化工过程系统工程概论.ppt

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1、1系统与系统工程系统与系统工程2化工过程系统工程化工过程系统工程3数学模拟的优点与限制数学模拟的优点与限制4流程结构的图形表示流程结构的图形表示5流程结构的矩阵表示流程结构的矩阵表示6流程模拟系统流程模拟系统化工过程系统工程概化工过程系统工程概论论第一次飞跃第一次飞跃第一次飞跃第一次飞跃:廿世纪廿世纪20年代，从各种各样化工生产工艺中找年代，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，抽象出出了组成它们的共同的基本单元，抽象出“单元操作单元操作单元操作单元操作”的概的概念，从而奠定了化学工程的基础；念，从而奠定了化学工程的基础；第二次飞跃第二次飞跃第二次飞跃第二次飞跃:廿世纪廿世纪

2、50年代，从年代，从“单元操作单元操作”中又进一步归中又进一步归纳出其中共同的基本规律，进而提出了纳出其中共同的基本规律，进而提出了“传递过程传递过程传递过程传递过程”的概念；的概念；第三次飞跃第三次飞跃第三次飞跃第三次飞跃:廿世纪廿世纪50年代以后，是将各种单元操作所组成年代以后，是将各种单元操作所组成的的化工系统化工系统化工系统化工系统作为一个整体进行研究。作为一个整体进行研究。引言：化工生产认识上的三次飞跃引言：化工生产认识上的三次飞跃 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新产品、新过程的开发加快与工业放大技

3、术落后之间的矛盾尖锐化新产品、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；开发周期；开发周期；开发周期

4、；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理理理设计设计设计设计时，就时，就时，就时，就不能把单个装置孤立不能把单个装置孤立不能把单个装置孤立不能把单个装置孤立起来，而必须要整个地起来，而必须要整个地起来，而必须要整个地起来，而必须要整个地作为一个系作为一个系作为一个系作为一个系统统统统来进行研究，分析其整体特性；装置规模的日益大型化对设计提出来进行研究，分析其整体特性；装置规模的日益大型化对设

5、计提出来进行研究，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了更高的要求，即要求做到大型系统的了更高的要求，即要求做到大型系统的了更高的要求，即要求做到大型系统的整体最优化设计整体最优化设计整体最优化设计整体最优化设计，这样可大幅，这样可大幅，这样可大幅，这样可大幅度节省投资费用和操作费用。度节省投资费用和操作费用。度节省投资费用和操作费用。度节省投资费用和操作费用。化工过程系统工程产生的化工过程系统工程产生的必要性必要性：生产的发展生产的发展化学工程：化学工程：对过程的机理了解比较清楚；对过程的机

6、理了解比较清楚；计算数学：计算数学：复杂问题在计算机上顺利求解；复杂问题在计算机上顺利求解；运筹学运筹学及后来的及后来的系统工程学科：系统工程学科：分析大规模系统的手段；分析大规模系统的手段；控制论学科：控制论学科：从过程控制的角度，运用系统工程方法来研从过程控制的角度，运用系统工程方法来研究整体控制性能；究整体控制性能；计算机技术：计算机技术：为化工过程分析和顺利而高效地进行过程设为化工过程分析和顺利而高效地进行过程设计提供了基础；计提供了基础；等等等等。化工过程系统工程产生的化工过程系统工程产生的可能性可能性：临近学科的发展临近学科的发展 将将系系统统工工程程的的思思想想和和方方法法应应用

7、用于于化化工工过过程程，即即称为称为化工过程系统工程化工过程系统工程。化化工工过过程程系系统统模模拟拟与与分分析析是是化化工工过过程程系系统统工工程程的重要组成部分，是其研究的基础与主要内容。的重要组成部分，是其研究的基础与主要内容。1系统与系统工程系统与系统工程v系统系统”这一概念的来源？这一概念的来源？v传统的分析方法与系统工程学的分析方法的区别？传统的分析方法与系统工程学的分析方法的区别？v“系统工程系统工程”的对象是什么？的对象是什么？v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？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？正正像像科科学学与与其其它它领领域域中中的的每

