化工过程系统工程专论-2010
化工系统工程(1)幻灯片
4、间歇过程的设计与操作优化：
80年代天津大学开始开发单产品间歇过程最优设计 和多产品间歇操作的时间表进行了研究，提出数学模型 和计算方法，用于结晶操作过程。
◆ （3）分离序列的综合：给定一进料流股，已知它的状 态，系统化的设计出能从进料中分离出所要求产品的过程， 并使总费用最小。 所需求解问题是：一是要找出最优的分离序列和每一分离 器性能；二是对每一分离器找出其最优的设计变量值。 ◆ （4）反应器网络的综合：为了制造所要求的产品，对 于给定的化学反应路径以及主副反应速率数据进行分析， 确定一个反应器最优结构和操作条件，以使在给定产率下 总生产成本为最小。
化工原理(传递过程与单元操 ) 作 化学工程学化 化学 工反 热应 力工 学程
化工分离工程 化工过程系统工程
▲系统工程的理论基础：是运筹学、系统理论及现 代控制论； 技术手段：是计算机和现代数学； 当把系统工程方法应用于各种不同科学领域，就逐 步形成具有各种不同特点的系统工程学，如化工系 统工程、环境系统工程等。
二、化工过程系统工程的任务及其主要内容：
1、化工过程系统的特点：
归纳起来就是单元过程的特点与系统结构上的特 点这两部分。
a)单元过程的特点:如在设备中发生的过程无外乎是 化学反应、质量传递、热量传递和动量传递—— “三传一反”；这样的单元过程可分为：反应过程、 传质过程、传热过程和输送过程，其相应的特点是： 反应过程是以原子为处理对象；传质过程以是分子 为处理对象；传热过程和输送过程是以热流和物流 为处理对象。明确这些特点然后建立这些单元过程 的数学模型。
化工系统工程绪论
说明：两独立流股混合过程的自由度为两个独立流股自由度之和 。 如果混合器有S个输入流股，则自由度为 S(C+2)。
例：苯－甲苯混合器
S1 S2 Mixer S3
F1, xB1( xT1), h1, P 1
F2 , xB 2 ( xT 2 ), h2 , P2
F3 , xB3 ( xT 3 ), h3 , P 3
2 过程系统稳态模拟
2.1 基本概念
目的：研究化工系统整体稳态特性。
模拟(Simulation)：用一能反映研究对象本质和内在联系，与 原型具有客观的一致性，且可再现原型发生的本质过程和特性 的模型，来研究和设计原型过程的方法。
A 复杂
B简单
预测A
（以B的行为模拟A的行为，从简单的预测复杂的。） 实验模拟：采用实验模型装置进行研究。
P min(P , P2 ) 3 1
F1 F2 F3 x j1F1 x j 2 F2 x j 3 F3
j 1,2,....,(C 1)
F H1 F2 H 2 F3 H3 1
混合器的独立方程数 ： 混合器的自由度：
mC2
d n m 3(C 2) (C 2) 2(C 2)
设计变量：预先赋值的变量（ND个） 状态变量：除设计变量外的变量(NEquations个)
状态方程： NEquations个方程
实例: ① 混合器 F1,P1,T1,x11,x21, …,xc-1，1 C+2 F2,P2,T2,x12,x22, …,xc-1，2 独立方程包括 压力平衡方程: 物料衡算方程: 热量衡算方程: F3,P3,T3,x13,x23, …,xc-1，3
数学模拟：采用数学模型进行研究。
注册化工工程师考试专业案例上午真题2010年
注册化工工程师考试专业案例上午真题2010年(总分：50.00，做题时间：180分钟)一、案例分析（每题2分）(总题数：25，分数：50.00)1.某炼油厂利用冷的富吸收油将200L/h，180℃的贫吸收油冷到80℃,已知冷富吸收油的流量为308t/h,40℃,换热器的热损失为传热量的5%,则经过换热器后,富吸收油的油升(℃)为下列哪? 已知贫吸收油平均比热为2.4kJ/(kg.℃),富吸收油平均比热为2.0 kJ/(kg.℃)（分数：2.00）A.114 √B.75C.120D.108解析：200*（180-80）*2.4*（1-0.05）/(308*2.0)+40=1142.板框过滤机滤框长、宽、厚为250×250×30，框数为8，用此过滤机过滤某悬浮液。
已知恒压过滤常数k=5×10-5 m2/s，qe=0.0125m3/m2，滤饼与滤液体积比v=0.075，过滤至滤框充满滤饼所需时间（min）为哪项？（分数：2.00）A.10B.12C.15 √D.18解析：A=0.25×0.25×2×8=1(㎡) V饼=0.25×0.25×0.03×8=0.015(m3) v=V饼/V V=0.015/0.075=0.2(m3) Ve=Aqe=1×0.0125=0.0125 V2+2VVe=KA2θθ=(0.2×0.2+2×0.2×0.0125)/(1×1×5×10-5)=900(s)=15(min)3.用纯水吸收丙酮混合气中的丙酮加以回收，如果吸收塔混合气进料为200kg/h（其中丙酮质量占20%），纯水进料为1000 kg/h，吸收丙酮后得到丙酮水溶液。
吸收过程中，丙酮的回收率为90%。
已知丙酮分子量为58，设其余气体不溶解于水，且纯水不蒸发，问吸收液出口浓度[NC3H3O/NH2O，kmol/kmol]为下列？（分数：2.00）A.0.009B.0.011 √C.0.019D.0.021解析：设惰性气体为空气，空气分子量是29。
化工系统工程课件-化工过程分析与合成
