当前位置:首页 >> 能源/化工 >>

第1讲-化工过程模拟概论及ProII使用过程简介


《ProII与化工过程模拟》第 1 讲

化工过程模拟概论与PROII软件 使用过程简介
过程模拟及软件应用教科组

沈荣春

Tel:64253664 E-mail:fluent0210@163.com

概要
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 本课程的目的 化工

过程模拟的主要内容 化工过程模拟的应用 化工过程模拟的基本问题 化工过程模拟的方法 ProII及其它过程模拟软件的主要功能 ProII在化工类各主干课程中的应用 ProII使用过程简介

1 本课程的目的
? 以化工流程模拟软件Pro/II为工具,掌握 化工过程模拟的基本技能 ,应用于化工 过程的研究开发、设计、生产操作的控 制与优化、技术改造等

? 从本科教育的角度 设计是工程技术的起点,是当代工程师的基本 技能,是高等工科教育的主要内容之一 过程模拟软件已成为当今工程设计最先进的工 具之一 只有掌握先进的工程设计工具的工程师,才能 孕育出先进的工程技术成果

通过学习过程模拟软件,可使本科生在 化学工程、石油化工、制气炼油、制 药、工程建设与施工中进行: 过程设计 过程操作分析 设计和操作过程优化 适应现代企业、设计科研单位对高质 量毕业生的要求

本课程的教学计划
第1讲 第2讲 第3讲 第4讲 第5讲 第6讲 第7讲 化工过程模拟概论及ProII使用过程简介 反应器模块 热力学模型的选用 分离模块 传热模块与压力改变模块 带循环物流的化工流程模拟 化工流程的控制和优化

2 化工过程模拟的主要内容
Flowsheeting (流程模拟) 输入有关化工过程的流程水平上的信息, 进行有关化工过程开发、设计和操作的 分析。

流程模拟的形式 ? ? ? ? ? ? 稳态模拟 (Pro/II) 动态模拟(Dynsim) 过程优化 过程合成 用能效率分析 (Hextran) 安全和可靠性分析

普遍应用的是流程的稳态模拟: 物料和能量衡算(操作型计算) 设备尺寸(设计型计算) 费用计算及过程的技术经济评价

流程水平上的信息构成 流程水平上的信息包括: ? 组成流程的单元设备的规定 ? 单元设备之间的连接方式 ? 流程所处理的物质的性质(热力学性质、 传递性质、化学反应性质)

流程规定

物料衡算、 热量衡算 所有物流、能流、设备性质的规定 设备尺寸数据 设备尺寸计算 设备尺寸 费用数据 费用计算 投资和制造费用 工程数据 经济评价 公用工程和 原材料需求

利润率

流程模拟的信息流

3 化工过程流程模拟的应用
? 化工过程开发系指将化学实验室的研究成果转 化为社会生产力的整个过程,一般经历: 小试 模试 中试 概念设计 基础设计 工程设计 基本建设 投产

主要应用
化工过程流程模拟软件可用于化工过程开发的各 个阶段: (1)小试和概念设计阶段 (2)模试、中试和基础设计阶段 (3)工程设计和建厂阶段 (4)装置投产阶段 ? 新装置的设计 ? 指导已有装置的操作

化工过程设计的三个步骤
? 过程合成 根据预定目标确定生产流程 ? 过程分析 在流程结构已确定的前提下,考察在不 同操作条件下流程的技术经济性能 ? 过程优化 通过改变过程的参数或结构使得流程性 能显著改善

? 就流程水平而言,当将流程模拟作为设 计工具时,理想的工作方式应是能以预 定的目标推算出流程的结构、操作条件 和所有输入变量。但目前大部分流程模 拟软件都是以核算型(rating)工作的 ? 就单个设备而言,过程模拟软件可进行 核算型的计算,也可进行设计型(sizing) 的计算