8、每一一个个新新的的观观念念一一样样，系系统统的的概概念念也也有有一一段段漫漫长长的历史的历史。“系系统统”概概念念，来来源源于于人人类类的的长长期期社社会会实实践践，但但由由于于受受到到早早年年科科学学技技术术发发展展水水平平的的限限制制，一一直直没没有有受受到到应应有有的的重重视视。直直到到廿廿世世纪纪40年年代代美美国国才才开开始始在在工工程程设设计计中中应应用用“系系统统”这这一一概概念念，到到了了50年年代代以以后后“系系统统”这这一一概概念念逐逐步步明明确化、具体化，并在工程技术系统的研究和管理中广泛应用。确化、具体化，并在工程技术系统的研究和管理中广泛应用。系系统统工工程程学学：把

9、把所所研研究究的的对对象象当当作作一一个个整整体体来来研研究究，也也即即把把一一个个研研究究的的对对象象看看作作一一个个系系统统，从从系系统统整整体体出出发发去去研研究究系系统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。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综合研究的方法，即是系统工程研究方法。传传统统的的分分析析方方法法：往往往往把把一一个个事事物物分分解解成成许许多多独独立立的的部部分分，把把问问题题分分得得很很细细，然然后后分分别别进进行行深深入入研研究究。由由于于这这样样的的研研究究方方法法往往往往容容易易把把事事物物看看成成是是

10、孤孤立立的的、静静止止的的，因因此此得得出出的的结结论论往往往往被被限限制制在在一一个个局局部部的的条条件件下下，如如果果扩扩大大到到更更大大的的范范围围来来考考察察，那那么么整整体体的的结结论论就可能是片面的、甚至是错误的。就可能是片面的、甚至是错误的。一般系统论：一般系统论：美籍奥地利生物学家贝塔朗菲）创立的一门逻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，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、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

11、合系统或子系统的模式、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。原则和规律。后后来来又又发发展展成成为为试试图图包包括括一一般般系系统统论论、控控制制论论、自自动动机机理理论论、信信息息论论、集集合合论论、图图论论、网网络络理理论论、系系统统数数学学、对对策策论论、判判定论、计算数学、模拟定论、计算数学、模拟的理论和方法，统称为的理论和方法，统称为系统论系统论。它活跃于国际学术界，已成为科学哲学流派之一。它活跃于国际学术界，已成为科学哲学流派之一。系统工程与其它工程学不同，不限于某个领域，不限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，被认为是一种于物质系

12、统，被认为是一种“软科学软科学”。作为一门工程技术，是在作为一门工程技术，是在运筹学运筹学、控制论控制论、计算机技术计算机技术、工程设计工程设计、管理科学等管理科学等学科的基础上发展起来的。学科的基础上发展起来的。系统工程对系统整体的协调与优化过程可用系统工程对系统整体的协调与优化过程可用图图图图表示。表示。电子计算机电子计算机分析分析制造制造设计设计服务服务构成要素构成要素组织结构组织结构信息交换信息交换反馈控制反馈控制局部利益局部利益整体利益整体利益系统综合系统综合最优化最优化协调协调配合配合最优设计最优设计控制控制管理管理生产生产科研科研经济活动经济活动构构成成系系统统功能功能利益利益系

13、系统统思思想想、理理论论、方法、策略、手段方法、策略、手段系统整体的协调与优化过程系统整体的协调与优化过程系统整体的协调与优化过程系统整体的协调与优化过程 工程学的方法论，以研究大系统为对象的一门边缘学科。工程学的方法论，以研究大系统为对象的一门边缘学科。将将自自然然科科学学和和社社会会科科学学中中的的某某些些思思想想、理理论论、方方法法、策策略略和和手手段段等等根根据据总总体体协协调调的的需需要要有有机机地地联联系系起起来来，把把生生产产、科科研研、经经济活动等有效地组织起来。济活动等有效地组织起来。用用数数学学方方法法和和计计算算机机等等工工具具，对对系系统统的的构构成成要要素素、组组织织

