化工过程系统工程概论

2.2 化工 过程系统 综合
多目标最优组合问题，是化工过程系统工程学科的核心内容。 指：按照规定的系统特性，寻求所需的系统结构及其各子系 统的性能，并使系统按规定的目标进行最优组合。 研究的主要课题有： （1）反应路径的综合； （2）换热器网络的综合； （3）分离序列的综合； （4）反应器网络的综合； （5）全流程的综合； （6）公用工程系统的综合； （7）全过程系统能量优化综合。
各
模
程序编制，上机调试
环 节
拟
计算结果分析
与
分
与实际数据不符 模型检验
析
符合
步
确定模型
骤
模拟分析
考虑模拟对象所要求的特性与时间的关系
过程模拟
稳态模拟 动态模拟
化工过程系统工程
化工过程系统 模拟与分析
在化工过程系统工程中，化工过程系统模拟与分析是基础，而且 实用化程度最高，无论从学科发展还是从对国民经济发展的作用 角度上看，该专题都占有中心地位。
01
设计Hale Waihona Puke 02生产03
扩产改造
化工过程系统工程的主要任务是CAD， 即计算机辅助设计（Computer Aided Design），仍以化工过程系统 模拟为基础。
化工过程设计就是如何找到一个理想的 过程以满足给定的生产要求，长期以来 是凭工程师的经验完成的，而 “过程综 合”则将化工流程设计由经验上升到科 学，即用计算机实现最优化设计。
后来又发展成为试图包括一般系统论、控制论、自动机理论、信 息论、集合论、图论、网络理论、系统数学、对策论、判定论、 计算数学、模拟……的理论和方法，统称为系统论。
它活跃于国际学术界，已成为科学哲学流派之一。
系统工程对系统整体的协调与优化过程可用图表示。
系统工程与其它工程学不同，不限于某个领域，不限 于物质系统，被认为是一种“软科学”。 作为一门工程技术，是在运筹学、控制论、计算机技术、 工程设计、管理科学等学科的基础上发展起来的。
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（1）稳态过程系统模拟 稳态模拟是化工过程流程模拟研究中开发最早、应用最普遍的重要
技术，包括物料与能量衡算、设备尺寸与费用计算、过程的技术经 济评价等。 稳态流程模拟系统分为专用系统和通用系统两大类。专用流程模拟 系统是针对某一具体过程开发的，模拟计算效率高，结果准确。通 用流程模拟系统具有柔性结构，可用于各种工艺过程。 一般商品化的流程模拟系统由以下几部分组成：输入、输出系统； 单元操作模块库；物性数据库；数值解算模块库；执行系统。 目前，国际上最有名的通用流程模拟软件是麻省理工学院 (Massachusetts Institute of Technology)开发的ASPEN软 件:Advanced System for Process Engineering 国内模拟软件：青岛化工学院的ECSS（重点是分离过程）；兰州石 化研究院、大连理工大学、华东理工大学联合研制的合成氨流程专 用模拟系统：Micro SAPROSS
投产之前研制模拟培训系统，对操 作人员进行培训。投产之后对已有 的化工系统进行模拟与分析，找到 适宜的操作条件，与集散控制系统 结合起来，指导生产操作。
对现有装置进行模拟与分析，寻找 薄弱环节，提出改造方案。
2.1 化工过程系统模拟与分析
❖ 一般含义上的模拟：借助于一个系统或过程的性能， 对另一个系统或过程的性能作出模仿性的演示。
的限制，一直没有受到应有的重视。直到廿世纪40年代美国才开始在工程设计中 应用“系统”这一概念，到了50年代以后“系统”这一概念逐步明确化、具体化， 并在工程技术系统的研究和管理中广泛应用。
传统的分析方法：往往把一个事物分解成许多独立的 部分，把问题分得很细，然后分别进行深入研究。由 于这样的研究方法往往容易把事物看成是孤立的、静 止的，因此得出的结论往往被限制在一个局部的条件 下，如果扩大到更大的范围来考察，那么整体的结论 就可能是片面的、甚至是错误的。
的需要有机地联系起来，把生产、科研、经济活动等有效地组织起来。 用数学方法和计算机等工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换、反馈控
