化工过程分析与合成课件.ppt

模拟是对过程系统模型的求解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，从而可以对该过程系统进行工况分析过程系统设计当对某个或某些系统变量提出设计规定要求时，通过调整某些决策变量使模拟结果满足设计规定要求过程系统参数优化过程系统模型与最优化模型联解得到一组使工况目标函数最佳的决策变量（优化变量）从而实施最佳工况思考题•结合上节课发酵过程的例子，说明过程系统的模拟、设计和优化•改变上节课例子中的参数，分别进行过程系统模拟、设计和优化2.1 过程系统模拟的三种基本方法过程系统模拟的三种基本方法l序贯模块法（S Sequential M Modular M Method）l面向方程法（E Equation O Oriented M Method）l联立模块法（S Simultaneously M Modular M Method）过程系统模拟的序贯模块法过程系统模拟的序贯模块法•SMMSMM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•SMMSMM对过程系统的模拟以单元模块的模拟计算为基础•SMMSMM按照由各种单元模块组成的过程系统的结构，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。

 优点：与实际过程的直观联系强模拟系统软件的建立、维护和扩充都很方便，易于通用化计算出错时易于诊断出错位置 缺点：计算效率较低，尤其是解决设计和优化问题时计算效率更低过程系统模拟的面向方程法过程系统模拟的面向方程法• •EOMEOM又称联立方程法，将描述整个过程系统的数学方程式联立求解，从而得出模拟计算结果，面向方程法可以根据问题的要求灵活地确定输入、输出变量，而不受实际物流和流程结构的影响• •EOMEOM解算过程系统模型快速有效，对设计、优化问题灵活方便效率较高• •EOMEOM的形成通用软件比较困难；不能利用现有大量丰富的单元模块；缺乏实际流程的直观联系；计算失败之后难于诊断错误所在；对初值的要求比较苛刻；计算技术难度较大过程系统模拟的联立模块法过程系统模拟的联立模块法过程系统模拟的联立模块法过程系统模拟的联立模块法联联立立模模块块法法又称双层法，将过程系统的近似模型方程与单元模块交替求解联联立立模模块块法法兼有序贯模块法和面向方程法的优点既能使用序贯模块法积累的大量模块，又能将最费计算时间的流程收敛和设计约束收敛等迭代循环合并处理，通过联立求解达到同时收敛过程系统稳态模拟三种方法的比较过程系统稳态模拟三种方法的比较思考题•结合上节课的例子，说明什么是序贯模块法，什么是面向方程法，什么是联立模块法。

•结合上例，比较三种过程系统模拟方法的优缺点2.2 序贯模块法序贯模块法2.2.1 序贯模块法的基本原理序贯模块法的基本原理序贯模块法的基础是单元模块，通常单元模块与过程单元是一一对应的单元模块是依据相应过程单元的数学模型和求解算法编制而成的子程序单元模块具有单向性特点过程单元与单元模块 序贯模块法的基本思想序贯模块法的基本思想从系统入口物流开始，经过接受该物流变量的单元模块的计算得到输出物流变量，作为下一个相邻单元的输入物流变量依此逐个的计算过程系统中的各个单元，最终计算出系统的输出物流计算得出过程系统中所有的物流变量值，也即状态变量值序贯模块法的求解与过程系统的结构是有关的序贯模块法的求解与过程系统的结构是有关的具有反馈联结的系统（不可分割子系统），需要用到断裂（Tearing）和收敛（Convergence）技术具有反馈的系统与收敛单元•通过断裂技术可以打开回路，以便采用序贯模块法进行求解在断裂物流处设置一个收敛单元•对于复杂系统，收敛单元设置的位置不同，其效果也将不同•最优设置要通过断裂技术去解决•如何得到新的变量值，如何保证计算收敛，如何加快收敛，取决于收敛算法，与断裂物流变量的特性有关。

2.2.2 再循环物流的断裂再循环物流的断裂（（1）断裂的基本概念）断裂的基本概念求解方法1. 联立方程组2. 通过断裂进行降维 X2 →X3→ X4 → X1 → X2 把一个四维求解问题降阶成为了四个一维问题，从而减化了计算难度 这种通过迭代把高维方程组降阶为低维方程组的办法称为“断裂”有向图 选择不同的断裂物流，相应的迭代序列也不一样：•由于系统中各物流及其变量特性的不同，在收敛计算上常是有很大差异的•如何选择断裂物流、确定迭代序列，是实施序贯模块法进行过程系统模拟计算中必须要解决的问题（（2）断裂方法的研究）断裂方法的研究六十年代初，Rubin就提出了断裂的思想判断最佳断裂的准则分为四类 ① 断裂的物流数最少； ② 断裂物流的变量数最少； ③ 断裂物流的权重因子之和最少； ④ 断裂回路的总次数最少i=1，…，m，代表回路；j =1，…，n,代表物流•约束方程的含义是每个回路至少要被断裂一次•准则①设定ρj =1 ；•准则②令ρj为物流变量数；•准则③中ρj为可根据物流性质而取的选择值，如物流变量对计算过程灵敏度大小的估计值；•准则④的ρj等于每个断裂物流所切断的回路总数。