14、结结构构、信息交换、反馈控制等功能进行分析、设计、制造和服务。信息交换、反馈控制等功能进行分析、设计、制造和服务。从从而而达达到到最最优优设设计计、控控制制、管管理理，使使局局部部和和整整体体之之间间的的关关系系协协调配合，以实现系统的综合最优化。调配合，以实现系统的综合最优化。“系统工程系统工程”化化学学工工程程学学的的一一个个分分支支，是是将将系系统统工工程程学学的的理理论论和和方方法法应应用用于于化化工过程领域的一门新兴的边缘学科。工过程领域的一门新兴的边缘学科。所所涉涉及及的的学学科科有有：化化学学工工程程、系系统统工工程程、运运筹筹学学、控控制制论论、计计算算机科学、计算数学、人工智

15、能等。机科学、计算数学、人工智能等。基基本本内内容容:是是从从化化工工系系统统的的整整体体目目标标出出发发，根根据据系系统统内内部部各各个个组组成成部部分分的的特特性性及及其其相相互互关关系系，确确定定化化工工系系统统在在规规划划、设设计计、控控制制和和管理等方面的最优策略管理等方面的最优策略。包包括括:过过程程系系统统模模拟拟与与分分析析、过过程程系系统统综综合合、过过程程系系统统控控制制与与操操作作、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。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。2 2 化工过程系统工程化工过程系统工程 廿世纪廿世纪60年代年代是化工过程系统

16、工程产生和发展的是化工过程系统工程产生和发展的理论准备时期理论准备时期，代表性的研，代表性的研究者有美国的究者有美国的Rudd和和Watson（1968），），Himmelblau和和Bischoff（1968），日），日本的矢木荣和西村肇（本的矢木荣和西村肇（1969），苏联的），苏联的（1971）等，他们的论著阐）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。述了化工过程系统工程的研究方法和内容。廿世纪廿世纪70年代年代是化工过程系统工程走上是化工过程系统工程走上实用的时期实用的时期。随着计算机应用的普及，。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

17、流程通用模拟系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。统，并对过程生产实现计算机控制，取得显著经济效益。廿世纪廿世纪80年代年代是化工过程系统工程是化工过程系统工程普及推广的时代普及推广的时代，不仅在化工、石油、石，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

18、科在理论、方法和内容方面也在不断完善和发展，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。之一。我国从廿世纪我国从廿世纪70年代开始介绍这门新学科。廿世纪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年代开始这一学科发展很快。很快。化工过程系统工程的产生和发展化工过程系统工程的产生和发展v过过程程开开发发（又又称称为为规规划划决决策策阶阶段段），主主要要完完成成可可行行性性研研究究，提提出出可行性研究报告可行性研究报告；v科研阶

19、段科研阶段，建立数学模型建立数学模型，描述过程对象的规律性与特点。，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；济评价进一步进行可行性研究；v技术开发阶段技术开发阶段，通过中试（或小试）与系统模拟相结合，寻，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中试的实验数据来的实验数据来修正模型修正模型；化工过程系统工程研究的目的和任务化工过程系统工程研究的目的和任务v设计设计化

20、工过程系统工程的主要任务是化工过程系统工程的主要任务是CAD，即计算机辅助设计即计算机辅助设计（ComputerAidedDesign），），仍以化工过程系统模拟为基础。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，而求，长期以来是凭工程师的经验完成的，而“过程综合过程综合”则将化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。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。v生产生产投产之前研制模拟培训系统，对操作人员进行培训。投产之后对投产之前

21、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，指导控制系统结合起来，指导生产操作生产操作。v扩产改造扩产改造对现有装置进行模拟与分析，寻找薄弱环节，提出对现有装置进行模拟与分析，寻找薄弱环节，提出改造方案改造方案。v一般含义上的模拟：借助于一个系统或过程的性能，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。对另一个系统或过程的性能作出模仿性的演示。v物理模拟：用试验水槽里的船舶模型来研究船舶的性能；物理模拟：用试验水槽里的

22、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。用风洞中的飞机模型来研究飞机的性能。v数学模拟：把要加以研究讨论的系统或过程的性能用一数学模拟：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。算手段去对数学模型进行求解，从而达到研究的目的。vv化工过程系统模拟与分析化工过程系统模拟与分析化工过程系统模拟与分析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。

