过程模拟课件

化工过程的模拟与优化杜巍化工B座21689734981duv@一、绪论什么叫过程模拟？一般方法？过程模拟的用处？优点，限制？过程模拟的一些基本概念1.模拟的概念和一般方法模拟（simulation）：利用一个更为方便、经济而性能相似的系统来模仿复杂系统的性能系统A：复杂，难预测；系统B：简单，操作特性与A相同物理模拟：系统A与B，性能相似，物理化学过程本质一样，仅规模尺寸不同数学模拟：系统A与B，物理过程本质不同，B为计算机B的数学方程可以描述化工过程A“模拟”可以理解为“模仿”与“拟合”，是用计算机（软件）作为工具，去模仿一个过程（反应、精馏、吸收、萃取、换热、结晶等），根据用户所给过程的条件（温度、压力、流量、设备尺寸），对相应过程进行物料平衡、能量平衡、及相平衡、化学平衡的计算，从而预测过程中可能发生的现象，指导科研、设计、生产部门的工作过程可以是实际生产过程、实验过程、假想过程当前进行系统研究的普适化方法，生产操作的辅助工具模拟的层次（三大层次）管理业务过程（核心：企业经营管理）化工过程模拟（核心：三传一反，流程模拟，10-7-102m）分子模拟（核心：产品设计）环境化学供应链管理企业优化制造工厂工艺装置单元设备三传一反NANO系统分子模拟10510410210010-310-710-910-10步骤1.提出问题（决定意义）2.寻找过程的已知规律，理论基础3.化工基础数据的收集整理（物性，单元操作，成本核算等）4.建立数学模型（最困难一环）减少变量和方程数目，忽略次要影响因素判定最合适模型5.选择解算方法6.编制程序7.求解8.整理结果，核对，验证模型是否正确

模型分类1.数学描述本质机理模型：基于物理－化学过程的本质和机理经验模型（黑箱模型）：实测数据为基础2.时间关系稳态模型，动态模型3.过程属性确定模型，模糊模型，随机模型4.系统工程学白箱模型，黑箱模型，灰色模型5.过程对象的数学描述方法集中参数模型：参数的数值与空间位置无关分布参数模型：参数是空间位置的函数2.数学模拟的用途及限制用途：1.化工开发过程（放大）特点：放大至工业化的速度越来越快；开发新工艺要求技术合理并达到最优化；提供信息全面完整实质：利用实验室获得的结果以及前人积累的对物理－化学规律的了解，建立一个描述过程的初级模型，然后通过与各种试验客队，不断修改数学模型，尽可能的把对本过程的正确理解都反映到数学模型中去，此模型即为放大过程的基础2.化工设计流程方案的选择设计基础：确定设计参数，固定设计参数值的确定，数学模型的选择等设计策略：对剩余设计变量进行初值选定以及确定合适的收敛方法工艺设计（核心）物料与热量衡算，工艺流股总揽，工艺流程图，工艺说明，热力学第二定律分析减少装置设计时间，提高工作效率，便于多方案评比，给出信息深入全面3.改进工厂生产操作在给定的限制内优化工艺条件，如：如何在规定的产品规格条件下，减少公用工程的使用量不设计设备改造，投资小，见效快4.过程控制5.规划和计划限制1.数学模型的准确性和有效性取决于实测数据的准确性化学反应动力学数据往往存在很大不确定性2.数学解算工具的局限3.模型的实际意义赋予应谨慎4.必须强调数学模型（特别是经验模型）的危险性基本概念1.单元操作（unitoperation)将指定的原料经一系列物质和能量的转换步骤，最终转换成规定要求的一种或几种化学产品每个单元都有指定的物质和/或能量转换过程2.过程系统模拟对已给定系统条件的现有过程系统，建立整个系统的数学模型，在计算机上进行求解，得出在给定条件下系统的特性和行为3.稳态过程模拟对象的输入－系统特性－输出均不随时间推移而变化，系统处于稳态应用计算机辅助手段，对化工过程进行稳态的热量和物料衡算、尺寸计算和费用估算3.过程模拟的基本概念过程模拟问题类型1.模拟型问题对某一流程系统做工况特性分析，即根据给定的流程系统的输入数据（进料组成，流量）以及表达系统的数据（设备参数），预计系统的输出数据（产品的组成，流量等）2.设计型问题预先规定了系统输出的某项数据，寻求能够满足规定要求的某些设备参数值3.优化型问题确定过程的某些主要操作条件，从而达到所期望的目标（系统性能最佳，产量最大，能耗最小等）设计规定举例冷却器出口温度是多少才能使异丙基苯产品纯度达到98%（摩尔百分数）?被操作（改变的）变量是什么?冷却器出口温度被测量（采集）变量是什么?物流PRODUCT中的异丙基苯摩尔分率

