2第一篇第一講過程模型化和模擬ppt課件

1、第一講 過程模擬第一篇茂名石化主要內(nèi)容o什么是模型？o過程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的表達(dá)o典型單元過程模型化o過程系統(tǒng)模擬模型：用物理的或數(shù)學(xué)的手段對實際過程模型：用物理的或數(shù)學(xué)的手段對實際過程( (原型原型) )中所發(fā)生的中所發(fā)生的現(xiàn)象進(jìn)行描述的工具就稱為模型。其主要特性應(yīng)與實際過程現(xiàn)象進(jìn)行描述的工具就稱為模型。其主要特性應(yīng)與實際過程一致。模型可以是一套與實際過程一致。模型可以是一套與實際過程( (原型原型) )在主要特性方面相在主要特性方面相似的實驗裝置，也可以是一組描述原型所發(fā)生的主要現(xiàn)象的似的實驗裝置，也可以是一組描述原型所發(fā)生的主要現(xiàn)象的數(shù)學(xué)方程式。這組用來描述原型的數(shù)學(xué)方程式通常稱為數(shù)學(xué)數(shù)學(xué)方程式

2、。這組用來描述原型的數(shù)學(xué)方程式通常稱為數(shù)學(xué)模型。一般地說，這些數(shù)學(xué)方程式是描述系統(tǒng)所處的狀態(tài)的，模型。一般地說，這些數(shù)學(xué)方程式是描述系統(tǒng)所處的狀態(tài)的，從這個意義上講，往往稱之為狀態(tài)方程。從這個意義上講，往往稱之為狀態(tài)方程。所研究的系統(tǒng)、過程、事物或概念的一種表達(dá)。所研究的系統(tǒng)、過程、事物或概念的一種表達(dá)。模型可以是物理實體，也可以是某種圖形或者是一種數(shù)學(xué)表模型可以是物理實體，也可以是某種圖形或者是一種數(shù)學(xué)表達(dá)式。達(dá)式。什么是模型？什么是模型？分子模擬乙烯的軌道圖像乙烯的軌道圖像流程模擬過程系統(tǒng)的模擬過程系統(tǒng)的模擬過程系統(tǒng)模型過程系統(tǒng)模型輸入流股向量輸出流股向量設(shè)備參數(shù)向量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的表達(dá)方式：工

3、藝流程圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的表達(dá)方式：工藝流程圖單元單元i i，j j之間的聯(lián)系稱為聯(lián)結(jié)方程：之間的聯(lián)系稱為聯(lián)結(jié)方程：xynjmi11223344556677889121091110121113（1圖形表示圖形表示 工藝流程圖的有向圖或信息流程圖Information flow diagram)基本概念：節(jié)點 設(shè)備單元 邊 流股 子圖 途徑 循環(huán)回路或環(huán)路），（邊：節(jié)點：14211221),(),(eeeExxxXEXG1271211121435467891011121368354910 （2矩陣表示矩陣表示 （a過程矩陣過程矩陣(Process Matrix) Rp 表達(dá)過程系統(tǒng)單元設(shè)備與流股之間的關(guān)

4、系，由流股將相關(guān)表達(dá)過程系統(tǒng)單元設(shè)備與流股之間的關(guān)系，由流股將相關(guān) 設(shè)備關(guān)聯(lián)起來。設(shè)備關(guān)聯(lián)起來。單元設(shè)備序號相關(guān)物流號流入該節(jié)點的流股流入該節(jié)點的流股+流出該節(jié)點的流股流出該節(jié)點的流股-12341112-1 1 (b) 鄰接矩陣Adjacency Matrix) RA 一個由n個單元或節(jié)點組成的系統(tǒng)，其鄰接矩陣或相鄰矩陣 可表示為nn的方陣。jijiAARijijA沒有邊聯(lián)結(jié)到節(jié)點從節(jié)點有邊聯(lián)結(jié)到節(jié)點從節(jié)點, 0;, 11 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12流入節(jié)點j流出節(jié)點i121112111011RA=j 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12i21435768

5、91012110 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 00 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 00 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0空的列元素都為零）：系統(tǒng)中沒有輸入

6、的節(jié)點；空的行元素都為零）：系統(tǒng)中沒有輸出的節(jié)點。鄰接矩陣：（c關(guān)聯(lián)矩陣Incidence Matrix)RI元素Sij=-1，邊流股j為節(jié)點單元設(shè)備i的輸出流股 1，邊流股j為節(jié)點單元設(shè)備i的輸入流股 0，邊流股j與節(jié)點單元設(shè)備i無關(guān)聯(lián)RI=j 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14i21435 7689101211-1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 01 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 -10 0 1 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 1 -1 0 0

