化工过程数值模拟软件介绍 第一章绪论
化工过程数值模拟软件介绍 第一章 绪论
第一节化工模拟 化学工程的研究对象通常是非常复杂的,主 要表现在:①过程本身的复杂性:既有化学的, 又有物理的,并且两者时常同时发生,相互影响 ②物系的复杂性:既有流体(气体和液体),又 有固体,时常多相共存。流体性质可有大幅度变 化,如低粘度和高粘度、牛顿型和非牛顿型等。 有时,在过程进行中有物性显著改变,如聚合过 程中反应物系从低粘度向高粘度的转变。③物系 流动时边界的复杂性:由于设备(如塔板、搅拌 桨、档板等)的几何形状是多变的,填充物(如 催化剂、填料等)的外形也是多变的,使流动边 界复杂且难以确定和描述
第一节 化工模拟 化学工程的研究对象通常是非常复杂的，主 要表现在：①过程本身的复杂性：既有化学的， 又有物理的，并且两者时常同时发生 , 相互影响。 ②物系的复杂性 : 既有流体（气体和液体），又 有固体，时常多相共存。流体性质可有大幅度变 化，如低粘度和高粘度、牛顿型和非牛顿型等。 有时，在过程进行中有物性显著改变，如聚合过 程中反应物系从低粘度向高粘度的转变。③物系 流动时边界的复杂性：由于设备（如塔板、搅拌 桨、档板等）的几何形状是多变的，填充物（如 催化剂、填料等）的外形也是多变的，使流动边 界复杂且难以确定和描述
第一节化工模拟 由于化学工程对象的这些特点,使得解析方法在化学工程研究中往往失 效。也从而形成了自己的研究方法(化学工程研究方法),其中有些方法并 非首创,而由别的领域移植而来。化学工程初期的主要方法是经验放大,通 过多层次的、逐级扩大的试验,探索放大的规律。这种经验方法耗资大、费 时长、效果差,人们一直努力试图摆脱这种处境。但是时至今日,对于一些 特别复杂,人们迄今尚知之甚少的过程,还不得不求助于或部分求助于此法 到20世纪初,相当盛行的是相似论和因次分析,其特点是将影响过程的众多 变量通过相似变换或因次分析归纳成为数较少的无因次数(无量纲)群形式, 然后设计模型试验,求得这些数群的关系。用这两种方法归纳实验结果,甚 为有效。而对于反应过程,逐级的经验方法沿用了很长时间。由于不可能在 满足几何相似和物理量相似的同时满足化学相似条件,用无因次数群关联实 验结果以获得反应过程规律的思路归于无效。直至50年代,才在化学反应工 程领域中广泛应用数学模型方法。这一方法的影响波及到化学工程的其他分 支,使研究方法出现了一个革新。在上述方法的应用中,多方面体现了过程 分解(将一个复杂过程分解为两个或几个较简单过程),过程简化(较复杂 过程忽略次要因素而以较简单过程简化处理)和过程综合(在分别处理分解 了的过程后,再将这些过程综合为一)的思想
第一节 化工模拟 由于化学工程对象的这些特点，使得解析方法在化学工程研究中往往失 效。也从而形成了自己的研究方法（化学工程研究方法），其中有些方法并 非首创，而由别的领域移植而来。化学工程初期的主要方法是经验放大，通 过多层次的、逐级扩大的试验，探索放大的规律。这种经验方法耗资大、费 时长、效果差，人们一直努力试图摆脱这种处境。但是时至今日，对于一些 特别复杂，人们迄今尚知之甚少的过程，还不得不求助于或部分求助于此法。 到20 世纪初，相当盛行的是相似论和因次分析，其特点是将影响过程的众多 变量通过相似变换或因次分析归纳成为数较少的无因次数（无量纲）群形式， 然后设计模型试验，求得这些数群的关系。用这两种方法归纳实验结果，甚 为有效。 而对于反应过程，逐级的经验方法沿用了很长时间。由于不可能在 满足几何相似和物理量相似的同时满足化学相似条件，用无因次数群关联实 验结果以获得反应过程规律的思路归于无效。直至50年代，才在化学反应工 程领域中广泛应用数学模型方法。这一方法的影响波及到化学工程的其他分 支，使研究方法出现了一个革新。在上述方法的应用中，多方面体现了过程 分解（将一个复杂过程分解为两个或几个较简单过程），过程简化（较复杂 过程忽略次要因素而以较简单过程简化处理）和过程综合（在分别处理分解 了的过程后，再将这些过程综合为一）的思想