要达到的规定（目标）是什么?物流PRODUCT中的异丙基苯摩尔分率=0.98REACTORFEEDRECYCLEREAC-OUTCOOLCOOL-OUTSEPPRODUCT优化用于最大化/最小化目标函数目标函数是用流程变量和内嵌的Fortran表示的。优化可以有零个或多个约束条件。约束条件可以是等式或不等式。优化位于/Data/ModelAnalysisTools/Optimization下约束条件的规定位于/Data/ModelAnalysisTools/Constraint下过程模拟的基本环节模拟系统能够用来实现过程模拟的计算程序或软件系统1.流程系统的模型组成系统的各单元模型流程结构的明确表述2.物性数据和热力学模型物料状态和组成的变化3.解算方法变量的分类输入物流变量输出物流变量相应物流的状态（热力学状态，组成，流量等）设备参数单元操作设备的设备参数及操作参数其他计算结果除出口物流变量以外的其他计算结果（例：换热器热负荷，泵动率）寄存变量非用户直接需要的结果设计变量可改变某些变量的取值，从而控制系统设计方案状态变量确定设计变量后，其余被求解的变量通过自由度分析方法确定设计变量数目描述一个系统的状态所需变量的数目与建立这些变量之间关系的独立方程数目之差一个系统如果有m个变量和n个独立方程，则需确定m-n个独立变量进行赋值设计变量的选择考虑实际问题，区别对待：模拟问题，首选物流变量和设备变量；设计问题，首选设计规定值变量，再选输入物流变量和设备变量需求解模块参数不能选择选受限制较多的变量使求解最为方便容易例题：管壳式换热器，物流1和物流2分别为管程的入口物流和出口物流（需冷却的物料），物流3和物流4分别为壳程的入口物流和出口物流（冷却水）。此换热器的模型方程如下：1234应注意问题：将对象系统合理简化是过程模拟应用的重要基础基础物性的完备性和准确性选择适宜的热力学性质计算方法单元模块模型的适用范围模拟结果分析二、单元操作模型的主要类型混合器/分流器分离器换热器塔反应器压力变换器调节器固体处理器1.相平衡及闪蒸器最基本单元闪蒸为最常用的单元操作过程模拟中对每一股物流都要计算相分布闪蒸计算类型等温绝热非绝热液体质量分数蒸汽质量分数液体纯度蒸汽纯度分离基本模型机械平衡热平衡相平衡组分物料平衡总物料平衡热量平衡摩尔分数约束方程等温闪蒸牛顿迭代法求解例：一个四组分混合物以100kmol/h的流量进入一个精馏塔去分离，精馏塔入口处压力为689.5kPa，温度为366.5K，进料混合物组成为(zi,ki)丙烷:0.10,4.2;正丁烷:0.20,1.75;正戊烷:0.30,0.74;正己烷:0.40,0.34如果进料处于平衡状态下，液体分率为多少？气液组成各为多少？2.物料混合与分割混合器：总物料衡算组分物料衡算出口压力：一般选各进口物流中压力最小值为出口压力出口物流的其它性质（温度，焓，液化率，密度，熵等）由算术平均值计算：分割器：每股物流除流量外，其余参数均与进料F的参数完全相同3.泵增加液体压力的器械，由于液体分子的比体积很小，所以比起气体压缩机而言，所需的功小很多接近泡点容易出现气堵现象功：压力变化式：泵效率：驱动效率：4.压缩机气体压缩机是用来给气体增压的少量液体进入高速旋转的叶片会引起压缩机的侵蚀用等熵效率来衡量典型的等熵效率为0.70-0.9之间给定输出压力和等熵效率的压缩机，等熵功率可计算如下出口熵等于进口熵，可找出等熵出口温度可逆绝热过程下，出口摩尔焓等熵功率轴功率能量衡算得到出口物流的真实摩尔热焓真实出口温度膨胀机用来减少气体压力同时向外做机械功输出轴功率

实际出口状态有可能在两相区，因此需求出出口压力p2下的露点温度Td，以及相应的熵Sd，如果S1>Sd，则说明等熵过程在气相区进行，否则为两相区。5.换热器能量方程用户规定管程及壳程的压降，总传热系数，传热面积A或出口温度，求出两个出口温度（确定A）或A以及另一个出口温度1.单边换热器给定出口压力和出口温度，计算所需热量给定出口压力和温度变化，计算所需热量给定热负荷，计算出口温度T02.管壳式换热器对数平均温度平均温度对多流程的校正系数单流程全逆流换热器6.多组分混合物分离塔

1.组分分割器模型（黑箱模型）不关心内部细节，只关心输入输出关系，全塔恒算物料平衡组分物料平衡热量恒算压力温度2.多组分精馏塔的简化经验模型恒摩尔流：各层塔板上虽有物质交换，但汽相和液相通过塔板前后的摩尔流量并无变化清晰分割：比轻关键组分还轻的组分全部从塔顶蒸出，比重会关键组分还重的组分全部从塔底采出挥发度：定量描述混合物中各组分挥发的难易程度相对挥发度：两组分挥发难易的对比模型参数1、塔设定

(Columnspecifications)塔板数（Numberofstages)回流比（Refluxratio)2、关键组分回收率(Keycomponentrecoveries)轻关键组分在馏出物(dist)中的回收率馏出物中的轻关键组分/进料中的轻关键组分重关键组分在馏出物(dist)中的回收率馏出物中的重关键组分/进料中的重关键组分3、压力(Pressure)冷凝器（Condenser)再沸器（Reboiler)4、冷凝器设定(Condenserspecifications)全凝器（Totalcondenser)带汽相馏出物的部分冷凝器（Partialcondenserwithvapordistillate)带汽、液相馏出物的部分冷凝器（Partialcondenserwithvaporandliquiddistillate)两个极限操作条件：最小回流比：平衡级数无穷多最小平衡级数：全回流最小塔板数（Nmin），精馏塔全回流操作时所需理论塔板数最少。由芬斯克（Fenske）方程求解恩德伍德方程求最小回流比Gilliland关联式（理论塔板数，最小回流比，最少塔板数以及回流比的关系）严格多级分离同时联解物料平衡、能量平衡和相平衡关系，用逐板计算方法求解给定塔设备的操作结果。用于精确计算精馏塔、吸收塔（板式塔或填料塔）的分离能力和设备参数。可对下述过程做两相或三相模拟:普通蒸馏吸收,再沸吸收汽提,再沸汽提恒沸蒸馏反应蒸馏流程气体蒸馏物(DV)1顶级或冷凝器热负荷热(可选)(Q1)液体蒸馏物(DL)水(DW)(可选)D=DL+DVDV:D=DV/D物料回流RR=L1/DRW=LW/DW（任何数量)L1+LW产品(任何数量)热循环回流倾析器热产品热返回(任何数量)上升蒸汽(VN)N级底级或再沸器热负荷热(可选)(QN)塔底(B)BR=VN/B7.化学反应器模型Reators(反应器)以物料平衡为基础Ryield(收率反应器)Rstioc(化学计量反应器)以反应平衡为基础REquil(平衡反应器)RGibbs(吉布斯反应器)以动力学为基础RCSTR(连续搅拌釜式反应器)RPlug(活塞流反应器)RBatch(间歇反应器)基于物料平衡反应器RYield(收率反应器)只要求物料平衡,不要求原子平衡用来模拟入口物流不知道，但出口物流已知的反应器(例如，模拟一个炉子)70lb/hrH2O20lb/hrCO260lb/hrCO250lb/hrtar（焦油）600lb/hrchar（焦碳）1000lb/hrCoal（煤）INOUTRYield基于物料平衡反应器(续)RStoic

