《间歇化工过程》PPT课件.ppt

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1、 6 间歇化工过程间歇化工过程6.1 间歇过程与连续过程6.3 间歇过程的最优时间表间歇化工过程前言前言原料不断地通原料不断地通过过一一组专门设备组专门设备，每台每台设备处设备处于于稳稳态态操作并且只操作并且只执执行一个特定的加行一个特定的加工任工任务务，产产品以品以连续连续流流动动的方式的方式输输出出连续连续离散离散 间间歇歇 最最终产终产品品输输出形式出形式产产品在特定的加品在特定的加工工车间车间生生产产，并，并且以一批一批的且以一批一批的离散方式离散方式输输出。出。原料按规定的加工顺序和操作条件进行加工，产品以有限量方式输出历史 20世世纪纪30年代年代前前 采用间歇操作，采用间歇操作，

2、自动化水平低自动化水平低劳动强度大，产劳动强度大，产品质量不稳定品质量不稳定 80年代年代以来以来商品化学品生产商品化学品生产 专用的功能化学品生专用的功能化学品生产；产；大规模过程大规模过程 小规模的具有弹性的过小规模的具有弹性的过程；程；连续加工连续加工 间歇加工；间歇加工；过去靠价格竞争过去靠价格竞争 现在靠质量竞争；现在靠质量竞争；过去靠投资来推动发展过去靠投资来推动发展 靠信息来推动靠信息来推动发展等等发展等等 目目前前91%91%间歇过程用连续间歇过程用连续过程替代，但大部分过程替代，但大部分仍用间歇操作仍用间歇操作间间歇过程具有灵活多变歇过程具有灵活多变的特性，即用同一套的特性，

3、即用同一套多用途、多功能设备多用途、多功能设备生产多类型产品生产多类型产品间歇化工过程第一节间间歇歇过过程与程与连续过连续过程程间歇化工过程 （非连续化工过程）间间歇歇过过程通常被定程通常被定义为义为“将有限将有限量的物料，按规定的加工顺序，在一量的物料，按规定的加工顺序，在一个或多个设备中加工，以获得有限量个或多个设备中加工，以获得有限量产品的加工过程。如果需要更多的产产品的加工过程。如果需要更多的产品，必须重复该过程。品，必须重复该过程。”间歇化工过程图图6-1 典型典型间间歇化工歇化工过过程程一.间歇化工特点工工业业部部门门操作方式操作方式间间歇歇过过程程/连续过连续过程程/化工化工45

4、455555食品食品65653535医医药药80802020金属金属35356565玻璃及陶瓷玻璃及陶瓷35356565造造纸纸15158585间间歇与歇与连续过连续过程在有关部程在有关部门门的的应应用情况用情况 间间歇歇过过程既不是程既不是连续过连续过程也不是离散程也不是离散过过程。程。但具有但具有连续过连续过程和离散程和离散过过程的特点程的特点！一.间歇化工特点间间歇歇过过程主要特点：程主要特点：技术密集性技术密集性渗透多方面知识渗透多方面知识动态性动态性操作参数随时间不断改变操作参数随时间不断改变多样性多样性原料产品昂贵或便宜：原料产品昂贵或便宜：产品交货日期紧迫或宽裕产品交货日期紧迫或

5、宽裕柔韧性柔韧性多功能生产装置生产多种化学品多功能生产装置生产多种化学品不确定性不确定性有的反应机理复杂面对整个反应过程缺乏了解有的反应机理复杂面对整个反应过程缺乏了解二.间歇过程与连续过程的比较质质 本本 间间歇歇过过程程连续连续过过程程动态特性动态特性操作条件操作条件 及产品质量及产品质量均随时间而变均随时间而变化化稳态操作稳态操作操作条件操作条件及产品质量及产品质量均不会随时间均不会随时间而变化而变化二.间歇过程与连续过程的比较过过程程 加工加工 间间歇歇过过程程连续连续过过程程原料必须按配原料必须按配方规定的加工方规定的加工任务和顺序，任务和顺序，在合适的设备在合适的设备中进行加工中进

