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1、化工过程模拟与计算化工过程模拟与计算1 1第第1章章 绪论绪论1.1 概述概述1.2 化工过程模拟分类化工过程模拟分类1.3 化工过程模拟发展简史化工过程模拟发展简史1.4 化工过程模拟的功能化工过程模拟的功能1.5 化工过程稳态模拟系统的构成化工过程稳态模拟系统的构成1.6 课程内容及要求课程内容及要求2 21.1.1化学工程学科发展的三次飞跃化学工程学科发展的三次飞跃u第一次飞跃：第一次飞跃： “单元操作单元操作”概念的提出；概念的提出；u第二次飞跃：第二次飞跃：“传递过程传递过程”概念的提出，概念的提出，Bird传传递现象递现象出版，出版，“三传一反三传一反”特征确立；特征确立；u第三次
2、飞跃？第三次飞跃？过程系统工程、产品工程、多尺度。过程系统工程、产品工程、多尺度。1.1 概述概述3 3“三传三传”为为动量传递动量传递（流体输送流体输送、过滤、过滤、沉降沉降、固体流态化、固体流态化等，遵循流体动力学基本规律）、等，遵循流体动力学基本规律）、热量传递热量传递（加热、冷却、（加热、冷却、蒸发、冷凝等，遵循热量传递基本规律）和蒸发、冷凝等，遵循热量传递基本规律）和质量传递质量传递（蒸馏、（蒸馏、吸收、萃取、干燥等，遵循质量传递基本规律），吸收、萃取、干燥等，遵循质量传递基本规律），“一反一反”为化学反应过程。为化学反应过程。“三传一反三传一反”概括了化工生产过程的全部特征，概括了
3、化工生产过程的全部特征，传传递过程递过程被认为是单元操作的理论基础，开辟了化学被认为是单元操作的理论基础，开辟了化学工程发展过程的第二个历程。工程发展过程的第二个历程。4 41.1.2化学工程模拟的概念化学工程模拟的概念化工过程模拟是一种高科技手段；化工过程模拟是一种高科技手段；它根据它根据化工单元过程化工单元过程和和热力学的基本方程热力学的基本方程，应用现，应用现代数学方法，编制成计算机软件，使之能够模拟实代数学方法，编制成计算机软件，使之能够模拟实际的化工生产过程。际的化工生产过程。5 51.2 化工过程模拟的分类化工过程模拟的分类化工过程化工过程稳态模拟稳态模拟化工过程化工过程动态模拟动
4、态模拟6 6化工过程化工过程稳态模拟：稳态模拟：为通常所说的化工过程模拟或流程模拟；为通常所说的化工过程模拟或流程模拟；根据化工过程的稳态数据，根据化工过程的稳态数据，如物料的压力、温度、流量、如物料的压力、温度、流量、组成和有关的工艺操作条件、工艺规定、产品规格以及组成和有关的工艺操作条件、工艺规定、产品规格以及一定的设备参数，如蒸馏塔的板数，进料位置等，一定的设备参数，如蒸馏塔的板数，进料位置等，采用采用适当的模拟软件，用计算机模拟实际的稳态过程，得出适当的模拟软件，用计算机模拟实际的稳态过程，得出所计算的整个流程或单元过程详细的物料平衡和热量平所计算的整个流程或单元过程详细的物料平衡和热
5、量平衡数据。衡数据。得到的重要参数：材料消耗、公用工程消耗，产品、副得到的重要参数：材料消耗、公用工程消耗，产品、副产品的产量、组成和质量等重要参数。产品的产量、组成和质量等重要参数。7 7化工过程化工过程动态模拟动态模拟它是计算装置的某个或数个参数发生变动时，其他所有参数它是计算装置的某个或数个参数发生变动时，其他所有参数如何随时间而发生变化。如何随时间而发生变化。它的计算永远不会终结，对于任何一个参数的变动，计算结它的计算永远不会终结，对于任何一个参数的变动，计算结果都是系统中所有工艺参数及相应的性质随时间变化的关系果都是系统中所有工艺参数及相应的性质随时间变化的关系曲线。曲线。用途：过程
6、动态特性分析、控制方案的制定、开停车方案的用途：过程动态特性分析、控制方案的制定、开停车方案的优化以及操作工培训软件的开发等。优化以及操作工培训软件的开发等。8 81.3 化工过程模拟发展简史化工过程模拟发展简史1.3.1国外国外p起源：起源：20世纪世纪50年代中后期，年代中后期，1958年美国的年美国的M.W.Kellogg公司推出了世界上第一个化工模拟程序公司推出了世界上第一个化工模拟程序-Flexible Flowsheeting。p初始发展期：整个初始发展期：整个60年代，国外各有关大学、研究机构年代，国外各有关大学、研究机构和炼油、石化公司纷纷开始研究自己的模拟系统。特点：和炼油、
7、石化公司纷纷开始研究自己的模拟系统。特点：功能简单，计算范围较窄，计算能力较差，收敛能力存功能简单，计算范围较窄，计算能力较差，收敛能力存在较多问题。在较多问题。p成长壮大期：模拟技术得到了工业界的普通承认，该时成长壮大期：模拟技术得到了工业界的普通承认，该时期比较优秀的软件有：美国期比较优秀的软件有：美国Monsando公司的公司的Flowtran和和Simulation sciences公司的公司的Process。9 9p成熟期：进入成熟期：进入80年代后，模拟软件的开发走向专业化、年代后，模拟软件的开发走向专业化、商品化。特点：模拟计算的准确性、可靠性大大增强，商品化。特点：模拟计算的准
