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1、 序贯模块法： 逐个单元模块依次序贯计算求解系统模型的一种方法。 特点： 与实际过程的直观联系强； 易于诊断错误； 计算效率低。 回路（环路）输入流股与后续的单元设备输出有关。 基本步骤（与实际过程的一致性）： （1）搜集相关的资料和数据 操作及设计数据、设备结构尺寸； 验证模型所需要的生产数据或实验数据。 （2）建立过程系统的结构模型 a. 过程系统的拓扑获取信息流图 b. 信息流图表示成矩阵形式 c. 系统的分隔 d.断裂回路选定适宜断裂流股和初值 e.模拟计算的求解顺序，管理模拟计算过程 （3）建立单元设备模块 （4）热力学数据及物性数据模块 （5）输入模块 （6）输出模块 缺点：物性参
2、数、单元模块及系统断裂流股三层嵌套迭代。 设计型问题：不断调节输入参数和设备工艺结构参数。 物性计算 1 过 程 单 元 计 算 2 流 程计 算 3 设 计 规 定 计 算 4 序贯模块法的迭代层次示意图 氨合成系统 反应温度： 400500，压力：300 kg/cm2 催化反应N2 + 3H2 2NH3平衡时，氨的合成转化率为12。 保持连续稳定操作的条件：新鲜原料气体的流量、组成恒定；反应 器在恒温、恒压下操作；各分离器闪蒸温度、闪蒸压力恒定；排空 物流的排空比率恒定。 混合组分 1N2 2H2 3NH3 4Ar 5CH4 2.2.1 氨合成系统的物料衡算流程模拟 工艺流图 信息流图 1
3、）氨合成系统的数学模型 混合器 j = 1,2,5，表示5种混合组分 物流编号：1，2，10 5个方程 混合器 j = 1,2,5 5个方程 反应器 反应平衡方程： K：平衡常数，P：反应压力 5个方程 高压分离器 汽液平衡方程 k1,k2,k5为PD，TD下的组分平衡常数 10个方程 10个方程 汽液平衡方程 k1,k2,k5为PF，TF下的组分平衡常数 低压分离器 10个方程 其中，f为分割率 分流器 分子分率约束式 10个方程 共计：Ne 55 个方程 方程类型 物料平衡方程组： 无反应质量平衡（分子量平衡） 有反应原子数目平衡 分子分率约束式： 设备约束式（描述流程结构）： 反应平衡常
4、数 分割率 汽液平衡常数（高压） 汽液平衡常数（低压） 变量个数 设备参数： 物流变量60个 Fi , i=1,2, ,10 xij ， i=1,2, ,10； j=1,2, ,5 方程数：Ne 55； 变量数：Nv 72 设计变量 d 72 55 17 （个） 可选设备参数 12 个 可选进料物流变量：F1，x11，x12，x14，x15为设计变量 2)数学模型的序贯求解 序贯模块法中应用的系统分解的基本思想： 化整为零，按大系统特性，将各个子系统的求解有机 地结合起来，实现整个系统的优化目标。 物流变量60个 Fi , i=1,2, ,10 xij ， i=1,2, ,10； j=1,2,
5、 ,5 方程数：Ne 55； 变量数：Nv 72 设计变量 d 72 55 17 （个） 可选设备参数 12 个 可选进料物流变量：F1，x11，x12，x14，x15为设计变量 2)数学模型的序贯求解 序贯模块法中应用的系统分解的基本思想： 化整为零，按大系统特性，将各个子系统的求解有机 地结合起来，实现整个系统的优化目标。 基本步骤 不可分隔子系统的识别：将整个系统分隔成若干个相互不存在循 环回路的独立子系统，并确定各子系统的计算顺序。 大系统各级子系统 大型方程组需同时求解的方程式 不可分隔子系统的断裂：对包含循环回路的子系统，确定需要事 先假定的物流参数，确定合理的求解顺序。 组合各子
6、系统，求解整个大系统 按大系统特性，将各个子系统的求解有机地结合起来，实现 整个系统的优化目标 对氨合成系统，识别出2个带有循环的不可分割子系统。 流线3、4、8、10和单元 、组成的循 环子系统 流线2、3、4、5、7 和单元、 、组成的循环子 系统 氨合成系统序贯求解流程图 不可分隔子系统的断裂 A、B、C、D是系统内可以独立求解的最小的子系统，即 不可分割子系统，四个子系统的求解顺序为ABCD。 循环回路和最大循环网： A B C D E 最大循环网 D F C B E A 循环回路 一、过程系统结构的表达 2.2.2 不可分隔子系统的识别 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6
7、7 7 8 8 9 12 10 9 11 10 12 11 13 （1）图形表示法 流程图 信息流图（Information flow diagram) 基本概念：节点 单元模块 边 流线（信息流） 12 7 1211 12 14 354 6 7 8 9 10 1112 13 6 8 35 4 9 10 单元i，j 之间的联系称为联结方程： （2 ） 矩阵表示法 过程矩阵(Process Matrix) Rp 表达过程系统单元设备与流股之间的关系，由流股将相关设备 关联起来。 单元设 备序号 相关物流号 流入该节点的流股+ 流出该节点的流股- 1 2 3 4 11 12 -1 1-2 说明：最