流程模拟与优化
利用流程模拟软件对化工过程 进行模拟，通过优化算法对过 程进行优化。
效果评估
对改进措施的实施效果进行评 估，总结经验教训。
02
化工过程建模与仿真
化工过程建模
总结词
化工过程建模是化工系统工程的基础，它通过建立数学模型来描述化工过程的 动态行为和性能。
详细描述
化工过程建模的主要目的是将实际的化工过程转化为数学模型，以便进行仿真、 优化和控制。建模过程中需要考虑各种因素，如化学反应动力学、热力学、流 体动力学等，以及各种设备的特性。
生物化工过程分析与合成应用案例
以某生物化工厂为例，通过对其生产过程中的多个单元操 作进行优化，实现了降低能耗、提高产品质量和减少环境 污染的目标。同时，该案例还展示了化工系统工程在解决 实际问题中的重要性和优势。
感谢您的观看
THANKS
案例一：石油化工过程分析与合成
石油化工过程分析与合成概述
石油化工是以石油为原料，通过化学反应和分离过程将石油转化为各种化学品、燃料和材 料的过程。在化工过程中，分析和合成是关键环节，对于提高产品质量、降低能耗和减少 环境污染具有重要意义。
石油化工过程分析与合成技术
石油化工过程涉及多种化学反应和分离技术，如蒸馏、萃取、吸附、结晶等。通过对这些 技术的分析和优化，可以确能耗和物耗。
化工系统工程课件-化工过程 分析与合成
目录
• 化工过程分析与合成概述 • 化工过程建模与仿真 • 化工过程操作与控制 • 化工系统工程应用案例
01
化工过程分析与合成概述
定义与目标
定义
化工过程分析与合成是一门研究化工 生产过程中物质和能量转换、传递和 平衡的学科。它通过对化工过程的系 统分析，实现过程优化、节能减排和 提高经济效益的目标。
第1章化工系统工程概述PPT课件
2020/7/25
29
1.2系统的分类
1.2.5 按照系统状态与时间的关系进行分类
1.静态系统：其状态不随时间改变的系统。 这类系统没有记忆，即某时刻的输出仅与系统当前输入有
关，而与其它时刻的输入无关。研究静态系统相当于分析系统 某一定态的性质。
概念
英文
拉丁文
Systems
Syn + histemi
S
“在一起” + “放置”
• 直观理解：把一些东西 “放置”“在一起”就形成“S”。
什么是系统 ？ 学术界的认识并不完全一致
2020/7/25
11
1.1系统的概念
1.1.1 系统的定义
美国的《韦氏（Webster）大辞典》：“有组织的或被组 织化的整体；结合着的整体所形成的各种概念和原理的结 合；由有规则的相互作用、相互依赖的形式组成的诸要素 集合。”
子工程、计算机工 程、医学、心理学
等学科。 但该计划的成功未采用 一项
新技术，完全是综合运 用现有技术成
果的结果，是 大型系统工程成功的典
2020/7/25 范。
4
引子
Why？
要求： • 具有从整体、全局驾驭工作的能力和习惯，能统筹策划； • 在知识结构上，是“T”型人才； • 善于和上下级、左右机构与同志联系工作，沟通思想，能 够团结不同专业、不同观点的专家一道工作； • ……
2020/7/25
28
1.2系统的分类
1.2.4 按照系统内各子系统之间的相互关系进行分 类
1.线性系统：系统中某部分的变化引起其余部分的变化是线性 的，或者说系统的输入线性迭加时，系统的输出也线性迭加， 就称该系统是线性系统。
过程系统工程在化工生产中的应用
过程系统工程在化工生产中的应用在当今高度工业化的时代，化工生产对于推动社会经济发展和满足人们日常生活需求发挥着至关重要的作用。
而过程系统工程作为一门综合性的学科，已经成为提升化工生产效率、优化生产过程、保障生产安全以及实现可持续发展的关键技术手段。
过程系统工程，简单来说，是将系统工程的原理和方法应用于化工过程的设计、操作和控制，以实现最优的生产性能和经济效益。
它涵盖了从原材料的选择、工艺流程的设计、设备的选型和布置，到生产过程的监控、优化和故障诊断等多个方面。
在化工生产的初始阶段，即设计环节，过程系统工程发挥着不可或缺的作用。
通过运用各种建模和仿真技术，工程师们能够在计算机上模拟不同的工艺流程和操作条件，从而预测产品的产量、质量以及能源消耗等关键指标。
这使得在实际建设工厂之前，就能够对各种设计方案进行比较和评估，选择出最优的方案。
这种“虚拟实验”的方法大大降低了研发成本和风险，缩短了项目的开发周期。
例如，在设计一个化工厂的生产流程时，需要考虑众多因素，如反应的热力学和动力学特性、物料和能量的平衡、设备的尺寸和性能等。
过程系统工程可以将这些复杂的因素整合到一个数学模型中，通过求解这个模型，得到最佳的工艺流程和操作参数。
比如，对于一个化学反应过程，通过模型可以确定最佳的反应温度、压力、反应物浓度等条件，以提高反应的转化率和选择性，从而增加产品的产量和质量。
在化工生产的运行阶段，过程系统工程同样具有重要意义。
实时监测和控制生产过程中的各种参数，如温度、压力、流量、浓度等，对于保证产品质量的稳定性和生产的安全性至关重要。
基于过程系统工程的先进控制技术，如模型预测控制、自适应控制等，可以根据生产过程的变化及时调整操作参数，使生产过程始终处于最优状态。
此外，过程系统工程还能够帮助化工企业实现节能减排和资源的高效利用。
通过对整个生产系统进行能量分析和优化，可以发现能源浪费的环节，并采取相应的措施加以改进。
例如，通过优化换热网络，可以提高热能的回收利用率，降低能源消耗。
