過程系統(tǒng)工程-3

1、化工過程模擬與優(yōu)化Simulation & Optimization of Chemical Engineering Process,,,,李亞軍87112044 , 13570408408liyajun@scut.edu.cn,第四章 化工過程流程模擬基本技術(shù),2024/3/21,2,4.1、化工流程模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與程序設計,,4.1.1、流程模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),2024/3/21,3,4.1.1、流程模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),通用

2、穩(wěn)態(tài)流程模擬系統(tǒng)大致由以下幾部分構(gòu)成：1、主控程序；2、拓撲結(jié)構(gòu)模型與分析子系統(tǒng)；3、基本物性數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)；4、熱力學性質(zhì)推算、傳遞性質(zhì)推算子系統(tǒng)；5、單元過程模塊的集合；6、收斂、控制、優(yōu)化等算法子系統(tǒng)；7、輸入輸出界面。,2024/3/21,4,4.1.2、化工流程模擬系統(tǒng)的計算步驟,通用穩(wěn)態(tài)流程模擬系統(tǒng)實際是求解非線性代數(shù)方程組的程序。程序設計復雜，運行框架大體如下： 開始 程序初始化，分配基本內(nèi)存、賦初

3、值 （程序執(zhí)行） 定義、輸入系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)（圖形組態(tài)） （用戶執(zhí)行） 定義組分并通過數(shù)據(jù)庫輸入基本物性 （用戶執(zhí)行） 選擇熱力學方法

4、 （用戶執(zhí)行） 流程自由度分析并分配與流程有關(guān)的內(nèi)容 （程序執(zhí)行）,2024/3/21,5,4.1.2、化工流程模擬系統(tǒng)的計算步驟,定義并輸入獨立物流參數(shù) （用戶執(zhí)行）輸入設備參數(shù)

5、 （用戶執(zhí)行）輸入設計或優(yōu)化要求 （用戶執(zhí)行）切割與排序 （程序執(zhí)行，亦可由用戶手動執(zhí)行）按排定順序序貫地或迭代地調(diào)用各模塊至收斂 （程序執(zhí)行）如果有設計要求或優(yōu)化要求則進

6、行外圈迭代 （程序執(zhí)行）全部迭代收斂的判斷 （程序執(zhí)行）輸出計算結(jié)果 （程序執(zhí)行）打印并退出

7、 （用戶執(zhí)行）,2024/3/21,6,化工過程模擬三個要素：物性數(shù)據(jù)、數(shù)學模型和解算方法。 流程模擬系統(tǒng)將三個要素集成在同一個計算機軟件系統(tǒng)之中，可利用流程模擬系統(tǒng)反復多次進行化工過程系統(tǒng)模擬工作。,第四章 化工過程流程模擬技術(shù),2024/3/21,7,4.2 化工系統(tǒng)模型求解方法,化工系統(tǒng)的數(shù)學模型通常是一個大型非線性方程組，但由于化工

8、系統(tǒng)多變量、嚴重非線性造成的復雜性和特殊性，通常運用數(shù)學上關(guān)于大型非線性方程組的通用算法求解并不見效，必須建立適合化工系統(tǒng)特點的算法。 化工系統(tǒng)模擬的算法可分為三大類： 序貫模塊法、聯(lián)立方程法、聯(lián)立模塊法。,2024/3/21,8,4.2.1、 序貫模塊法,1、基本概念 序貫模塊法（Sequential Modular Method)是通過模塊依次序貫計算求解系統(tǒng)模型的一種方法。

9、 序貫模塊法的設計思想是從軟件的組織結(jié)構(gòu)上和處理順序上模擬實際化工加工流程。它的計算順序完全仿真了實際的加工流程。 實際流程確實能夠按照物料依次從上游通過各個設備流向下游完成加工過程的事實，就確鑿地論證了模擬實際流程的序貫模塊計算方式能夠完成整個流程的模擬計算，能夠由原料計算出最終的產(chǎn)品。,2024/3/21,9,4.2.1、 序貫模塊法,序貫模塊法的核心概念就是單元過程模塊，模塊是完全信息

10、化的設備。在采用序貫模塊法時，對每一類化工單元設備均編制一計算機子程序，該子程序包含量相應的模型方程和模型求解程序。,單 元 模 塊,2024/3/21,10,4.2 化工系統(tǒng)模型求解方法,2、 序貫模塊法-----穩(wěn)態(tài)過程模擬的解法 有了模塊之后，依照流程方向，從某一個單元設備（比如第一個設備）開始，調(diào)用相應模塊，由該設備的輸入物流計算其輸出物流。如果該設備的輸入物流參數(shù)未知（比如輸入物流為循環(huán)物流時），則