（（3）回路矩阵）回路矩阵要要断断裂裂再再循循环环物物流流，，必必须须先先识识别别再再循循环环回回路路，，并并借借助助一一定定的方法描述它们的方法描述它们一一个个不不可可分分隔隔子子系系统统包包含含若若干干个个再再循循环环回回路路包包含含两两个个以以上上再再循循环环物物流流，，且且其其中中的的任任何何单单元元只只被被通通过过一一次次，，称称作作简单回路（简单回路（Simple Cycle）Ⅰ－S1－Ⅱ－S2－Ⅲ－S4－Ⅱ－S2－Ⅲ－S5－Ⅰ构成的回路不是一个简单回路，因为其中的单元Ⅱ和单元Ⅲ被通过了两次•过程系统中的简单回路可以用回路矩阵（（Loop/Stream MatrixLoop/Stream Matrix））表示•表示方法： 矩阵中的行代表回路，列代表物流 若某回路I中包括有物流j则相应的矩阵元素aji=1，否则为空白或零（（4））Upadyhe－－Grens断裂法断裂法美国加州大学的Upadhye等提出的，一种类似动态规划法的寻求最佳断裂物流的算法为了对该不可分隔子系统的高维求解进行降维运算，须将该子系统中的某些回路进行断裂达到断裂的方案并不是唯一的需要解决的两个问题：一是要有一种能把所有的有效断裂物流组都能搜索出来的办法；二是要能把最优断裂组从中选择出来。

替代规则：令｛D1｝为一有效断裂组，Ai为全部输入流均属于｛D1｝的单元（至少有一个这样的单元存在，否则｛D1｝为无效断裂组）将Ai的所有输入流用Ai的全部输出流替代，构成新的断裂组令得到的新的断裂组为｛D2｝，则①①①①｛｛｛｛D D D D2 2 2 2｝｝｝｝也是有效断裂组；也是有效断裂组；也是有效断裂组；也是有效断裂组；② ② ② ② 对对对对于于于于直直直直接接接接迭迭迭迭代代代代，，，，，，，，｛｛｛｛D D D D2 2 2 2｝｝｝｝与与与与｛｛｛｛D D D D1 1 1 1｝｝｝｝具具具具有有有有相相相相同同同同的收敛性质的收敛性质的收敛性质的收敛性质由替代规则联系起来的所有断裂组的集合，定义为断裂族由替代规则联系起来的所有断裂组的集合，定义为断裂族由替代规则联系起来的所有断裂组的集合，定义为断裂族由替代规则联系起来的所有断裂组的集合，定义为断裂族（（5）寻求最优断裂组的算法）寻求最优断裂组的算法①从任一有效断裂开始，运用替代规则：②如果在任何一步中出现有两次被断裂的物流（二次断裂组），则消去其中的重复物流消去重复后断裂组则作为进行下一步的新起点③重复步骤①、②，直到不再有二次断裂组出现，且每个“树枝”上有重复的断裂组出现时为止。

从最后一个新的起点开始，其后出现的所有不重复的断裂组成为非多余断裂族④非多余断裂族中总权最小的断裂组为最优断裂组非多余断裂族:断裂组｛S1，S4，S7｝为最优断裂组 通过断裂可以把不可分隔子系统中的回路物流打开，从而可以利用序贯模块法对该过程系统进行模拟计算这种模拟计算的开始是首先要设定起始物流变量的猜值，计算的终点则在于该猜值与计算值的收敛2.2.3 断裂物流变量的收敛断裂物流变量的收敛执行断裂物流变量收敛功能的模块称收敛单元模块执行断裂物流变量收敛功能的模块称收敛单元模块不可分隔子系统的断裂物流断裂物流变量的收敛问题实际上是个迭代求解非线断裂物流变量的收敛问题实际上是个迭代求解非线断裂物流变量的收敛问题实际上是个迭代求解非线断裂物流变量的收敛问题实际上是个迭代求解非线性方程组的问题性方程组的问题性方程组的问题性方程组的问题 x = y = G(x) x = y = G(x) 当断裂物流变量猜值x与计算值y之差小于收敛容差ε时y y －－ x = Gx = G（（x x）－）－ x < x < εε则x为断裂物流变量的收敛解收敛单元的功能总计有如下作用收敛单元的功能总计有如下作用收敛单元的功能总计有如下作用收敛单元的功能总计有如下作用：(Ⅰ)(Ⅰ)(Ⅰ)(Ⅰ)获取猜值的初值获取猜值的初值获取猜值的初值获取猜值的初值x x x x0 0 0 0(Ⅱ)(Ⅱ)(Ⅱ)(Ⅱ)根据计算值根据计算值根据计算值根据计算值y y y y，，，，以一定的方法确定新的猜值以一定的方法确定新的猜值以一定的方法确定新的猜值以一定的方法确定新的猜值x x x x(Ⅲ)(Ⅲ)(Ⅲ)(Ⅲ)比比比比较较较较猜猜猜猜值值值值x x x x和和和和计计计计算算算算值值值值y y y y，，，，若若若若其其其其结结结结果果果果满满满满足足足足给给给给定定定定精精精精度度度度要求则结束迭代计算，否则继续迭代计算过程要求则结束迭代计算，否则继续迭代计算过程要求则结束迭代计算，否则继续迭代计算过程要求则结束迭代计算，否则继续迭代计算过程 可见，收敛单元实质上就是一个数值迭代求解非线性方程组的子程序。

