关键词：
拓扑分解
过程模拟
组态工具
管网系统
复杂精馏过程
ABE分离
摘要：
以数学模拟为主要技术手段的系统分析已经成为研究化工生产过程的重要方法,在设计、优化、操作以及管理等方面发挥着重要的作用。随着化工技术的不断发展,各个尺度化工生产过程之间的耦合程度越来越高,导致描述化工生产过程的数学模型趋于复杂。目前,复杂化工过程的数学模拟在建模和求解方面均面临一定的困难。结构复杂性是化工过程数学模型复杂性的一个重要因素,所以针对复杂结构化工过程的数学模拟方法值得被进一步研究。本文针对复杂结构化工过程数学模拟中面临的若干问题,基于化工系统拓扑分解的相关理论,开发出一系列通用有效的复杂结构化工过程模拟方法和工具,并将其应用于相应的实际问题。具体内容包括如下几个部分:1.针对复杂流程系统建模繁琐且失误率高的问题,本文首先基于有向图的相关理论,开发了一款通用流程模拟系统组态工具。该组态工具具有可视化的绘图界面,自动将复杂化工过程结构模型的有向图形式转化为矩阵形式,实现了复杂流程系统图形化建模功能,提升了人工建模效率。同时,该组态工具灵活的节点和有向线配置功能也为各类流程模拟系统的开发奠定了基础。然后在通用流程模拟系统组态工具的基础上,本文提出了一种有向图类模拟系统的快速集成开发方法,并以通用化工稳态流程模拟系统为例,详细阐述了方法中参数配置、子系统设计和系统集成等具体过程。通过将本课题开发的通用化工稳态流程模拟系统与商业化的ASPEN Plus软件进行对比,展现了该方法的实用性和有效性。通用化工稳态流程模拟系统为有向图类模拟系统的开发提供了良好的范例,有一定的借鉴和指导意义。2.针对管网系统的结构和部分流体流动特征复杂性带来的模拟问题,本课题基于拓扑分解和双层法开发出一种通用管网系统模拟方法。首先,针对单个管道流动方程的复杂性,提出了一种双层法的管网系统模拟方法,通过引入管道流通能力常数获得内层简化模型,将复杂严格的单个管道流动方程作为外圈模型,通过内外圈交替迭代,减少复杂流动方程的调用次数,提高算法稳定性;然后针对结构复杂性问题,提出了一种基于五种基本拓扑结构的识别和简化方法,并理论上证明了通过该方法可以将实际过程中所有结构类型的管网系统逐步识别和简化成若干孤立管道,实现管网系统的自动系统分解;然后在识别和简化方法的基础上,开发出简化模型或者流通能力系统为常数的大型管网系统模拟方法,该方法按照识别和简化的过程和逆过程,顺序调用五种基本拓扑结构的简化和还原方程并迭代计算,完成整个管网系统数学模型的求解;最后,通过实例说明本章提出的模拟方法具有很好的收敛性和求解速度。3.针对复杂精馏过程模拟中面临的问题,本课题基于精馏过程内部的拓扑分解,建立了通用精馏过程动态模拟方法,并进一步开发出通用精馏过程动态模拟系统。首先,针对精馏过程复杂性主要来自于不同结构类型这一特点,提出了基于有向图的建模方法,并给出了精馏过程中若干单元模型。其中针对最重要的塔板单元模型,在充分考虑刚性和数值稳定性的前提下,退化刚性微分方程组建立塔板压力计算代数方程,利用“预测-校正”策略建立汽液相间组分传递方程,得到了塔板模型的微分代数混合方程组,并给出求解过程;然后在单元过程模型求解的基础上,基于序贯模块法,给出了适定性强和适用范围广的全局求解策略;最后根据动态模拟方法建立了通用精馏过程动态模拟系统,并将其应用于实际问题,验证本章提出的方法在数值稳定和求解速度方面具有良好特性。4.以流程模拟为主要技术手段,对生物丁醇精馏工艺进行设计、优化和操作等方面进行研究。首先,根据初始分离工艺,找出可优化的问题:乙醇在系统内富集和能量利用率低;然后,通过优化流程结构,解决乙醇在系统内富集的问题,通过变压和构造多间壁间壁塔实现热耦合,提高系统内部能量利用率;根据稳态流程模拟结果和技术经济模型,流程结构优化后工艺整体能耗从12.17MJ/kg降低到10.12MJ/kg,通过变压实现热耦合后工艺能耗降低到5.30MJ/kg,通过构造多间壁间壁塔实现热耦合后工艺能耗降低到6.12MJ/kg,技术经济计算和对比显示多间壁间壁塔工艺具有最低的生产成本。最后,针对经济性最好的多间壁间壁塔工艺,利用第四章研究的通用精馏过程动态模拟技术,对其开车过程进行研究,结果显示该工艺在实际操作上具有可行性。
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