4 化工过程流程模拟的基本问题

S3 U3 S1 U1 S2 U2 U4 S4

S5

S4 S5 U3

S1 U1

S2 U2

S3

S6

(a)树结构流程

(b)再循环结构流程

? 化工流程系统可能兼有树结构和再循环 结构的特点,即一个复杂的化工流程可 分解为相互之间不存在循环物流的子系 统,但每个子系统内部可存在循环物流
S1 U1 S6 S3 S2 U2 具有二个循环子系统的流程 S4 U3 U4 S7 U5 S11 S5 S8 U6 S10

S9

要进行这样的化工过程流程模拟,从计算 的角度需要解决两个基本问题: 流程的分割 包含循环物流的子系统的迭代 (第5讲)

5 化工过程模拟的方法
从数学的角度: ? 化工流程稳态模拟实质上是一个大型非 线性代数方程组的求解问题

分流器 4 Y32 1 X11 X12 反应器 Y31 5 7 Y41 分流器 6 Y42 混合器 Y11 2 X21 Y21 3 X31 X52 精馏塔 X51 8

9 Y51

f1 ( x11 , x12 , y11 ) = 0 f 2 ( x21 , y22 , u2 ) = 0
单元模块方程

f 3 ( x31 , y31 , y32 , u3 ) = 0 f 5 ( x51 , x52 , y51 ) = 0

f 4 ( x41 , y41 , y42 , u4 ) = 0

x12 ? y41 = 0 x21 ? y11 = 0
物流连接方程

x31 ? y21 = 0 x41 ? y31 = 0 x51 ? y32 = 0

非线性代数方程组的求解方法 1) 序贯模块法 2) 联立方程法 3) 联立模块法

1) 序贯模块法
? 对每一单元设备编制计算机子程序,该 子程序将出口物流变量作为进口物流变 量和设备参数的函数进行计算。

f1 ( x11 , x12 , y11 ) = 0 f 2 ( x21 , y22 , u2 ) = 0 f 3 ( x31 , y31 , y32 , u3 ) = 0 f 5 ( x51 , x52 , y51 ) = 0

y11 = ? 11 ( x11 , x12 ) y 21 = ? 21 ( x 21 , u2 ) y 31 = ? 31 ( x31 , u3 )

y 32 = ? 32 ( x31 , u3 ) y 41 = ? 41 ( x 41 , u4 ) y 42 = ? 42 ( x 41 , u4 )

f 4 ( x41 , y41 , y42 , u4 ) = 0

y51 = ? 51 ( x51 , x52 )

序贯模块法求解时,必须: 规定流程的各输入物流 提供所有循环物流的初始值

利用序贯模块法进行上述流程的求解过程: 1) 输入进口流x11的参数 2) 假定循环流x12的参数 3) 使用模型方程 y = ? (x , x ) 计算y11 4) 利用连接方程使x21=y11 5) 使用模型方程 y = ? (x , u ) 计算y21 6) 利用连接方程使x31=y21 7) 使用模型方程 y = ? (x , u ) 计算y31和y32 8) 利用连接方程使x41=y31 9) 使用模型方程 y = ? (x , u ) 和 y = ? (x , u ) 计算y41和y42 10) 考察y41和x12的差值 11) 利用连接方程使x51=y32 12) 用模型方程 y = ? (x , x ) 计算y51
11 11 11 12 21 21 21 2

31

31

31

3

41

41

41

4

42

42

41

4

51

51

51

52

序贯模块法的数学实质和特点
? 实质 将大系统分解分解为若干小的子系统,将高阶方程组降 为低阶方程组进行迭代求解。 ? 特点 运算时严格按信息流的方向进行,与过程实际进行的 方向和步骤一致 涉及三个基本层次的迭代收敛运算: 物性计算 单元设备计算 系统环路迭代

2) 联立方程法
? 将描述一化工流程的所有方程集中组成 一大型非线性代数方程组,然后进行求 v v 解

v x
v u

F (x , u ) = 0

状态变量向量(所有中间产品和最终产品的物 流变量及各单元设备内部的物流变量) 决策变量向量(所有单元设备的参数和流程 进料物流变量)