(化学计量反应器)要求原子平衡和质量平衡用于化学平衡数据和动力学数据不知道或不重要的反应器可以规定或计算在参考温度和压力下的反应热2CO+O2-->2CO2C+O2-->CO22C+O2-->2COC,O2INOUTRStoicC,O2,CO,CO2化学计量反应器模型：甲苯加氢制苯的化学反应主反应：C7H8+H2→C6H6+CH4副反应：2C6H6→C12H10+H2高温下75%的甲苯转化为苯，但有2%的苯缩合成联苯。计量式为：化学计量系数矩阵为：关键产物转化率X：反应程度：当确定了转化率或反应程度后，只要知道反应器入口的流量和组分，即可确定出出口的流量和组成。2.化学平衡为基础的反应器概述不考虑反应动力学各个模块能解算相似的问题，但问题规定不同单个反应能达到严格平衡REquil

(平衡反应器)通过求解反应平衡方程而计算化学平衡和相平衡不能进行3相闪蒸计算可用在有许多组分、已知一些反应并且较少组分参加反应的情况RGibbs(吉布斯反应器)未知反应

当发生的反应未知，或由于有许多组分参与反应，致使反应数量很多时，该功能十分有用。吉布斯能最小

通过吉布斯自由能最小化来确定在产品吉布斯自由能最小时的产品组成。固体平衡

RGibbs

是唯一能处理固-液-汽相平衡的AspenPlus模块化学平衡反应器模型化学平衡常数：当反应aA+bB=cC+eE达到平衡，有对每个反应，若反应时间足够长，可认为其达到化学平衡状态。此时，由反应物生成产物的速度与有产物生产反应物的速度相同。通过反应平衡的计算可得到产物的组成，该组成为反应进行的最大程度。对给定压力和温度，平衡常数由各化合物的标准生成吉布斯自由能求取适用于单相反应器，对多相反应同时达到相平衡和化学平衡，则需联立相平衡关系式求解。或采用吉布斯自由能最小法求解。吉布斯自由能最小法由热力学第二定律可知，物系在恒温恒压只做膨胀功的条件下，其变化过程将沿吉布斯自由能减小的方向进行。当达到平衡时，物系的吉布斯自由能最小。因此物系总吉布斯自由能最小可作为物系达到平衡状态的判断依据。即：在定温定压及确定的初始组成条件下，使物系总吉布斯自由能达到最小的各相的组成即为体系在相应条件下的平衡组成。3.动力学反应器动力学反应器有

