流程模拟技术概述

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1、会计学1流程模拟技术概述流程模拟技术概述化工模拟优化技术的发展是建立在化学工业的发展、人类对化工过程认识的深入及计算机技术的迅速发展等的历史背景下的。近现代以来，化学工业朝着综合化方向发展，流程结构日益复杂，装置规模日趋大型化，化工行业的资源短缺、环境污染等问题变得越来越重要。同时，人们对化工过程的认识也越来越深入，1915年美国的A.D Little首次提出的单元操作的概念，上世纪50年代，传递过程理论诞生，随后，化工过程系统工程应运而生。自1965年以来，大型电子计算机出现，计算方法得到迅速发展。这一切为现代化工过程模拟优化技术的发展奠定了坚实的基础。第1页/共35页化工过程模拟系统开始产

2、生于上世纪后半叶，其标志性事件就是化工流程模拟软件的出现与开发。化工流程模拟软件是由化学工程学、化工热力学、系统工程、应用数理统计、计算方法及计算机技术等多学科理论在计算机上实现的综合性模拟系统。1960年代，美国HOUSTON大学开发出Chess（Chemical Engineering Simulation System）系统，该软件采用FORTRAN语言编写，共有16种单元操作模块，98种物料的物性数据。60年代末，美国Monsanto（孟山都）公司开发出Flowtran（Flowsheet Translator）系统，该软件也采用FORTRAN语言编写，共有30种单元操作模块，180种

3、物料的物性数据。1976-1981年，美国麻省理工大学化工系开发出ASPEN（Advanced System for Process Engineering）系统，该系统采用FORTRAN语言编写，共有36种单元操作模块，500种气液物料的物性数据，120种固体物料的物性，可用于模拟计算、优化、成本估算和经济评估等。1988年美国Simsci模拟公司开发出PRO/，对PROCESS做重大改进。1990年代中后期，加拿大Hyprotech公司采用新一代面向对象的编程工具C+语言，在Windows 环境下开发出完全交互式的HYSYS软件，2002年7月，Hyprotech公司与AspenTech公

4、司合并，HYSYS成为AspenTech公司的产品。第2页/共35页我国的化工过程模拟系统开发起步较晚，但通过引进软件、硬件等缩短了差距，应用情况目前已接近国际水平，但软件系统的研究开发与国外相比仍有较大差距，国内几乎没有通用的化工过程模拟软件，但80年代以来已经开发出一些专用的具有一定水平的化工专家系统。可见，从上世纪7、80年代以来，化工过程模拟系统已经进入快速的普及、推广时期。一方面，化工模拟理论和技术方面的发展，使软的应用范围更加广泛，另一方面，软件及计算机辅助工具的发展，即研究手段的进步，使工程师更易掌握、使用这种软件，更容易地进行各种技术方案的研究。近年来，人工神经网络技术，作为一

5、种典型的经验建模工具，由于其具有更强的过滤能力，巨大的并行处理能力，良好的自适应能力及强大的模式识别能力等诸多优于传统的经验建模系统的独特性质，被广泛地应用于复杂化工系统中的建模、优化中，取得了显著的效果。第3页/共35页Aspen Plus是Aspen工程套件的首个产品，自发布以来，经过20多年的不断改进、提高与扩充，先后发布了十多个版本，已成为举世公认的大型流程模拟标准软件。全球各主要化工、石化和炼油等过程工业制造企业与著名工程公司均是Aspen Plus的用户。同时，以Aspen Plus的严格机理模型为基础，还逐步发展起来了一系列针对不同用途、不同层次的软件产品，此即为Aspen 工程

6、套件(Aspen Engineering Suite,简称AES)。Aspen Plus 软件做为目前最流行的国际通用性化工流程模拟软件，其广泛应用于科研、生产和工程中。该软件的主要特征是：序贯和联立方程的模拟方法、最快的速度和最高的可靠性及庞大的纯组分和混合物的数据库；其主要功能是：数据回归和数据拟合、物性分析、灵敏度分析、设计和校核及多变量优化。第4页/共35页利用该软件，可以进行以下具体的工作：（1）物料平衡、热平衡，热负荷、流率、组成及物性等设计基础数据的计算；(2)设备单元主要工艺参数，并可进行冷换设备核算及塔板水力学估算；(3)流程合成和工艺包开发；(4)原料及加工路线的筛选与评价

