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第1讲-化工流程模拟进展及ProII使用过程简介


《化工软件工程应用》
第1讲 化工流程模拟进展与PRO/II软件 使用过程简介
华东理工大学 化工学院
沈荣春 Tel:64253664 E-mail:rcshen2006@hotmail.com

化工计算软件种类
数据处理 桌面化学软件 科学计算 化工流程模拟 计算流体力学 反应动力学 量子化学计算
Origin,Excel ChemOffice,ChemSketch Matlab,Mathematica,Mathcad,Maple Pro/II,Aspen Plus,Hysys, ChemCAD Fluent,CFX, PHOENICS ChemKin Material Studio,Gaussian,VASP

流程模拟技术
流程模拟技术是综合应用过程工程、系统工 程、计算数学等学科的理论和方法,开发专 用软件对流程工业的单元过程、设备及整个 流程系统在计算机上进行描述的技术,这种 描述既可以是静态的,也可以是动态的;既 可以对过程进行物料平衡、热量平衡、化学 平衡、相平衡等的计算,也可以预测操作变 量变化对过程的工艺的影响,是工程技术和 计算机技术互相融合的产物,随着计算机技 术的发展而不断发展,为过程系统的综合分 析和优化提供了快速高效的方法,已成为过 程系统工程的重要技术。

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 第8讲 化工流程模拟进展及ProII使用过程简介 反应器的模拟 物性估算与热力学模型的选用 分离单元的模拟 特殊精馏过程的模拟 化工极性物质体系的模拟计算 复杂结构的化工流程模拟 化工流程的控制和优化

本讲概要
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的使用步骤

1 本课程的目的
以化工流程模拟软件Pro/II(ASPEN PLUS)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

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

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方面
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6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
单元模块方程

f 2 ( x21 , y22 , u2 ) = 0

f 4 ( x41 , y41 , y42 , u4 ) = 0 f 5 ( x51 , x52 , y51 ) = 0

f 3 ( x31 , y31 , y32 , u3 ) = 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 联立方程法 联立模块法

2)

3)

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

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

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

f 4 ( x41 , y41 , y42 , u4 ) = 0 f 5 ( x51 , x52 , y51 ) = 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: 输入进口流x11的参数 1) 假定循环流x12的参数 2) y = ? (x , x ) 使用模型方程 计算y11 3) 利用连接方程使x21=y11 4) y = ? (x , u ) 使用模型方程 计算y21 5) 利用连接方程使x31=y21 6) 使用模型方程 y = ? (x , u ) 计算y31和y32 7) 利用连接方程使x41=y31 8) y = ? (x , u ) y = ? (x , u ) 使用模型方程 和 计算y41和y42 9) 10) 考察y41和x12的差值 11) 利用连接方程使x51=y32 y = ? (x , x ) 计算y51 12) 用模型方程
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,然后进行求解

v x
v u

v v 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: 给定流程进料物流x11 1) 对单元设备1、2、3、4假定所有的aijk 2) 对单元设备1、2、3、4联立求解简化模型方程和连 3) 接方程,得到这些单元设备的输入和输出流x、y的 近似值 用3)求得的x值作为各单元设备的进料,再根据规定 4) 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 重新计算各单元设备简化模型的系数aijk 5) 将求得的系数aijk和原假定值进行比较,如果两者之 6) 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 利用规定的进料x52和上述步骤求得的x51,用严格 7) 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

流程模拟系统软件
模拟系统 开发者 结构 特点 ASCEND 美国Carnegie-Mellon 联立方程法 模拟与优化 ASPEN PLUS 美国ASPEN公司 序贯模块法 模拟与优化 CAPES 日本 序贯模块法 有优化费用 CHESS 美国Washington大学 CONCEPT III 英国CAD中心 序贯模块法 交互作用方式 DESIGN 2000 美国Chem Share 序贯模块法 FLOWPACK II 英国德国ICI-LINDE 序贯模块法 批处理与交互 FLOWSIM 美国Connecticut 大学 联立方程法 图形输入 FLOWTRAN 美国Monsanto Co. 序贯模块法 有费用和尺寸 GMB 美国Badger Co. 序贯模块法 交互作用方式

流程模拟系统软件
模拟系统 开发者 结构 特点 HYSIM 加拿大HYPROTECH Co.序贯模块法 交互作用方式 PRO/II 美国Simulation公司 序贯模块法 批处理与交互 QUASLIN 英国CAD中心 联立方程法 模拟与优化 SIMMOD 美国Illinois大学 序贯模块联立模块法 模拟与优化 SPEEDUP 英国Imperial大学 PASCAL编程 SYMBOL 英国Cambridge大学 联立方程法 线性化法 ECSS 青岛化工学院 序贯模块法 Micro SAPROSS 兰州设计院 序贯模块法 合成氨专用系统程 大连理工大学 华东理工大学

