化工过程数值模拟及软件 第1章 绪论

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1、化工过程数值模拟软件介绍第一章绪论第一节化工模拟化学工程的研究对象通常是非常复杂的，主要表现在：①过程本身的复杂性：既有化学的，又有物理的，并且两者时常同时发生,相互影响。②物系的复杂性:既有流体（气体和液体），又有固体，时常多相共存。流体性质可有大幅度变化，如低粘度和高粘度、牛顿型和非牛顿型等。有时，在过程进行中有物性显著改变，如聚合过程中反应物系从低粘度向高粘度的转变。③物系流动时边界的复杂性：由于设备（如塔板、搅拌桨、档板等）的几何形状是多变的，填充物（如催化剂、填料等）的外形也是多变的，使流动边界复杂且难以确定和描述。第一节化工模拟由于化学工程对象的这些特点，使得解析方法在化学

2、工程研究中往往失效。也从而形成了自己的研究方法（化学工程研究方法），其中有些方法并非首创，而由别的领域移植而来。化学工程初期的主要方法是经验放大，通过多层次的、逐级扩大的试验，探索放大的规律。这种经验方法耗资大、费时长、效果差，人们一直努力试图摆脱这种处境。但是时至今日，对于一些特别复杂，人们迄今尚知之甚少的过程，还不得不求助于或部分求助于此法。到20世纪初，相当盛行的是相似论和因次分析，其特点是将影响过程的众多变量通过相似变换或因次分析归纳成为数较少的无因次数（无量纲）群形式，然后设计模型试验，求得这些数群的关系。用这两种方法归纳实验结果，甚为有效。而对于反应过程，逐级的经验方法沿用

3、了很长时间。由于不可能在满足几何相似和物理量相似的同时满足化学相似条件，用无因次数群关联实验结果以获得反应过程规律的思路归于无效。直至50年代，才在化学反应工程领域中广泛应用数学模型方法。这一方法的影响波及到化学工程的其他分支，使研究方法出现了一个革新。在上述方法的应用中，多方面体现了过程分解（将一个复杂过程分解为两个或几个较简单过程），过程简化（较复杂过程忽略次要因素而以较简单过程简化处理）和过程综合（在分别处理分解了的过程后，再将这些过程综合为一）的思想。第一节化工模拟对化工过程模拟而言，有不同层次的过程模拟，一个工厂的流程模拟的对象在十几米甚至上百米的规模范围，而其单元过程子系统

4、则为几厘米至几米大小。进一步深入模拟每个单元过程设备的内部传递过程和反应过程，则模拟对象小到毫米亚微米级。而在计算分子物性或研制新的药品时，要模拟分子的性能，模拟的对象甚至小到纳米级。典型的化工模拟的层次如图1所示。第二节流程模拟化工过程模拟或流程模拟是根据化工过程的数据，诸如物料的压力、温度、流量、组成和有关的工艺操作条件、工艺规定、产品规格以及一定的设备参数，如蒸馏塔的板数、进料位置等，采用适当的模拟软件，将一个由许多个单元过程组成的化工流程用数学模型描述，用计算机模拟实际的生产过程，并在计算机上通过改变各种有效条件得到所需要的结果。其中包括人们最为关心的原材料消耗、公用工程消耗和

5、产品、副产品的产量和质量等重要数据。简言之，化工过程模拟就是在计算机上“再现”实际的生产过程。由于这一“再现”过程并不涉及到实际装置的任何管线、设备以及能源的变动，因而给了化工模拟人员最大的自由度，可以在计算机上“为所欲为”地进行不同方案和工艺条件的探讨、分析。这一方法是计算机技术在化工方面的最重要的应用之一。流程规模系统的迅速与准确不仅可节省时间，也可节省大量资金和操作费用，提高产品质量和产量，降低消耗。流程模拟系统还可对经济效益、过程优化、环境评价进行全面地分析和精确评估。并可对化工过程的规划、研究和开发及技术可靠性作出分析。同时流程模拟系统的快速准确对多种流程方案的分析和对比提供

6、了保证。随着计算机技术的发展及应用软件技术的开发，化工过程模拟技术日趋成熟和实用，商业化软件广泛出现于化工过程模拟中，其主要的代表有ASPENPLUS系统和PRO／E系统。第三节单元模拟过程工业的处理过程是以质量、动量和能量的连续流动为特征。传统手段对这一过程的处理在很大程度上是依靠经验以及一些宏观参数表达的经验关系式。现代过程工业普遍使用的流程模拟技术尽管更系统化和普遍地描述这一过程，使工艺工程师更深入地了解工艺链中的关联关系，但在流程模拟技术中，绝大部分单元过程仍被处理为“黑箱”模型。对流动、传质、热、反应比较敏感的单元过程的设计、放大，需要了解有关质量、动量、能量流更多微观和深入

7、的信息，单元模拟技术即为了解决这一问题而产生。第三节单元模拟在单元模拟中，用N-S方程这个高度复杂的非线性偏微分方程组来描述质量、动量、能量之间的关系。为求解该方程组，采用离散原理，将单元设备划分为许多微元，并在微元上用代数方程近似偏微分方程，然后联立求解所有微元代数方程以及边界方程，得到各个微元上的参数，如速度、温度、压力、浓度等。当划分的微元无限小时，计算结果也就无限逼近实际问题的解。在实际过程中，单元内部的介质基本是多组分或多相的，传质、