化工过程模拟教程

• 以最大限度的节能、经济的设备投资、 良好的操作适应性为目标，实现最佳 的换热网络设计，是化工过程系统综 合研究的一项典型的事例。
分离过程
• 非均一系 气固相分离：沉降、过滤、湿法除尘、电除尘 液固相分离：过滤、干燥、沉降 • 均一系 气相分离：吸附、吸收、膜分离 液相分离：蒸馏与精馏、蒸发、结晶、气提、 萃取、膜分离等
CIPS的应用
日本三井石油化学公司实施CIPS，预计库存量可减少 30%，生产周期可缩短30%，成品油产量可增加10%， 管理效率可提高20% 当前发达国家的大型化工、石化公司几乎都处在对 CIPS的实施、研究阶段 国内的一些企业联合着高校和科学院所正在积极开展 CIPS的建设，如齐鲁石化胜利炼油厂、沧州大化 集团、大庆石化总厂等
稳态模拟系统的发展
第一代（50--60年代）
美国Kellogg公司的FLEXIBLE FLOWSHEET， 美国Houston大学开发的CHESS（Chemical Engineering Simulation System ）
第二代（70年代）
美国Monsanto公司开发的FLOWTRAN 美国Braun公司开发的PF10（Process Flow） 日 本 千 代 田 工 程 公 司 开 发 的 CAPES （ Computer Aided Process Engineering System）
主要是分析过程系统的运行机制、影响因 素、过程模型的数学描述、目标函数的建 立、优惠工况下的最佳操作参数 目标是使决择方案，技术上先进、可行， 经济上优越、合理
对于操作工况的分析也就是通常说的生产 操作调优
化工过程系统的合成
包括：反应路径合成；换热网络合成；分 离序列合成；过程控制系统合成； 解决由各个单元过程合成总体过程系统的 任务 由于化工过程系统的复杂性，这类优化问 题常是具有非线性、奇异、有约束、多极 值等现象，近年来出现的模拟退火法和进 化算法
A B
反应
B+C
精馏
C B
E
C+D
反应
分离
C
D
过
程
客观事物从一个状态到另一个状态 的转移。 在工艺生产上，对物料流进行物理 或化学的加工工艺称作过程工艺。
化工过程 冶金过程 石油炼制过程 医药生产过程
化工过程是以天然物料为原料经过 物理或化学的加工制成产品的过程。
原料制备 化学反应 产品分离
Computer Integrated Process System
化工、石化企业,特别是一些特种化学品、精细化工 产品的生产企业，要求新产品开发周期短、上市 快;并要求生产工艺装备是具有适应多种产品的柔 性系统 以CIPS的概念和方法组织过程生产企业的运作环节， 包括生产控制、调度、管理、经营决策、市场分 析、新产品设计及研究开发，直到销售和售后服 务、用户意见反馈等，形成以市场驱动、全局优 化的企业系统，收到了显著的经济效益
DCS的发展前景
向扩大应用覆盖面方向发展 向管控一体化方向发展
产品向开放化和标准化方向发展
向现场总线技术发展
化工过程的分析与合成
60年代初，在化学工程、系统工程、运筹学、数 值计算方法、过程控制论等学科边缘，产生 了过程系统工程，也称化工过程系统工程
任务:以系统工程的思想、方法，解决化工过程系 统的设计、开发、操作、控制等问题，── 系统工程的分析与合成 实施化工过程分析、合成的手段是运算描述过程 系统的数学模型，这种模型的运算称作化工 过程系统模拟
人工智能的发展和应用
• 基于Data Mining 技术，发现人所不能发 现或者忽略的现象 • Beer & Diaper • 弹子机 • Science Fiction: 终结者
人工智能技术 宏观模拟从人在思维时的 微观模拟是从人脑的生理 心理活动出发。分析、 结 构 出 发 ， 模 拟 人脑 在 思 维 过程 中 的 生理 研 究 人 是如 何 运 用知 活 动 ， 从而 得 出 和人 识 、 逻 辑而 解 释 问题 脑 思 维 过程 相 一 致的 的 ， 从 而掌 握 人 脑的 结果 逻辑思维规律 这种模拟包括建立神经元 运用计算机模拟这个过程， （ 脑 细 胞 ） 模 型 ， 以 及 它 们 相互 间 传 递信 选 出 与 人的 思 维 过程 息 的 网 络结 构 模 型 。 相 一 致 的结 果 ， 这就 这就是人工神经网络 是专家系统
