对化学或生物化学过程进行仿真的系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及一种对至少包括由显式代数方程描述的第一操作的化学过程进行计算机仿真的系统，所述系统包括：用于接收第一显式代数方程的接收模块；处理模块，其被配置成将所述显式代数方程转换为代数/微分方程；以及求解模块，其被配置成求解所述代数/微分方程。其被配置成求解所述代数/微分方程。其被配置成求解所述代数/微分方程。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】对化学或生物化学过程进行仿真的系统和方法


[0001]本专利技术涉及过程工程中的建模和仿真领域。特别地，本专利技术涉及用于化学或生物化学过程的由计算机实现的仿真的仿真系统和仿真方法。

技术介绍

[0002]精细化工和生物
的制造公司经常需要基于非常有限的数据和信息对涉及多种操作和各种工厂和设备的生产过程进行估计或比较。在发展的早期阶段尤其由此。应当注意的是，在这些工业中，当设计生产过程时，经常发生的是成功地将目标分子投放到市场上的机会非常低，例如，由于诸如临床试验失败。因此，对于仅在有限时间内少量产生的许多分子，存在大量的技术和经济估计。
[0003]当制造商仅仅希望在不知道参与实施过程的机械和设备的内部状态的具体信息或细节的情况下获得化学或生物化学过程的快速仿真时，管理者和工程师通过依赖于经验知识或甚至仅仅是直觉来对各种不同操作进行性能估计。要知道的具体信息或细节的类型包括：从反应器输出的化合物A的含量为50％，该含量水平与关于反应器内部条件的具体信息项/细节无关，或者实际上在分离器中化合物A的回收率为95％，该含量水平与关于分离器内部条件的具体信息项或细节无关。这些预先建立的信息项或细节使得可以将输出量(也称为暂态的最终量；在下文中，术语“最终量”或“输出量”应可互换使用)与输入量(也称为暂态的初始量；在下文中，术语“初始量”或“输入量”应可互换使用)相关联。该方法不使用材料平衡或热平衡，因此不考虑设备的内部状态。因此不能预测动态。基于该过程的输入量的已知细节，因此对于各个操作，可以逐步地计算输出量。因此，通过使用简单的计算器，例如Excel电子表格，可以确定在过程结束时获得的输出量。
[0004]该方法具有计算简单、计算速度快等优点。
[0005]然而，它也存在很多缺点：
[0006]-可以设想到的可能情况的数目限于操作者的实验知识，因此不可能在过程之间进行优化和精细比较；
[0007]-当在处理过程中相继发生多个操作时，仿真变得特别复杂和不精确。这种复杂性在过程中的复合循环回路的情况下加剧；
[0008]-没有考虑暂态操作。该方法限于连续系统或不连续批量系统，这些系统不考虑暂态操作。然而，通常由精细化工或生物技术工业制造商生产的量不允许使用连续生产(例如，不同于石化工业)。
[0009]当制造商希望以较高的精度确定过程的最终量和性能细节时，有必要基于详细的建模方案，例如HoneywellAspenHYSYS，求助于已证实的过程工程方法。这些模型需要知道非常大量的物理化学参数，特别是热力学参数，这些参数使得能够作为内部条件的函数来仿真系统的行为和性能。这些模型考虑了材料和热平衡，并确定了设备内的内部状态变量的演变。虽然这种方法较为精确，但是精细化工或生物技术工业制造商很少使用它，因为它需要考虑大量的内部状态变量和使用对于非专家来说太复杂的极其先进的数
值方法。考虑到过程随后仅使用非常少的量的可能性，确定物理化学参数以及开发仿真工具所需的时间和资源的量被认为太大。
[0010]迄今存在的方法中没有一个是完全令人满意的。它们或者局限于特别简单的情况，或者过于复杂并且需要确定极其大量的参数。因此，需要一种用于化学或生物化学过程的由计算机实现的仿真的仿真系统和仿真方法，其使得可以在合理的时间段内仿真包括多个操作的复杂情况，同时还限制了执行仿真所需的物理-化学参数的数目。
[0011]本专利技术属于该构思。