《化工系统工程》PPT课件
在工程上，许多选择问题均属于优化问题。例如连续操作与间歇
操作的选择，流程、操作条件、设备型式、设备结构尺寸与结构材料
的选择等等。此外，还有流程设计、设备工艺参数的确定等也属于优
化问题。
编辑ppt
4
当存在以下情况时，我们都可以进行优化设计：
(1)销售受到产量的限制 如果市场销路没有问题，设法改变设计参 数提高产量是很有吸引力的。
(5)产品质量超过设计规定 如果产品质量明显优于用户要求这样会 造成生产费用和装置能力的浪费，设法使产品质量靠近用户要求，便 能使成本下降。
(6)有较多的有用组分通过废水、废气排出 例如通过调节空气与燃 料的比例，以减少加热炉的燃料损失，从而降低燃料的消耗。减少废 水、废气中有用组分的含量还能降低环境保护装置的费用。
(7)人工费用高 对于需要人工劳动较多的过程，例如间歇操作，减
少人工费用扰能阵低生产成本。减轻劳动强度，也能使生产成本下降。
编辑ppt
5
2.2 优化问题的数学描述
各种优化问题在数学上具有相同的结构，抽象成数学问题后就有其共 性。因此优化问题的数学描述是解决优化问题的关键步骤。优化问题的数 学描述包括：目标函数(经济指标)；系统模型(约束方程)。
化工系统工程
化工系统的优化及实例分析
班级：研05-3班 姓名：高善彬 学号：S0503190
编辑ppt
1
化工系统的优化是化工系统工程的核心。例如， 当我们在设计一个设备或一个工厂时，总是希望得
到的产品成本最低或获利最大，这就是最优设计问
题。对于现有设备或工厂我们总是设法对其工况加
以调节和控制，使产量最高或获利最大。这就是最
性规划问题。求解线性规划问题的优化方法已相当成熟，通常采用单
化工系统工程课件-第二章-概述
此外，化工系统工程还可以应用于环 保工程、资源利用、新能源等领域， 为解决全球性的能源危机和环境问题 提供技术支持和解决方案。
在这些领域中，化工系统工程的应用 可以实现生产过程的优化和控制，提 高生产效率和产品质量，降低能耗和 物耗，减少环境污染。
02
化工系统工程的组成与特点
组成
化工工艺流程
包括原料的预处理、化学反应 及产物分离等环节，是化工生
优化方法
线性规划
通过线性不等式约束和目标函数，寻找满足约束条件的解，使目标函 数达到最优值。
非线性规划
处理非线性约束和目标函数的优化问题，通过迭代算法寻找最优解。
动态规划
将复杂问题分解为多个子问题，按照时间或空间的顺序逐个求解子问 题，以获得原问题的最优解。
遗传算法
模拟生物进化过程的优化算法，通过随机搜索和遗传变异寻找最优解。
05
化工系统工程在工业生产中 的应用案例
应用场景
01
石油化工
化工系统工程在石油化工领域的应用主要涉及油品加工、化学反应过程
控制、分离过程优化等方面。通过系统性的规划和设计，可以提高石油
化工过程的效率和安全性。
02
制药工业
在制药工业中，化工系统工程的应用涵盖了药物合成、分离纯化、质量
控制等多个环节。通过优化制药生产流程，可以提高药物的生产效率和
它能够实现整个化工生产过程的自动化和智能化，提高生产过程的可控性和稳定性， 减少人工干预和操作失误，保障生产安全。
化工系统工程的应用还能够提升企业的竞争力和经济效益，降低生产成本，缩短产 品上市时间，提高产品质量和收率。
应用领域
化工系统工程的应用领域非常广泛， 包括石油化工、煤化工、天然气化工、 制药、农药、染料、化学纤维等领域。
化工系统工程讲义___概述说明以及解释
化工系统工程讲义概述说明以及解释1. 引言1.1 概述在化工工程中，化工系统工程是一个重要而综合性的学科领域。
它集成了化学工艺、传质传热、流体力学等多个学科的知识，旨在研究和优化各种化工过程的设计和操作。
本讲义旨在介绍化工系统工程的基础知识和方法，帮助读者全面理解和应用这一领域的核心概念。
1.2 文章结构本文共分为五个部分：引言、正文、章节一、章节二以及结论。
引言部分将对文章进行总览性介绍，正文将深入探讨化工系统工程的相关内容，而章节一和章节二则是对具体主题进行详细阐述。
最后的结论将对整篇文章进行总结，并提供一些相关推荐资料以供进一步学习。
1.3 目的本讲义的目标旨在让读者全面了解化工系统工程这一领域，并具备初步应用其原理和方法解决实际问题的能力。
通过深入理解和掌握相关内容，读者能够更好地进行化工过程设计与优化，在实践中提高生产效率并降低成本。
同时，通过本讲义的学习，读者也能够为深入从事化工系统工程研究奠定坚实的理论基础。
对于化工领域的学生和从业人员来说，本文将是一份宝贵的参考资料。
2. 正文正文部分将对于化工系统工程的基本概念、原理和应用进行详细的介绍。
在化工系统工程中，系统指的是由多个组成部分相互作用而形成的整体。
这些组成部分可以是设备、仪表、管道等，它们通过物质、能量或信息的传递与转化实现协同工作。
化工系统工程旨在设计、优化和管理这些复杂的系统，以提高生产效率、资源利用率和产品品质。
主要内容如下：2.1 化工系统工程的基本原理2.1.1 质量守恒原理：介绍了质量守恒方程的推导及其在化工过程中的应用；2.1.2 能量守恒原理：讲解了能量守恒方程的建立方法，并探讨了能量平衡计算；2.1.3 动量守恒原理：详细介绍了动量平衡方程以及相关参数计算；2.1.4 物料平衡原理：阐述了物料平衡方程推导和应用方法，并举例说明。