23、加以体现、试验和分析。2.1化工过程系统模拟与分析化工过程系统模拟与分析 计算机模拟计算机模拟二次世界大战期间二次世界大战期间分子动力学模拟分子动力学模拟数数学学模模型型或或描描述述模模型型是是指指借借助助有有关关概概念念、变变量量、规规则则、逻逻辑辑关关系系、数学表达式、图形和表格等对系统的一般描述。数学表达式、图形和表格等对系统的一般描述。把把这这种种模模型型转转换换成成计计算算机机上上可可执执行行的的程程序序，并并给给出出系系统统参参数数、初初始始状状态态和和环环境境条条件件等等输输入入数数据据后后，便便在在计计算算机机上上进进行行运运算算，得得出出结结果果，并并提提供供各各种种直直观观

24、形形式式的的输输出出，还还可可根根据据对对结结果果的的分分析析改改变变有有关关参参数数或或系系统统模模型型的的部部分分结结构构，重重新新进进行行运运算算，了了解解在在各各种种不不同条件下系统的行为和性能。同条件下系统的行为和性能。具具体体地地说说，是是将将系系统统逐逐级级分分解解成成一一系系列列子子系系统统，根根据据系系统统分分解解原原理理确确定定系系统统的的解解算算方方法法及及解解算算顺顺序序；建建立立单单元元数数学学模模型型，进进行行系系统统的的稳稳态态模模拟拟计计算算，乃乃至至动动态态特特性性分分析析；计计算算系系统统的的可可靠靠性性与与灵灵敏度，进行设备设计及成本核算等。敏度，进行设备

25、设计及成本核算等。数学模型数学模型数学模型的基本类型数学模型的基本类型(1)按数学模型的建立方法分按数学模型的建立方法分类类(2)按对象的时态本质分类按对象的时态本质分类(3)按过程对象的数学描述方法分类按过程对象的数学描述方法分类(4)按过程对象的属性分类按过程对象的属性分类数数学学模模型型理论模型理论模型经验模型经验模型稳态模型稳态模型动态模型动态模型集中参数模型集中参数模型分布参数模型分布参数模型确定性模型确定性模型随机性模型随机性模型模糊性模型模糊性模型用用于于化化工工过过程程系系统统模模拟拟与与分分析析的的应应用用软软件件称称为为化化工工模模拟拟系统系统，它是过程综合的重要手段，也是

26、过程综合的基础。，它是过程综合的重要手段，也是过程综合的基础。要要对对化化工工过过程程系系统统进进行行模模拟拟与与分分析析，必必须须首首先先要要有有工工作作平平台台，即即性性能能可可靠靠的的系系统统模模拟拟软软件件，该该软软件件中中要要包包含含许许多多过过程程单单元元操操作作的的数数学学模模型型，开开发发这这样样的的系系统统软软件件的的工工作作量量很很大大，也也是是过过程程模模拟拟与与分分析析的的基基本本和和中中心心工工作作，其其基本步骤见基本步骤见图图。化工模拟系统化工模拟系统计算结果分析计算结果分析与实际数据不符与实际数据不符返返回回各各环环节节明确任务和研究对象明确任务和研究对象对象的过

27、程机理分析对象的过程机理分析数据准备数据准备模型建立模型建立选择数值计算方法选择数值计算方法程序编制，上机调试程序编制，上机调试模型检验模型检验确定模型确定模型模拟分析模拟分析符合符合化化工工过过程程系系统统模模拟拟与与分分析析步步骤骤考虑模拟对象所要求的特性与时间的关系考虑模拟对象所要求的特性与时间的关系过程模拟过程模拟稳态模拟稳态模拟动态模拟动态模拟在在化化工工过过程程系系统统工工程程中中，化化工工过过程程系系统统模模拟拟与与分分析析是是基基础础，而而且且实实用用化化程程度度最最高高，无无论论从从学学科科发发展展还还是是从从对对国国民民经经济济发发展展的的作作用用角度上看，该专题都占有中心

