化工過(guò)程分析與合成1

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1、化工過(guò)程分析與合成化工過(guò)程分析與合成第二章第二章 化工系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模擬與分析化工系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模擬與分析Ch2 simulation and analysis of chemical process system Ch2 simulation and analysis of chemical process system in steady statein steady state化工系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模擬與分析化工系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模擬與分析2.1 過(guò)程系統(tǒng)模擬的三種基本方法2.2 過(guò)程系統(tǒng)模擬的序貫?zāi)K法2.3 過(guò)程系統(tǒng)模擬的面向方程法2.4 過(guò)程系統(tǒng)模擬的聯(lián)立模塊法2.5 氨合成工藝流程的模擬與分析化工系統(tǒng)的

2、穩(wěn)態(tài)模擬與分析化工系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模擬與分析關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：化工系統(tǒng)、穩(wěn)態(tài)、模擬、分析重重 點(diǎn)：點(diǎn)：發(fā)酵液的分離問(wèn)題發(fā)酵液的分離問(wèn)題多效蒸發(fā)器發(fā)酵液水乙醇廢液水乙醇廢液水乙醇產(chǎn)品水乙醇 發(fā)酵液流率發(fā)酵液流率=50 kg/min，其中含，其中含97%(wt)的水和的水和3%(wt)的乙醇。的乙醇。 建立蒸發(fā)器的模型：建立蒸發(fā)器的模型：計(jì)算產(chǎn)品和廢液的總流率，同時(shí)計(jì)算產(chǎn)品和廢液中水和乙醇的流率平衡閃蒸單元模型平衡閃蒸單元模型321FFF332211FHFHQFH32Kxx 332211xFxFxF物物料料衡衡算算關(guān)關(guān)系系 組分衡算關(guān)系組分衡算關(guān)系 熱量衡算關(guān)系熱量衡算關(guān)系 相相平平衡衡關(guān)關(guān)系系 例例2

3、將上例中加入如下要求， 必須使乙醇回收率達(dá)到必須使乙醇回收率達(dá)到99%，另外，產(chǎn)品，另外，產(chǎn)品中必須含中必須含50%的乙醇的乙醇。計(jì)算產(chǎn)品和廢液的總流率，同時(shí)計(jì)算產(chǎn)品和廢液中水和乙醇的流率例例3 要求進(jìn)一步提高產(chǎn)品中的乙醇含量，達(dá)到90%Flash 1Flash 2Flash 312345678例例4 再進(jìn)一步要求乙醇的回收率也必須達(dá)到90%，即，對(duì)廢液中乙醇的濃度提出了要求Flash 1Flash 2Flash 312345768例例5 乙醇在反應(yīng)器中通過(guò)發(fā)酵而得到，在這個(gè)理想流程中，通過(guò)發(fā)酵可以將2kg的谷物轉(zhuǎn)化為1kg 水和1kg乙醇進(jìn)料流率為100kg/min ,含谷物20%(wt),

4、水 80% (wt)。反應(yīng)器效率為0.25發(fā)酵產(chǎn)物經(jīng)過(guò)濾后，在漿液中，每10 kg 的谷物中仍含1kg的水/乙醇溶液5%(wt)的漿液排放掉發(fā)酵反應(yīng)器過(guò)濾器排放含谷物、乙醇、水采出乙醇、水循環(huán)流含谷物、乙醇、水進(jìn)料 100kg/s谷物（20%）水（80%）1234567用EXCEL求解此問(wèn)題模擬是對(duì)過(guò)程系統(tǒng)模型的求解模擬是對(duì)過(guò)程系統(tǒng)模型的求解過(guò)程系統(tǒng)的模擬分析 對(duì)某個(gè)給定的過(guò)程系統(tǒng)模型進(jìn)行模擬求解，可得出該系統(tǒng)的全部狀態(tài)變量，從而可以對(duì)該過(guò)程系統(tǒng)進(jìn)行工況分析P11過(guò)程系統(tǒng)的模擬分析過(guò)程系統(tǒng)的模擬分析過(guò)程系統(tǒng)模型決策變量狀態(tài)變量參數(shù)圖2-1 過(guò)程系統(tǒng)的模擬分析P11過(guò)程系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖2-

5、2 過(guò)程系統(tǒng)設(shè)計(jì)狀態(tài)變量參數(shù)參數(shù)過(guò)程系統(tǒng)模型滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)定否？決策變量調(diào) 整初值設(shè)計(jì)結(jié)果P11過(guò)程系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化過(guò)程系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化圖2-3 過(guò)程系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化約束特性指標(biāo)狀態(tài)變量目標(biāo)函數(shù)模型參數(shù)參數(shù)過(guò)程系統(tǒng)模型最優(yōu)否？決策變量最優(yōu)化模型初值優(yōu)化結(jié)果P12l序貫?zāi)K法（ equential odular ethod）l面向方程法（ quation riented ethod）l聯(lián)立模塊法（ imultaneously odular ethod）P12的基本部分是模塊（子程序），用以描述物性、單元操作以及系統(tǒng)其它功能。對(duì)過(guò)程系統(tǒng)的模擬以單元模塊的模擬計(jì)算為基礎(chǔ)。按照由各種單元模塊組成的過(guò)程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，序貫

6、的對(duì)各單元模塊進(jìn)行計(jì)算，從而完成該過(guò)程系統(tǒng)模擬計(jì)算。P12與實(shí)際過(guò)程的直觀聯(lián)系強(qiáng)模擬系統(tǒng)軟件的建立、維護(hù)和擴(kuò)充都很方便，易通用化計(jì)算出錯(cuò)時(shí)易于診斷出錯(cuò)位置計(jì)算效率較低，尤其是解決設(shè)計(jì)和優(yōu)化問(wèn)題時(shí)計(jì)算效率更低P12優(yōu)化計(jì)算設(shè)計(jì)規(guī)定計(jì)算流程計(jì)算過(guò)程單元計(jì)算物性計(jì)算圖2-4 序貫?zāi)K法的迭代循環(huán)圈P12又稱(chēng)聯(lián)立方程法，將描述整個(gè)過(guò)程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)方程式聯(lián)立求解，從而得出模擬計(jì)算結(jié)果解算快速有效，對(duì)設(shè)計(jì)、優(yōu)化問(wèn)題靈活方便。效率較高的形成通用軟件比較困難；不能利用現(xiàn)有大量豐富的單元模塊；缺乏實(shí)際流程的直觀聯(lián)系；計(jì)算失敗之后難于診斷錯(cuò)誤所在；對(duì)初值的要求比較苛刻；計(jì)算技術(shù)難度較大P13優(yōu)化計(jì)算物性計(jì)算單元計(jì)算流程計(jì)算設(shè)計(jì)計(jì)算12圖面向方程法的迭代循環(huán)圈P13又稱(chēng)雙層法，將過(guò)程系統(tǒng)的近似模型方程與單元模塊交替求解兼有序貫?zāi)K法和面向方程法的優(yōu)點(diǎn)。既能使用序貫?zāi)K法積累的大量模塊，又能將最費(fèi)計(jì)算時(shí)間的流程收斂和設(shè)計(jì)約束收斂等迭代循環(huán)合并處理，通過(guò)聯(lián)立求解達(dá)到同時(shí)收斂P13優(yōu)化計(jì)算流程設(shè)計(jì)單元計(jì)算計(jì)算計(jì)算物性計(jì)算圖聯(lián)立法的迭代循環(huán)圈過(guò)程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬三種方法的比較P14