RCSTR,RPlug和RBatch。因为考虑了反应动力学,所以必须定义反应动力学。动力学可以用一个内置模型定义,或用一个用户子程序定义，现有的内置模型是：幂律模型Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson(LHHW)反应的催化剂的反应系数可以为零。搅拌槽动力学反应器模型在反应器内停留时间有限，未达到化学平衡，需考虑化学反应速率：反应速率常数ki由阿伦尼乌斯方程计算：根据停留时间以及进料中各组分的浓度，即可求出各组分出口浓度。活塞流反应器模型流动为活塞式，在径向没有温度，组成和压力梯度，也没有轴向扩散发生经过微元体积dvR时的反应物料平衡：三、稳态流程模拟3.1流程模拟的概念过程：对原料进行某些物理或化学变化，使其性能发生预期的变化，从而增加了附加价值，这种操作或处理称为过程。系统：为某种目标，由共同的物流或能流或信息流联系在一起的单元组合而成的整体称为系统。特性与各组成单元的特性有关，也与连接特性有关。过程与系统的关系：系统中必有过程进行，过程亦必发生在相应系统中。经常混用。次级系统：系统具可分性，一个系统可分为几个子系统，生产过程可分解为若干个单元操作子系统。过程系统＝过程单元＋单元之间连接关系过程系统的分类：（1）按过程系统结构分类串连，并联，绕行（旁路），反馈实际过程中，上述结果往往交织在一起。（2）按输出时间分类连续系统，一定时间内，若系统输出量不随时间变化，则系统为连续拟连续系统，系统输出量随时间变化十分缓慢，为拟连续系统间歇系统，系统输出量随时间显著变化，则为间歇系统参数：代表过程或其环境的某种性质，且可被赋予一定数值的量称为“参数”状态变量：描述系统所处的状态的变量（温度，压力，浓度等）决策变量：数值可以由设计这给定的变量状态变量和决策变量不是绝对不变的，所选的决策变量不同，状态变量也相应不同流程模拟系统简介专用和通用两种通用系统：并非支队特定流程开发的，对不同流程均可适用的、带有通用性的流程模拟系统。*通用性：不是无限的，在一定的（比较广泛）的范围内适用单元模块的种类，物性数据库中组分种类都有限，目前统常允许用户根据自己的特殊需要插入通用系统的结构必专用系统复杂得多（输入输出系统，自动识别复杂情况等）提供尽可能多的单元模块，尽可能扩大物性数据库，允许用户根据自己需求扩展系统的使用范围等3.2过程系统模型对过程系统的模拟首先需要建立能够描述过程系统性能的数学模型，通常是一组数学方程。数学模型：某种关系的数学表达，是由描述过程的数学方程以及限制条件组成过程系统模型：过程系统中某种关系的数学表达，描述过程系统的数学方程以及限制条件组成方程组：方程组的各方程，首选必须彼此独立，不能有通过代数运算由其它方程导出的方程；其次必须互相不矛盾，否则无意义；方程组中的变量数与方程数相等，即m=n时，方程组才有定解；若m>n，方程组有多解；m<n，方程组无解模型种类：系统的工况特性关系；某现象诸因素之间的关系（状态方程中状态参数之间的关系，物性关联式中物性数据同状态参数的关系，化学反应动力学方程中反应速率和各反应组分浓度的关系等）；某些简单的计算关系；某单元流向另一单元的物流关系（流程结构关系）；设计规定关系；最优化问题中的目标函数等模型的构成：单元模型方程：过程系统是由各种单元操作组成的，因此各种过程化工单元操作的模型是过程系统模型的基础。种类多，涉及物性数据，因此方程复杂，形式多样，数量也大，一个复杂系统中设计的单元模型动辄成百上千，甚至更多。流程连接方程：过程系统是由各单元有机联合而成的，因此过程系统中必须有表述流程结构的部分。表明单元之间的物流连接关系，哪个单元排除的物流进入哪个单元，形式简单的等式关系。单元模型方程和流程连接方程一起构成了过程系统的基本模型。只能解决模拟型问题，扩展到解决设计问题，需设计规定方程。设计规定方程：某些变量应同代表设计规定的另一些变量相等的等式关系。优化方程：包括目标函数和约束条件，处理优化问题中才需要。物性方程：物性关系式，包含在单元模型方程中。费用方程流程结构的表述：单元模型方程连同其解算方法，一起编成子程序，称为单元模块。在此情况下，人们面对的是一个个的单元模块，而该单元模型方程则隐藏在单元模块中，不明显表现出来。流程图：可用来表述流程结构的最普通的一种图形，就是通常熟知的流程图。代表各股物流（外界对系统的输入物流，系统内各设备间的联系物流以及系统对外界的输出物流）的流线；代表各化工设备的图形符号尽可能画成反映其特点的形状。信息流图：单元模块组成的系统内部以及它同外界之间的信息流传送情况信号流图：把信息流图中的物流线用图形符号画出，通过连线把输入物流和输出物流的关系表示出来3.3序贯模块法基本思想过程模拟由单元模拟发展而来，基本单元操作模型（混合，分流，换热，精馏等）陆续被开发出来后，连同其解算方法，被编成一个个单元操作模块，用来对单元操作进行计算：根据设备入口的已知物流变量和给定的设备参数，来计算出口处物流变量的数据当单元模块积累较多，日趋成熟时，对由很多单台设备组成的复杂过程系统进行模拟的任务时，首先想到的是如何将现有的模块组合到一起加以充分利用，如同实际过程中物流从一台设备流向另一台设备一样，模拟也可以逐模块进行。前一模块求解的出口物流信息，可作为下一模块的入口物流信息简单流程的序贯模块法：单元模块内：输入物流信息以及设备参数，经计算，输出物流数据等结果对系统结构只是逐单元的向后传送，既无物流又无能流从后面的单元反过来向前面单元传送的简单流程情况，采用序贯模块法将十分简单，无任何困难含回路复杂流程的序贯模块法现代过程工业中，简单系统结构的过程非常少，多数系统中都有后面单元返回的物流和能流存在（循环）。由于循环流的存在，这类单元组中位于前面的单元要受到从后面单元传送过来的物流的影响。实际流程中有可能不只一个循环单元组。流程分割（partitioning）：当流程中含有几个循环单元组时，为了解算方便，必须预先识别出来，也就是把流程分成各自只含有一个循环单元组的几部分或几块。分割后，存在一个序贯求解的先后顺序问题，称为排序（ordering）例：ABABAB收敛块1234124421333’3’注意问题：一个循环单元中可能有不只一个循环回路；切割流的数目要视循环单元组的具体情况而定；对复杂的循环单元组，只切割一条物流不能解决问题，必须同时切割多条物流；切割方案的选择不是唯一的；不一定切割循环物流，循环回路越复杂，要求切割的物流数目越多，方案的选择也越多；多数情况不可评直接观察得出切割方案，需选择最优化方案，应有选择标准作为权衡的依据。设计问题的循环回路法序贯模块法的特点就是逐模块进行计算，调用现成的单元操作模块，而这类模块通常都是按照相应的单元操作正常运行的情况设计。因此本方法用于解决模拟型问题是没有问题的（已知进料物流和设备参数，预测系统的工况）。例：对设计型问题，则需对流程反复的进行序贯模块法，每轮计算开始时都要认为给定一输入值，逐轮对该数值进行调整，直至最后得出的结果在预定的误差范围内。此逐轮迭代计算的方法需在计算程序中加一算法模块，即控制块（controlblock）优化问题的序贯模块法更复杂，加一优化层AB123456αAB123456α控制块t6