28、地位。角度上看，该专题都占有中心地位。化工过程系统工程化工过程系统工程化工过程系统化工过程系统模拟与分析模拟与分析（1）稳态过程系统模拟）稳态过程系统模拟稳稳态态模模拟拟是是化化工工过过程程流流程程模模拟拟研研究究中中开开发发最最早早、应应用用最最普普遍遍的的重重要要技技术术，包包括括物料与能量衡算、设备尺寸与费用计算、过程的技术经济评价等。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。稳稳态态流流程程模模拟拟系系统统分分为为专专用用系系统统和和通通用用系系统统两两大大类类。专专用用流流程程模模拟拟系系统统是是针针对对某某一一具具体体过过程程开开发发的的，模模拟拟计计算算效效率率高

29、高，结结果果准准确确。通通用用流流程程模模拟拟系系统统具具有有柔柔性结构，可用于各种工艺过程。性结构，可用于各种工艺过程。一一般般商商品品化化的的流流程程模模拟拟系系统统由由以以下下几几部部分分组组成成：输输入入、输输出出系系统统；单单元元操操作作模模块库；物性数据库；数值解算模块库；执行系统。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目前，国际上最有名的通用流程模拟软件是麻省理工学院(MassachusettsInstituteofTechnology)开发的开发的ASPEN软件软件:AdvancedSystemforProcessEngi

30、neering国内模拟软件：青岛化工学院的国内模拟软件：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（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：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：MicroSAPROSS （2 2）动态过程系统模拟）动态过程系统模拟 比稳态过程系统模拟晚比稳态过程系统模拟晚1010年左右。年左右。了解装置经受动态负荷变化的能力及可操作性；了解装置经受动态负荷变化的能力及可操作性；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分析开、停车及外部干扰作用下的动态性能，为装置及其

31、控制系统的 设计提供依据；设计提供依据；通过通过仿真仿真计算，在多种控制方案中进行优选；计算，在多种控制方案中进行优选；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；操作人员培训器；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。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化工过程系统综合化工过程系统综合 多目标最优组合问题，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。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指：按

32、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。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：研究的主要课题有：（1 1）反应路径的综合；）反应路径的综合；（2 2）换热器网络的综合；）换热器网络的综合；（3 3）分离序列的综合；）分离序列的综合；（4 4）反应器网络的综合；）反应器网络的综合；（5 5）全流程的综合；）全流程的综合；（6 6）公用工程系统的综合；）公用工程系统的综合；（7 7）全过程系统能量优化综合。）全过程系统能量优化综合。2.3 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化工过程系统的操作与控制研究的

33、课题主要有：化工过程系统的操作与控制研究的课题主要有：（1 1）数据的筛选与校正；）数据的筛选与校正；（2 2）过程操作最优化；）过程操作最优化；（3 3）过程监控与故障诊断；）过程监控与故障诊断；（4 4）操作模拟仿真培训系统。）操作模拟仿真培训系统。2.4 2.4 间歇化工过程系统的设计与操作优化间歇化工过程系统的设计与操作优化英帝国化学公司在英帝国化学公司在19831983年组建了专门的研究组，推出了间歇年组建了专门的研究组，推出了间歇过程设计与操作优化软件过程设计与操作优化软件 Batch MASTER Batch MASTER和和Beyond MASTERBeyond MASTER，

34、可帮助工程师迅速可帮助工程师迅速将实验室中的将实验室中的“配方配方”放大为工厂设备序放大为工厂设备序列及操作时间表。列及操作时间表。我国的研究工作始于廿世纪我国的研究工作始于廿世纪8080年代，天津大学等单位在单产年代，天津大学等单位在单产品间歇过程最优设计及多产品间歇过程最优操作时间表方面品间歇过程最优设计及多产品间歇过程最优操作时间表方面做了大量研究工作。做了大量研究工作。2.5人工智能技术在化工系统中的应用人工智能技术在化工系统中的应用人工智能的基本问题：知识的获取、知识的表达和知识的处理。人工智能的基本问题：知识的获取、知识的表达和知识的处理。其中其中专家系统专家系统取得的进展最大、应