技术实现思路

[0012]本专利技术实施方式提供了一种精细化工过程工程的工业工具。这些实施方式的功能性技术特征在于考虑随后在用于生产化学品或生物化学物的生产设施中实施这些过程的情况下，对过程进行仿真。
[0013]这些实施方式提供了用于以具体方式预测化学或生物化学过程的行为的手段，以执行一定数量的估计，特别是关于其工业可行性。因此，本专利技术的实施方式提供了用于以足够的精度并在合理的成本和时间范围内引导化学或生物化学过程的发展的手段，从而使得有可能估计其工业实施的成功机会，并且甚至在工厂的安装和该工厂的试运行之前确实进行该估计。
[0014]在纯粹的智能意义上实现生物化学或化学过程的仿真是不可能的。对工业需要进行仿真的情况尤其是如此。实际上，不可能进行必要的计算以达到足够精确和显著的结果，从而允许作出工业决定，例如安装化工厂。另外，在纯粹的智能意义上实现仿真将花费大量的时间，特别是对于建立或设置模型的参数而言。
[0015]然而，如果没有计算机辅助仿真，则不可能以可预测的方式进行测试，或者不可能有效地从所提议的化学或生物化学过程的多个项目中进行选择提供最佳性能的那些项目，并且不可能对于工业目的在合理的时间范围内这样做。
[0016]不存在可以用于以快速和彻底的方式预测精细化工过程的行为的纯粹的智能、数学甚至理论方法。
[0017]本专利技术的目的是通过提供一种可由不是仿真专家的人员可以使用的工具，使精细化工和生物技术工业能够使用相关的仿真器，这允许考虑提议的生产项目，尽管最初实际上没有已知的相关物理化学方面的细节。
[0018]该工具应当具有帮助用户识别待评估过程的敏感点或限制因素的能力，以确定要获取或使用的特定信息或细节以实现给定的目标，从而随着新的已知信息和数据变得可用而逐步改进这些预测。此外，这种工具还必须可靠，易于使用，并能提供有效地估计所研究过程的技术经济性能的精确性，这种精确性适合于所提出的问题，并能根据所计划的工业项目的需要和演变而演变。
[0019]为此，根据第一个方面，本专利技术涉及根据权利要求1所述的系统。
[0020]本专利技术使得可以获得代数微分方程，其解收敛于开始的显式代数方程。因此，有可能使用用于求解代数微分方程的技术来获得代数方程的解。因此然后可以在相同的给定仿真系统中使用这两种类型的建模，并根据用户对化学或生物化学过程的总体全局模型的一部分或另一部分所做的选择，从与这两种类型的方程相关的优点中获益。
[0021]根据本专利技术的系统能够仿真由显式代数方程或代数微分方程表示的操作。为了求解组合了两种类型的方程的系统，根据本专利技术的系统生成代数微分方程，所述代数微分方程以允许将方程合并为单个代数微分方程组的方式收敛于显式代数方程的解。
[0022]根据第二方面，本专利技术涉及根据权利要求4所述的仿真方法。
[0023]根据第三方面，本专利技术涉及一种包括指令的计算机程序产品，当计算机执行程序时，该指令导致计算机执行根据本专利技术第二方面的方法的步骤。
[0024]根据第四方面，本专利技术涉及一种非暂时信息存储介质，该非暂时信息存储介质是计算机可读的并且包括指令，当由计算机执行由计算机执行时，导致计算机执行根据本专利技术的第二方面的方法的步骤。
[0025]定义
[0026]术语“精细化工”或“特殊化工”在本文件中被理解为是指化学工业的分支，其以低生产量合成特定产品，但是具有高附加值，并且响应高的技术约束，例如涉及纯度。
[0027]术语“生物技术”应理解为是指本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种对至少包括第一化学或生物化学操作的化学或生物化学过程进行由计算机实现的仿真的系统(200)，所述系统包括：-求解模块(204)，其被配置成求解代数微分方程，-接收模块(201)，其被配置成接收第一显式代数方程，所述第一显式代数方程表示所述第一化学或生物化学操作并将表示所述第一操作的初始化学变量值的输入状态变量的第一矢量与表示所述第一操作的最终化学变量值的输出状态变量的第一矢量相关联；以及-处理模块(203)，其被配置成：
○
在第一代数微分方程中，所述第一代数微分方程使以下项相关联：
·
输入状态变量的所述第一矢量；和
·
所述第一操作的、作为方程的未知项的内部状态变量的第一矢量；
○
将根据所述第一显式代数方程的所述第一操作的输出状态变量的矢量的表达式作为所述第一操作的伪内部状态变量的矢量插入(306)到所述第一代数微分方程，由此获得的所述代数微分方程的稳态解因此收敛到根据所述第一显式代数方程的所述第一输出状态变量的矢量；
○
将由此获得的所述代数微分方程的时间常数设定为小于所述第一操作的特征时间；并且
○
针对由此获得的微分代数方程运行所述求解模块，以计算输出状态变量的所述第一矢量。2.根据权利要求1所述的系统(200)，所述系统还还包括选择模块(202)，所述选择模块被配置成选择仿真模式，并且其中，所述处理模块(203)被配置成根据所选择的模式执行所述插入。3.根据权利要求1或权利要求2所述的对化学或生物化学过程进行由计算机实现的仿真的系统(200)，所述化学过程还包括第二化学或生物化学操作，其中：-所述接收模块(201)附加地被配置成接收第二代数微分方程，所述第二代数微分方程表示所述第二化学或生物化学操作，并且使以下项相关联：
○
表示所述第二操作的初始化学变量值的输入状态变量的第二矢量；和
○
所述第二操作的、作为方程的未知项的内部状态变量的第二矢量；所述第二代数微分方程的稳态解收敛于表示所述第二操作的最终化学变量值的输出状态变量的第二矢量；-所述处理模块(203)附加地被配置成：
○
合并所述第一代数微分方程和所述第二代数微分方程，以及
○
针对由此获得的合并的所述第一代数微分方程和所述第二代数微分方程的组合运行所述求解模块(204)，以计算所述方...

【专利技术属性】
技术研发人员：RM，
申请(专利权)人：YF一公司，
类型：发明
国别省市：