过程系统的分割方法单元串搜索法：选定任意单元作为搜索起点，沿该单元的输出物流向前搜索，必遇到以下二种情况1.前面再无单元，2.单元串中某一单元重新出现情况1，若该单元串最后一个单元还有其它物流，则从中再任选一条物流继续搜索；若无其它输出物流，则将该单元从流程中剔除，并记录。随即回到搜索起点的单元开始，沿其它通路继续搜索。情况2，表明出现一个循环回路，将回路内含有的各单元合并成一个虚拟单元，把合并前各单元对其它单元的输出物流都视为该虚拟单元的输出物流。当以上单元串中各单元（包括虚拟单元）被剔除干净，而程中还剩余其它单元时，即从中任选一单元，作为新搜索起点进行另一个单元串的搜索。将剔除单元和虚拟单元均记录下来，记录的顺序就是流程的分快与排序结果。注：流程分割与排序只有唯一解（与选取搜索的起点单元，搜索所沿的通路无关）回路搜索法将流程结构用邻接矩阵表示，通过对矩阵进行逐行搜索，即可识别出某些单元所形成的回路。然后通过对矩阵中有关行列的元素按照逻辑运算的规则进行处理，即可实现将回路中的单元合并成虚拟单元的步骤，完成流程分割的任务。其它搜索方法：可及矩阵法，深先搜索法断裂方法断裂判据：使所切割的物流数目最少切割物流的变量总数最少切割物流的加全和最小切割的回路总数最少方法：回路矩阵法，信号流图法，基本切割算法序贯模块法的优缺点优点：便于应用，单元模型方程已经分散再各个模块中，物流联系方程不再需要，只要按照实际流程构成情况，将各现成的单元操作模块连接到一起，就同时建立了系统模型；继承大量的已有成果，目前积累下的各种单元模块（模型和解算方法）都可得到充分利用，大量节省工作量；便于调试，按模块进行分割，容易锁定错误位置缺点：计算效率较低，每个单元都要用到物性，物性计算往往需要迭代，因此每个模块都进行了多轮迭代。序贯模块法中的单元模块都是按照相应的单元正常运行时的情况设计的，其特点是选择固定化，即每个单元入口物流的物流变量，以及该单元为计算所需的设计变量，都被固定的选择为设计变量。设计变量上的选择非常死板。一旦这些变量不作为设计变量出现，就需要加控制模块来解决。过程模拟越来越多的同最优化工作结合来应用，过程最优化的每一轮计算都需要在完成一轮流程模拟的基础上进行，优化问题又嵌套着设计型问题。进一步加大工作量。3.4联立方程法基本思想：联立方程法是指对列出的一个作为整个复杂流程系统的模型的庞大的方程组，也就是通常所说的联立方程，直接进行求解。通过联立方程法的途径进行流程模拟，就变成了对方程组进行求解的数学问题。对设计型问题或模拟型问题，不论流程中是否含有循环单元组，都没有什么原则区别。序贯模块法则有明显区别。设计变量固化的问题不复存在。联立方程法是方程本质的方法，与序贯模块法根据输入来计算的子程序不同，其难点在于如何自动产生这些方程，并且有一种可靠的算法来解这种大型非线性代数方程。流程系统方程组的产生重要且困难的问题联立方程法的方程常采用隐式形式表示，也可采用显式形式，应包括：对给定x计算f(x)的表达式；对给定x计算Jacobian矩阵中各偏导数的表达式；Jacobian矩阵的拓扑结构，即零元素和非零元素的位置。为解决此问题，提出两个重要概念，一是模块化的概念，即建立与各种过程单元相对应的模块库，不包括求解程序，只是用来产生特定的过程单元方程组；二是方程类型的概念，各种过程单元模块中用到的方程类型实际上十分有限，因此可以开发一标准化方程库。这样任何一个流程系统都可用标准化方程来描述。联立方程法的求解策略热力学性质估算方程的处理；非线性代数方程组的求解方法的选择；提供迭代变量初值的方法。热力学性质估算方程的处理：1.物性系统可以不提供方程，而像序贯模块法一样提供一组供调用的子程序。优点在于可使方程维数大为减少，缺点是不能考虑有温度，压力组成变化所引起的热力学性质的变化以及对物料恒算和能量恒算的影响。对较强非线性模拟问题，收敛稳定性很差。2.平衡常数K和焓H的计算均参与联立方程组求解，其他物性则保留独立的物性子程序。一方面增加了方程维数，另一方面也改善了具有较强非线性流程模拟问题的收敛稳定性。3.全部物性方程均参与联立方程组求解，没有任何子程序。维数又有显著增加，但收敛稳定性也进一步改善。但初值较差时易导致发散。第二种方法最为稳定可靠，非线性代数方程组的求解方法的选择（两种基本方法）一种是选择一部分变量为迭代变量，根据它们的设定值利用部分方程求得其余变量的值。另一部分方程用做校核函数，通过隐式迭代或显式迭代求得迭代变量的初值。初期多采用此解法联立线性化方法：Newton-Raphson法、Broyden拟牛顿法或者某些综合方法将流程方程组中的所有方程线性化，对所有变量同时迭代求解。初值的确定：未知变量的数目往往会达到成千上万个，必须借助专门的计算机程序来提供初值。比较简单的情况，利用先前进行的类似问题的计算结果作为初值，或从流程中某一能设定较好初值的部分开始，采用逐渐推进方式计算各单元设备的内部变量。需用户对所处理的流程系统非常了解。探索法，对每一单元设备有一探索规则，利用探索规则，从进料物流开始产生所有物流的初值：系统进料：对进料流率为做规定的组分的进料流率用组分在流程其他部分的流率估算。混合器：进口流中流率未知的组分的进口流率为流率最大的已知组分的一半。分流器：利用规定的出口流和进口流的比值来估计出口流。闪蒸器：假定液相总流出量等于气相总流出量，再根据假定的K值计算各出口流中各组分的流率。反应器：如未规定转化率，则假定进口流中限制反应物的转化率为100%。方程组的分解方程组的求解联立方程的优缺点：优点：模拟型，设计型，优化型问题没有区别，只要给定方程，其处理方法都是相同的。计算效率高，避免了序贯模块法中多层次的迭代计算。增加模块容易，只要写出定义模型方程组即可。易于实现稳态模拟和动态模拟结合。缺点：正确建立庞大方程组较困难；不能继承已有的大量单元模块；实现较困难；初值估计较困难；设计变量选择要求高；内存需求大；缺少高效的非线性方程组求解算法等。流程模拟的其他方法联立模块法：也称双层法，对序贯模块法和联立方程法取长补短，把模拟计算分为两个水平：一个是模块级水平，采用严格模型；一个是流程系统级水平，采用简化模型。数据驱动法：以数据库为中心，面向目标，用数据库管理系统驱动的模拟方法。人工智能参入法：利用专家的知识和经验参与系统模拟。四、模拟软件介绍现在比较流行的模拟软件：1AspenPlus2Pro_Ⅱ3Hysys4ChemCAD5

ECSS化工之星ASPEN流程模拟软件介绍AdvancedSystemforProcessEngineering

（先进过程工程系统）1976~1981年由MIT主持、能源部资助、55个高校和公司参与开发，后成立ASPENTECH公司继续开发完善的流程模拟软件，

Plus意思为是经过提高并得到工业部门支持的版本。基于序贯模块法的稳态过程模拟软件。1773种有机物、2450种无机物、3314种固体物、900种水溶电解质的基本物性参数。丰富的状态方程和活度系数方法。ASPENTECH公司是当今世界上炼油化工行业中最大的专业软件工程公司，目前进行推广应用的软件主要有四大类：AES、AeCS、AMS和AmfgS。AES：AspenEngineeringSuite，包括AspenPlus、AspenWater、AspenPinch、AspenDynamics、AspenCustomModeler、AspenB-JAC、AspenZyqad