第一节化工模拟 对化工过程模拟而言,有不同层次的过程模拟 个工厂的流程模拟的对象在十几米甚至上百米 的规模范围,而其单元过程子系统则为几厘米至 几米大小。进一步深入模拟每个单元过程设备的 内部传递过程和反应过程,则模拟对象小到毫米 亚微米级。而在计算分子物性或研制新的药品时, 要模拟分子的性能,模拟的对象甚至小到纳米级 典型的化工模拟的层次如图1所示 模拟对象规模10m m 10-m 10%m 102n 模拟层次 传递过程及单元操作及 分子模拟反应动力学模拟反应器模拟 流程模拟 图1-1化工过程模拟层次
第一节 化工模拟 对化工过程模拟而言，有不同层次的过程模拟， 一个工厂的流程模拟的对象在十几米甚至上百米 的规模范围，而其单元过程子系统则为几厘米至 几米大小。进一步深入模拟每个单元过程设备的 内部传递过程和反应过程，则模拟对象小到毫米 亚微米级。而在计算分子物性或研制新的药品时， 要模拟分子的性能，模拟的对象甚至小到纳米级。 典型的化工模拟的层次如图1所示。 10-10 m 100 10 m -3 10 m -7 m 102 m 分子模拟 传递过程及 反应动力学模拟 单元操作及 反应器模拟 流程模拟 模拟对象规模 模 拟 层 次 图1-1 化工过程模拟层次
第二节流程模拟 化工过程模拟或流程模拟是根据化工过程的数据,诸如物料的压 力、温度、流 组成和有关的工艺操作条件 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,采用适当的模 拟软件,将一个由许多个单元过程组成的化工流程用数学模型描述, 用计算机模拟实际的生产过程,并在计算机上通过改变各种有效条件 得到所需要的结果。其中包括人们最为关心的原材料消耗、公用工程 消耗和产品、副产品的产量和质量等重要数据。简言之,化工过程模 拟就是在计算机上“再现”实际的生产过程。由于这一“再现”过程 并不涉及到实际装置的任何管线、设备以及能源的变动,因而给了化 工模拟人员最大的自由度,可以在计算机上“为所欲为”地进行不同 方案和工艺条件的探讨、分析。这一方法是计算机技术在化工方面的 最重要的应用 流程规模系统的迅速与准确不仅可节省时间,也 可节省大量资金和操作费用,提髙产品质量和产量,降低消耗。流程 模拟系统还可对经济效益、过程优化、环境评价进行全面地分析和精 确评估。并可对化工过程的规划、研究和开发及技术可靠性作出分析 同时流程模拟系统的快速准确对多种流程方案的分析和对比提供了保 证。随着计算机技术的发展及应用软件技术的开发,化工过程模拟技 术日趋成熟和实用,商业化软件广泛出现于化工过程模拟中,箕主要 的代表有 ASPEN PLUS系统和PRO/E系统
第二节 流程模拟 化工过程模拟或流程模拟是根据化工过程的数据，诸如物料的压 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 以及一定的设备参数，如蒸馏塔的板数、进料位置等，采用适当的模 拟软件，将一个由许多个单元过程组成的化工流程用数学模型描述， 用计算机模拟实际的生产过程，并在计算机上通过改变各种有效条件 得到所需要的结果。其中包括人们最为关心的原材料消耗、公用工程 消耗和产品、副产品的产量和质量等重要数据。简言之，化工过程模 拟就是在计算机上“再现”实际的生产过程。由于这一“再现”过程 并不涉及到实际装置的任何管线、设备以及能源的变动，因而给了化 工模拟人员最大的自由度，可以在计算机上“为所欲为”地进行不同 方案和工艺条件的探讨、分析。这一方法是计算机技术在化工方面的 最重要的应用之一。流程规模系统的迅速与准确不仅可节省时间，也 可节省大量资金和操作费用，提高产品质量和产量，降低消耗。流程 模拟系统还可对经济效益、过程优化、环境评价进行全面地分析和精 确评估。并可对化工过程的规划、研究和开发及技术可靠性作出分析。 同时流程模拟系统的快速准确对多种流程方案的分析和对比提供了保 证。随着计算机技术的发展及应用软件技术的开发，化工过程模拟技 术日趋成熟和实用，商业化软件广泛出现于化工过程模拟中，其主要 的代表有ASPEN PLUS系统和PRO／E系统