2.2 化工系统模型2.2.1 建模方法：介绍各种不同建模方法，如质量守恒模型、动力学模型等；2.2.2 模型求解：讲解系统模型求解的基本原理和常用方法，如数值方法、优化算法等；2.2.3 模型验证与优化：探讨系统模型验证和优化的方法，包括参数调整、灵敏度分析等。
化工过程系统工程的研究与实践
化工过程系统工程的研究与实践化工工程是一个非常关键的学科，它专门研究如何将化学反应过程转化为具有市场经济价值的产品。
化学工业是中国最大的制造业行业之一，具有非常重要的地位。
化工过程系统工程是化工工程的重要分支，是采用系统方法和综合技术来优化和规划化工过程的一种交叉学科。
本文将详细探讨这个领域的研究与实践。
1. 研究简介化工过程系统工程是一个综合性的交叉学科，涉及化学工程、控制工程、计算机技术、数学和统计学等多个学科。
化工过程系统工程旨在将各个生产单元联系起来，形成一个有机的整体，从而提高生产效率和产品质量。
化工过程系统工程的研究内容包括：研究化工过程的控制策略和优化方法，设计和应用化工过程的智能化控制系统，开发和应用基于计算机的模拟和仿真技术，运用最新的信息技术建立化工过程控制体系，对化工过程中的各种数据进行处理和分析，以及制定化工生产的管理策略等。
其中，化工过程的控制策略和优化方法是化工过程系统工程的核心内容。
控制策略和优化方法主要涉及化工生产的各个方面，包括反应、传质、热量和动力学等。
化工过程系统工程可以通过优化控制方法，推进化工过程的高效化、低能耗化、低排放化等方面的发展。
2. 实践案例实践是检验理论正确性的重要方式，下面介绍两种不同类型的实践案例，以对化工过程系统工程的研究与实践有更深入的理解。
2.1 微生物发酵过程控制微生物发酵过程是人类历史上最早的发酵产业。
当今，在微生物学和分子生物学等科学技术的推动下，微生物发酵技术已经成为全球范围内的重要产业。
微生物发酵过程的控制是化工过程系统工程的重点研究内容之一，涵盖了微生物生长、代谢及产物分泌等领域。
德国Breunig在其研究中，采用黑曲霉和青霉菌等微生物的发酵过程，以明胶和甲基纤维素等多元酸为底物，构建了一个基于功率控制的发酵控制系统。
该系统实现了对反应过程中气体流量、料液混合等操作参数的自动控制，使反应能够在不同的条件下快速调整，从而获得了较好的反应效果。
化工系统工程
化工过程分析与合成
8
2015/9/23
第一节 过程系统工程的起源和1.系统
系统是由相互联系、 相互作用的若干组成部分 结合成的具有特定功能的 总机体。——钱学森
化工过程分析与合成
9
2015/9/23
2.过程与过程系统
过程——对物料进行物理的或化学的加工处理 过程单元(单元过程)——特定的单一过程
化工过程分析与合成
13
2015/9/23
4.过程系统工程
将系统工程的思想、方法用于解决过程系统
的设计、开发、操作、控制等问题，就形成了过 程系统工程。
化 学 工 业 背 景
化工过程分析与合成
化工系统工程 化工过程系统工程 系统工程在化工中的应用 化学控制论 过程系统的模拟与分析
14
2015/9/23
！ 化学工程研究发展史上的第二个 No.2 飞跃： 传递现象
化工过程分析与合成
17
2015/9/23
化学工程发展史上的第三次飞跃：1960年代初，在 化学工程、系统工程、运筹学、数值计算方法、过 程控制理论等学科的边缘，产生了过程系统工程
代 美国：Rudd和Watson
！表 研
Himmelblau和Bischoff
6
2015/9/23
课程学习内容
• 第五章 分离序列综合
过程系统综合的基本概念 分离序列综合问题的提出 分离序列综合经典方法
• 第六章 换热网络综合
夹点及最小公用工程用量 换热器网络的调优 换热器网络的结构优化
化工过程分析与合成
7
2015/9/23
第一章 绪 论
• 第一节 过程系统工程的起源和特性 • 第二节 过程系统工程的主要研究内容和现状 • 第三节 过程系统工程的研究方法
化工系统工程绪论
化工系统工程绪论概述化工系统工程是化学工程领域中的一个重要分支，主要研究化学工业中的系统设计、操作和优化等问题。
化工系统工程的发展旨在提高生产效率、降低能源消耗和减少环境污染。
化工系统工程涉及多个学科，包括化学工程、化学反应工程、过程控制工程等。
在实际应用中，化工系统工程需要综合运用这些学科的知识和方法，解决复杂化工过程的工程问题。
本文将介绍化工系统工程的基本概念、发展历程和研究内容，并探讨其在实际工程中的应用和前景。
基本概念化工系统工程是一门多学科交叉的工程学科，它研究的对象是化学工业中的生产过程。
化工系统工程将化学工程、化学反应工程、过程控制工程等学科的知识与方法相结合，用于化工过程的系统设计、操作和优化。
化工系统工程的主要任务包括： - 分析和设计化工过程的系统结构 - 确定工艺参数和操作条件 - 优化生产过程，提高生产效率和产品质量 - 确保工艺的安全性和可靠性 - 减少能源消耗和环境污染发展历程化工系统工程的发展可以追溯到20世纪50年代。
随着计算机的出现和发展，化工系统工程得到了快速发展。
计算机技术的应用为化工系统工程提供了强大的工具和手段，使得复杂的计算和优化问题可以得到有效解决。
在20世纪70年代，随着化工过程的复杂性和规模的不断增加，化工系统工程的研究也得到了进一步的发展。
人们开始探索更高级的系统设计和优化方法，如模型预测控制、多目标优化等。