等。AeCS：AspeneSupplyChainSuite：包括AspenPims

、AspenMIMI、AspenRetailandBulk等。AMS：AspenManufactureSuite：主要有AdvancedProcessControl。AmfgS：AspenmfgSuite：包括informationandproductionmanagement目前应用版本：AspenONE—AspenPlus2006模拟软件介绍—基本概念用户界面（UserInterface)流程图（Flowsheet）模型库（ModelLibrary）数据浏览器（DataBrowser）流股（Stream）模块（Block）Aspen软件用户界面--流程图RunIDToolBarTitleBarMenuBarSelectModeButtonModelLibraryMenu

ModelTabsProcessFlowDiagramNextButtonStatusAreaHelpLineResizeWindowButtonsAspen软件用户界面-数据浏览MenuTreePreviousSheetNextSheetStatusAreaParentButtonUnitsGoBackGoForwardCommentsNextDescriptionAreaStatus模拟软件介绍AspenPlus能做什么？Flowsheet

AssayDataAnalysisDataRegressionPROPERTIESPLUSPropertyAnalysisPropertyEstimation流程模拟三大实用性工具：灵敏度分析（SensitivityAnalysis）设计规定（DesignSpecifications）优化（Optimization）模拟软件介绍—求解

序贯模拟AspenPlus是一个序贯模块模拟程序。每个单元模块按一定的顺序求解。联立方程AspenCustomModeler(以前是SPEEDUP)是一个联立方程模拟程序。所有的方程均同时求解。组合方法AspenDynamics(以前是DynaPLUS)使用

AspenPlus序贯模块方法去初始化稳态模拟并使用

AspenCustomModeler(以前是SPEEDUP)联立方程法求解动态模拟。进入软件新建一个文件；空白：所有信息自己定义；模板：软件根据特定的应用领域，预先设置一些相关的信息如物性集、数据库、单位制等。（通用化工过程、聚合物、炼油、冶金、医药等），推荐选模板；打开一个已经存在的文件；设置运行类型常用工具栏或快捷键打开、新建、保存文件数据浏览器控制面板运行建立过程模拟基本工况的步骤1.确定所要模拟的过程（普通化工过程、炼油过程、电解质过程、聚合过程等）2.确定单元操作及单元操作之间的物流关系（画出所模拟过程的物料流程图)3.确定所采用的单位制及结果中需要报告的内容(setup)4.定义组分(components)告诉Aspenplus所模拟过程的进料中有哪些物质，如果包含有反应过程，产物也需要定义出来。5.选择物性方法（properties)物性方法是一个若干个公式的集合，用于计算所模拟过程的热力学性质和热传递性质。6.输入进料的温度、压力、组成、流量(streams)7.输入各个单元操作的操作条件或设备尺寸条件(blocks)

选用单元操作模块操作ModelBlocks单元模块类别：

分为“混合器/分割器、分离器、换热器、塔器、反应器、压力改变器、调节器、固体、用户模块”九大类别。

根据单元操作模块的归属选择所需的类别。选单元操作模块：

每个类别都包括几种单元操作模块，将鼠标移到某个单元模块上时，窗口底部的说明栏中给出了该模块的简要说明。同一种单元操作过程可能有不同特性的模块，要注意选用合适的模块。选图标：

每一种单元操作模块可以用不同的图标表示。可根据流程图的需要和自己的喜好选择表示模块的图标。绘制模块：

选好图标后，在绘图区中的选定位置点击鼠标左键，即在流程图中绘出模块。可根据需要用鼠标拖放以调节图标的位置和大小，并重新设定模块名称。

连接流股ConnectingStreams选流股类别：

共有三种流股

物流MaterialStreams

热流HeatStreams

功流WorkStreams流股连接点：

选好流股类别后，将光标移到绘图区，单元模块上的流股连接点处出现箭头标识，红色标识表示必需连接的流股，蓝色标识表示根据需要选择连接的流股。连接流股：

用鼠标点击两个配对的流股连接点，即可完成连接。连接好流股后可根据流程图的需要给流股重新命名，挪动连接点的位置，以及调节连线的走向。绘图注意事项鼠标十字与图中红色箭头重叠，出现黄色提示，确认黄色提示是你所要连接的物流时，按一下鼠标左键Reconnectsource(重新连接物流的来源)Reconnectdestination(重新连接物流要去的地方)AlignBlock(物流线自动拉直)屏幕右下脚红色提示由flowsheetnotcomplete变为requiredinputincomplete)表示流程已画完，需要输入其它已知条件。同一个模型有不同的图标单元设备的接口分为必须连接物流和可选两类选择适当的流股类型命名规则：可以是数字、字母，不能有空格、=等，长度不能超过8个字符。对于有输入信息的物流最好不要轻易删除。绘制同一类型的单元操作不用重复选择。注意观察状态栏提示流程图是否完成。状态指示符号状态表输入未完成表输入完成表中没有输入。是可选项。对于该表有计算结果。对于该表有计算结果，但有计算错误。对于该表有计算结果，但有计算警告。对于该表有计算结果，但自从生成结果后输入已经改变。设置单位在AspenPlus的单位可以按3个不同的级别定义:1.全局级(在SetupSpecificationsGlobal页面上的“输入数据”和“输出数据”)2.对象级(在一个对象,诸如单元模块和物流的任意输入表页顶部的“Units”3.域级使用Setup

UnitsSets对象管理器,用户可以建立自己的单位集。单位可以从一个现存单位集拷贝,然后修改。组分类型简介convention:常规组分，必需知道组分的分子式。pseudocomponent:虚拟组分，不知道组分的分子式，但知道组分的沸点、比重或分子量(三个中的任意两个)Assay:不知道组分的分子式，但知道组分的蒸馏数据(馏程)和比重(API)每个组分必须有唯一的ID分可用英文名称或分子式输入利用弹出对话框区别同分异构体组分数据库