7、；(5)工艺参数优化和消除装置“瓶颈”；（6）装置操作优化，扩产与节能；（7）参数显著性分析，提供总流程的优化LP模型参数和“影子价格”等参数；(8)操作参数的灵敏度分析；(9)自控方案、DCS或APC中建模提供依据；（10）利用动态模拟功能分析控制参数的动态特性，如自控和开、停工方案及火炬排放系统的设计等。第5页/共35页09 四月 20247内容内容n n概论n n过程系统工程的基本概念n n过程系统工程包含的内容n n过程系统工程研究方法n n稳态模拟基础知识第6页/共35页09 四月 20248概概论论n n60年代过程系统工程产生和发展的理论准备时期n n70年代过程系统工程走上实用

8、的时期n n80年代过程系统工程普及时代第7页/共35页09 四月 20249过程系统工程的基本概念过程系统工程的基本概念n n过程系统工程是将系统工程学的理论和方法应用于过程工业领域的确一门边缘学科，是化学工程的一个分支。n n过程系统工程的基本内容就是从过程系统的整体目标出发，根据系统内部各个组成部分的特性及其相互关系，确定在规划、设计、操作和控制等方面的最优策略。第8页/共35页09 四月 202410研究开发市场调查设备设计设备制造建设工程试运转操作运行过程设计外协检查经营管理控制环境的变化第9页/共35页09 四月 202411过程系统工程包含的内容过程系统工程包含的内容n n过程系

9、统分析n n过程系统集成n n过程系统优化n n过程系统设计第10页/共35页09 四月 202412过程系统输入输出过程系统分析示意图（待求）第11页/共35页09 四月 202413过程系统（待求）输入输出过程系统集成示意图第12页/共35页09 四月 202414过程系统优化过程系统优化n n过程系统优化或系统优化可分为参数优化和结构优化n n参数优化：在一确定的系统流程中对其操作参数进行优化。n n结构优化：改变过程系统中设备类型或其相互间的联结，以优化过程系统。第13页/共35页09 四月 202415过程系统设计过程系统设计n n过程系统的设计原则上讲，是过程系统集成与过程系统分析

10、交替过程的整体。n n包括三个主要的步骤：过程系统集成、分析与优化第14页/共35页09 四月 202416过程系统经济评价综合参数优化需求计算设备尺寸、费用结构优化最终的过程系统热量物料衡算决策变量优化第15页/共35页09 四月 202417数学模拟数学模拟n n数学模拟：对数学模型求解的过程n n优 点：经济、灵活、可以减少中间试验，可获得实验条件下难以得到的性能信息，可以利用已有的理论成果来研究复杂过程系统的性能。第16页/共35页09 四月 202418过程系统模型过程系统模型n n过程系统模型是借助有关概念、变量、规则、逻辑关系、数学表达式、图形和表格等对系统的总体描述。第17页/

11、共35页09 四月 202419数学模型的类型与建立数学模型的类型与建立n n按建模的方法分为：机理模型和经验模型n n按建模是否考虑时间分为：动态模型和稳态模型n n按建模是否考虑空间分为：集中参数模型和分布参数模型n n按过程的特征分为：确定模型和随机模n n数学模型的建立过程称为模型化，模型化的最基本要求，数学模型与所研究的过程系统具有客观的一至性。第18页/共35页09 四月 202420过程系统模型组成及表过程系统模型组成及表示示n n过程单元模型n n过程系统结构n n过程系统结构表示：有向图表示、矩阵表示第19页/共35页09 四月 202421稳态模拟的基本知识稳态模拟的基本知

12、识n n数学模型的基本类型与主要形式n n稳态模拟所研究问题的基本类型n n稳态模拟的基本方法n n稳态模拟软件n n化工过程物性系统n n化工过程的数学模型第20页/共35页09 四月 202422数学模型的基本类型数学模型的基本类型n n集中参数模型与分布参数模型n n确定模型与随机模型n n机理模型与经验模型第21页/共35页09 四月 202423稳态模拟所研究的基本稳态模拟所研究的基本问题问题n n标准型问题n n设计型问题n n最优化问题第22页/共35页09 四月 202424单元模块输入流股向量输出流股向量标准型问题第23页/共35页09 四月 202425单元模块输入流股向量

13、输出流股向量设计型问题控制模块设备参数向量要求的输出向量特性第24页/共35页09 四月 202426过程模拟模型给定输入物理特性最优化问题经济模拟模型给定的参数控制变量约束条件优化程序约束条件第25页/共35页09 四月 202427公用工程及原料量成本数据物料与能量衡算设备尺寸计算成本估算经济评价输入条件设备尺寸计算投资费用数据收益流程模拟的一般步骤第26页/共35页09 四月 202428稳态模拟的基本方法稳态模拟的基本方法n n序贯模块法（SM）n n联立方程法（EO）n n最优联立模块法第27页/共35页09 四月 202429流程模拟系统软件流程模拟系统软件n n模拟系统模拟系统开