8、确性、可靠性大大增强，应用范围不断拓宽，功能日益丰富，使用越方便。应用范围不断拓宽，功能日益丰富，使用越方便。p深入发展期：深入发展期：90年代开始，特点：从年代开始，特点：从“离线离线”走向走向“在在线线”，从稳态模拟发展到动态模拟和实时优化，从单纯，从稳态模拟发展到动态模拟和实时优化，从单纯的稳态计算发展到和工业装置紧密相联。的稳态计算发展到和工业装置紧密相联。10101.3.2国内国内p起源：起源：60年代末。年代末。p兴旺期和大发展期：化工部第四、五、六、八、九设计兴旺期和大发展期：化工部第四、五、六、八、九设计院，化工部设计公司，燕山石化设计院，上海医药工业院，化工部设计公司，燕山石
9、化设计院，上海医药工业设计院等许多单位均投入相当的人力物力进行模拟系统设计院等许多单位均投入相当的人力物力进行模拟系统的开发。的开发。p70年代末至年代末至80年代初：国内模拟软件水平已经相当接近年代初：国内模拟软件水平已经相当接近国外的先进水平。国外的先进水平。p80年代引进风的兴起导致年代引进风的兴起导致70年代的兴旺为昙花一现。年代的兴旺为昙花一现。p1987年，青岛化工学院（现青岛科技大学）推出了年，青岛化工学院（现青岛科技大学）推出了“工工程化学模拟系统（程化学模拟系统（ECSS）”可谓一枝独秀。可谓一枝独秀。11111.4 化工过程模拟的功能化工过程模拟的功能1.4.1 新装置设计
10、新装置设计1.4.2 旧装置改造旧装置改造石化和化工装置的设计都要用石化和化工装置的设计都要用12121.4.3 新工艺、新流程的开发研究新工艺、新流程的开发研究1.4.4 生产调优、疑难问题诊断生产调优、疑难问题诊断13131.4.5 科学研究科学研究1.4.6 工业生产的科学管理工业生产的科学管理1.4.7 动态模拟、实时优化的基础动态模拟、实时优化的基础14141.5 化工过程稳态模拟系统的构成化工过程稳态模拟系统的构成1.5.1 模拟系统的主要组成部分模拟系统的主要组成部分模拟系统的分类：模拟系统的分类：专用型：早期模拟软件，仅适用于某一确定的化工流程。专用型：早期模拟软件，仅适用于某
11、一确定的化工流程。通用型：通用化工模拟系统指的是该模拟软件适用于任何通用型：通用化工模拟系统指的是该模拟软件适用于任何工艺流程。工艺流程。1515流程图流程图数据文件数据文件流程图拓扑分析及数据检查流程图拓扑分析及数据检查调度系统调度系统物物性性数数据据库库热热力力学学方方法法库库化化工工单单元元过过程程库库功功能能模模块块库库收收敛敛方方法法库库经经济济评评价价库库输输出出文文件件生生成成系系统统图图1-1 稳态模拟系统的结构稳态模拟系统的结构1616调度系统的作用：调度系统的作用：单位制的匹配；单位制的匹配；热力学方法的调用；热力学方法的调用；物流和单元过程的动态组合；物流和单元过程的动态
12、组合；动态的组织流程、调用相关单元过程，指挥计算机按照动态的组织流程、调用相关单元过程，指挥计算机按照拓扑分析确定的流程顺序进行计算。拓扑分析确定的流程顺序进行计算。在给定的迭代次数内给出流程计算是否收敛的信息。在给定的迭代次数内给出流程计算是否收敛的信息。调度系统是调度系统是程序逻辑性、完善性、灵活性、使用性最重要程序逻辑性、完善性、灵活性、使用性最重要的体现，对其组织、编制和逻辑处理的技巧要求是最高的。的体现，对其组织、编制和逻辑处理的技巧要求是最高的。17171.5.2 模拟软件的基本输入数据模拟软件的基本输入数据五大输入部分五大输入部分除了模拟计算流程图外，还需用户输入五部分内容：除了
13、模拟计算流程图外，还需用户输入五部分内容：（1）计算总说明：输入计算的）计算总说明：输入计算的单位制（英制、公制和单位制（英制、公制和国际单位制三种单位）国际单位制三种单位）（2）组分数据：）组分数据：库组分，石油馏分，用户定义的组分。库组分，石油馏分，用户定义的组分。（3）热力学方法：）热力学方法：对准确性起决定性作用。对准确性起决定性作用。（4）物流数据：）物流数据：物流的温度、压力、流量和组成物流的温度、压力、流量和组成（5）单元过程数据：）单元过程数据：各个单元过程的工艺条件及可能有各个单元过程的工艺条件及可能有的约束条件。的约束条件。18181.6 课程内容及要求课程内容及要求1.6.1 课程内容课程内容第第2章章 化工过程模拟及相关高新技术化工过程模拟及相关高新技术第第3章章 石油馏分石油馏分第第4章章 热力学方法热力学方法第第5章章 化工单元过程计算化工单元过程计算第第6章章 蒸馏过程计算蒸馏过程计算19191.6.2 要求要求背景课程：化工原理、背景课程：化工原理、化工热力学、传递过程化工热力学、传递过程原理原理。 一门计算机高级语言。一门计算机高级语言。2020
