中国石油大学(北京)-研究生课程-化工系统工程-课件

第5章 序贯模块模拟法

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第5章 序贯模块模拟法

第一节 原理 第二节 循环回路的流股断裂 一、最优断裂准则 二、回路矩阵 三、Upadhye-Grens断裂法(II) 第三节 断裂流股变量收敛 一、收敛单元 二、常用迭代法 第四节 用序贯模块模拟法解决设计问题 第五节 序贯模块模拟法流程模拟实例

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第5章 序贯模块模拟法系统分解

大系统S13 A S1 B

子系统S4 S3 C S5

多个单元形成不可分割子系统 不可分割子系统, 可顺序求解S7 D S6 S8 E S9 F S10 S11 G S12

S2 H

I 按单元顺序处理—序贯模块法 单元、连接方程联立求解—面向方程法

H输入端单元 可直接求解

ABCDE有3条循环物流 必须联合处理

FG有1条循环物流 必须联合处理

I一个单元 可直接求解

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第5章 序贯模块模拟法

序贯模块法原理 S4’ d=0S1S2 MIX MIX 通用混合器子程序 Sub mix(F1,F2,P1) P1=F1+F2 End Sub

S4 RECY S2

S4’’ d=1S3 SPLT SPLT

为什么没有能 量平衡方程？ 这里只需考虑 总物料平衡

S3

通用分割器子程序 Sub SPLT(F1,P1,P2,ALFA) P1=F1*ALFA P2=F1*(1-ALFA) End Sub

计算步骤： 1)给定进料条件，S1=10;给定分割比，α=0.5 2)增加收敛单元 )调用MIX子程序 RECY 没法用，循环流股 ，可产生S4初值S4’ S4未知！ 3)调用MIX(S1,S4’,S2), 可由S1和S4’得到S2 4)调用SPLT(S2,S4’’,S3, α), 可由S2和α计算S4’’和S3 5)调用RECY,对比S4’’与S4’,若不等，则改S4’重算

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第5章 序贯模块模拟法

设S1=10kmol/h,分割比=0.5, 进行流程模拟计算 ① 设S4=0,进行MIX的模拟计算∶ S2=S1+S4=10+0=10 ② 进行分割器的模拟计算∶ S4’= S2=0.5 10=5 ③ 比较S4’与S4∶ ④ 现假设S4=10,由MIX模块计算得到∶ S2=S1+S4=10+10=20 ⑤ 进行分割器的模拟计算∶ S4’= S2=0.5 20=10 ⑥ 计算得S4’与假设S4的数值相等，假设正确。 ⑦ 由SPLT模块计算得S3=10。流程计算完成。

本例是通过人工干预很快给出合适的初值 编程计算必须通过迭代逐渐趋近准确解！

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第5章 序贯模块模拟法

序贯模块法模块的特点循环流股 迭代变量

α设计规定S4 迭代 RECY 收敛计算值

(设备参数)

S1 S1

初值

MIX M IX内部信息

S2流程

SPLT SPLT内部信息

S3结果

单向性

进料

–– 只能给定进料、设计规定、断裂流股初值计算得 到结果

收敛单元–– 含有循环流和/或设计规定，必须通过收敛单元迭代 FLSH

积木式结构

–– 变更组分、设备或流程结构时，只需改变相应的 物性、单元程序或流程结构

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第5章 序贯模块模拟法

例S1 MIX S2

S5 REC S3 FLSH S4

P , Q , (a) 反应系统原则流程 S5 IUPUT S1 MIX S2 CONV REC S3 S5' FLSH S4 OUTPUT

P, Q, (b) 反应系统迭代流程

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第5章 序贯模块模拟法

计算流程混合器 功能 反应器 功

能 MIX(FI1,FI2,FO) 由FI1,FI2,计算出输出流股FO的信息。 REC(FI, P,Q, ,FO) 由FI,反应器与外界交换的热量Q,由反应产 生的压降 P,及反应进行的程度 ,计算出出 口流FO的条件。 闪蒸器 FLSH(FI,Q,PV,FV,FL) 功能 由FI的信息，与外界交换的热量Q,闪蒸后的 压力PV,计算到闪蒸后汽液物流的信息。 收敛单元 CONV(FO,FI) 功能 比较初值 FO 与与由流程计算得到的新值 FI 是 否相等。若相等，则结束循环流股的计算；否 则，根据FI,产生新的FO。

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第5章 序贯模块模拟法

计算框图输入∶

开 始

①S1信息； ②反应器设备参数∶ P,Q1, ③闪蒸器指定参数∶PV,Q2给断裂流股S5赋初值

调用∶

MIX(S1,S5,S2) REC(S2, P,Q1, ,S3) FLSH(S3,Q2,PV,S4,S5' )