序贯模块法的优势
正是序贯模块法用简单朴素的、符合化学 工程师的方式实现了方程组求解,使得在 物理意义上密切相关的方程和变量放在一 起求解,在计算的核心层面上消除不适定 性带来的不利影响,分散解决各个不同性 质的难点,为外层的迭代计算创造了有利 的条件,控制了误差的传递和放大,因而 取得了良好的实践效果。

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。

Introduction

History of PRO/II
First Generation: 1974
SSI/100 Simulation Program

Second Generation: 1979
Process Simulation Program

Third Generation: 1988
PRO/II Simulation Program Version 3.30 - Spring of 1993

Forth Generation: 1995
PRO/II with Provision 4.x

Fifth Generation: 1997
PRO/II with Provision 5.x version 5.61 – March of 2002

Sixth Generation: 2003
Over 40 new features

Seven Generation: 2004
Just released in August 2004

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

流程模拟技术发展简史
项目 特点 单位 名称 第一代 (20世纪60年代) 第二代 (20世纪70年代) 第三代 (20世纪80年代) 不完善的数据库,简单 的数学模型,物料、能 量横算 较完善的数据库,复杂 而精确的数学模型,物 料、能量、设备计算 较完善的数据库,复杂 而精确的数学模型,物 料、能量、设备计算, 经济评价,工况分析 Kellogg University of Houston Monsanto Simulation Sciences (SIMSCI) ASPEN Technolgoy Hyprotech Flexible System CHESS

FLOWTRAN PROCESS

ASPEN PLUS HYSIM

第四代 (20世纪90年代)

较完善的数据库,复杂 而精确的数学模型,物 料、能量、设备计算, 经济评价,工况分析、 稳态和动态集成,从离 线到在线

ASPEN Technolgoy Hyprotech SIMSCI

HYSYS Aspen Custom Modler Aspen Dynamics, Polymers Plus ProVision

流程模拟软件的组成

输入模块 单元操作模块 算法子程序

主控模块

单元设备估算模块

物性数据库 输出模块

成本估算,经济评价模块

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

7 流程模拟技术发展趋势
随着信息技术、计算机技术、应用数 学、化学工程的长足进步,流程模拟技术 也得到了不断的发展。 具体表现在以下若干方面:

1. 2. 3. 4. 5. 6.

扩大可模拟物系的范围;(聚合物、含电 解质体系、蛋白质体系) 向动态模拟发展; 稳态模拟与动态模拟相结合; 开发新的模型;(平衡级模型到速率模 型) 流程模拟技术和先进控制技术相结合; 流程模拟技术和计划优化相结合; (Avantis;ASPEN PIMS)

流程模拟技术和仿真培训结合; 8. 实时优化; 9. 流场计算;(FLUENT;CFX) 10. 反应器模拟及全流程模拟; 11. 软件的智能化; 12. 基于Web的远程应用
7.

8 如何深入学习PRO/II
在不断使用中学习 利用好各种中英文培训和使用手册 PRO/II自带的帮助文档 利用好PRO/II软件附带的实例 参加PRO/II软件相关的高级培训

9 ProII使用过程简介
认识PRO-II的用户界面 物系的选择 单位制的选择 热力学的选择

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

标题栏 菜单栏

工具栏

模块库

状态栏

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

规定单位制

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

规定组分

(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)

规定热力学模型

对存在化学反应的体系,描述化学反应方 程式 规定化学反应

ProII使用步骤
1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8)

规定操作单元,连接物流线 规定单位制 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

创建第一个Pro/II模拟模型
建立以下过程的Pro/II模拟模型: 将 1000 m3/hr 的 低 浓 酒 精 ( 乙 醇 30%w,水 70%w,30 °C,1 bar)与700 m3/hr 的 高 浓 酒 精 ( 乙 醇 95%w , 水 5%w,20 °C,1.5 bar)混合。 求混合后的温度和体积流量。

Step1:规定操作单元,连接物流线

Step2: 规定单位制

Step3:规定组分

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Notpad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

1)使用Notpad查看模拟结果

2)使用Excel查看物流性质及结果

3)使用浏览器查看物流性质及结果

课件及作业下载邮箱:chemdesign2011@163.com 密码:20112012
参考书籍: ① 《化工过程模拟-原理与应用》 陆恩锡编著,化学工业出版社, 2011 ② 《化工过程流程模拟》 朱开宏编著,中国石化出版社,1993 ③ 《化工计算导论》 Bruce A. Finlayson 著,朱开宏译,华东理工大 学出版社,2006.10

数学模型 模拟软件 工程问题

箭 弓 目标


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