11、需要假定該物流各參數(shù)的初值。依次序貫計算下去，直至系統(tǒng)的全部物流變量均被求出，這種依次逐個調(diào)用單元模塊的算法稱為序貫模塊法，是目前應用的最廣的化工系統(tǒng)模擬計算方法。通過嚴格的質(zhì)量和能量平衡，相態(tài)和化學平衡，去預測一個工藝過程的表觀現(xiàn)象。,2024/3/21,11,4.2.1、 序貫模塊法,序貫模塊法的特點：1、在模塊的結(jié)構(gòu)和功能方面模擬了實際裝置的結(jié)構(gòu)功能；2、模塊之間的信息傳遞、上下游關(guān)系與實際流程是對應的；3、模塊為數(shù)學模型與

12、解算的集成，即模型和解法合二為一，故最終流程模擬用戶不必關(guān)心其具體模型與算法；,2024/3/21,12,4.2.1、 序貫模塊法,序貫模塊法的特點：4、模塊的算法有利于專業(yè)研發(fā)者繼承和發(fā)展流程模擬技術(shù)；5、模塊有利于化工工程師理解其程序結(jié)構(gòu)和設計思路；6、最為重要的是采用模塊的方式，恰好巧妙的對全流程數(shù)學模型中的所有方程進行了合理的分塊，對求解極為有利。 優(yōu)點：計算方法易實現(xiàn)，穩(wěn)定可解,2024/3/21,13,4.2.1

13、、 序貫模塊法,例子,2024/3/21,14,4.2.2、過程系統(tǒng)的分解,序貫模塊法是以單元模塊為基本計算單元，通過單元模塊序貫計算來求解系統(tǒng)模型。但是系統(tǒng)內(nèi)有循環(huán)物流時，某些設備的輸入物流來自流程后面的設備，是未知的，這些設備模塊就無法單獨求解。,具有帶循環(huán)子系統(tǒng)的流程,2024/3/21,15,1、系統(tǒng)分隔,系統(tǒng)分隔：從系統(tǒng)中識別出相互獨立的不可再分塊，排出各不可再分塊的計算順序。 系統(tǒng)流程若采用序貫模塊法，

14、首先須將系統(tǒng)分隔成相互之間不存在循環(huán)流的不可再分塊獨立子系統(tǒng)，然后順序求解這些不可再分塊。序貫模塊法對不可再分塊也是采用序貫計算進行求解。這樣，系統(tǒng)模型的求解全部成為模塊的序貫計算。,具有帶循環(huán)子系統(tǒng)的流程,2024/3/21,16,4.2.2、過程系統(tǒng)的分解,問題：對內(nèi)部有循環(huán)流的不可再分塊如何求解？解決問題的關(guān)鍵：將再循環(huán)物流給予切割。 2、流程切割與排序 流程切割：在適當?shù)牡胤綄⒒芈非袛?，使之不必?lián)立求解，只需用

15、各單元的序貫計算，對切割物流進行迭代，求出子系統(tǒng)的解。 對包含循環(huán)流的不可再分塊，確定切割物流的參數(shù)需要事先假定。,2024/3/21,17,2、流程切割與排序,在序貫模塊法的流程模擬系統(tǒng)中，執(zhí)行切割任務的一套計算也完全封裝在一種稱為“收斂塊”的子程序之中。收斂塊同樣是由輸入物流的狀態(tài)計算出輸出物流的狀態(tài)。,切割再循環(huán)物流并插入收斂塊,2024/3/21,18,切割再循環(huán)物流并插入收斂快,計算步驟：切割物流6，（

16、混合） （收斂 換熱 反應 分離）,,,,,2、流程切割與排序,2024/3/21,19,4.2.2、過程系統(tǒng)的分解,切割排序：在使用序貫模塊法求解全流程時，根據(jù)流程的結(jié)構(gòu)，選取切割物流并尋求對應的計算順序的工作過程，稱為切割排序。 切割排序是過程系統(tǒng)工程中最經(jīng)典的概念和技術(shù)之一，是化工系統(tǒng)工程的核心技術(shù)。,2024/3/21,20,切割物流 6，（混合） （收斂

17、 換熱 反應 分離）,,,,,2、流程切割與排序,切割物流 3，（混合） （收斂 反應 分離 換熱）,切割物流 4，（混合） （收斂 分離 換熱 反應）,,,,,,,,,,2024/3/21,21,2、流程切割與排序,切割排序： 切割的方案往往不是唯一的，那么就存在哪個切割排序方案更為有