调用∶CONV

S5=S5 ? ' Y 结 束

N

构造新的 S5初值

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第5章 序贯模块模拟法

计算顺序IUPUT S1 MIX S2

S5 REC S3 FLSH S4 OUTPUT

P , Q,

切断S5, 给S5赋初值MIX REC FLSH RECY (迭代S5)

切断S2, 给S2赋初值REC FLSH MIX RECY (迭代S2)

切断S3, 给S3赋初值FLSH MIX REC RECY (迭代S3)

单元迭代计算的顺序完全相同，只是起点不同！ 单元与物流之间的调用关系相同，计算顺序相同！

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第5章 序贯模块模拟法

第一节 原理 第二节 循环回路的流股断裂 一、最优断裂准则 二、回路矩阵 三、Upadhye-Grens断裂法(II) 第三节 断裂流股变量收敛 一、收敛单元 二、常用迭代法 第四节 用序贯模块模拟法解决设计问题 第五节 序贯模块模拟法流程模拟实例

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第5章 序贯模块模拟法 循环回路的流股断裂

回路1A断裂方法1:切断循环流股 初值1

回路2B C D流程计算必须保证所有回路被切断！ 所有切断变量将迭代！ 迭代值1 迭代值2

初值2

A断裂方法2:最佳断裂

B

C

D

A

B

初值 迭代值

C

D

断裂结果：1)两股流股，2)一股流股

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第5章 序贯模块模拟法

第一节 原理 第二节 循环回路的流股断裂 一、最优断裂准则 二、回路矩阵 三、Upadhye-Grens断裂法(II) 第三节 断裂流股变量收敛 一、收敛单元 二、常用迭代法 第四节 用序贯模块模拟法解决设计问题 第五节 序贯模块模拟法流程模拟实例

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第5章 序贯模块模拟法

S6 (4)回路1

S4 (3)回路2

Ⅰ I

S5 回路3 (3)

S1 (2)

Ⅱ II

S2 (9)

Ⅲ

S3 (2)

Ⅳ

回路4

S7 (2)

流程有4股循环物流，至少有4个回路！ 所有回路被切断！ 切断变量将迭代！ 目标：最快收敛！ (迭代变量最少，收敛速度最快)

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第5章 序贯模块模拟法

计算时间影响因素： 断裂方式；流程及变量灵敏度 有效计算时间： 流程计算；断裂流股迭代 迭代时间：= n ti 迭代次数(n);单次迭

代时间(ti)

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第5章 序贯模块模拟法

最优断裂准则(1) (2) (3) (4) 被切断的流股数最少； 被切断的流股变量数最少； 被切断的流股的权重因子之和最少； 回路切断的总次数最少。

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第5章 序贯模块模拟法

统一数学表达式 mins.t .

xj j 1 n ij j j 1

n

j

a x

1

(i 1, , m, 代表回路；j 1, , n, 代表流股)

式中， j 权重因子； 0, 流股j未断裂 xj 1, 流股j被断裂； 0, 流股j不属于回路i aij 1, 流股j属于回路i。

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第5章 序贯模块模拟法

第一节 原理 第二节 循环回路的流股断裂 一、最优断裂准则 二、回路矩阵 三、Upadhye-Grens断裂法(II) 第三节 断裂流股变量收敛 一、收敛单元 二、常用迭代法 第四节 用序贯模块模拟法解决设计问题 第五节 序贯模块模拟法流程模拟实例

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第5章 序贯模块模拟法

回路矩阵 行——回路 列——构成回路的物流

矩阵元素aij定义为∶

1, 回路i包含流股j aij 0, 回路i与流股j无关。

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第5章 序贯模块模拟法S6 (4) S4 (3)

Ⅰ

S1 (2)

ⅡS5 (3)

S2 (9)

Ⅲ

S3 (2)

Ⅳ

S7 (2)

回路A: 单元Ⅱ S2 III S4 Ⅱ 回路B: 单元I S1 Ⅱ S2 III S5 I 回路C: 单元I S1 Ⅱ S2 III S3 Ⅳ S6 I 回路D: 单元Ⅱ S2 III S3 Ⅳ S7 ⅡS1 A B C D 1 1 S2 1 1 1 1 1 1 S3 S4 1 1 1 1 S5 S6 S7物流排除进料、 产品及不能构 成回路的物流

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第5章 序贯模块模拟法

第一节 原理 第二节 循环回路的流股断裂 一、最优断裂准则 二、回路矩阵 三、Upadhye-Grens断裂法(II) 第三节 断裂流股变量收敛 一、收敛单元 二、常用迭代法 第四节 用序贯模块模拟法解决设计问题 第五节 序贯模块模拟法流程模拟实例