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一 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 10n 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 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,商亚化软件广泛出窥于化工过程模拟中,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