物料平衡方程 能量平衡方程 相平衡方程 化学反应计量方程 反应速率和化学平衡方程 热物理性质估算方程 物性估算方程 质量、热量和动量传递方程

上述方程组的特点: 维数大,方程数和变量数大 系数矩阵是稀疏矩阵 一般采用迭代的方法求解

联立方程法的优点和缺点
优点
变量选择灵活 特别适用于控制和优化问题

缺点
必须解决大型非线性方程组的快速、稳定的求 解问题; 对计算机资源要求高; 对初值要求高; 某些化工过程难以用精确的数学模型表达。

3) 联立模块法
试图综合序贯模块法和联立方程法的优点而提 出的化工流程计算方法,也称为二水平算法 交替使用两种模型:流程水平上的简化模型和 模块水平上的严格模型。 简化模型由线性化的单元设备模型和连接方程 组成,严格模型即序贯模块法中使用的传统的 单元设备模型,利用它们并借助某种数值扰动 技术求取线性化单元设备模型中的所有系数。

线性简化模型

? 简化模型用一组线性代数方程来表示各 单元设备单输入变量和输出变量间的关 系:
yij = ∑ aijk xik
k =1 ki

利用联立模块法进行上述流程的计算程序: 1) 给定流程进料物流x11 2) 对单元设备1、2、3、4假定所有的aijk 3) 对单元设备1、2、3、4联立求解简化模型方程和连 接方程,得到这些单元设备的输入和输出流x、y的 近似值 4) 用3)求得的x值作为各单元设备的进料,再根据规定 的设备参数,通过求解各单元设备的严格模型,得 到单元设备1、2、3、4的输出值 5) 重新计算各单元设备简化模型的系数aijk 6) 将求得的系数aijk和原假定值进行比较,如果两者之 差小于预先规定的精度要求,则转至步骤7);否则 重新假定系数aijk,返回步骤3),开始重新计算 7) 利用规定的进料x52和上述步骤求得的x51,用严格 模型计算y51

联立模块法的数学实质 ? 计算效率取决于过程线性化的质量

yij = ∑ aijk xik
k =1

ki

6 ProII及其它过程模拟软件的主要功能
? 流程模拟技术是与实验研究同样可靠和更为有 效的一种研究手段,其应用极大地促进化学工 业的发展。化工流程模拟能使设计最优化,提 高设计效率,结果得到效率较高的工厂;对寻 找故障,消除“瓶颈”,优化生产条件和操作参 数而进行旧厂改进。另外,模拟仿真在教学培 训工作中也具有独特的优越性。 PRO/II是一 个在世界范围内应用广泛的流程模拟软件。其 功能强大,能很容易地建立和模拟包括精馏 塔、压缩机、反应器、换热器等工艺装置在内 的工艺流程。适用于油/气加工、化学化工、 炼油、聚合物、精细化工、制药等行业。

? 过程模拟软件:Pro/II、ASPEN PLUS、Hysys、 ChemCAD等 功能: ◇ 进行工艺过程的能量和质量平衡计算 ◇ 预测物流的流率、组成和性质 ◇ 预测操作条件、设备尺寸 ◇ 缩短装置设计时间,允许设计者快速地测试 各种装置的配置方案 ◇ 帮助改进当前工艺 ◇ 在给定的限制条件下优化工艺条件 ◇ 辅助确定一个工艺约束部位(消除瓶颈) ◇ 回答 "如果…那会怎样" 问题

SIMSCI公司产品组成
Pro/II 作为没设计、操作和优化的过程流程模 拟器 HEXTRAN 作为设计、操作分析和优化的换热 器网络模拟器 DATACON 工厂热量/质量组成数据核对专用 程序 PIPEPHASE 油气生产网络、管路系统的稳态模 拟器 INPLANT 工厂管道和公用工程系统流模拟器 VISUAL FLOW 火炬网络和调整适应的模拟器