7、0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 1 -1 0 1 0 -1 0 1 0 00 0 0 0 0 1 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 -1 -1 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 1 -1 0 0 00 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 -1 -1 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1關(guān)聯(lián)矩陣 闡明：闡明： .若有向圖中有若有向圖中有n個節(jié)點個節(jié)點m條邊，則關(guān)聯(lián)矩陣為條邊，則關(guān)聯(lián)矩陣為n行行m列的矩列的矩 陣。陣。 .每一流股每一流股(邊邊)在矩陣中標(biāo)出兩次，

8、即同一條邊可是一個節(jié)點在矩陣中標(biāo)出兩次，即同一條邊可是一個節(jié)點 的輸出又是另一節(jié)點的輸入邊。的輸出又是另一節(jié)點的輸入邊。 .列的元素之和為零。列的元素之和為零。模擬模擬(Simulation)(Simulation)： A A 復(fù)雜復(fù)雜 B B簡單簡單預(yù)測預(yù)測A A （以（以B B的行為模擬的行為模擬A A的行為，從簡單的預(yù)測復(fù)雜的）的行為，從簡單的預(yù)測復(fù)雜的） 實驗?zāi)M：采用實驗?zāi)Ｐ脱b置進(jìn)行研究。實驗?zāi)M：采用實驗?zāi)Ｐ脱b置進(jìn)行研究。 數(shù)學(xué)模擬：采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究。數(shù)學(xué)模擬：采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究。 數(shù)學(xué)模型：數(shù)學(xué)模型： （1 1穩(wěn)態(tài)模型和動態(tài)模型穩(wěn)態(tài)模型和動態(tài)模型 （2 2機(jī)理模型和機(jī)理模型

9、和“黑箱黑箱模型經(jīng)驗?zāi)Ｐ停┠Ｐ徒?jīng)驗?zāi)Ｐ停?（3 3集中參數(shù)模型與分布參數(shù)模型集中參數(shù)模型與分布參數(shù)模型 （4 4確定性模型和隨機(jī)模型確定性模型和隨機(jī)模型2.1 過程系統(tǒng)的模擬l物料衡算物料衡算l能量衡算能量衡算l反應(yīng)模型反應(yīng)模型l熱力學(xué)模型熱力學(xué)模型l流體力學(xué)流體力學(xué)過程工業(yè)系統(tǒng)模型分類過程工業(yè)系統(tǒng)模型分類對某一化工過程機(jī)理進(jìn)行深入研究，通過化工基對某一化工過程機(jī)理進(jìn)行深入研究，通過化工基本理論推導(dǎo)得到表示過程各有關(guān)變量之間的物理本理論推導(dǎo)得到表示過程各有關(guān)變量之間的物理數(shù)學(xué)關(guān)系，這種純粹從基本理論出發(fā)，用數(shù)學(xué)方數(shù)學(xué)關(guān)系，這種純粹從基本理論出發(fā)，用數(shù)學(xué)方法來表達(dá)的關(guān)系，稱為過程的理論模型。法來

10、表達(dá)的關(guān)系，稱為過程的理論模型。理論模型能反映過程的機(jī)理。但由于實際的化工理論模型能反映過程的機(jī)理。但由于實際的化工過程比較復(fù)雜，影響因素很多，純用理論方法描過程比較復(fù)雜，影響因素很多，純用理論方法描敘過程往往是不可能，因而純理論模型的應(yīng)用是敘過程往往是不可能，因而純理論模型的應(yīng)用是很有限的。很有限的。 ),(0TcrdtdxcdtdcAAAAA)(),()(TTUATcrHVdtdTMccRAARpFAPA按化學(xué)工程基本原理質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律、傳質(zhì)速率方程、狀態(tài)方程、相平衡、化學(xué)平衡、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)等），對過程的數(shù)學(xué)描述 過程工業(yè)系統(tǒng)的分析過程工業(yè)系統(tǒng)的分析p穩(wěn)態(tài)模擬是過程工業(yè)流程模

11、擬中開發(fā)最早、應(yīng)用最普遍穩(wěn)態(tài)模擬是過程工業(yè)流程模擬中開發(fā)最早、應(yīng)用最普遍的一種。包括：物料和能量衡算，設(shè)備尺寸和費(fèi)用計算及的一種。包括：物料和能量衡算，設(shè)備尺寸和費(fèi)用計算及過程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價。過程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價。p從數(shù)學(xué)角度來看，過程模擬的實質(zhì)是求解非線性方程組。從數(shù)學(xué)角度來看，過程模擬的實質(zhì)是求解非線性方程組。該方程組由單元模塊方程、流程聯(lián)結(jié)方程和規(guī)定方程如該方程組由單元模塊方程、流程聯(lián)結(jié)方程和規(guī)定方程如原料組成、流量、產(chǎn)品純度等構(gòu)成。原料組成、流量、產(chǎn)品純度等構(gòu)成。 過程工業(yè)系統(tǒng)的模擬過程工業(yè)系統(tǒng)的模擬2.1.2 過程系統(tǒng)模擬的基本結(jié)構(gòu)管理系統(tǒng)執(zhí)行模塊單元過程模塊 物性數(shù)據(jù)庫熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫

12、輸入模塊 輸出模塊 優(yōu)化方法庫經(jīng)濟(jì)分析模塊 計算方法庫流程設(shè)計報告撰寫和答辯詳細(xì)設(shè)計，設(shè)備設(shè)計，投資預(yù)算，收益分析，優(yōu)化現(xiàn)狀-機(jī)會初始問題評價文獻(xiàn)調(diào)研流程構(gòu)造流程基本數(shù)據(jù)庫構(gòu)建實驗初步流程集成反應(yīng)、分離、T-P變換操作，任務(wù)集成、設(shè)備選型能否盈利否放棄是創(chuàng)建流程圖流程集成中試、流程改進(jìn)構(gòu)建流程詳細(xì)數(shù)據(jù)庫準(zhǔn)備流程模擬模型流程原型構(gòu)造流程是否可行？是否詳細(xì)流程集成分離過程集成熱力學(xué)第二定律分析熱和動力集成PART IIPART IPART IIIPART IVPART V整個流程可控性評價控制體系結(jié)構(gòu)的定性分析流程控制分析動態(tài)模擬流程是否可行？是否流程是否有意義？是否放棄終結(jié)設(shè)計繪制設(shè)備圖繪制儀表

13、配置圖繪制設(shè)備安裝圖建設(shè)放大試驗設(shè)備投標(biāo)建設(shè)開工生產(chǎn)開工報告其他設(shè)備動態(tài)模擬可靠性和安全性分析實驗室和實驗廠測試污染物處理分析模擬方法模擬方法過程工業(yè)系統(tǒng)的模擬過程工業(yè)系統(tǒng)的模擬 2.2.1 序貫?zāi)K法 逐個單元模塊依次序貫計算求解系統(tǒng)模型的一種方法。 回路環(huán)路）輸入流股與后續(xù)的單元設(shè)備輸出有關(guān)?；静襟E與實際過程的一致性）：基本步驟與實際過程的一致性）： （1搜集相關(guān)的資料和數(shù)據(jù)搜集相關(guān)的資料和數(shù)據(jù) 操作及設(shè)計數(shù)據(jù)、設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸；驗證模型所需要的生操作及設(shè)計數(shù)據(jù)、設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸；驗證模型所需要的生 產(chǎn)數(shù)據(jù)或?qū)嶒灁?shù)據(jù)。產(chǎn)數(shù)據(jù)或?qū)嶒灁?shù)據(jù)。 （2建立過程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型建立過程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型 a. 過

14、程系統(tǒng)的拓?fù)浍@取信息流圖過程系統(tǒng)的拓?fù)浍@取信息流圖 b. 信息流圖表示成矩陣形式信息流圖表示成矩陣形式 c. 系統(tǒng)的分隔系統(tǒng)的分隔 d.斷裂回路選定適宜斷裂流股和初值 e.模擬計算的求解順序，管理模擬計算過程 （3建立單元設(shè)備模塊 （4熱力學(xué)數(shù)據(jù)及物性數(shù)據(jù)模塊 （5輸入模塊 （6輸出模塊 缺陷：物性參數(shù)、單元模塊及系統(tǒng)斷裂流股三層嵌套迭代。 設(shè)計型問題：不斷調(diào)節(jié)輸入?yún)?shù)和設(shè)備工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)。 2.2.2 聯(lián)立方程法 將描述過程系統(tǒng)的所有方程組織起來，形成一大型 非線性方程組，進(jìn)行聯(lián)立求解?；静襟E：基本步驟： （1建立過程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立過程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 a.物料平衡方程物料平衡方程 b.