到了21世纪，化工系统工程的研究重点逐渐转向了可持续发展和资源利用的问题。
人们开始关注能源消耗和环境污染等问题，并提出了一系列的研究方法和技术，如废弃物处理、能量回收等。
研究内容化工系统工程的研究内容非常广泛，主要包括以下几个方面：化工过程建模与仿真化工过程建模是化工系统工程的基础和核心技术之一。
化工过程建模的目标是将复杂的化工过程抽象成数学模型，以便对其进行仿真和优化。
化工过程建模常用的方法包括：物质平衡、能量平衡、动量平衡等。
通过建立准确的数学模型，可以对化工过程进行预测和优化分析，提高生产效率和产品质量。
化工系统工程课件 第二章 概述
序贯模块法的优点：与实际过程的直观联系强； 模拟系统软件的建立、维护和扩充都很方便，易 于通用化；计算出错时易于诊断出错位置。 序贯模块法的主要缺点：计算效率较低，尤其是 解决设计和优化问题时计算效率更低。 序贯模块法计算效率低的原因：只能根据模块的 输入物流信息计算输出物流信息，在进行系统模 拟的过程中，对有再循环物流单元模块的计算需 要考虑断裂物流收敛计算，使问题复杂。
(图2—10)描述了断裂的过程
其中流股x2称为断裂流股，该流股只有一个 变量x2 ，称为迭代变量。流股的收敛性指的 就是其中变量x2 的收敛性能。 问题：如果不选择流股x2，是否可达到简化 的目的？
考察过程系统中的不可分隔子系统如图 2—11，断裂物流可以选为S10，当然也可 以选为S11。选择不同的断裂物流，则其 相应的迭代序列也不一样。
2. 1.2 过程系统模拟的面向方程法
面向方程法：将描 述整个过程系统的 数学方程式联立求 解，从而得出模拟 计算结果的方法。 面向方程法又称联 立方程法
面向方程法的优点：可以根据问题的要求 灵活地确定输入、输出变量，而不受实际 物流和流程结构的影响。模型中所有的方 程可同时计算和同步收敛。 面向方程法的问题：形成通用软件比较困 难；不能利用现有大量丰富的单元模块； 缺乏与实际流程的直观联系：计算失败之 后难于诊断错误所在；对初值的要求比较 苛刻；计算技术难度较大等。
1、断裂的流股数目最少； 2、断裂流股包含的变量数目最少； 3、对每一流股选定一个权因子，该权因子数值 反映了断裂该流股时迭代计算的困难程度，应 当使所有的断裂流股权因子数值总和最小； 4、选择一组断裂流股，使直接代入法具有最好 的收敛特性。 四条准则是一般性的原则。
(3)回路矩阵
化工系统工程
22
2.系统工程与传统方法的区别
从前面对系统工程的介绍可以看出，系统工程的 目标是通过什么样的方法可使系统达到最优，而方 法论是把设想付诸实现的过程。对于传统方法，它 解决问题的目标往往是单一的，比如设计一个产品 或只强调成本低或只强调性能高，而系统工程对目 标的考虑需要从系统运行的全过程即时间方面以及 在每个阶段中处理问题的特殊思维过程即逻辑方面， 并综合运用各种专业知识即知识方面来综合考虑。
35
目标树
X
X1
X2
X3
36
目标冲突和利害冲突
• 在目标分析过程中，系统分析人员经常 会发现，许多关键情况往往是由于存在着 相互冲突的分目标造成的。这有两种情况：
– 一种是纯属专业性质的，即目标冲突问题； – 另一种是社会性质的，即利害冲突问题。
37
目标冲突
• 例如在进行产品设计时，所可能强调的 两个目标：
6．环境适应性。任何一个系统都存在于一定的物质环境之中，它 必然与环境不断地进行物质、能量、信息的交换。外界环境的变 化对系统内部要素产生干扰，使要素和要素关系发生变化，从而 可能引起系统功能的波动。所以系统必须适应外部环境的变化， 这样的系统才更有生命力。
10
3.系统的分类
自然系统与人造系 统 实体系统与概念系 统 动态系统与静态系 统 开放系统与封闭系
第一章 系统与系统工程
一、系统工程的应用举例 二、系统 三、系统工程 四、系统工程方法论
1
一、 系统工程的应用举例
三峡水利工程
• 是我国建国以来最大的工程项目，它的论证、 组织、实施与管理可以说就是一个庞大的系统 工程问题，这项工程涉及到了国家及地方的众 多部门，如水利、电力、能源、文物、生态、 移民等等，涉及到几个省的上百个县市，同时 实施过程要由众多单位共同努力，时间横跨将 近20年。
化工系统工程的学习综述
化工系统工程的学习综述综述化工系统工程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，是化学工程学的一个分支，是化学工程、系统工程、运筹学、数值计算方法、过程控制论等的边缘学科。
主要是面向典型的化工过程系统，培养我们综合运用化工系统工程、化工工艺、化工反应工程和传递和分离工程知识处理实际问题的能力一、化工过程系统工程的产生和发展20世纪20~30年代：建立在“单元操作”的概念基础上，研究的是化工参数间简单的定量关系。
50年代，单元操作的理论有了发展，用可靠的数学形式加以表达；60年代，由于计算机的迅速发展，在化工中也开始应用计算机，但主要还是用于单元操作的计算，在系统分析方面的工作还是十分有限的—产生和发展的理论准备时期。
70时年代，计算机的进一步发展，可以把几十个单元放在一起考虑，走上实用的时期，研制出有效的工业用化工流程通用模拟系统，对过程生产实现计算机控制。
80年代—普及推广。
90年代—完善、提高。