第三节单元模拟 过程工业的处理过程是以质量、动量和能量的连续流 动为特征。传统手段对这一过程的处理在很大程度上是依 靠经验以及一些宏观参数表达的经验关系式。现代过程工 业普遍使用的流程模拟技术尽管更系统化和普遍地描述这 过程,使工艺工程师更深入地了解工艺链中的关联关系, 但在流程模拟技术中,绝大部分单元过程仍被处理为“黑 箱”模型。对流动、传质、热、反应比较敏感的单元过程 的设计、放大,需要了解有关质量、动量、能量流更多微 观和深入的信息,单元模拟技术即为了解决这一问题而 生
第三节 单元模拟 过程工业的处理过程是以质量、动量和能量的连续流 动为特征。传统手段对这一过程的处理在很大程度上是依 靠经验以及一些宏观参数表达的经验关系式。现代过程工 业普遍使用的流程模拟技术尽管更系统化和普遍地描述这 一过程，使工艺工程师更深入地了解工艺链中的关联关系， 但在流程模拟技术中，绝大部分单元过程仍被处理为“黑 箱”模型。对流动、传质、热、反应比较敏感的单元过程 的设计、放大，需要了解有关质量、动量、能量流更多微 观和深入的信息，单元模拟技术即为了解决这一问题而产 生
第三节单元模拟 在单元模拟中,用N-S方程这个高度复杂的非线性偏 微分方程组来描述质量、动量、能量之间的关系。为求解 该方程组,采用离散原理,将单元设备划分为许多微元 并在微元上用代数方程近似偏微分方程,然后联立求解所 有微元代数方程以及边界方程,得到各个微元上的参数, 如速度、温度、压力、浓度等。当划分的微元无限小时, 计算结果也就无限逼近实际问题的解 在实际过程中,单元内部的介质基本是多组分或多相 的,传质、传热、反应过程相互耦合。为模拟这些复杂过 程,岢以对芥庋的每一相或每一组分分别求解Ns方程, 各相或各组分通过各组N-S方程之间质量、力、热量的相 互传递相互影响。例如化学反应,反应物质量方程的一个 消失对应着生成物质量方程中的一个生成量,反应热对 应着能量方程中的一个生成或消失量。同样,单元模拟技 术通过离散方法求解这一耦合体系,以获得空间和时间的 速度分布、温度分布、压力分布、浓度分布、相分数分布
第三节 单元模拟 在单元模拟中，用N-S方程这个高度复杂的非线性偏 微分方程组来描述质量、动量、能量之间的关系。为求解 该方程组，采用离散原理，将单元设备划分为许多微元， 并在微元上用代数方程近似偏微分方程，然后联立求解所 有微元代数方程以及边界方程，得到各个微元上的参数， 如速度、温度、压力、浓度等。当划分的微元无限小时， 计算结果也就无限逼近实际问题的解。 在实际过程中，单元内部的介质基本是多组分或多相 的，传质、传热、反应过程相互耦合。为模拟这些复杂过 程，可以对介质的每一相或每一组分分别求解N-S方程， 各相或各组分通过各组N-S方程之间质量、力、热量的相 互传递相互影响。例如化学反应，反应物质量方程的一个 消失量对应着生成物质量方程中的一个生成量，反应热对 应着能量方程中的一个生成或消失量。同样，单元模拟技 术通过离散方法求解这一耦合体系，以获得空间和时间的 速度分布、温度分布、压力分布、浓度分布、相分数分布 等
第三节单元模拟 单元模拟主要有以下四方面的应用: 程放大:由于单元模拟技术采用机理性模型,原则上不限 例如经过小试后直接进行工业装置放大验证。单元模拟技术作 为一种 放奇改天量节省资金和时间,而且自子掌大量数据 2.技术创新,优化设计:在传统开发环境中,大量的创新思路 或创新设想无法惑难以验正:耍在单π模撂技术辅助的开发环境中 的重复成本,单元模拟技术使包含大量设计循环的优化设计成为可 3.诊断及扩能改造:通过单元模拟技术不仅可获得对过程机理 县可判断过程的障原因、关键部分以及扩能潜力, 迸一步可验证各种改造和护能方案的效能 4.生产调优以及控制:用单元模拟技术建立核心装置仿真模型 能验证或用于控制系统数据来集,可有效降低运行风险