求解非线性方程组的数值计算方法很多，适合于收敛单元的数值计算方法一般应尽可能满足下列要求：1.1.1.1. 对初值的要求不高对初值的要求不高 1).初值易得，不易引起迭代计算的发散； 2)初值的组数少例例: : 用直接迭代法求解下列方程组解：令猜值为X1＝2；X2＝10；X3＝5解：令猜值为X1＝6；X2＝3.5；X3＝52. 2. 数值稳定性好数值稳定性好3. 收敛速度快•对收敛速度的影响主要有三个因素：迭代次数；函数G（x）的计算次数；矩阵求逆的次数•每计算一次函数值就相当于做一次流程回路的模拟计算,每求一次导数就要做两次流程模拟计算•对于断裂物流的收敛，好的非线性方程组的数值迭代次数少，而且应该尽量避免导数计算和矩阵求逆•4. 占用计算机存储空间少直接迭代法直接迭代法直接迭代法是将计算值yk作为下一轮迭代的猜值xk+1而实施迭代计算x xk+1k+1＝＝＝＝GG（（（（x xk k））））非线性方程组x = y = G(x)x = y = G(x) 的另外一种形式为F(x)F(x)＝＝＝＝x x－－－－G(x)= 0G(x)= 0→ x→ xk+1k+1＝＝＝＝x xk k＋＋＋＋F(xF(xk k) )与牛顿公式相比较：：：：直接迭代法的雅可比矩阵为单位矩阵优点：优点：优点：优点：方法简单， 只需要一组初值，不需计算导数和逆矩阵弱点：弱点：弱点：弱点：迭代次数多、收敛速度慢， 对初值要求较高为改善直接迭代法的收敛行为，提出了阻尼直接迭代法，或称加权直接迭代法：为为为为改改改改善善善善直直直直接接接接迭迭迭迭代代代代法法法法的的的的收收收收敛敛敛敛行行行行为为为为，，，，提提提提出出出出了了了了阻阻阻阻尼尼尼尼直直直直接接接接迭迭迭迭代法，或称加权直接迭代法：代法，或称加权直接迭代法：代法，或称加权直接迭代法：代法，或称加权直接迭代法：q为阻尼因子，可以人为给定q=0 直接迭代0＜q<1 加权直接迭代，可改善收敛的稳定性q<0 外推直接迭代，加速收敛，但稳定性下降q≥1 无意义当闪蒸温度分别为以下值时: 分别用直接迭代法和阻尼直接迭代法计算汽相和液相产品的流量和组成，阻尼因子分别取值为0.5，0.3，-0.2，-0.3，-0.7，-0.9解解解解：：：：依据闪蒸条件,设该闪蒸过程为理想体系，三个闪蒸器均为等温闪蒸过程，建成相应的单元模块。

并将其改绘为如下三级闪蒸过程模拟模块流程平衡闪蒸单元模型平衡闪蒸单元模型从从上上例例可可见见，，阻阻尼尼因因子子q q值值的的选选取取具具有有较较大大的的任任意意性性和和经经验验性性19581958年年WegstienWegstien提提出出了了一一种种简简便便的的方方法，可以弥补这种阻尼因子取值困难的弱点法，可以弥补这种阻尼因子取值困难的弱点WegsteinWegstein法法一维一维一维一维WegsteinWegsteinWegsteinWegstein法法法法求解一维代数方程 （1）Wegstein迭代公式为： （2）其中： （3）对于隐式一维代数方程：（4）相应的迭代公式称作割线法，其迭代公式可从Wegstein迭代公式导出从（4）式可得出：（5）将上式代入（2）式（6）从（2）和（3）式得到：（7）上式代入（5）式，则有：（8）式（8）就是割线法的迭代公式由此可见，Wegstein法与割线法是相通的隐式方程具有更大的普遍性，所以割线法常为人们所熟知隐式方程具有更大的普遍性，所以割线法常为人们所熟知。

在在流流程程模模拟拟领领域域中中，，物物流流回回路路多多用用显显式式方方程程描描述述的的因因而而多用多用WegsteinWegstein法由（2）式可见，一维Wegstein法需要有两个初值，其中第一个初值是设置的猜值，第二个初值可根据第一个初值按直接迭代法得到。