化工过程分析与合成 第二版

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1、化工过程分析与合成AnalysisandSynthesisofChemicalProcess第二章化工过程系统稳态模拟与分析Chapter2Steady-stateSimulationandAnalysisofCPS2-I[学习目的]掌握图的分隔、切断和排序；掌握序贯模块法、联立方程法、联立模块法及其不同点；了解图论的基本概念；了解图的数学表达；了解常见的经典序贯模块方法。[学习重点与难点]图的分隔、切断及排序方法；序贯模块法、联立方程法、联立模块法。例发酵液的分离问题建立蒸发器的模型：计算产品和废液的总流率，同时计算产品和废液中水和乙

2、醇的流率。例1发酵液流率=50kg/min，其中含97%(wt)的水和3%(wt)的乙醇。物料衡算关系:相平衡关系:组分衡算关系:热量衡算关系:F1=F2+F3x2=Kx3F1x1=F2x2+F3x3H1F1+Q=H2F2+H3F3将上例中加入如下要求：必须使乙醇回收率达到99%，另外，产品中必须含50%的乙醇。计算产品和废液的总流率，同时计算产品和废液中水和乙醇的流率。例2例3要求进一步提高产品中的乙醇含量，达到90%。例4再进一步要求乙醇的回收率也必须达到90%，即，对废液中乙醇的浓度提出了要求。例5乙醇在反应器中通过发酵而得到，在

3、这个理想流程中，通过发酵可以将2kg的谷物转化为1kg水和1kg乙醇，进料流率为100kg/s，含谷物20%(wt)，水80%(wt)。反应器效率为0.25。发酵产物经过滤后，在浆液中，每10kg的谷物中仍含1kg的水/乙醇溶液，5%(wt)的浆液排放掉。模拟是对过程系统模型的求解:用EXCEL求解此问题2.1.1过程系统模拟的概念及基本任务所谓模拟即是对过程系统模型进行求解，通过对这种求解可解决第1章绪论中所提到的三类问题，即：优化模拟设计过程系统的模拟分析对某个给定的过程系统模型进行模拟求解，可得出该系统的全部状态变量，从而可以对该

4、过程系统进行工况分析。过程系统设计过程系统参数优化采用一能反映研究对象本质和内在联系，与原型具有客观一致性，且可再现原型发生的本质过程和特性的模型，来进行研究和设计原型过程的方法。广义上模拟的含义：上述三类问题，针对所要求解问题的不同，其求解的复杂程度也不同。设计问题比模拟分析问题多了一层迭代；而优化问题不仅增加了循环迭代，还增加了目标函数模型和最优化模型，使求解过程更加复杂。本章仅针对模拟与设计。2.1.2过程系统模拟的基本结构单元过程模块物性数据库热力学数据库计算方法库经济分析模块优化方法库输入模块输出模块管理系统执行模块输入模块：

5、提供模拟计算中所需的所有信息，包括过程系统的拓扑结构信息。输入方式可以是批处理或一次性输入，也可以采用用户人机对话的方式。物性数据库、热力学数据库、计算方法库：为单元模块求解提供基础数据及求解方法。单元过程模块：根据输入流股及单元结构信息，进行物料及能量衡算，获得所有输出流股的信息（如换热器、精馏塔）。优化方法库：系统模拟需要进行优化时，提供优化计算方法。经济分析模块：将生产操作费用与设备投资费用与市场联系起来，对系统生产进行经济评价。管理系统执行模块：过程系统模拟的核心，用以控制计算顺序及整个模拟过程。输出模块：按照过程单元或流股输出

6、用户所需的中间结果及最终结果等。化工过程系统的结构——常表示为化工生产系统的工艺流程图。2.1.3过程系统模拟的三种基本方法模拟计算求解的方法包括：序贯模块法（SequentialModularMethod）面向方程法（EquationOrientedMethod）联立模块法（SimultaneouslyModularMethod）化工过程系统的数学模型通常采用一大型的非线性方程组表示，具有复杂性和特殊性。过程系统模拟非常复杂，手工计算是难以胜任的，即使采用电子计算机来进行求解也存在一定的困难。SMM按照由各种单元模块组成的过程系统的结

7、构，序贯的对各单元模块进行计算，从而完成该过程系统模拟计算。SMM的基本部分是模块（子程序），用以描述物性、单元操作以及系统其它功能。SMM对过程系统的模拟以单元模块的模拟计算为基础。A、SMM系统中的单元设备只要已知其所有输入流股和有关决策变量，就可通过调用相应的单元模块，解出所有输出流股。对于开环系统（即不含循环流股的系统），完全可以根据系统的输入流股，从系统输入开始，按流程方向依次逐个计算对设备进行顺序计算。但是当系统内有循环流股时，某些设备的输入流股来自流程后面的设备，是未知的，这些设备就无法单独求解。1234567若采用序贯模

8、块法，首先需要将系统分割成若干个不可再分块（独立子系统），然后对其进行顺序求解，对含有多个单元的不可再分块，可用迭代的方法联立求解。上例中，则需要将系统分割成4个不可再分块，使各不可再分块之间再无循环流股，