化工过程分析与合成第3章化工过程系统动态模拟与分析课件.ppt

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1、第三章化工过程系统动态模拟与分析9/7/202113.1化工过程系统动态模型◆什么是化工过程系统？★化学加工技术（CPT）通过一系列物理化学分离和化学反应（包括催化、电化与生化）改变原料状态、微观结构和/或化学组成的加工技术。★化学加工工业（CPI）以化学加工技术为基础建立的工业部门通称为化学加工工业，或过程工业。按美国工业分类标准，包括110多个行业。★系统为了某种特定目的而将相互关联的一些单元组合在一起的整体（或网络）称为系统。★系统工程以系统的优化为目标，以模型和模拟作为工具，研究系统组成、分解、综合、性能模拟与分析的工程科学。★化工过程系统例：一系列化工单元过程构成的有

2、机整体，称为化工过程系统。单元过程：流体动力过程、传热过程、传质过程、热力学过程、机械过程、化学反应过程有机整体：原料、产品种类、规格；加工工艺；构成系统的方式与网络结构反应BB+C分离反应CE分离C+DD（最终产品）ACB◆化工过程系统动态特性是其基本特性。下列各类问题都会涉及到系统的动态特性：——与时俱变性是动态特性。★间歇过程★连续、定常（稳态）过程开停工★连续过程本征参数依时变化★控制系统合成★过程系统局部及全局动态分析★过程系统人为非定态操作★从过程系统动态特性中检出有用信息◆发达国家化工系多有过程动态学或过程控制的选课。3.1.1化工过程系统的动态特征★对过程系统规

3、律性的定量数学描述称为数学模型★数学模型的分类经验的（统计的）；半经验的（相似论；人工神经元网络）；确定性的（因果的、机理的、基于守恒律的）★数学模型化：模型的建立、性能模拟、参数估计、参变性能分析、过程系统设计、过程系统优化、控制系统设计与合成、局部与全局特性分析……等。模型化是现代化学工程占主导地位的方法论。3.1.2化工过程系统的动态模型◆确定性模型分类表3-1化工过程系统确定性动态模型的数学表达形式模型类型模型表达形式应用实例集中参数模型代数—常微分方程组理想搅拌罐反应器动态模型等分布参数模型代数—偏微分方程组填料塔、管式反应器动态模型等多级集中参数模型代数—常微分方程

4、组板式塔动态模型、串联CSTR动态模型等混合模型上述二、三类模型的混合形式多个单元过程组合而成的系统◆正问题—模型微分方程组的求解★集中参数系统：常微分方程组或常微—代数方程组的初值问题★分布参数系统：模型偏微分方程组或偏微—代数方程组的初、边值问题3.1.3确定性动态模型的数学处理◆逆问题—模型参数估计★例1：已知一套管换热器，用120°C饱和水蒸气加热水，水的流量，进、出口温度可测出，求总传热系数K。3.1.3确定性模型的数学处理★例2：集中参数系统动态模型参数估计（1）模型为：（2）的规律已测出（3）定义参数估计问题目标函数（评价函数）=F=参数估计问题为minF=（4）

5、选择适当最优化算法求解上述问题。3.1.3确定性模型的数学处理◆过程系统定性分析★化工过程系统的非线性特征许多单元过程或环节的数学模型是非线性甚至强非线性的，如反应k=相平衡等★非线性系统可能出现一系列特殊现象定态多重性定态稳定性（局部；大范围）自激振荡混沌（似随机确定性）…等等3.2连续搅拌罐反应器的动态特性3.2.1连续操作搅拌反应器的动态模型◆集中参数过程系统确定性模型★目的：以一个实例说明集中参数系统动态模型建立方法★建模方法：质量、动量、能量守恒+过程动力学3.2.1连续操作搅拌反应器的动态模型◆连续操作搅拌反应器的动态模型★图示（见图3-4，教材P63）★假设：分子

6、级理想混合★i组分质量守恒（i=1，2，…M）★反应区能量（热量）守恒3.2.1连续操作搅拌反应器的动态模型★过程速率★定解条件t=0，3.2.2模型求解与应用◆模型的求解问题为常微分方程组的初值问题，可籍欧拉，龙格—库塔，吉尔等方法的通用程序求解。◆开工过程分析（1）开工时间（2）初始条件对开工过渡过程的影响◆动态响应的数值仿真对阶式扰动的动态响应—定义某定常态为初始态；定义输入量（F，等操作变量）；求解：t=0，操作量，相应的初值问题3.2.2模型求解与应用◆连续搅拌反应器性能的定性分析——以均相不可逆一级放热反应为例AB+Q；（1）定常态多重性令k①②3.2.2模型求解与

7、应用利用式①消去②中，使作图有三个状态满足定常态条件，试问真正的工作状态是哪一个？TACB3.2.2模型求解与应用（2）定常态稳定性与相图（状态演化图）求解3.2.1中动态模型（常微分方程组初值问题）的数值解，结果为：将数据在—T二维空间（平面）作图，见原教材P67，图3-5。tT主要结论：◆在多定态情况下，从相图可判断定态稳定性和稳定范围（还有其它简便方法）◆实现哪一个定态取决于开工的初始条件（推广：“当前的定态取决于历史”的现象在自然界与工程学中屡见不鲜—填料塔持液量、△P、k的多重性）