2-化工过程系统工程概论 PPT课件

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。
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。
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。
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。
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
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。
2.3 化工过程系统的操作与控制
化工过程系统的操作与控制研究的课题主要有： （1）数据的筛选与校正； （2）过程操作最优化； （3）过程监控与故障诊断； （4）操作模拟仿真培训系统。
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
确定性模型
(4) 按过程对象的属性分类 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。
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。
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。
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；
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；
❖ 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；
❖设计 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。
（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。
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。
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。
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。
❖生产 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。
❖扩产改造 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。
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。
化工过程系统工程产生的必要性：生产的发展
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；
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。
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。
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
（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
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来自返系回
统
选择数值计算方法
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。
一般系统论：美籍奥地利生物学家贝塔朗菲L.V.Bertalanffy） 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。
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。
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。
数学模型的基本类型
理论模型 (1) 按数学模型的建立方法分类 经验模型
数 学
稳态模型 (2) 按对象的时态本质分类 动态模型
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。