数据库

内容

用于

PURE13

来自DesignInstituteforPhysicalPropertyData(DIPPR)和AspenTech

的数据

ASPENPLUS主要组

分数据库

AQUEOUS

水溶液中离子和分子的纯组分参数

模拟含有电解质的系统

SOLIDS

强电解质、盐和其它固体的纯组分参数

模拟电解质和固体的

系统

INORGANIC

在气态、液态或固态下无机组分的热化学性质

用于固体、电解质和

冶金应用

PURE93

来自DesignInstituteforPhysicalPropertyData(DIPPR)并由AspenTech随ASPENPLUS9.3

交货的数据库

向上兼容

PURE856

来自DesignInstituteforPhysicalPropertyData(DIPPR)并由AspenTech随ASPENPLUS8.5-6交货的数据库

向上兼容

ASPENPCD

随ASPENPLUS8.5-6

交货的数据库

向上兼容

文件存储Bkp文件与Apw文件的区别Bkp文件可以适用于升级后的软件版本，Apw文件不能在升级后的软件中打开。Bkp文件不保存中间收敛信息，Apw文件保存中间收敛信息。输入流股信息操作

每一股流股都必须输入信息状态变量：温度、压力、流量组成：表达基准、数值

输入单元模块参数操作

每一各单元模块都必须输入模型参数模型参数的数量因模型而异，请认真理解其物理意义。模型参数的合理选取对模拟结果的质量至关重要！单元操作模型混合器/分流器分离器压力变化器

Pump模块能模拟:泵水力透平计算或输入功率Heater模型只能用于压力计算Pump设计成处理单液相能规定气-液或气-液-液计算以确定出口物流条件泵性能曲线通过规定标量参数或泵性能曲线能进行核算。规定:有量纲曲线压头对流量功率对流量无量纲曲线:压头系数对流量系数Pump泵Compr压缩机Compr

模块能模拟:多变离心压缩机多变正位移压缩机等熵压缩机等熵透平计算或输入功率Heater模型只能用于压力计算Pump设计成处理单相或多相Compr

能计算压缩机轴速率压缩机性能曲线通过规定压缩机性能曲线进行核算。规定:有量纲曲线压头对流量功率对流量无量纲曲线:压头系数对流量系数Compr

不能处理透平性能曲线Valve阀阀模块可用来模拟:控制阀压力变送器阀模型可建立通过阀的压降与阀流量系数的关系。阀模型假定流量是绝热的。阀模型可确定出口物流的热状态和相态。阀模型能执行单相计算或多相计算。可以计入由管线接头造成的压头损失的影响。有下列三种计算类型:规定了出口压力的绝热闪蒸（压力变化器）计算在规定出口压力下的阀流量（设计）计算所规定阀的出口压力（核算）阀模型可以检查被阻塞的流量。可计算气蚀指数。Pipe管线Pipe模块计算单管段中的压降和传热。Pipeline模块可用于多管段的管线。不模拟入口效应。Pipe可执行单相计算或多相计算。如果入口压力已知，Pipe可计算出出口压力。如果出口压力已知，Pipe可计算出入口压力并可更新入口物流的状态变量。例：空气压缩机使用一个等熵压缩机在60F，14.7psia下，把100lbmol/hr的空气压缩到147psia的压力，通过ASPENPLUS模拟该系统，流程图如下：需确定：1.完成压缩共需多少能量？2.出口空气的温度是多少？空气100lbmol/hr21%O279%N214.7psia60F等熵压缩机输出压力147.0psia例：闪蒸分离用闪蒸器将气体分离为气液两相，进料温度为400F，压力为21atm(1atm=101325Pa)，组成为氢气(30.0lbmor/hr)、氮气(15.0lbmol/hr)、甲烷(43.0lbmol/hr)、环己烷(144.2lbmor/hr)、苯(0.2lbmol/hr)。闪蒸器在120F下操作且没有压力降，分离后气相中夹带的液相量为为0.012。（FLASH2模型，R-K-S方程计算热力学模型）求：1.气相的组成和流率是多少？2.做出闪蒸的热力学曲线，并求进料的露点。3.如果要把进料分离为产品气液相的摩尔分率相等，闪蒸器的温度应该为多少（其他操作参数恒定不变）？在新的闪蒸温度下运行程序，并验证结果。灵敏度分析当闪蒸温度在120－400F范围变化时，作图观察其对设备汽相分率的影响。汽相分率定义为离开塔顶的气体流量和塔的进料流率之比。换热器换热器模块-HeaterHeater模块在规定热力学状态下把多股入口物流混合生成单股出口物流。你能用Heater模拟:Heaters（加热器）Coolers（冷却器）Valves（阀门）Pumps（泵）和Compressors（压缩机）(无论何时都不需要与功有关的结果。)换热器模块-HeatXHeatX

能模拟如下管壳换热器类型:逆流和并流弓形隔板TEMAE,F,G,H,J和X壳圆形隔板TEMAE和F壳裸管和翅片管HeatX

执行:全区域分析传热和压降计算显热、气泡状汽化、凝结膜系数计算内置的或用户定义的关联式HeatX

不能:进行设计计算进行机械震动分析估算污垢系数例：换热器烃物流温度200C，压力4bar流量10000kg/hr，百分组成50%苯，20%苯乙烯，20%乙苯，10%水（wt%)冷却水温度20C，压力10bar流量60000kg/hr，百分组成100%水简捷法HEATX模拟烃出口气化分率为为0（饱和液相）两物流无压降两个HEATER模拟与简捷法同样的设定严格HEATX模拟壳程烃出口气化分率为0（饱和液相）壳程直径1m，管程数为1裸管300根，3m长，管心距31mm，内径21mm，外径25mm所有管嘴100mm折流板5个，切削15%创建包含所有热设计信息的热曲线简捷塔

严格塔DSTWU简捷精馏（设计）DSTWU模块用DistillationbyWinn-Underwood-Gilliland捷算法进行精馏塔的设计，根据给定的加料条件和分离要求计算最小回流比、最小理论板数、给定回流比下的理论板数和加料板位置。一个物流进料和两个物流出料的塔DSTWU模型参数1、塔设定

(Columnspecifications)塔板数（Numberofstages)回流比（Refluxratio)2、关键组分回收率(Keycomponentrecoveries)轻关键组分在馏出物(dist)中的回收率馏出物中的轻关键组分/进料中的轻关键组分重关键组分在馏出物(dist)中的回收率馏出物中的重关键组分/进料中的重关键组分3、压力(Pressure)冷凝器（Condenser)再沸器（Reboiler)4、冷凝器设定(Condenserspecifications)全凝器（Totalcondenser)带汽相馏出物的部分冷凝器（Partialcondenserwithvapordistillate)带汽、液相馏出物的部分冷凝器（Partialcondenserwithvaporandliquiddistillate)RadFrac:严格多级分离RadFrac