制等功能进行分析、设计、制造和服务。 从而达到最优设计、控制、管理，使局部和整体之间的关系协调配合，以实现系
统的综合最优化。
2 化工过程系统工程
化学工程学的一个分支，是将系统工程学的理论和方法应用于化工过程领域的一门新兴 的边缘学科。
数学模型的基本类型
(1) 按数学模型的建立方法分 类
理论模型 经验模型
数
稳态模型 (2) 按对象的时态本质分类
学
动态模型
模
集中参数模型
型
(3) 按过程对象的数学描述方法分类 分布参数模型
(4) 按过程对象的属性分类
确定性模型 随机性模型 模糊性模型
化工模拟系统
用于化工过程系统模拟 与分析的应用软件称为 化工模拟系统，它是过 程综合的重要手段，也 是过程综合的基础。
电子计算机
分析 设计 制造 服务
最优设计 控制 管理
生产 科研 经济活动
构 功能 成
系
统
系统思想、理论、 方法、策略、手段
构成要素 组织结构 信息交换 反馈控制 局部利益 整体利益
系统综合 最优化 协调 配合
系统整体的协调与优化过程
“系统工程”
——工程学的方法论，以研究大系统为对象的一门边缘学科。 将自然科学和社会科学中的某些思想、理论、方法、策略和手段等根据总体协调
❖ 物理模拟：用试验水槽里的船舶模型来研究船舶的性能； 用风洞中的飞机模型来研究飞机的性能。
❖ 数学模拟：把要加以研究讨论的系统或过程的性能用一 个数学模型（数学方程组）描述出来，之后采取某种解 算手段去对数学模型进行求解，从而达到研究的目的。
❖化工过程系统模拟与分析： 建立化工过程系统的数学模型或描述模型并在计算机上 加以体现、试验和分析。
计提供了基础； 等等。
将系统工程的思想和方法应用于化工过程，即 称为化工过程系统工程。
化工过程系统模拟与分析是化工过程系统工程 的重要组成部分，是其研究的基础与主要内容。
1 系统与系统工程
一． 系统”这一概念的来源？ 二． 传统的分析方法与系统工程学的分析方法的区别？ 三． “系统工程”的对象是什么？ 四． 系统工程对系统整体的协调与优化过程是一个怎样的过程？ 五． 正像科学与其它领域中的每一个新的观念一样，系统的概念也有一段漫长的历史。 六． “系统”概念，来源于人类的长期社会实践，但由于受到早年科学技术发展水平
所涉及的学科有：化学工程、系统工程、运筹学、控制论、计算机科学、计算数学、人 工智能等。
基本内容: 是从化工系统的整体目标出发，根据系统内部各个组成部分的特性及其相互 关系，确定化工系统在规划、设计、控制和管理等方面的最优策略。
包括: 过程系统模拟与分析、过程系统综合、过程系统控制与操作、过程系统的设计与 优化和人工智能技术在化工过程中的应用等。
系统工程学：把所研究的对象当作一个整体来研究，也即把 一个研究的对象看作一个系统，从系统整体出发去研究系统 内部各组成之间的有机联系和系统外部环境的相互关系。 ——综合研究的方法，即是系统工程研究方法。
一般系统论：美籍奥地利生物学家贝塔朗菲）创立的一门逻辑和 数学领域的科学，它的主要目的是企图确立适用于系统的一般原 则。它运用完整性、集中化、等级结构、终极性、逻辑同构等概 念，找出适用于一切综合系统或子系统的模式、原则和规律。
计算机模拟 二次世界大 战期间 分子动力学 模拟
数学模型
数学模型或描述模型是指借助有关概念、变量、规则、逻辑关系、数学表达式、图形和 表格等对系统的一般描述。 把这种模型转换成计算机上可执行的程序，并给出系统参数、初始状态和环境条件等输 入数据后，便在计算机上进行运算，得出结果，并提供各种直观形式的输出，还可根据 对结果的分析改变有关参数或系统模型的部分结构，重新进行运算，了解在各种不同条 件下系统的行为和性能。 具体地说，是将系统逐级分解成一系列子系统，根据系统分解原理确定系统的解算方法 及解算顺序；建立单元数学模型，进行系统的稳态模拟计算，乃至动态特性分析；计算 系统的可靠性与灵敏度，进行设备设计及成本核算等。
化工过程系统工程的产生和发展