模块类型

名称 Mixer, Splitter

功能 物流混合 物流分流 物流的闪蒸 精馏的近似和精确计算,吸收、解吸

混合器和分流器 闪蒸器 精馏塔 热交换

Flash Distillation Side Column Shortcut Simple HX Rigorous HX Fired Heater Air Cooled Heater LNG HX Conversion Reactor Equilibrium Reactor Plug Flow Reactor CST Reactor Gibbs Reactor Polymer Reactor Pump Compressor Expander Pipe Valve Wiped Film Evaporator Solid Separator Gas/Solid Cyclone Crystallizer Dissolver

热量交换

反应器

反应器的设计、核算

泵、压缩机和透平 管线 、阀门 分离装置

物流压力的改变

物流压力的改变 气液、气固、液固等分离

计算器 控制器 优化器

Calculator Controller Optimizer

物流变量的获取、传递 目标控制 目标优化

7 ProII在化工类各主干课程中的应用
化工原理:Case1-泵、压缩机
某甲苯加氢脱烷基过程中,75℉、30psia、 25000 lb/h的甲苯原料液用泵把压力升高到 570psia。求某个效率下的泵的容量(以gpm 表示)、泵的压头(以英尺甲苯液柱表示)、 泵出口液体温度、泵所需实际功率(BHp)

化学反应工程:Case2-反应器设计 全混釜反应器-已知化学反应式、动力学 方程和平衡关系,计算所需的反应器体 积和反应时间,以及反应器热负荷

化工分离工程:Case3-精馏塔的设计与 操作 根据分离要求,确定精馏塔的塔板数(填 料高度),最小回流比等等

化工热力学:Case4-状态方程的回归 根据实验的相平衡数据,回归状态方程或 活度系数方程中的二元相互作用参数

化工系统工程:Case5-工艺过程的经济 效益评价,为流程的筛选、优化、决策 提供依据

化工设计:Case6-化工工艺过程的开 发、设计

8 ProII使用过程简介
1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 规定操作单元,连接物流线 规定组分 选择热力学模型和传递性质模型 输入物流的规定 输入操作单元的规定 运行 查看并分析模拟结果

认识PRO-II的用户界面 标题栏 菜单栏 工具栏 模块库 状态栏

主窗口界面

单位制的选择

英制(ENGLISH) 公制(METRIC) 国际单位制(SI) 可对每个单位进行个别规定 输入变量的单位与输出变量的单位

组分的规定
(a) 数据库组分
1750种,可提供Mw,Tc,Pc,Vc,w,NBP,Hf,Gf等物性数据
Most Commonly Used Hydrocarbon Lightends Acids Alcohols Aldehydes Amides 可通过分子式、组分全称、数据库组分名查找 Amines Aromatics Esters All Components

(b)非数据库组分
? 利用UNIFAC模型构建组分,用基团贡献法估计各种物性

CH3 NH C2H5

O C CH2Cl

伯酰胺 (Primary Amide)

Group 1200 1222 1223 900 577 1301 800

Number 3 1 1 1 1 1 1

Structure ACH AC-CH3 AC-CH2-CH3 AC-NH-CH2-COCl

热力学的选择
? 选择计算焓、汽液、液液平衡的热力学模型 Pro II提供的热力学模型 1、状态方程: 共14种,包括SRK,PR,BWRS及各种修正形式 2、活度系数方程: 共12种,包括NRTL,UNIQUAC,Wilson,VanLaar, Margules,UNIFAC及各种修正形式

(第3讲)

? 对存在化学反应的体系,描述化学反应 方程式

EXAMPLE:甲苯加氢去烷基
? 甲苯加氢去烷基(C7H8 + H2 C6H6 + CH4)是在高温高压下进行,过量的H2用于防止 芳烃裂解生成轻质气体。实际操作中,甲苯的单 程转化率仅70%,为了分离和循环氢气,反应器 出来的热态流出物(5597kmol/h at 3448kpa and 408.2K)在闪蒸器中分离产物时被分凝至 322K。如果反应器流出物的组成如下表所列, 且闪蒸器的压力为3344kpa,计算离开闪蒸器的 物料组成和气、液两相的流量以及闪蒸器的热负 荷。