35、用最广，它是一种基于知识取得的进展最大、应用最广，它是一种基于知识的、用来解决过程综合和过程开发问题的计算机软件，对所面的、用来解决过程综合和过程开发问题的计算机软件，对所面临的复杂问题作出专家水平的结论，也可称为临的复杂问题作出专家水平的结论，也可称为“计算机辅助过计算机辅助过程综合系统程综合系统”。专家系统主要用于推理而不是计算，并具备学习功能。主要解专家系统主要用于推理而不是计算，并具备学习功能。主要解决这样一类的问题：例如在特定的条件下选择什么样的过程系决这样一类的问题：例如在特定的条件下选择什么样的过程系统结构和过程单元，以构造满足要求的过程系统等。统结构和过程单元，以构造满足要求的

36、过程系统等。专家系统结构示意图专家系统结构示意图用用户户用户接口用户接口数据库数据库知识库知识库推理机推理机o推推推推理理理理机机机机主主要要利利用用推推理理规规则则实实现推理过程；现推理过程；o数数数数据据据据库库库库用用于于存存储储事事实实（指指的的是是广广泛泛共共有有的的知知识识）以以及及通通过过与用户对话得到的信息；与用户对话得到的信息；o知知知知识识识识库库库库存存储储专专家家的的经经验验（即即探试性知识或推理规则）。探试性知识或推理规则）。人工神经网络人工神经网络人工神经网络人工神经网络大大规规模模、并并行行、分分布布式式的的处处理理系系统统，具具有有很很强强的的自自适适应应性性和

37、和自自学学习习功功能能。按按其其网网络络的的拓拓扑扑结结构构可可分分为为两两大大类类：无无反反馈馈神神经经网网络络（典典型型的的为为BP网网络络）和和反反馈馈神神经经网网络络（典典型型的的为为Hopfield网网络络）。两两类类网网络络对对应应两两种种算算法法：BP算算法法（误误差差回回传传算算法法）和和Hop-field算法。算法。人人工工神神经经网网络络模模型型是是以以现现场场数数据据或或过过程程模模拟拟计计算算结结果果为为学学习样本，通过培训（即训练）而建立起来的。习样本，通过培训（即训练）而建立起来的。目前，目前，人工神经网络模型在化工中的应用很多，例如：过程模人工神经网络模型在化工中

38、的应用很多，例如：过程模拟、成分分析、控制算法、模式识别、故障诊断、过程优化等。拟、成分分析、控制算法、模式识别、故障诊断、过程优化等。（1）经经济济：相相对对于于各各种种规规模模的的试试验验装装置置来来说说，采采用用数数学学模模型型在在计计算算机机上上进进行行试验，显然投资要少得多，而且更迅速。试验，显然投资要少得多，而且更迅速。（2）适适用用性性广广：可可以以模模拟拟各各种种条条件件，可可以以在在各各种种条条件件下下进进行行模模拟拟计计算算，以以获获得过程的性能信息。得过程的性能信息。（3）互互换换性性强强：可可以以将将各各种种新新的的因因素素（包包括括新新的的单单元元操操作作）加加在在系

39、系统统中中，替替换旧的因素，加以模拟考核，提供方案的比较，或验证某些假设可否成立。换旧的因素，加以模拟考核，提供方案的比较，或验证某些假设可否成立。（4）信信息息详详尽尽：可可以以最最大大限限度度地地将将生生产产过过程程的的有有关关基基础础资资料料和和数数据据关关联联起起来来，加工出这一系统的完备的技术资料。加工出这一系统的完备的技术资料。（5）加加大大放放大大倍倍数数：可可以以缩缩短短放放大大试试验验的的进进程程，减减少少中中间间环环节节，大大大大缩缩减减新新产产品品、新新工工艺艺投投产产的的放放大大周周期期（平平均均由由8年年以以上上降降为为3年年左左右右）。如如果果放放大大倍倍数小，则需