廿世纪60年代是化工过程系统工程产生和发展的理论准备时期，代表性的研 究者有美国的Rudd和Watson（1968），Himmelblau和Bischoff （1968），日本的矢木荣和西村肇（1969），苏联的Кафаров（1971） 等，他们的论著阐述了化工过程系统工程的研究方法和内容。 廿世纪70年代是化工过程系统工程走上实用的时期。随着计算机应用的普及， 采用化工过程系统工程方法，陆续研制出有效的工业用化工流程通用模拟系 统，并对过程生产实现计算机控制，取得显著经济效益。 廿世纪80年代是化工过程系统工程普及推广的时代，不仅在化工、石油、石 油化工、核工业和能源工业中获得广泛应用，而且向冶金、轻工、食品等连 续加工过程工业部门推广，有力地促进了这些部门生产技术的飞速发展，相 应地，化工过程系统工程学科在理论、方法和内容方面也在不断完善和发展， 自1982年起每隔三年一届的国际化工过程系统工程会议就是这一进步的标志 之一。 我国从廿世纪70年代开始介绍这门新学科。廿世纪80年代开始这一学科发展 很快。
（2）动态过程系统模拟 比稳态过程系统模拟晚10年左右。 ① 了解装置经受动态负荷变化的能力及可操作性； ② 分析开、停车及外部干扰作用下的动态性能，为装置及其控制系统的 设计提供依据； ③ 通过仿真计算，在多种控制方案中进行优选； ④ 用动态模型代替实际装置对操作作出动态响应，开发达到训练目的的 操作人员培训器； ⑤ 用计算机动态模拟手段代替教学实验设备，培养学生实验研究能力。
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题内容
化工过程系统工程产生的必要性：生产 的发展
化工过程系统工程产生的可能性：临近学科的发展 化学工程：对过程的机理了解比较清楚； 计算数学：复杂问题在计算机上顺利求解； 运筹学及后来的系统工程学科：分析大规模系统的手段； 控制论学科：从过程控制的角度，运用系统工程方法来研
究整体控制性能； 计算机技术：为化工过程分析和顺利而高效地进行过程设
化工过程系统工程概论
1 系统与系统工程 2 化工过程系统工程 3 数学模拟的优点与限制 4 流程结构的图形表示 5 流程结构的矩阵表示 6 流程模拟系统
引言：化工生产认识上的三次飞跃
第一次飞跃:廿世纪20年代，从各种各样化工生产工艺中找出了组成它 们的共同的基本单元，抽象出“单元操作”的概念，从而奠定了化学 工程的基础； 第二次飞跃:廿世纪50年代，从“单元操作”中又进一步归纳出其中共 同的基本规律，进而提出了“传递过程”的概念； 第三次飞跃:廿世纪50年代以后，是将各种单元操作所组成的化工系统 作为一个整体进行研究。
新产品、新过程的开发加快与工业放大 技术落后之间的矛盾尖锐化，要求将过 去的相似模拟（如实验室的试验）、逐 级放大的方法改为通过数学模拟来指导 放大与设计，以加快放大与设计的整个 过程，缩短开发周期； 现代工业的综合化发展，使流程结构日 益复杂，在这种综合企业的合理设计时， 就不能把单个装置孤立起来，而必须要 整个地作为一个系统来进行研究，分析 其整体特性；装置规模的日益大型化对 设计提出了更高的要求，即要求做到大 型系统的整体最优化设计，这样可大幅 度节省投资费用和操作费用。
要对化工过程系统进行模拟与分析，必须首 先要有工作平台，即性能可靠的系统模拟软 件，该软件中要包含许多过程单元操作的数 学模型，开发这样的系统软件的工作量很大， 也是过程模拟与分析的基本和中心工作，其 基本步骤见图。
明确任务和研究对象
化
对象的过程机理分析
工
过
数据准备
程
模型建立
返
系
回
统
选择数值计算方法
化工过程系统工程研究的目的和任务
过程开发（又称为规划决策阶段），主要完成可行性研究，提出可行性研究报告； 科研阶段，建立数学模型，描述过程对象的规律性与特点。 在数学模型基础上进行流程方案的开发，用流程模拟系统和经 济评价进一步进行可行性研究； 技术开发阶段，通过中试（或小试）与系统模拟相结合，寻 找装置整体操作的最优条件，缩短开发周期，同时也可以利用 中试的实验数据来修正模型；