第三节 单元模拟 单元模拟主要有以下四方面的应用： 1．工程放大：由于单元模拟技术采用机理性模型，原则上不限 制结构形式、结构尺寸、工艺参数、操作参数，因此通过单元模拟技 术可以跳过“实验室→小试→中试→工业”传统放大过程的某些环节， 例如经过小试后直接进行工业装置放大验证。单元模拟技术作为一种 工程放大手段，可以大量节省资金和时间，而且由于掌握大量数据， 放大的可靠性也较高。 2．技术创新，优化设计：在传统开发环境中，大量的创新思路 或创新设想无法或难以验证，而在单元模拟技术辅助的开发环境中， 新设想的验证变得容易，因此有助于进行技术创新，此外，由于极低 的重复成本，单元模拟技术使包含大量设计循环的优化设计成为可能。 3．诊断及扩能改造：通过单元模拟技术不仅可获得对过程机理 的深入理解，而且可判断过程的故障原因、关键部分以及扩能潜力， 进一步可验证各种改造和扩能方案的效能。 4．生产调优以及控制：用单元模拟技术建立核心装置仿真模型， 用于操作调优验证或用于控制系统数据采集，可有效降低运行风险， 提高装置效能
第四节单元模拟与流程模拟的关系 单元模拟和流程模拟两者既有不同,又是相互联系的。两者的不 同主要表现在 1)流程模拟的处理对象是全工艺流程,本质上计算系统各单元 过程之间的相互影响关系,其结果主要用于流程参数调优,提高生产 效率。单元模拟的对象是单 本质上是计算单元过程的内部状 其结果主要有助于理解过程机理,设备调优以及故障诊断 (2)流程模拟本质上是半经验性的,因此需要一个具有各种单元 过程模型的数据库,所能处理的单元过程类型以及工艺参数范围仅限 于数据库中的已有数据,对于新型过程,或超出正常操作范围的工艺 参数,流程模拟不能通过自身解决。单元模拟是机理性的,原则上 限制单元过程的类型,也不限制 参数的范围,因此可以用于研究 新型单元过蓕,以岌异常工、操作参数的影响。 (3)流程模拟基本上是一维模拟,可以得到参数沿流程的变化, 但不能获得参数的空间分布。单元模拟是三维动态模拟,不仅获得诸 如速度、温度、压力、浓度在三维空间的分布,而且可获知这些参数 的动态变化过程
第四节 单元模拟与流程模拟的关系 单元模拟和流程模拟两者既有不同，又是相互联系的。两者的不 同主要表现在： （1）流程模拟的处理对象是全工艺流程，本质上计算系统各单元 过程之间的相互影响关系，其结果主要用于流程参数调优，提高生产 效率。单元模拟的对象是单元过程，本质上是计算单元过程的内部状 态，其结果主要有助于理解过程机理，设备调优以及故障诊断。 （2）流程模拟本质上是半经验性的，因此需要一个具有各种单元 过程模型的数据库，所能处理的单元过程类型以及工艺参数范围仅限 于数据库中的已有数据，对于新型过程，或超出正常操作范围的工艺 参数，流程模拟不能通过自身解决。单元模拟是机理性的，原则上不 限制单元过程的类型，也不限制工艺参数的范围，因此可以用于研究 新型单元过程，以及异常工艺、操作参数的影响。 （3）流程模拟基本上是一维模拟，可以得到参数沿流程的变化， 但不能获得参数的空间分布。单元模拟是三维动态模拟，不仅获得诸 如速度、温度、压力、浓度在三维空间的分布，而且可获知这些参数 的动态变化过程
第四节单元模拟与流程模拟的关系 在实际工业应用中,流程模拟和单元模拟是 互补的。通过流程模拟得到的工艺参数可以作为 单元模拟的输入参数或边界条件。通过单元模拟 检验单元过程的状态,反过来可以用于修正流程 模拟的参数。对于流程模拟不能处理的新型单元 过程或超常工艺、操作参薮,通过单元模拟检验 或建模后可以扩充流程模拟的数据库。用流程模 拟优化全流程参数以及确定全流程关键单元过程 后,可用单元模拟对关键单元过程进一步优化。 用流程模拟诊断系统故障部位后,可用单元模拟 详细分析故障机理以及确定改造方案。因此,单 元模拟与流程模拟是互补的两种基本工程手段, 只是单元模拟实际工业应用的时间晚于流程模拟
第四节 单元模拟与流程模拟的关系 在实际工业应用中，流程模拟和单元模拟是 互补的。通过流程模拟得到的工艺参数可以作为 单元模拟的输入参数或边界条件。通过单元模拟 检验单元过程的状态，反过来可以用于修正流程 模拟的参数。对于流程模拟不能处理的新型单元 过程或超常工艺、操作参数，通过单元模拟检验 或建模后可以扩充流程模拟的数据库。用流程模 拟优化全流程参数以及确定全流程关键单元过程 后，可用单元模拟对关键单元过程进一步优化。 用流程模拟诊断系统故障部位后，可用单元模拟 详细分析故障机理以及确定改造方案。因此，单 元模拟与流程模拟是互补的两种基本工程手段， 只是单元模拟实际工业应用的时间晚于流程模拟