第八章流程模拟软件简介及其应用.ppt

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第八章流程模拟软件简介及其应用8.1化工流程模拟8.2化工流程模拟软件简介8.3化工流程模拟软件在物料衡算与能量衡算中的应用授课教师简介授课教师简介授课教师简介p1991-20011991-2001，学士，硕士，博士生，学士，硕士，博士生华东理工大学，化学工程系，联合化学工程研究所，华东理工大学，化学工程系，联合化学工程研究所，国家重点反应过程实验室。

导师：

袁渭康院士国家重点反应过程实验室。

导师：

袁渭康院士授课教师简介授课教师简介p2001-2007，博士，美国弗吉尼亚理工大学，博士，美国弗吉尼亚理工大学（VirginiaPolytechnicInstituteandStateUniversity,VirginiaTech），化学工程系化学工程系（DepartmentofChemicalEngineering），大分子与界面科学学院大分子与界面科学学院（MacromoleculesandInterfaceInstitute,MII）授课教师简介授课教师简介导师：

导师：

ErdoganKiran教授教授（超临界流体杂志创立主编超临界流体杂志创立主编）授课教师简介授课教师简介p2008-2011，博士后，美国弗吉尼亚联邦大学，博士后，美国弗吉尼亚联邦大学（VirginiaCommonwealthUniversity），化学工程与生物科学工程系化学工程与生物科学工程系（DepartmentofChemical&LifeScienceEngineering），授课教师简介授课教师简介导师：

导师：

MarkAMcHugh教授教授授课教师简介授课教师简介-研究领域研究领域-1）聚合物材料微包裹（化肥、农药、基本麻醉药）聚合物材料微包裹（化肥、农药、基本麻醉药）NovelAccurateRescueStrategiesUsingNon-pulmonaryOxygenationPolymerMicroencapsulation-Solventextractionofsolid/oil/oilsuspensionSEMpictureofthepurePLGA（left）,PLGAmicrosphereswithureahydrogenperoxide（UHP）encapsulated（right）NovelAccurateRescueStrategiesUsingNon-pulmonaryOxygenationPolymerMicroencapsulationIn-VitroTestTheschematicdiagramofthesetupoftheIn-Vitrotest（left）andthereleasekineticsofthemicrospheres（right）.授课教师简介授课教师简介-研究领域研究领域-2）超临界流体中聚合物材料加工）超临界流体中聚合物材料加工q高压二氧化碳中的静电喷雾高压二氧化碳中的静电喷雾/纺丝过程纺丝过程Electrospinning&ElectrosprayinginCarbonDioxide-ExpandedAnti-SolventElectrosprayingCondition:

Distance=8.5cm,FlowRate=1ml/hr,Voltage=20kVStartingSolution:

1wt%PLGAsolutioninacetoneHexane,AmbientPressureCarbonDioxide,800psiCO2-ExpandedHexane400psiCO2-ExpandedHexane800psiCO2-ExpandedHexane1200psiq高压二氧化碳辅助高分子材料发泡技术高压二氧化碳辅助高分子材料发泡技术授课教师简介授课教师简介-研究领域研究领域-2）超临界流体中聚合物材料加工）超临界流体中聚合物材料加工授课教师简介授课教师简介-研究领域研究领域-3）高压流体性质）高压流体性质:

Viscosity:

Terminalvelocity:

SinkerDensity:

FluidDensityK=instrumentalconstant授课教师简介授课教师简介-研究领域研究领域-3）高压流体性质）高压流体性质授课教师简介授课教师简介v联系方式联系方式办公室：

升华楼办公室：

升华楼-311（308对面）对面）实验室：

升华楼实验室：

升华楼-524Email信箱信箱:

手机手机:

15855101259第八章流程模拟软件简介及其应用8.1化工流程模拟8.2化工流程模拟软件简介8.3化工流程模拟软件在物料衡算与能量衡算中的应用n化工设计在化学工程中的重要性l何为“化学工程”？

l化工设计&化工研究l化工设计的手段-流程模拟8.1化工流程模拟8.1.1化工流程模拟简介8.1.2化工流程模拟基础化工流程模拟技术是以工艺过程的机理模型为基础，采用数学方法来描述化工过程，通过应用计算机辅助计算手段，进行化工过程的物料衡算、能量衡算、设备尺寸估算和能量分析，作出环境和经济评价。

它是化学工程、化工热力学、系统工程、计算方法以及计算机应用技术的结合产物，是近几十年发展起来的一门新技术。

该技术主要通过化工流程模拟软件的使用来实现。

8.1.1化工流程模拟简介化工流程模拟简介n化工过程模拟化工过程模拟的基本方法：

的基本方法：

通过数学模拟方法分析通过数学模拟方法分析流程。

流程。

n化工过程模拟化工过程模拟的基本步骤：

的基本步骤：

建立化工系统的数学模建立化工系统的数学模型，通过对该数学模型的求解，以研究流程系统的整型，通过对该数学模型的求解，以研究流程系统的整体特性。

体特性。

n化工过程化工过程数学模型的构成：

数学模型的构成：

l系统数学模型系统数学模型u单元过程数学模型单元过程数学模型u系统结构数学模型系统结构数学模型l模型求解计算方法（算法）模型求解计算方法（算法）l物性数据库物性数据库8.1.2化工流程模拟基础化工流程模拟基础v数学模拟方法的优缺点数学模拟方法的优缺点q优点：

优点：

经济性经济性缩短研究周期缩短研究周期研究过程稳定性与灵敏度研究过程稳定性与灵敏度q缺点：

缺点：

数据依赖性数据依赖性解算手段的限制（解析解与数值解），（刚性微分方解算手段的限制（解析解与数值解），（刚性微分方程）程）应用范围的限制（假设前提）应用范围的限制（假设前提）q化工流程模拟与分析的主要用途化工流程模拟与分析的主要用途系统的挖潜改造系统的挖潜改造系统的最优操作系统的最优操作单元过程的最优设计单元过程的最优设计8.1.2化工流程模拟基础化工流程模拟基础流程模拟的一般步骤q流程模拟的主要内容流程模拟的主要内容物料衡算和能量衡物料衡算和能量衡算算单元设备尺寸和费单元设备尺寸和费用计算用计算系统的技术经济评系统的技术经济评价价8.1.2化工流程模拟基础化工流程模拟基础n机理模型，统计模型和混合模型机理模型，统计模型和混合模型1.机理模型：

机理模型：

描述过程的方程组，由过程机理出发，描述过程的方程组，由过程机理出发，经推导得到，并由实验验证。

经推导得到，并由实验验证。

v例例2-1：

流体在圆管中作层流流动时其压力：

流体在圆管中作层流流动时其压力p的变化：

的变化：

单元过程数学模型概述单元过程数学模型概述可由于测粘度（在低粘度条件下）可由于测粘度（在低粘度条件下）结果可外推结果可外推求解困难（由于复杂的边界条件）求解困难（由于复杂的边界条件）8.1.2化工流程模拟基础化工流程模拟基础2.统计模型：

统计模型：

由实验数据，通过数据回归分析得到由实验数据，通过数据回归分析得到的纯经验数学关系式。

的纯经验数学关系式。

v例例2-2：

湍流状态下流体的给热过程数学模型：

湍流状态下流体的给热过程数学模型：

此准数方程是根据实验数据，通过此准数方程是根据实验数据，通过因次分析因次分析得到；得到；无法外推。

无法外推。

单元过程数学模型概述单元过程数学模型概述8.1.2化工流程模拟基础化工流程模拟基础3.混合模型：

混合模型：

对实际过程进行抽象概括与合理化简对实际过程进行抽象概括与合理化简化，对简化的物理模型加以数学描述，得到的数学化，对简化的物理模型加以数学描述，得到的数学关系式。

关系式。

v例例2-3：

管式固定床反应器：

理想流动：

管式固定床反应器：

理想流动+扩散性的扩散性的轴向混合（回避复杂的解析解的边界条件）轴向混合（回避复杂的解析解的边界条件）通过对过程的通过对过程的简化简化绕过数学上的困难；绕过数学上的困难；物理上等效，数学上可解。

