统之中，可利用流程模拟系统反复多次进行化工过程系统模拟工作。第四章化工过程流程模拟技术2023/1/1274.2化工系统模型求解方法

化工系统的数学模型通常是一个大型非线性方程组，但由于化工系统多变量、严重非线性造成的复杂性和特殊性，通常运用数学上关于大型非线性方程组的通用算法求解并不见效，必须建立适合化工系统特点的算法。化工系统模拟的算法可分为三大类：

序贯模块法、联立方程法、联立模块法。2023/1/1284.2.1、序贯模块法

1、基本概念

序贯模块法（SequentialModularMethod)是通过模块依次序贯计算求解系统模型的一种方法。序贯模块法的设计思想是从软件的组织结构上和处理顺序上模拟实际化工加工流程。它的计算顺序完全仿真了实际的加工流程。实际流程确实能够按照物料依次从上游通过各个设备流向下游完成加工过程的事实，就确凿地论证了模拟实际流程的序贯模块计算方式能够完成整个流程的模拟计算，能够由原料计算出最终的产品。2023/1/1294.2.1、序贯模块法

序贯模块法的核心概念就是单元过程模块，模块是完全信息化的设备。在采用序贯模块法时，对每一类化工单元设备均编制一计算机子程序，该子程序包含量相应的模型方程和模型求解程序。

单元模块2023/1/12104.2化工系统模型求解方法

2、序贯模块法-----稳态过程模拟的解法

有了模块之后，依照流程方向，从某一个单元设备（比如第一个设备）开始，调用相应模块，由该设备的输入物流计算其输出物流。如果该设备的输入物流参数未知（比如输入物流为循环物流时），则需要假定该物流各参数的初值。依次序贯计算下去，直至系统的全部物流变量均被求出，这种依次逐个调用单元模块的算法称为序贯模块法，是目前应用的最广的化工系统模拟计算方法。通过严格的质量和能量平衡，相态和化学平衡，去预测一个工艺过程的表观现象。2023/1/12114.2.1、序贯模块法

序贯模块法的特点：1、在模块的结构和功能方面模拟了实际装置的结构功能；2、模块之间的信息传递、上下游关系与实际流程是对应的；3、模块为数学模型与解算的集成，即模型和解法合二为一，故最终流程模拟用户不必关心其具体模型与算法；2023/1/12124.2.1、序贯模块法

序贯模块法的特点：4、模块的算法有利于专业研发者继承和发展流程模拟技术；5、模块有利于化工工程师理解其程序结构和设计思路；6、最为重要的是采用模块的方式，恰好巧妙的对全流程数学模型中的所有方程进行了合理的分块，对求解极为有利。优点：计算方法易实现，稳定可解2023/1/12134.2.1、序贯模块法例子2023/1/12144.2.2、过程系统的分解

序贯模块法是以单元模块为基本计算单元，通过单元模块序贯计算来求解系统模型。但是系统内有循环物流时，某些设备的输入物流来自流程后面的设备，是未知的，这些设备模块就无法单独求解。具有带循环子系统的流程2023/1/1215

1、系统分隔

系统分隔：从系统中识别出相互独立的不可再分块，排出各不可再分块的计算顺序。系统流程若采用序贯模块法，首先须将系统分隔成相互之间不存在循环流的不可再分块独立子系统，然后顺序求解这些不可再分块。序贯模块法对不可再分块也是采用序贯计算进行求解。这样，系统模型的求解全部成为模块的序贯计算。具有带循环子系统的流程2023/1/12164.2.2、过程系统的分解问题：对内部有循环流的不可再分块如何求解？解决问题的关键：将再循环物流给予切割。

2、流程切割与排序

流程切割：在适当的地方将回路切断，使之不必联立求解，只需用各单元的序贯计算，对切割物流进行迭代，求出子系统的解。对包含循环流的不可再分块，确定切割物流的参数需要事先假定。2023/1/1217

2、流程切割与排序

在序贯模块法的流程模拟系统中，执行切割任务的一套计算也完全封装在一种称为“收敛块”的子程序之中。收敛块同样是由输入物流的状态计算出输出物流的状态。混合换热反应分离12345687收敛切割物流6初始值

切割再循环物流并插入收敛块2023/1/1218切割再循环物流并插入收敛快混合换热反应分离12345687收敛切割物流6初始值计算步骤：切割物流6，（混合）（收敛换热反应分离）2、流程切割与排序2023/1/12194.2.2、过程系统的分解

切割排序：在使用序贯模块法求解全流程时，根据流程的结构，选取切割物流并寻求对应的计算顺序的工作过程，称为切割排序。

切割排序是过程系统工程中最经典的概念和技术之一，是化工系统工程的核心技术。2023/1/1220混合换热反应分离12345687收敛切割物流6初始值

切割物流6，（混合）（收敛换热反应分离）2、流程切割与排序

切割物流3，（混合）（收敛反应分离换热）切割物流4，（混合）（收敛分离换热反应）2023/1/1221

2、流程切割与排序

切割排序：切割的方案往往不是唯一的，那么就存在哪个切割排序方案更为有利于迭代计算的问题。有利于减少计算量的切割方案的判断：1、切割的流线应尽量少；2、被切割的物流易于选取初始值；3、应尽量切割那些“不太敏感”的物流。2023/1/12224.2化工系统模型求解方法4.2.3、联立方程法（Equation-basedMethod，SimultaneousMethod)