二、化工过程系统工程的基本内容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。
三、化工过程系统工程任务A. 从工程实际中抽象出系统模拟、优化、合成问题的能力；B. 学会评价和选择解决实际过程系统问题的方法和途径；C. 培养我们用现代应用数学的方法实现对系统模拟、优化、合成等过程系统工程问题的能力；D. 了解有关过程系统工程研究领域和方法的最新进展。
四、感兴趣的内容1．化工过程系统的优化1.1目的意义：解决工程设计、生产技术、科学试验、计划管理等问题，获得最优的方案。
1.2优化1.2.1基本概念：在过程系统性能、特点所给定的约束条件下，找出使过程系统的性能指标（目标函数）达到最小（or最大）的设备参数或工艺变量。
1.2.2分类优化分为结构优化、参数优化、管理和求解方法的最优化。
目的是最小的投入和日常消耗获得最大的收益。
化工纺织百科：化工系统工程
化工纺织百科：化工系统工程以下是小编收集整理的《化工纺织百科：化工系统工程》全部内容，希望对大家有所帮助，如果您喜欢小编的推荐，请继续关注店铺。
店铺，给你不一样的人生。
huagong xitong gongcheng化工系统工程chemical system engineering将系统工程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，是化学工程的一个分支。
它的基本内容是：从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。
借助的数学工具是运筹学和现代控制论的一些方法，依靠的技术手段是电子计算机。
化工系统工程研究的对象是化工生产过程中的某个系统，谋求的目标是该系统的整体优化，即合理确定和控制系统各个组成部分输入、输出状态，使得反映系统效益的某种定量函数达到最大值或最小值。
这种体现系统整体目标的函数称为目标函数。
例如进行某个化工装置的最优设计时，通常选用投资费用和操作费用作为目标函数，以寻求总费用最小的设计方案。
化工系统工程是一门发展中的学科，到目前为止，人们对这门学科的理解和定义亦不完全相同。
化工系统同所有的系统一样，化工系统具有嵌套性的特点,即一个系统总是另一个更大系统的一部分,为该大系统的子系统;同时它又可能是由更小的子系统所构成。
一般把单元操作和反应过程作为化工系统的基本元素，系统可看成是一系列基本元素按一定联结方式组成的网络。
因此，可将化工系统的特性归结为基本元素的特性和系统结构上的特性两个部分。
化工系统的结构从物料流(如A与B反应生成C)的角度看,可分成两类：没有物料流循环的“树”结构(图1[没有物料流循环的“树”结构])以及带有物料流循环的“再循环”结构(图2[ 带有物料流循环的“再循环”结构])。
显然，后一类结构更加复杂，但对物料和能源的合理利用比较有利。
系统的结构，在用电子计算机处理时，可用不同的数学表示方法，例如过程矩阵、流路联结矩阵、关联矩阵等。
化工过程系统工程专论-2010
10.4 ABC/DE
4.3 ABCD/E
2.6 A/BC 5.4 AB/C 9.1 A/BCD 14.6 AB/CD 3.7 ABC/D
9.3 B/CD 1.3 BC/D 2.6 A/BC 5.4 AB/C
2 利用剩余气相流率判别最优序列
——分支定界法（Branch-and-Bound）
部分费用 局部费用
– if any of f, h and g keeps nonlinear and y is constant (no longer variable)
Hale Waihona Puke • MILP (Mixed-integer Linear Programming )
-- Simultaneous solution
Net work representation:
- binary variable : yi =
1 0
if unit i is selected if unit i is not selected
- continuous variables x
Problem formulation: - Mixed-integer Nonlinear Programming (MINLP) (P) Min f(x, y) h(x, y) = 0 g(x, y) 0 xX, y Y
根节点
18.6 AB/CDE
中间节点
ABCDE
特性：
• 任一中间节点部分费用是其子节点部分费用的下界 • 一个末端节点的总费用是最优费用的上界
部分费用 局部费用
12.3 12.3 A/BCDE 6.7 C/DE 2.0 CD/E
13.3 25.6 B/CDE 8.0 BC/DE 2.8 BCD/E
过程系统工程在化工中的应用
过程系统工程在化工中的应用在化工领域，过程系统工程扮演着至关重要的角色。
它就像是一位幕后的指挥家，精心协调着化工生产过程中的各个环节，以实现高效、安全和可持续的生产目标。
过程系统工程是一门综合性的学科，它融合了化学工程、系统工程、数学、计算机科学等多个领域的知识和方法。
其核心目标是通过对化工过程的系统分析、设计、优化和控制，提高化工生产的效率、降低成本、减少环境污染，并确保生产过程的安全性和可靠性。
在化工生产的早期阶段，过程系统工程就开始发挥作用。
通过对原料特性、产品需求和工艺条件的综合分析，设计出合理的工艺流程。