15、能量平衡方程能量平衡方程 c. 化學(xué)反應(yīng)速率方程及化學(xué)平衡方程化學(xué)反應(yīng)速率方程及化學(xué)平衡方程 d. 熱量、質(zhì)量和動量傳遞方程熱量、質(zhì)量和動量傳遞方程 e. 物性推算方程物性推算方程 f. 過程拓?fù)?、生產(chǎn)工藝指標(biāo)及約束條件過程拓?fù)?、生產(chǎn)工藝指標(biāo)及約束條件 （2方程組聯(lián)立求解的基本方法方程組聯(lián)立求解的基本方法 a.方程組降維法方程組降維法 方程組的稀疏性方程組的稀疏性降維求解成為可能。降維求解成為可能。方程節(jié)點；變量邊。 矩陣法識別不相關(guān)的子系統(tǒng)； 回路和最大循環(huán)網(wǎng)的識別； 斷裂回路或最大循環(huán)網(wǎng)，確定適宜的斷裂變量； 確定計算順序，對系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)立求解。 b. 方程線性化法 Taylor展開法 稀疏

16、陣通常避開求逆方法，LU高斯消去法的改進(jìn)因次 分解。LUAbAxa11 a12 a13 a14a21 a22 a23 a24a31 a32 a33 a34a41 a42 a43 a44=l11 0 0 0l21 l22 0 0l31 l32 l33 0l41 l42 l43 l441 u12 u13 u140 1 u23 u240 0 1 u340 0 0 1xbUxbLUxAx省去了嵌套迭代，但對初值要求嚴(yán)格。 2.2.3 聯(lián)立模塊法 又稱雙層法： 取序貫?zāi)K法及聯(lián) 立方程法兩者之長。 兩個層次： 單元模塊的層次； 系統(tǒng)流程的層次。 不可分隔 相關(guān)子系統(tǒng) 按嚴(yán)格單元模型 進(jìn)行單元模擬計算 生

17、成簡化模 型的模型參數(shù) 簡化模型聯(lián)結(jié)方程的求解進(jìn)行系統(tǒng)模擬或優(yōu)化收斂判據(jù)1輸出計算結(jié)果收斂判據(jù)2YYNN 簡化模型的三種表達(dá)方式： 方式：聯(lián)結(jié)流股全部切斷，表示為上游節(jié)點輸出流股，下 游節(jié)點輸入流股，系統(tǒng)流股數(shù)增加一倍。 流股向量關(guān)系由聯(lián)結(jié)方程表示，方程數(shù)包括： 單元模塊方程或其簡化模型 流股聯(lián)結(jié)方程 設(shè)計規(guī)定方程混合器分離器x0 x1y1x2y2反應(yīng)器x3y3x4y4y5分割器y6ur 單元模塊方程：單元模塊方程：),();();();(411344233122uxgyxgyxgyxgy 聯(lián)結(jié)方程：聯(lián)結(jié)方程：11443322;yxyxyxyx 設(shè)計規(guī)定方程：設(shè)計規(guī)定方程：srxr)(3 方式

18、方式：單元模塊代入聯(lián)結(jié)方程，聯(lián)結(jié)流股均用輸入流股表示。：單元模塊代入聯(lián)結(jié)方程，聯(lián)結(jié)流股均用輸入流股表示。 流股聯(lián)結(jié)方程：流股聯(lián)結(jié)方程：),();();();(411344233122uxgxxgxxgxxgx 設(shè)計規(guī)定方程：設(shè)計規(guī)定方程：srxr)(3 方式方式：為進(jìn)一步減少方程式的數(shù)目，采用環(huán)路斷裂的策略，：為進(jìn)一步減少方程式的數(shù)目，采用環(huán)路斷裂的策略， 將環(huán)路中的過程單元合并為一虛擬的單元。將環(huán)路中的過程單元合并為一虛擬的單元。 流股聯(lián)結(jié)方程：流股聯(lián)結(jié)方程： ),1(1,123411uxGuxggggx 設(shè)計規(guī)定方程：設(shè)計規(guī)定方程： srxggr123 簡化模型優(yōu)點：簡化模型在流程水平上聯(lián)

19、立求解，便于設(shè)計簡化模型優(yōu)點：簡化模型在流程水平上聯(lián)立求解，便于設(shè)計 和優(yōu)化問題的求解。和優(yōu)化問題的求解。 缺陷：簡化模型的聯(lián)立求解存在方法的可靠性問題；需要較缺陷：簡化模型的聯(lián)立求解存在方法的可靠性問題；需要較 好的初值；雅可比好的初值；雅可比Jacobi矩陣的計算費(fèi)時。矩陣的計算費(fèi)時。過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬方法比較過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬方法比較 方法方法優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點代表性軟件代表性軟件序序貫貫?zāi)ＤK塊法法與工程師直觀經(jīng)驗一致，便于學(xué)習(xí)使用；易于通用化，已積累豐富的單元模塊；需要計算機(jī)內(nèi)存較?。挥绣e誤易于診斷檢查；再循環(huán)引起的收斂迭代很費(fèi)機(jī)時；進(jìn)行設(shè)計型計算時，很費(fèi)機(jī)時；不宜用于最優(yōu)化計算；PRO/