• 合成反应：合成氨、合成甲醇等的反应过程； • 氧化反应：萘氧化制苯酐、乙烯氧化制环氧乙烯 等的反应过程；
• 脱氢反应：乙苯脱氢制苯乙烯的反应过程；
• 裂化反应：重质油催化裂化制轻质油的反应过程； • 烷基化反应：乙烯与苯的烷基化制乙苯的反应过 程； • 加氢裂化反应：正庚烷加氢裂化制丙烷和丁烷的 反应过程
绪
1.1 化工过程
论
1.2 化工过程生产操作控制 1.3 化工过程的分析与合成 1.4 化工过程模拟系统 1.5 化工企业CIPS技术 1.6 人工智能技术在化工过程中的应用 1.7 本教材的目的与内容
课程背景
• 二战后，化工高等教育出现了两大流派和倾向。 • 西方发达国家，随着化工热力学、传递过程原 理、反应工程与化工系统工程知识的系统化、 理论化，突出了化学工程科学分类知识的教育， 对工程师面对的实际问题反而注意不够
化学的单元过程包括
合成、氧化、加氢、裂解、电解质溶液反应等
单元过程由被处理的物 料流联接起来，构成化工过 程生产工艺流程
• 化学反应过程 • 换热过程 • 分离过程
化学反应过程
──化工过程的核心部分
• • • • • 催化反应过程 热裂解反应过程 电解质溶液离子反应过程 生wenku.baidu.com反应过程 …...
催化反应过程
• 在前苏联和东欧各国，则出现了专业划分过细， 所培养的高级人才缺乏生命力的落后局面。
• 在我国，一方面由于受前苏联的影响，专业划 分过细，人才适应能力差的问题早已暴露无遗； • 另一方面，化学工程专业又因循西方的模式， 过分强调学科性，忽视化学工程与技术问题的 综合性与实践性。
• 工程师的基本任务和能力就是综合，工 程师的创造性也主要通过综合来体现。
优点：
计算机用于化工过程控 制，可以把各个控制回 路的运算、控制、显示 都集中于计算机来实现
这种集中控制可以大大 的节省硬件成本，便于 同时分析各个控制回路 的信息，为实现全系统 的优化控制提供了条件
缺点：
一旦发生计算机故障则将 出现全控制系统瘫痪的危 险
70年代--Distributed Control System
分析
合成
综合是在思想中把事物的 分析是在思想中把事物 分解为各个属性，部分， 各个属性，部分，方面结 合起来 方面
两者彼此相反而又相互联系 分析与综合贯穿于思维的整个过程 只有对事物内部矛盾的各个方面进行具体分析， 再综合起来把握其矛盾的总体，才能真正深 入到事物的本质，把握事物发展的规律
化工过程系统的分析
随着化工装置规模的增大，被控对象参数，控 制回路的增多，为了满足对工业控制计算机应 具备高度可靠性和灵活性的要求 把计算机技术、控制技术、通讯技术、图像显 示技术等集成为一体化的计算机控制系统
集散系统吸取了分散系统和集中系统两者的优 点
集散系统（DCS）的优点
• 集：管理、操作、CRT三方面的集中 • 散：功能分散、负荷分散和危险分散
第二代（70--80年代）
美国的鲁姆斯公司将动态模拟技术用于进行系统可行性分析、先进控制 系统方案设计 日本的一些大型化工建设工程公司将动态模拟技术用于进行新建大型化 工厂工艺及控制系统的设计
第三代（1981）
由动态模拟技术衍生出用于培训工人的模拟培训器（Simulation Control Co., Autodynamics Co., Atlantic Simulation Inc）
化工过程生产操作控制
• 化工过程生产操作工况的调节，主要 是对物料流温度、压力、流量、液位、 组成等操作参数的调节
早期过程控制技术（40-50年代）
• 特点：采用基地式控制仪表实施单输 入、单输出的简单回路控制
• 控制目标：保持生产工况平稳
• 出现了单元组合式控制仪表，从简单 控制回路发展了串级、前馈补偿等控 制系统