这可不是一件简单的事情，需要考虑众多因素，比如反应的可行性、物料和能量的平衡、设备的选型等等。
一个好的工艺流程设计能够为后续的生产打下坚实的基础，减少不必要的麻烦和浪费。
比如说，在设计一个化工厂的生产流程时，过程系统工程师需要考虑如何选择合适的原料，以确保其质量和供应的稳定性。
同时，还要根据产品的质量要求和市场需求，确定最佳的反应条件和工艺路线。
是采用连续生产还是间歇生产？是使用传统的工艺还是引入新的技术？这些都需要经过深思熟虑和详细的计算分析。
优化是过程系统工程在化工中应用的另一个重要方面。
随着市场竞争的加剧和资源环境的约束，化工企业越来越注重生产过程的优化。
过程系统工程可以通过建立数学模型，对生产过程中的各种参数进行优化，以达到提高产量、降低能耗、减少排放等目标。
以一个化工厂的精馏塔为例，通过优化塔板的数量、进料位置、回流比等参数，可以显著提高分离效果，降低能耗。
再比如，在化工生产的调度问题上，过程系统工程师可以运用优化算法，合理安排生产计划，使得设备的利用率最大化，减少库存成本和生产周期。
过程系统工程还在化工过程的控制方面发挥着关键作用。
化工生产过程往往具有复杂性和不确定性，容易受到外界因素的干扰。
为了确保生产过程的稳定运行和产品质量的一致性，需要建立有效的控制系统。
过程系统工程师可以利用先进的控制理论和技术，如 PID 控制、模型预测控制等，对生产过程进行实时监测和调控。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
– Problem representation – Modeling – Solution strategies
• Examples
1. Introduction
General concept • Process synthesis -- central issue • Process Optimization -- trade-off • Objectives – mono- or multi• Integrations among variables -- coupling • Solution of optimization problems -combinatorial problems
Rules:
- Depth-first : less storage, more nodes to evaluate - Breadth-first : fewer nodes examined yet more storage needed
2 利用剩余气相流率判别最优序列
——分支定界法（Branch-and-Bound）
Still -- market oriented
market driven --
cost
-- Regulation
-- Social responsibility,
Ethics …
Pareto
environmental impact
About problem of CO2 emission, see Nature 458 | Published online 29 April 2009
Profitable line
competition area
margin for
Engineering
Decision variables
Process Optimization
An example of distillation
Measurement of money
-- market driven
-- Simultaneous solution
Net work representation:
- binary variable : yi =
1 0
if unit i is selected if unit i is not selected
- continuous variables x
Problem formulation: - Mixed-integer Nonlinear Programming (MINLP) (P) Min f(x, y) h(x, y) = 0 g(x, y) 0 xX, y Y
• 总费用：末端节点的部分费用成为该节点的总费用
部分费用 局部费用
12.3 12.3 A/BCDE 6.7 C/DE 2.0 CD/E
13.3 25.6 B/CDE 8.0 BC/DE 2.8 BCD/E
6.7 32.3 C/DE 2.0 CD/E 9.3 B/CD 1.3 BC/D
末端节点 总费用
12.3 A/BCDE 18.6 AB/CDE ABCDE 6.7 C/DE 2.0 CD/E
10.4 ABC/DE 4.3 ABCD/E
2.6 A/BC 13.0 5.4 AB/C
2.6 A/BC 10.6
5.4 AB/C
分支定界法 -- 广度优先法
•从根节点开始 •选择局部费用值最小的子节点评价局部费用(子节点局部费用的累加) •当一个节点的所有子节点全部累加完毕, 再回到其父节点 •任何一个节点, 若其部分费用不小于上界值, 则删除该节点及其所有子节点 13.3 B/CDE 8.0 BC/DE 2.8 BCD/E 6.7 C/DE 2.0 CD/E 9.3 B/CD 1.3 BC/D 9.3 B/CD 13.4 9.1 A/BCD 14.6 AB/CD 3.7 ABC/D 1.3 BC/D