组分 H2 CH4 C6H6 C7H8

摩尔分率 0.3177 0.5894 0.0715 0.0214

Step1: 规定单位制

Step2: 组建工艺流程

Step3:选择组分

Step4:选择热力学模型

Step5:输入物流的规定

Step6:输入操作单元的规定

Step7:运行

Step8:查看并分析模拟结果 使用PFE(Programmer’s File Editor)查看 模拟结果 使用Excel查看物流性质及结果 使用浏览器查看物流性质及结果

使用PFE(Programmer’s File Editor)查看模拟结果

使用Excel查看物流性质及结果

使用浏览器查看物流性质及结果

习题 1
1.1 查找相关资料,说明在线性代数方程组的解法中,序贯模块 法、联立方程法和联立模块法各有何优缺点?ProII采用的是哪种 解法? 1.2 ProII在化工过程设计中的主要作用是什么?与自行编制模拟 程序解决流程模拟的问题相比,你认为商业化的过程模拟软件具 有哪些优势? 1.3 简述ProII使用过程的具体步骤。 1.4 要使ProII输入数据的单位制为公制(Metric),而输出结果的 单位制为国际制(SI),应如何设置? 1.5用ProII软件对以下化合物进行物性估算。
O O C O

课件及作业下载邮箱:proii2008@sina.com.cn

Pro/II 7.1下载地址:

http://sn2sn.com/soft/1098.htm


相关文章:
第1章 概论
第1概论_经济学_高等教育_教育专区。《压力容器安全工程学》 第一概论§1-1 压力容器的应用及其安全问题压力容器是指在化工和其他工业生产中用于完成反应、...
proII练习
《ProII 与化工过程模拟》练习 第 1 讲 化工过程模拟概论及 ProII 使用过程简介 1.1 查找相关资料,说明在线性代数方程组的解法中,序贯模块法、联立方程法 和...
社会学概论第1阶段测试题
江南大学现代远程教育 2013 年上半年第一阶段测试卷考试科目:《社会学概论第一章至第四章(总分 100 分)时间:90 分钟 ___学习中心(教学点)专业: 姓名: 学号...
第1章 概论
第1概论_教育学_高等教育_教育专区。第 1 章...微痕 分析通过模拟实验来观察和了解不同微痕的特点...因此对于非物质 文化遗产传承的过程,人的传承就...
《PRO Ⅱ化工软件工程应用》
第1 讲练习 ProII 使用入门 1.1 建立以下过程的 Pro/II 模拟模型: 将 800 kmol/hr 的低浓甲醇(甲醇 20%w,水 80%w,20 ?C,1 bar)与 1000 kmol/hr ...
创业学第1章概论
创业学第1概论_教育学_高等教育_教育专区。第学习目标 1.了解创业的含义 2.准确理解创业的要素 3.理解创业过程 1 章 概论 今天,我们在每个大学都可以感受到...
土木工程概论第1-3阶段测试题
2015 年土木工程概论第 1-3 阶段测试题整理一、填空题 1、胶凝材料主要指和水成浆后能硬化为坚实整体矿物粉状材料;干拌砂浆是将水泥、砂子、各种外 加剂混合...
随机过程第1章 概论
随机过程第1概论_理学_高等教育_教育专区。随机过程讲义 陈庆虎 武汉大学电子...随机误差对个体来是没有规律的,不能控制的,用实验的方法是无法消除的。 但...
新闻采访-第1讲__新闻采访概论
新闻采访学教案 第一讲 新闻采访概论(绪论) 教学目的:1、理解新闻采访的涵义和基本要素;2、了解新闻采访的基本方式;3、了解新闻采访学的概念及其研究对象;4、掌握...
第1章条码技术概论
第1章 条码技术概论 一、双选题( 10 道) 1....光敏元件扫描到的光信号转变为模拟电信号, 模拟...即 2008 年 98%的零售商品使用条码,条码的合格率...
更多相关标签:
化工安全工程概论 | 精细化工概论 | 石油化工概论 | 云计算概论课程简介 | 化工设计概论 | 化工环境工程概论 | 精细化工概论课后答案 | 化工设计概论第二版 |