40、要放大的级数增多，用于过程研究的时间就长，开发周期也长。数小，则需要放大的级数增多，用于过程研究的时间就长，开发周期也长。3 3 数学模拟的优点与限制数学模拟的优点与限制3.1数学模拟的优点数学模拟的优点利利用用数数学学模模拟拟的的手手段段能能够够最最大大限限度度地地利利用用大大量量的的理理论论研研究究成成果果来来分分析析复复杂杂的的实实际际过过程程系系统统。例例如如，甲甲苯苯歧歧化化反反应应器器由由实实验验室室数数据据直直接接放放大大到到生生产产设设备备，放大倍数达到放大倍数达到6000倍；丙烯二聚反应器的放大倍数达到倍；丙烯二聚反应器的放大倍数达到17000倍。倍。兰兰州州石石化化设设计计

41、院院、大大连连理理工工大大学学化化工工学学院院与与华华东东理理工工大大学学共共同同开开发发完完成成了了合合成成氨氨流流程程专专用用模模拟拟系系统统：MicroSAPROSSI、II版版，其其中中有有的的已已达达到到国国际际先先进水平。进水平。大大连连理理工工大大学学化化工工学学院院以以MicroSAPROSSII中中所所开开发发的的RPS为为系系统统分分析析平平台台，研研制制开开发发了了两两项项关关于于低低温温甲甲醇醇洗洗工工艺艺的的专专利利技技术术，经经与与兰兰州州石石化化设设计计院院合合作作，现现已已完完成成了了专专利利技技术术工工艺艺软软件件包包与与低低温温甲甲醇醇洗洗工工艺艺扩扩产产1

42、0%工工艺艺软软件件包包的的研研制制任任务务。此此外外，我我国国某某有有机机合合成成厂厂于于廿廿世世纪纪70年年代代引引进进了了西西德德年年产产10万万吨吨乙乙烯烯水水合合乙乙醇醇装装置置，在在技技术术消消化化、吸吸收收的的基基础础上上，进进行行了了不不少少改改进进，取取得得了了明明显显效效果果，但但能能耗耗仍仍然然很很高高，大大连连理理工工大大学学化化工工学学院院就就此此装装置置应应用用全全系统系统“能量集成策略能量集成策略”，实现了生产装置的能量优化综合。，实现了生产装置的能量优化综合。（1 1 1 1）数数数数学学学学模模模模型型型型的的的的适适适适用用用用范范范范围围围围：不不能能将将

43、数数学学模模型型推推广广应应用用到到模模型型建建立立时时的的假假设设前提之外，或是超出变量允许的适用范围。前提之外，或是超出变量允许的适用范围。（2 2 2 2）数数数数据据据据的的的的准准准准确确确确性性性性：建建立立数数学学模模型型过过程程中中经经常常遇遇到到的的难难题题是是：如如何何比比较较准准确确地地确确定定模模型型公公式式中中的的各各种种参参数数，如如组组分分之之间间的的交交互互作作用用系系数数、化化学学动动力力学学常常数数、塔塔板板效效率率、传传质质系系数数等等等等。这这些些数数据据的的可可靠靠性性如如何何在在很很大大程程度度上上决决定定了所建数学模型能否真实反应实际工艺过程。了所

44、建数学模型能否真实反应实际工艺过程。（3 3 3 3）数数数数学学学学模模模模型型型型的的的的解解解解算算算算手手手手段段段段：数数学学问问题题在在计计算算机机上上求求解解能能否否得得以以实实现现，显显然然取决于两个因素：数学方法和计算机本身。取决于两个因素：数学方法和计算机本身。（4 4 4 4）理理理理论论论论发发发发展展展展：无无论论是是人人们们对对一一些些过过程程机机理理方方面面的的认认识识深深度度，还还是是化化工工系系统统工工程程有有关关理理论论研研究究的的进进展展程程度度，都都势势必必对对数数学学模模拟拟这这种种方方法法的的应应用用范范围围及及应用效果有决定性的影响。应用效果有决定

45、性的影响。3.2数学模拟的限制因素数学模拟的限制因素4流程结构的图形表示流程结构的图形表示4.1信息流图信息流图（Informationflowdiagram）工艺流程示意图工艺流程示意图 6G8F 混合器混合器反应器反应器压缩机压缩机分割器分割器闪闪蒸蒸罐罐10A31B ED C97245信信信信息息息息流流流流图图图图，又又称称为为信信信信息息息息流流流流程程程程图图图图、结结结结构构构构单单单单元元元元图图图图，重重点点表表示示模拟分析中单元之间的模拟分析中单元之间的信息联系信息联系信息联系信息联系。用方块表示单元，实质上单元起信息转换作用。用方块表示单元，实质上单元起信息转换作用。信息