化工过程模拟系统
本世纪初期，由实验室到中间厂逐级放大的经 验办法 30年代，以相似论为基础得出准数方程的办法。 建立数学模型的模拟放大法 50年代后期，数学模拟。基本上解决了大部分 单元过程的开发放大问题
化工流程稳态模拟系统
特点：模型中不包括时间参数，即把过程中的各 种因素都看成是不随时间而变化的 在大规模连续化的工艺流程中，稳态是不存在的 稳态模拟是对动态过程到达平稳状态的一种简化 处理，这种处理是很必要的
Computer Integrated Manufacturing System
1974 年 美 国 Joseph Harrington 博 士 在 《Computer Integrated Manufacturing》一 书中首次提出 通过计算机硬、软件综合运用现代管理技术、 制造技术、信息技术、自动化技术、系 统工程技术，将企业生产中有关的人、 技术、经营管理三要素及其信息流、物 质流有机集成为实施优化运作的大系统
人工技术在化工过程中的应用
各种化工过程系统基本上都可用数学模型描述。 但由于实际化工过程的复杂性，还有许多现象具有离 散的、非数值的、模糊的、不确定的特性，对 这类对象建立数学模型非常困难 一般：由技术专家凭籍他们的专业技术和经验来解决。 缺点：对不同的专家，解决办法可能有差异
人工智能技术的引用，为解决这类问题辟出了新径
热裂解反应过程
• 煤干馏生成焦碳、煤焦油、焦炉煤气的反应过程； • 轻油裂解制乙烯的反应过程 电解质溶液反应过程 各种无机盐生产以及氨碱法制碱的反应过程 生物化学反应过程 发酵法生产氨基酸、有机醇、酮等的反应过程
换热过程
• 换热器与换热物流构成了换热网络 • 合理的设计，能充分回收过程系统中的热量 或冷量
化工企业CIPS技术
化工过程分析与合成的任务是以高产、优质、低 耗为目标，寻求工艺生产中的设备、流程的 合理配置方案以及最优生产工况的操作
在生产实践中人们认识到，寻求化工过程优惠工 况依据不仅来自工艺过程本身，而必须遵循 的根本性依据是企业的经营决策 为实现企业最佳经营、生产决策的手段是当代的 CIMS技术
Enterprise Resource Planning
• 企业拥有卓越的销售人员，但生产线上的工人 却无法如期交货，车间管理人员则抱怨说采购 部门没有及时供应他们所需要的原料； • 采购部门的效率过高，仓库里囤积的某些材料 10年都用不完，仓库库位饱和，资金周转很慢；
• Manufacturing Resources Planning • 未来两年我国ERP产品市场达一百亿元。

优点：

缺点：
特点为各个控制回 路都是相互独立的
当某一控制回路出 现故障时，不致影 响其他回路的正常 工作，系统的可靠 性易于得到保障
对于规模范围较大 被控参数较多的对 象来说，较多的控 制回路需要相应设 置较多的硬件。
分散控制，难于实 现总体优化的控制 方案。
60年代
化工过程向着大型化、连续化发展 要求检测、控制的生产操作参数数量很 多，并需要更优良的控制质量 计算机应用迅速的渗入各个领域，过程 控制也开始了应用计算机的尝试
• 克服了分散系统难于实现全局系统控 制的缺点 • 克服了集中系统的危险集中
DCS的产品 美国Honeywell公司的TDC-3000 Foxboro公司的SPECTRUM Fisher公司的PROVOX Bailey公司的NETWORK90 Taylor公司的MOD-300 日本横河公司的CENTUM
第三代（1981）
ASPEN(Advanced System of Process Engineering)
化工流程动态模拟系统
许多的动态过程不允许简化处理为稳态过程 间歇过程：装料、开车、反应、停车、卸料 连续过程：开车、停车、事故处理
动态模拟系统的发展
第一代（70年代）
1969年加拿大McMaster大学开发的DYNSYS 美国杜邦公司开发的DYFLO 美国Michigan大学开发了DYSCO 日本千代田化工建设公司开发了DOPL