14、发者开发者结构结构特点特点n nASCEND ASCEND 美国美国Carnegie-Mellon Carnegie-Mellon 联立方程法联立方程法模拟与优模拟与优化化n nASPEN PLUS ASPEN PLUS 美国美国ASPENASPEN公司公司 序贯模块法序贯模块法模拟与优化模拟与优化n nCAPES CAPES 日本日本序贯模块法序贯模块法有优化费有优化费用用n nCHESS CHESS 美国美国WashingtonWashington大学大学n nCONCEPT III CONCEPT III 英国英国CADCAD中心中心序贯模块法序贯模块法交互作用方式交互作用方式n nDE

15、SIGN 2000 DESIGN 2000 美国美国Chem Share Chem Share 序贯模块法序贯模块法n nFLOWPACK II FLOWPACK II 英国德国英国德国ICI-LINDE ICI-LINDE 序贯模块法序贯模块法批处理与交互批处理与交互n nFLOWSIM FLOWSIM 美国美国Connecticut Connecticut 大学大学联立方程法联立方程法图形输入图形输入n nFLOWTRAN FLOWTRAN 美国美国Monsanto Co.Monsanto Co.序贯模块法序贯模块法有费用和尺有费用和尺寸寸n nGMB GMB 美国美国Badger Co.

16、Badger Co.序贯模块法序贯模块法交互作用交互作用方式方式第28页/共35页09 四月 202430流程模拟系统软件流程模拟系统软件n n模拟系统模拟系统开发者开发者结构结构特点特点n nHYSIM HYSIM 加拿大加拿大HYPROTECH Co.HYPROTECH Co.序贯模块法序贯模块法交互作用方交互作用方式式n nPRO/II PRO/II 美国美国SimulationSimulation公司公司序贯模块法序贯模块法批处理与交互批处理与交互n nQUASLIN QUASLIN 英国英国CADCAD中心中心联立方程法联立方程法模拟与优化模拟与优化n nSIMMOD SIMMOD

17、美国美国I Illinoisllinois大学大学序贯模块联立模块法序贯模块联立模块法模拟与模拟与优化优化n nSPEEDUP SPEEDUP 英国英国ImperialImperial大学大学 PASCALPASCAL编程编程n nSYMBOL SYMBOL 英国英国CambridgeCambridge大学大学联立方程法联立方程法线性化法线性化法n nECSS ECSS 青岛化工学院青岛化工学院序贯模块法序贯模块法n nMicro SAPROSS Micro SAPROSS 兰州设计院兰州设计院序贯模块法序贯模块法合成氨专用系统合成氨专用系统程程n n大连理工大学大连理工大学n n华东理工大学

18、华东理工大学第29页/共35页09 四月 202431流程模拟系统的基本结构计算方法库单元模块库物性数据库热力学性质库输入输出管理系统执行程序求解优化经济分析第30页/共35页09 四月 202432物性系统的作用物性系统的作用n n根据模拟计算的进程与要求向程序提供所需的各根据模拟计算的进程与要求向程序提供所需的各种物性数据种物性数据n n允许用户输入自己的数据并转换成模拟系统所要允许用户输入自己的数据并转换成模拟系统所要求的形式求的形式n n当缺少化合物的物性时，可为用户提供物性推算当缺少化合物的物性时，可为用户提供物性推算模型模型n n当用户自己有实验数据时，可以按要求的模型形当用户自己

19、有实验数据时，可以按要求的模型形式进行回归，给出回归模型的参数式进行回归，给出回归模型的参数第31页/共35页09 四月 202433化工过程的数学模型化工过程的数学模型n n基本定律n n质量守恒定律质量守恒定律n n能量守恒定律能量守恒定律n n传递速率方程，包括热量、质量、动量传递速率传递速率方程，包括热量、质量、动量传递速率方程方程n n状态方程状态方程n n化学平衡化学平衡n n化学反学动力学化学反学动力学第32页/共35页09 四月 202434八步法流程模拟八步法流程模拟画流程图画流程图定义组分定义组分选择方法选择方法定义物流定义物流定义单元操作定义单元操作运行模拟运行模拟察看结果察看结果修改参数修改参数第33页/共35页09 四月 202435谢谢！谢谢！第34页/共35页