模块同时联解物料平衡、能量平衡和相平衡关系，用逐板计算方法求解给定塔设备的操作结果。

RadFrac

模块用于精确计算精馏塔、吸收塔（板式塔或填料塔）的分离能力和设备参数。可对下述过程做两相或三相模拟:普通蒸馏吸收,再沸吸收汽提,再沸汽提恒沸蒸馏反应蒸馏RadFrac模型设定RadFrac模型具有以下设定表：1、配置（Configuration）2、流股（Streams）3、压力（Pressure）4、冷凝器（Condenser）5、再沸器（Reboiler）6、三相（3-Phase）例：简洁精馏塔（DSTWU）烷烃精馏塔组分：丙烷，异丁烷，正丁烷，异戊烷，正戊烷，正己烷物流：饱和液体进料、P=4.4atm流量：100lbmol/hr摩尔组成：丙烷0.05，异丁烷0.1，正丁烷0.3，异戊烷0.2，正戊烷0.15，正己烷0.2精馏塔规定：全凝器，釜式再沸器恒压塔：4.4atm实际回流比/最小回流比＝1.3塔顶正丁烷（轻关键组分）的回收率＝99.08%塔顶异戊烷（重关键组分）的回收率＝1.124%用PENG-ROB方法计算实际回流比，实际塔板数，进料板，D/F*用严格法计算，并用绘图向导作分离因子（轻关键组分对重关键组分）图例.严格精馏通过精馏塔来分离甲醇和水的混合物，进料组成为水63.2%，甲醇36.8%（质量分数），流率为120000lb/hr，压力为18psi(1psi=6894.76Pa)，饱和液体进料，精馏塔有38块塔板，进料在第23块塔板上（注：ASPENPLUS中规定冷凝器为第一块塔板，所以进料板应为为24）。塔顶压力为16.1psi，每板压力降为0.1psi，塔顶为全凝器，蒸出流率为39885lb/hr，回流比为1.3。选用NRTL-RK物性方法。求：再沸器，冷凝器的热负荷，液相，气相中水和甲醇的组成曲线再次运行模拟，提高板效率。（如果塔浓度曲线过于扁平，则应减少塔板数，也可考虑其他变量如回流比，汽液比，进料位置，压力，进料状态）例.塔设计规定和尺寸继续使用上例的精馏塔要求：要使塔顶蒸出甲醇的纯度为99.95%，塔底水的纯度为99.90%（质量分数），改变蒸出率（在25000-55000lb/hr之间变化）和回流比（在0.8-2.0之间变化），求出答案并记录冷凝器和再沸器的热负荷。同样设计规定，给定每块塔板的墨弗里效率为65%，再沸器的板效率为90%。记录冷凝器和再沸器的热负荷。完成全塔尺寸计算，塔为泡罩塔，求出塔的直径。使用灵敏度分析模拟结果，提高塔效率。苯和丙烯的原料物流FEED进入反应器REACTOR，反应后经冷凝器COOL冷凝，进入分离器SEP。分离器顶部物流RECYCLE循环回反应器，底部为产品物流PRODUCT。原料物流温度为220F，压力为36psi，苯和丙烯的摩尔流率均为40lbmol/hr.反应器压降和热负荷均为0，反应式为C6H6+C3H6->C9H12。丙烯转化率为90％。冷凝器温度130F，压降0.1psi；分离器压力1atm，热负荷0苯和丙烯为原料合成异丙基苯灵敏度分析：冷却器出口温度怎样影响产品物流纯度?被调节变量：冷凝器出口温度被测量变量：产品物流中异丙苯纯度设计规定：冷却器出口温度是多少才能使异丙苯产品纯度达到98％（摩尔分数）？被改变变量：冷凝器出口温度被测量变量：产品物流中异丙苯摩尔分数规定目标：产品物流中异丙苯摩尔分数＝0.98灵敏度分析＋设计规定反应器RStoic甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，流量为100kmol/hr。若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为0.1013MPa，温度为750℃，当反应器出口处CH4转化率为73%时，CO2和H2的产量是多少？反应热负荷是多少？

若反应在恒压及绝热条件下进行，系统总压为0.1013MPa，反应器进口温度为950℃，当反应器出口处CH4转化率为73%时，反应器出口温度是多少？RYield甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，流量为100kmol/hr。反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为0.1013MPa，温度为750℃，如果反应器出口物流中摩尔比率CH4H2O:CO2:H2等于1:2:3:4时，CO2和H2的产量是多少？需要移走的反应热负荷是多少？此结果是否满足总质量平衡？是否满足元素平衡？若在原料气中加入25kmol/hr氮气，其余条件不变，计算结果会发生什么变化？在Ryied模块的产率设置项中将氮气设置为惰性组份，重新计算，结果如何？REquil－1甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：（1）原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，流量为100kmol/hr。若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为0.1013MPa，温度为750℃，当反应器出口处达到平衡时，CO2和H2的产量是多少？反应热负荷是多少？（2）分析反应温度在300~1000℃范围变化时对反应器出口物流CH4质量分率的影响。

（3）将(1)中的反应温度设为1000℃，分别分析(1)和(2)的趋近平衡温度在–200~0℃范围变化时对反应器出口物流CH4质量分率和CO/CO2摩尔比的影响。RGibbs－1甲烷与水蒸汽在镍催化剂下的转化反应为：原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，流量为100kmol/hr。若反应在恒压及等温条件下进行，系统总压为0.1013MPa，温度为750℃，当反应器出口处达到平衡时，CO2和H2的产量是多少？反应热负荷是多少？与REquil的结果进行比较。若在原料气中加入25kmol/hr的氮气，并考虑氮与氢结合生成氨的副反应，求反应器出口物流中CH4和NH3的质量分率。如果将氮设为惰性组份，结果有什么变化？

RCSTR－1甲醛和氨按照以下化学反应生成乌洛托品：反应器容积为5