18、利于迭代計算的問題。 有利于減少計算量的切割方案的判斷：1、切割的流線應盡量少；2、被切割的物流易于選取初始值；3、應盡量切割那些“不太敏感”的物流。,2024/3/21,22,4.2 化工系統(tǒng)模型求解方法,4.2.3、 聯(lián)立方程法（Equation-based Method，Simultaneous Method) 對于設計型問題，由于系統(tǒng)或某些單元設備的輸出規(guī)定在模型計算中無法直接輸入，必須

19、在序貫計算結(jié)束后才能判斷是否滿足設計規(guī)定。若不滿足，則需改變某些設備參數(shù)和操作參數(shù)，再進行重復計算，嚴重影響計算效率。 聯(lián)立方程法是對系統(tǒng)的模型方法聯(lián)立求解。,2024/3/21,23,4.2. 化工系統(tǒng)模型求解方法,4.2.3、聯(lián)立方程法特點：模型和解法分開，對計算方法要求高。一般采用SQP法—Sequential quadratic programing優(yōu)點：快速、靈活的自變量和應變量定義,2024

20、/3/21,24,4.2 化工系統(tǒng)模型求解方法,4.2.3、 聯(lián)立方程法 聯(lián)立方程一般采用牛頓－拉夫遜法、擬牛頓法或某些綜合方法對方程組中的所有變量同時求解。 聯(lián)立方程法的主要問題是如何保證收斂的穩(wěn)定性和眾多變量的初值的合適假定，目前這種方法主要用于方程數(shù)不多（小于100）的系統(tǒng)。,2024/3/21,25,4.2. 化工系統(tǒng)模型求解方法,4.2.3、聯(lián)立方程法缺點：1、需要較大的

21、內(nèi)存和比較復雜的計算程序，如稀疏矩陣技術(shù)；2、無法利用序貫模塊法中花費大量人力、物力開發(fā)的單元模塊；3、方法的靈活性導致用戶容易作出相互矛盾的規(guī)定，當運算出錯或發(fā)散時，診斷困難。,2024/3/21,26,4.2 化工系統(tǒng)模型求解方法概述,4.2.4、 聯(lián)立模塊法 聯(lián)立模塊法是把序貫模塊法和聯(lián)立方程法二者的優(yōu)點結(jié)合起來，用近似的線性模型來代替各單元過程的嚴格模型，使系統(tǒng)模型成為一個線性方程組，可以采用較簡

22、單的方法求解。單元設備的近似模型是用一組線性代數(shù)方程來表示單元設備的輸出變量與輸入變量之間的函數(shù)關(guān)系： Xj：單元設備的第j個輸入變量，yi：單元設備的第i個輸出變量；αij：系數(shù),2024/3/21,27,4.2 化工系統(tǒng)模型求解方法,4.2.4、 聯(lián)立模塊法 聯(lián)立模塊法可以在求解系統(tǒng)模型時直接處理設計規(guī)定方程，所以不需要像序貫模塊法那樣，用很費時間的重復計算使設計規(guī)定得到滿足。也不

23、像聯(lián)立方程法那樣需要同時求解外部變量和內(nèi)部變量，所以在聯(lián)立模塊法中系統(tǒng)模型要比聯(lián)立方程法少得多，內(nèi)存要求大大減少。 聯(lián)立模塊法的基本問題是系統(tǒng)模型的求解和單元模型的線性化，最困難的是如何選擇線性近似模型的問題。,2024/3/21,28,4.3、化工過程系統(tǒng)優(yōu)化,1、為什么對化工過程優(yōu)化？用優(yōu)化方法做出的決策比直接決策可以多得到多少效益呢？優(yōu)化是使用專門的方法來確定最優(yōu)的成本，并對某一問題或某一過程的設計進行有效求

24、解的方法。在進行工業(yè)決策時，這一技術(shù)是主要的定量分析工具之一。在化工廠以及許多其他工業(yè)工程的設計、建設、操作和分析中所涉及的大部分問題均可使用優(yōu)化方法進行求解。,2024/3/21,29,4.3、化工過程系統(tǒng)優(yōu)化,1、為什么對化工過程優(yōu)化？用優(yōu)化方法做出的決策比直接決策可以多得到多少效益呢？優(yōu)化是改進流程設備的初始設計，并且對已經(jīng)運行的裝置設備盡可能地強化其操作性能，以達到產(chǎn)量最大、成本最小、能耗最小等目的。,2024/3/21,30