8、常用的过程矩阵。 计算过程中使用说明： 单元设 备序号 相关物流号 1 2 3 4 11 12 -1 1-2 2 9-14 邻接矩阵（Adjacency Matrix) RA 一个由n个单元或节点组成的系统，其邻接矩阵（或相邻矩阵） 可表示为nn的方阵。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 流入节点j 流 出 节 点 i 1 2 11 12 1 1 101 1 RA= j 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 i 2 1 4 3 5 7 6 8 9 10 12 11 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0
9、 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 空的列（元素都为零）：系统中没有输入的节点；例 第1列 空的行（元素都为零）：系统中没有输出的节点。例第11、12行
10、邻接矩阵： 关联矩阵（Incidence Matrix)RI 元素Sij= -1，边（流股）j为节点（单元设备）i的输出流股 1，边（流股）j为节点（单元设备）i的输入流股 0，边（流股）j与节点（单元设备）i无关联 RI= j 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 i 2 1 4 3 5 7 6 8 9 10 12 11 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 -1 0 0 1 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
11、 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 -1 0 1 0 -1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 -1 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 -1 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 关联矩阵 说 明： . 若有向图中有n个节点m条边，则关联矩阵为n行m列的矩阵 。 .每一流股(边)在矩阵中标出两次，即同一条边可是一个节点 的输出
12、又是另一节点的输入边。 .列的元素之和为零。 对简单流程的序贯模块法：逐模块计算； 对含回路复杂流程的序贯模块法： 步骤：分隔（流程中循环回路或最大循环网的识别）； 排序 （将分块的结果，排成一个序贯求解的顺序） 在信息流图上，任选一节点单元，按其任一输出流线方向搜 索单元串，直到出现下面两种情况之一： 沿该单元的任一输出流线往前搜索，前面再无单元节点， 即将该单元记录下来，并从流程中剔除； 被搜索的单元串中的某一单元又重新出现，即发现一个再 循环回路。把该回路中含有的单元合并成一个“虚拟单元”节点，继 续。 不断重复步骤、，直至所有单元和虚拟单元均被记录下来。 （1） 基于信息流图的单元串搜
13、索法(循迹法) 二、常用的不可分隔子系统的识别方法 任选：从4开始。（1）456789，记下单元9 （2）456786，回路【6，7，8】 （3）45【6，7，8】5，回路【5，6，7，8】 （4）4【5，6，7，8】，记下【5，6，7，8】 （5）4，记下单元4 从2开始。（6）232，回路【2，3】 （7）【2，3】，记下【2，3】 从1开始。（8）1，记下单元1 得到记录 1 【2，3】 4 【5，6，7，8】 9 求解顺序 6，7，82，3 例题：用单元串搜索法，确定下面流程的计算顺序。 任选：从1开始。(1) 12382，回路【2,3,8】 (2) 1【2,3,8】4 5 9，记下单
14、元9 (3) 1【2,3,8】4 5 64，回路【4,5,6】 (4) 1【2,3,8】【4,5,6】，记下单元【4,5,6】 (5) 1【2,3,8】7【2,3,8】，回路【2,3,8,7】 (6) 1【2,3,8,7】 ，记下单元【2,3,8,7】 (7) 1，记下单元1 得到记录 1 【2,3,8,7】 【4,5,6】 9 求解顺序 说明： （1）不论如何选取搜索的起点单元，沿哪条通路进行搜索 ，所得的分隔与排序的结果，都是相同的； （2）用过程矩阵来表述流程结构时，容易在计算机上编程 实现。 Steward提出的回路搜索法的步骤： 从相邻矩阵中，剔除全为0的列及其对应的行，并记录下相
15、应的节点号，写在求解序列的前面。从相邻矩阵中，剔除 全为0的行及其对应的列，并记录下相应的节点号，写在求 解序列的后面。 由通路搜索法在相邻矩阵中找到回路，用虚拟节点代替组 成回路的节点，并构造新的相邻矩阵。其中，虚拟节点在 相邻矩阵中行、列的值，为其包含的所有节点行、列值的 布尔加和。 重复步骤，直至剔除并记录下所有节点。 （2） 基于相邻矩阵的回路搜索法 相邻矩阵 (A,B,C)L1 (L1,D,E)L2 HA,B,C,D,EF,GI 相邻矩阵R的P次方RP，给出了步长为P组成环路的 全部节点，且这些节点完全在RP矩阵的主对角线上， 其元素为1。 1234 76 5 （3） 基于相邻矩阵的高次相邻矩阵法 最大步长4 2,3,6,7L1 系统识别：1，2，3，6，7，5，4 缺点：（1）无求解顺序 （2）无法识别具有多个相同步数的回路 L1 1 L1 4 5 2.2.2 不可分隔子系统的断裂 选择最优断裂流股的准则： I