46、流图信息流图信息流图信息流图A1 B2 C3D4 E5 F987 610G收敛框收敛框 信息流（程）图与工艺流程图的区别：信息流（程）图与工艺流程图的区别：信息流图用方块图表示，不强调设备外型；信息流图用方块图表示，不强调设备外型；流流程程图图中中没没有有的的设设备备在在信信息息流流图图中中有有时时也也需需要要画画出出来来，如分配（割）器、混合器等；如分配（割）器、混合器等；流流程程图图中中有有的的设设备备有有时时可可以以在在信信息息流流图图中中不不画画出出来来，如如在进行物料衡算时，冷却器不需要画出来；在进行物料衡算时，冷却器不需要画出来；模模拟拟时时需需要要作作流流股股断断裂裂（假假定定初

47、初值值），相相当当于于加加一一个个模模块，即收敛框（块）。块，即收敛框（块）。收收敛敛框框的的作作用用是是比比较较计计算算值值与与假假设设值值，并并按按一一定定的的原原则则调调整整假设值。假设值。4.2信号流图（信号流图（Signalflowdiagram）上游节点：输入信号上游节点：输入信号下游节点：输出信号下游节点：输出信号公用工程物流有时可以不关心。公用工程物流有时可以不关心。着眼于信号之间的联系。着眼于信号之间的联系。5流程结构的矩阵表示流程结构的矩阵表示有了信息流之后，各单元设备及各流股已经数字化，有了信息流之后，各单元设备及各流股已经数字化，就能用一定形式的矩阵来表示流程的结构。就

48、能用一定形式的矩阵来表示流程的结构。过程矩阵（过程矩阵（processmatrix）关联矩阵（关联矩阵（occurrencematrix）邻接矩阵（邻接矩阵（adjacencymatrix）5.1过程矩阵（过程矩阵（processmatrix）在过程矩阵中，在过程矩阵中，行代表单元，列代表流股行代表单元，列代表流股，元素代表进出单元的流股号元素代表进出单元的流股号，规定输入为规定输入为“+”，输出为，输出为“-”。有关流股的先后次序是任意的。有关流股的先后次序是任意的。过程矩阵过程矩阵在过程矩阵中只出现一次的流股必为系统总输入或总输出流股，在过程矩阵中只出现一次的流股必为系统总输入或总输出流股

49、，例题中的例题中的“1”，“-8”分别代表流程的输入与输出流股。分别代表流程的输入与输出流股。A110-2B2-3C3-4D4-5E5-6-7F7-8-9G9-105.2关联矩阵（关联矩阵（occurrencematrix）关关联联矩矩阵阵同同样样是是表表示示单单元元与与流流股股之之间间的的关关联联情情况况。在在矩矩阵阵中中，行行表表示示单单元元，列表示流股号列表示流股号。元素表示单元与流股的关联情况元素表示单元与流股的关联情况，输入为，输入为“1”，输出为，输出为“-1”。关联矩阵关联矩阵由由各各列列元元素素值值加加和和所所提提供供的的信信息息，可可判判别别相相应应流流股股是是系系统统内内部

50、部流流股股，还还是是系系统统的的输输入入输输出出流流股股。或或根根据据各各列列元元素素情情况况判判别别：有有两两个个不不为为“0”元元素素的的列列代代表表中中间间流流股股，只只有有一一个个不不为为“0”元元素素的的列列代代表表输输入入输输出出流流股股，如如“1”为为流流程程总总输输入入流流股股，“6”，“8”为为流流程程总总输输出出流流股股。而而如如果果某某列列的的“+1”、“-1”两两个个元元素素排排列列次次序序为为“+1”出出现现在在“-1”之之前前，则则表表示示该该列列流流股股为为再再循循环环流流股股，如如流流股股“10”。12345678910A1-11B1-1C1-1D1-1E1-1