物理上等效，数学上可解。

单元过程数学模型概述单元过程数学模型概述8.1.2化工流程模拟基础化工流程模拟基础n模型的简化模型的简化（四个依据）（四个依据）1.简化而不失真简化而不失真l恰当的简化假定既可使复杂的过程简化，又反应了恰当的简化假定既可使复杂的过程简化，又反应了过程基本的数量关系；过程基本的数量关系；l只要求有限的意义和目的下与实际过程的等效性，只要求有限的意义和目的下与实际过程的等效性，部分范围和部分方面的等效性。

部分范围和部分方面的等效性。

2.简化而满足应用要求简化而满足应用要求l模型的繁简程度决定其精确度，要求怎样的精确度模型的繁简程度决定其精确度，要求怎样的精确度是由其应用的目的所决定的；是由其应用的目的所决定的；l不同的应用目的需要从不同的着眼点建立模型。

不同的应用目的需要从不同的着眼点建立模型。

单元过程数学模型概述单元过程数学模型概述8.1.2化工流程模拟基础化工流程模拟基础3.简化使之适应实验条件以便模型鉴别和参数估计简化使之适应实验条件以便模型鉴别和参数估计对于有效扩散系数对于有效扩散系数，若实验测定比较粗糙，则，若实验测定比较粗糙，则精细的模型也是没有意义的；精细的模型也是没有意义的；聚合反应动力学测定中，假定反应速率常数与聚合聚合反应动力学测定中，假定反应速率常数与聚合度无关。

该假定虽然粗略，却是与目前粗略的聚合度无关。

该假定虽然粗略，却是与目前粗略的聚合物相对分子质量分布测定技术相适应的。

物相对分子质量分布测定技术相适应的。

4.简化使之适应现有计算机的能力简化使之适应现有计算机的能力经典力学中关于质点的简化；经典力学中关于质点的简化；平衡级模型，理想流体模型，有效膜理论等。

平衡级模型，理想流体模型，有效膜理论等。

单元过程数学模型概述单元过程数学模型概述8.1.2化工流程模拟基础化工流程模拟基础n模型的建立和检验模型的建立和检验单元过程数学模型概述单元过程数学模型概述8.1.2化工流程模拟基础化工流程模拟基础n可供选择的数学模型分类：

可供选择的数学模型分类：

q集中参数模型集中参数模型&分布参数模型分布参数模型（从参数分布程度（从参数分布程度角度）角度）集中参数模型：

应变量不随空间坐标而变集中参数模型：

应变量不随空间坐标而变分布参数模型：

应变量随空间位置做连续的变分布参数模型：

应变量随空间位置做连续的变化化q定态模型定态模型&非定态模型非定态模型（从时间变量角度）（从时间变量角度）定态模型：

应变量与时间变量无关定态模型：

应变量与时间变量无关非定态模型：

应变量随时间变量而变化非定态模型：

应变量随时间变量而变化单元过程数学模型概述单元过程数学模型概述8.1.2化工流程模拟基础化工流程模拟基础q抽象到数学模型：

抽象到数学模型：

对于系统对于系统S，其状态可以用一个，其状态可以用一个n维向量维向量表示，表示，和和分分别为输入和输出。

别为输入和输出。

q数学模型的推演：

数学模型的推演：

从物料、能量、动量等衡算方程、从物料、能量、动量等衡算方程、化学平衡和相平衡方程，以及传递和反应等速率方程出化学平衡和相平衡方程，以及传递和反应等速率方程出发，基于宏观单元（集中参数）或基于微分单元（分布发，基于宏观单元（集中参数）或基于微分单元