25、,4.3、化工過程系統(tǒng)優(yōu)化,2、優(yōu)化類型 可以分成兩類：（1）對確定的過程系統(tǒng)的優(yōu)化，如化工廠的操作優(yōu)化以及在確定工藝流程前提下的設計優(yōu)化，通常是求取能使過程系統(tǒng)的目標函數(shù)（某些技術(shù)經(jīng)濟指標的綜合）極?。ɑ驑O大）的最佳決策變量（某些靈敏的可調(diào)操作變量）的值，這一類優(yōu)化被稱為過程系統(tǒng)系統(tǒng)的優(yōu)化。（2）對不確定的過程系統(tǒng)的優(yōu)化，通常給定輸入、輸出或僅給定其中之一，要求取得能使目標函數(shù)最優(yōu)的最佳過程系統(tǒng)，稱為過程系統(tǒng)合成或過程

26、系統(tǒng)綜合。,2024/3/21,31,4.3、化工過程系統(tǒng)優(yōu)化,3、優(yōu)化問題的本質(zhì)和組成 對于一個典型的工程問題，某一過程既可以用一些具體的方程來描述，也可以僅通過實驗數(shù)據(jù)來表達。這時就需要一個確定的標準，如最小成本。優(yōu)化的目的就在于找到使過程達到最佳性能的變量值。在投資和操作成本之間通常會存在一個折中，即一個最優(yōu)值。需要進行描述的因素——過程或模型以及性能標準——構(gòu)成了最優(yōu)化“問題”。,2024/3/21,32,

27、過程系統(tǒng)的能耗跟操作密切相關(guān),,,,,,,操作變量組,,,操作點,最優(yōu)/設計操作點,系統(tǒng)能耗,設計工況,,,,實際工況,,,4.3、化工過程系統(tǒng)優(yōu)化,2024/3/21,33,4.3、化工過程系統(tǒng)優(yōu)化,優(yōu)化問題的組成： 建立一個過程優(yōu)化問題是優(yōu)化過程中最嚴格的一步。無論復雜還是簡單，其目的都是求取其最優(yōu)值。要實現(xiàn)這一點，必須：1、建立一個能代表該過程的模型；2、選擇一個適宜的目標標準。目標函數(shù)代表了一些如利潤、成本

28、、能量和以被分析過程中的關(guān)鍵變量所表示的產(chǎn)率等因素。過程模型和約束條件則描述了關(guān)鍵變量間的相互關(guān)系。 每個優(yōu)化問題都含有三個基本方面：①至少有一個要進行優(yōu)化的目標函數(shù)（利潤函數(shù)、成本函數(shù)等）；②等式約束（等式）；③不等式約束（不等式）。,2024/3/21,34,4.3、化工過程系統(tǒng)優(yōu)化,4、優(yōu)化的范圍和層次 優(yōu)化問題存在于任何層次上，可以包括整個公司、某一個車間、一個過程、單個的單元操作、單元操作中的某一

29、個裝置或其中的某一中間系統(tǒng)。 優(yōu)化可用于以下三方面： A、管理；B；過程設計和裝置優(yōu)化；C、車間操作優(yōu)化。A、管理人員在做出決策時要考慮項目評價、產(chǎn)品的選擇、總體預算、銷售和研發(fā)成本、新車間的建設（時間和地點）等。,2024/3/21,35,4.3、化工過程系統(tǒng)優(yōu)化,4、優(yōu)化的范圍和層次B、在生產(chǎn)一種石油化工產(chǎn)品時要用到多少反應器？車間的結(jié)構(gòu)該如何布置？如何安排流程使操作效率最高？單元或組合單元的最佳尺寸是多少？所有

30、這些問題可以通過過程設計模擬解決。C、優(yōu)化的第三個應用在操作規(guī)模上明顯不同。過程設計和設備選型通常優(yōu)化于實現(xiàn)過程，而給定設計的管理決策又要早于設計步驟。同時操作條件的優(yōu)化存在于每月、每周、每天、每小時、甚至每分鐘。工廠操作所關(guān)心的是對于一個給定的單元操作，通過操作控制，找到最佳的溫度、壓力、流率等條件。,2024/3/21,36,,5、優(yōu)化應用的例子,,,最低費用,4.3、化工過程系統(tǒng)優(yōu)化,例1 傳熱溫差優(yōu)化,2024/3/21,

31、37,,,例2：管徑和保溫厚度的優(yōu)化設計,熱油品輸送費用與管徑關(guān)系的優(yōu)化,,,2024/3/21,38,例3：分餾塔回流比～塔板數(shù)優(yōu)化,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,費用 O,Od,Oe,Omin,Ropt,Rmin,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,