cost
preservation coat thickness
• Objectives – mono- or multi– Cost efficiency : trade-off between raw material, capital, and energy cost – Environmental impact : trade-off between economics and ecology
12.3 A/BCDE 18.6 AB/CDE ABCDE 6.7 C/DE 2.0 CD/E
10.4 ABC/DE 4.3 ABCD/E
2.6 A/BC 5.4 AB/C
2.6 A/BC 10.6
5.4 AB/C
Models and solution strategies for network representation
• Integrations among variables -- coupling
– Multi-variables
• Solution of optimization problems -combinatorial problems
Summary • Process synthesis -- central issue • Process Optimization -- trade-off • Objectives – mono- or multi• Integrations among variables -- coupling • Solution of optimization problems: combinatorial problems
12.3 12.3 A/BCDE 6.7 C/DE 2.0 CD/E
13.3 25.6 B/CDE 8.0 BC/DE 2.8 BCD/E
6.7 32.3 C/DE 2.0 CD/E 9.3 B/CD 1.3 BC/D
末端节点 总费用
18.6 AB/CDE ABCDE
根节点
中间节点
10.4 ABC/DE
For problem (P)
• LP (Linear Programming )
– if the functions f, h and g are linear and y is constant (no longer variable)
Difficultness
• NLP (Nonlinear Programming )
2. Problem representation
• General strategies for process synthesis
– Analysis and targeting – Superstructure
• Different representation may lead to different approach to problem solution
10.4 ABC/DE
4.3 ABCD/E
2.6 A/BC 5.4 AB/C 9.1 A/BCD 14.6 AB/CD 3.7 ABC/D
9.3 B/CD 1.3 BC/D 2.6 A/BC 5.4 AB/C
2 利用剩余气相流率判别最优序列
——分支定界法（Branch-and-Bound）
部分费用 局部费用
A B C D
A B C A B C C D
A B C D
A B C D A B C D A B C D
A B C A B C
B C
Network representation of four-component separation
A B
Solution strategies for tree representation -- Branch-and-Bound
化工过程系统工程专论
硕士研究生先修课程（32学时） 2010-11
In this course -- General concept -- Algorithmic methods for process synthesis • Concepts • Optimization technique: MINLP • Process synthesis
部分费用 局部费用
12.3 12.3 A/BCDE 6.7 C/DE 2.0 CD/E
13.3 25.6 B/CDE 8.0 BC/DE 2.8 BCD/E
6.7 32.3 C/DE 2.0 CD/E 9.3 B/CD 1.3 BC/D
末端节点 总费用
18.6 AB/CDE ABCDE
根节点
中间节点
– if any of f, h and g keeps nonlinear and y is constant (no longer variable)
• MILP (Mixed-integer Linear Programming )
benefit
benefit
reflux ratio
reflux ratio optimum
• Process Optimization
-- trade-off
Example of heat preservation by coating
total cost
Cost efficiency : - raw material - capital - energy cost - etc. Environmental impact : - economics - ecology