对于设计型问题，由于系统或某些单元设备的输出规定在模型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。若不满足，则需改变某些设备参数和操作参数，再进行重复计算，严重影响计算效率。

联立方程法是对系统的模型方法联立求解。2023/1/12234.2.化工系统模型求解方法4.2.3、联立方程法特点：模型和解法分开，对计算方法要求高。一般采用SQP法—Sequentialquadraticprograming优点：快速、灵活的自变量和应变量定义2023/1/12244.2化工系统模型求解方法4.2.3、联立方程法联立方程一般采用牛顿－拉夫逊法、拟牛顿法或某些综合方法对方程组中的所有变量同时求解。

联立方程法的主要问题是如何保证收敛的稳定性和众多变量的初值的合适假定，目前这种方法主要用于方程数不多（小于100）的系统。2023/1/12254.2.化工系统模型求解方法4.2.3、联立方程法缺点：1、需要较大的内存和比较复杂的计算程序，如稀疏矩阵技术；2、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；3、方法的灵活性导致用户容易作出相互矛盾的规定，当运算出错或发散时，诊断困难。2023/1/12264.2化工系统模型求解方法概述4.2.4、联立模块法联立模块法是把序贯模块法和联立方程法二者的优点结合起来，用近似的线性模型来代替各单元过程的严格模型，使系统模型成为一个线性方程组，可以采用较简单的方法求解。单元设备的近似模型是用一组线性代数方程来表示单元设备的输出变量与输入变量之间的函数关系：

Xj：单元设备的第j个输入变量，yi：单元设备的第i个输出变量；αij：系数2023/1/12274.2化工系统模型求解方法

4.2.4、联立模块法

联立模块法可以在求解系统模型时直接处理设计规定方程，所以不需要像序贯模块法那样，用很费时间的重复计算使设计规定得到满足。也不像联立方程法那样需要同时求解外部变量和内部变量，所以在联立模块法中系统模型要比联立方程法少得多，内存要求大大减少。联立模块法的基本问题是系统模型的求解和单元模型的线性化，最困难的是如何选择线性近似模型的问题。2023/1/12284.3、化工过程系统优化1、为什么对化工过程优化？用优化方法做出的决策比直接决策可以多得到多少效益呢？优化是使用专门的方法来确定最优的成本，并对某一问题或某一过程的设计进行有效求解的方法。在进行工业决策时，这一技术是主要的定量分析工具之一。在化工厂以及许多其他工业工程的设计、建设、操作和分析中所涉及的大部分问题均可使用优化方法进行求解。2023/1/12294.3、化工过程系统优化1、为什么对化工过程优化？用优化方法做出的决策比直接决策可以多得到多少效益呢？优化是改进流程设备的初始设计，并且对已经运行的装置设备尽可能地强化其操作性能，以达到产量最大、成本最小、能耗最小等目的。2023/1/12304.3、化工过程系统优化

2、优化类型可以分成两类：（1）对确定的过程系统的优化，如化工厂的操作优化以及在确定工艺流程前提下的设计优化，通常是求取能使过程系统的目标函数（某些技术经济指标的综合）极小（或极大）的最佳决策变量（某些灵敏的可调操作变量）的值，这一类优化被称为过程系统系统的优化。（2）对不确定的过程系统的优化，通常给定输入、输出或仅给定其中之一，要求取得能使目标函数最优的最佳过程系统，称为过程系统合成或过程系统综合。2023/1/12314.3、化工过程系统优化3、优化问题的本质和组成对于一个典型的工程问题，某一过程既可以用一些具体的方程来描述，也可以仅通过实验数据来表达。这时就需要一个确定的标准，如最小成本。优化的目的就在于找到使过程达到最佳性能的变量值。在投资和操作成本之间通常会存在一个折中，即一个最优值。需要进行描述的因素——过程或模型以及性能标准——构成了最优化“问题”。2023/1/1232过程系统的能耗跟操作密切相关

操作变量组操作点最优/设计操作点系统能耗设计工况实际工况4.3、化工过程系统优化2023/1/12334.3、化工过程系统优化

优化问题的组成：

建立一个过程优化问题是优化过程中最严格的一步。无论复杂还是简单，其目的都是求取其最优值。要实现这一点，必须：1、建立一个能代表该过程的模型；2、选择一个适宜的目标标准。目标函数代表了一些如利润、成本、能量和以被分析过程中的关键变量所表示的产率等因素。过程模型和约束条件则描述了关键变量间的相互关系。每个优化问题都含有三个基本方面：①至少有一个要进行优化的目标函数（利润函数、成本函数等）；②等式约束（等式）；③不等式约束（不等式）。2023/1/12344.3、化工过程系统优化4、优化的范围和层次优化问题存在于任何层次上，可以包括整个公司、某一个车间、一个过程、单个的单元操作、单元操作中的某一个装置或其中的某一中间系统。优化可用于以下三方面：A、管理；B；过程设计和装置优化；C、车间操作优化。A、管理人员在做出决策时要考虑项目评价、产品的选择、总体预算、销售和研发成本、新车间的建设（时间和地点）等。2023/1/12354.3、化工过程系统优化4、优化的范围和层次B、在生产一种石油化工产品时要用到多少反应器？车间的结构该如何布置？如何安排流程使操作效率最高？单元或组合单元的最佳尺寸是多少？所有这些问题可以通过过程设计模拟解决。C、优化的第