过程系统稳态模拟的基本方法及应用

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1、过程系统稳态模拟的基本方法及应用摘要：本文在论述过程系统及稳态模拟的概念后，主要讲述了解决此模拟问题的两个目前应用较为广泛的方法：序贯模块法和联立方程法。通过叙述此两种方法的基本思路，到深入讨论其所代表的意义，并提出其在模拟问题求解中所面临的问题，同时给出相应的解决方法。通过一步一步的讨论，最终完成此方法解决实际问题的步骤。最后讨论了两种方法在进行模拟时各自的不足之处，结合两种方法各自的优缺点，讨论了两种方法的应用范围，对于模拟型问题，序贯模块法易于理解，便于直接进行计算，而对于设计型、优化型问题其计算程序中需加入控制块，这显得过于累赘，使得计算效率大大降低。而联立方程法则对

2、此三类问题无区别，都可直接进行计算，但难点在于计算问题的求解，我们已给出了一些解决方法。最后简要叙述了几种新的方法。关键词：过程，系统，稳态模拟，序贯模块法，联立方程；1概述：现在我们引入一个定义：过程系统工程（ProcessingSystemEngineering，PSE），即将系统工程学的理论与方法应用于化工过程领域的边缘学科，是化学工程的一个分支。过程系统工程的主要研究内容就是如何实现过程操作系统的操作模拟、设计模拟、操作最优化、设计最优化以及过程系统的最优合成，这些问题均属过程系统模拟。进入21世纪以来，以化学工程工业代表的过程工业发生了深刻的变化，这些大型的传统工业

3、面临着新世纪的挑战。首先，工业走向数字化、网络化，系统向全价值链的自动化和优化发展；其次，大宗产品盈利空间持续下降，使生产转向精细化，生产方式向着个性化订制模式发展；最后，本世纪强调可持续发展，促使生产目标从单纯追求利润最优到节约资源、环境友好、经济效益等的多目标追求发展。为迎接挑战，势必要求工业构架向系统全盘信息化发展，而这一切的基础核心就是过程系统的模拟与优化。过程模拟的一般方法有物理模拟及数学模拟。用一个较为简单的、与所研究系统操纵特性相同的系统来研究以预知实际系统的效果，这种方法即为模拟亦称仿真。而简化的系统也叫模型。若模型与目标系统不仅性能相似（描述系统的数学方程相

4、同），而且物理化学本质一样，仅是尺寸上不同，此时的模拟为“物理模拟”；鉴于时下电子信息技术的发展，若模1/13型是电子计算机吗，模型仅与目标系统描述方程式相同，此时的模拟即为“数学模拟”。现在我们所说的过程系统模拟均属于后者。在过程系统模拟中，首先便是数学模型化，我们希望模型在满足目标精度要求情况下越简单越好，其步骤见下图1：其次，现代的精细化使得我们过程工业模拟的对象从传统的以设备及流程为目标向两个方向延伸：一方面向以产品设计为代表的微观世界发展；一方面则向以供应链为代表的超大规模发展。如图2所示，其可分为三大层级：以产品设计为核心的分子模拟，以“三传一反”为核心的过程系统

5、模拟，还有以企业经营管理为核心的管理过程模拟。2/13提出任务将第一步：提出问题。正确问题明确化把握问题的主要矛盾第二步：找寻过程一直规过程机理研究律，奠定过程的理论基础物性数据化工基础数过程数据第三步：收集整理过程基据的收集整成本核算数据理础数据程序第四步：忽略次要因素，建立数学模将变化不大的参数做常单元过程模型库型数处理简化模型，有时还需进行模式识别选择解算方第五步：最好从已有的计数学方法程序库法算程序中挑选，无合适的则需自行编程解决编制或装配计算程序第六、七步：在现代计算机上实现计算上机解算计算结果整理解释第八、九步：整理计算结果与已有试验结果比较核对，验证数学模型建立

6、不合理的是否正确核对试验结果合理正确解图1过程系统数学模型的建立步骤3/13环境化学供应链管理（全球）企业优化（10000）制造工厂（100）工艺装置（1）单元设备（0.1）三传一反（0.01）NANO系统（nm）分子模拟（0.1nm）图2过程系统的规模及层次基于上述我们所研究的过程系统模拟主要指的是从“三传一反”到“制造工厂”层次的第二层级，而从研究对象的时态本质来划分，区分为过程稳态模拟及过程动态模拟。稳态模拟指对象参数不随时间变化而变化，如物料和能量平衡模型模拟。本文旨在讲述过程系统动态模拟的基本方法及应用。2过程系统稳态模拟基本概念过程系统稳态模拟是过程系统分析的有效

7、手段，过程系统分析有效手段，其目的是通过对某一化工系统建立数学模型，利用对数学模型的求解，研究这一化工系统的整体稳态特性，即通过稳态过程模拟，分析系统中各单元输入、输出物流，设备结构参数和操作参数间的关系，及对系统整体特性的影响。为了对过程系统进行模拟则首先要建立能够描述过程系统性能的数学模型。该数学模型是由能描述此系统过程的数学方程及限制条件组成的。它是对某个过程系统工况特性关系的数学表达。具体而言，它包括以下几类方程。单元模型方程，过程系统通常是由各种单元操作组成，因此单元模型是过程系统模型的4/1