6、行加工原料连续加入，原料连续加入，各加工任务同各加工任务同时进行时进行二.间歇过程与连续过程的比较 颈颈 瓶瓶 间间歇歇过过程程连续连续过过程程瓶颈问题随产瓶颈问题随产品及操作策略品及操作策略而改变而改变通过详细的系通过详细的系统分析，可找统分析，可找到瓶颈问题到瓶颈问题二.间歇过程与连续过程的比较备备 设设 间间歇歇过过程程连续连续过过程程设备尺寸的设设备尺寸的设计不是很精确计不是很精确（必须可生产（必须可生产多个产品）多个产品）设备尺寸设备尺寸精确精确二.间歇过程与连续过程的比较系系统统 安全安全 间间歇歇过过程程连续连续过过程程连续过程安全连续过程安全系统不能够应系统不能够应用于间歇过程

7、用于间歇过程降低系统的停降低系统的停车时间，以避车时间，以避免因停车造成免因停车造成经济损失经济损失二.间歇过程与连续过程的比较产产品品 生生产产 间间歇歇过过程程连续连续过过程程为小批量、高为小批量、高附加值的化学附加值的化学品而设计品而设计;一个生产周期一个生产周期只产一批产品只产一批产品为需求量很大为需求量很大的特定产品而的特定产品而设计；设计；原料连续加入，原料连续加入，产品连续产出产品连续产出二.间歇过程与连续过程的比较备备 设设 间间歇歇过过程程连续连续过过程程设备尺寸的设设备尺寸的设计不是很精确计不是很精确（必须可生产（必须可生产多个产品）多个产品）设备尺寸设备尺寸精确精确二.间

8、歇过程与连续过程的比较间歇过程必须对整间歇过程必须对整个生产过程，进行个生产过程，进行有效的排序或进行有效的排序或进行生产时间表安排。生产时间表安排。由于由于间间歇歇过过程的柔程的柔韧韧性和性和弹弹性，它适性，它适合于市合于市场场供求不供求不稳稳定的定的产产品的生品的生产产。排序对连续生产基本排序对连续生产基本无影响；无影响；连续过程则适合于市连续过程则适合于市场供求稳定的产品的场供求稳定的产品的生产。对于市场需求生产。对于市场需求量很大的产品，其初量很大的产品，其初始阶段一般也是用间始阶段一般也是用间歇过程生产的歇过程生产的三.间歇过程的基本概念单纯的间歇设备单纯的间歇设备（TBUTBU）半

9、连续设备半连续设备（SCUSCU）中间存贮设备中间存贮设备（ISIS）1.1.间间歇歇过过程的程的设备设备：三.间歇过程的基本概念2.2.间间歇歇过过程的分程的分类类：*根根据据生生产产产产品品的的数数量量三.间歇过程的基本概念2.2.间间歇歇过过程的分程的分类类：*根根据据生生产产流流程程的的结结构构1.1.间歇过程的操作方式间歇过程的操作方式 间歇设备或间歇级的基本操作顺序是：间歇设备或间歇级的基本操作顺序是：三.间歇过程的基本概念三.间歇过程的基本概念若若间歇歇级j j的循的循环时间等于等于T TL L，则该间歇歇级构成了构成了间歇操作歇操作过程的程的“瓶瓶颈”，因此把它，因此把它称称为

10、“时间限制限制级”。三.间歇过程的基本概念A A 非覆盖式操作非覆盖式操作*限定循环时间限定循环时间和一批进料完全和一批进料完全通过此过程的停通过此过程的停留时间留时间T TR R相等相等三.间歇过程的基本概念 B B 覆盖式操作覆盖式操作过程过程的限定循环时间或批间隔，取决于具的限定循环时间或批间隔，取决于具有最大级循环时间的限制级即时间限制级有最大级循环时间的限制级即时间限制级三.间歇过程的基本概念C C 异异步覆盖式操作步覆盖式操作过程的限定循环时间或批间隔，取决于具过程的限定循环时间或批间隔，取决于具有最大级循环时间的限制级即时间限制级有最大级循环时间的限制级即时间限制级三.间歇过程的

11、基本概念间歇化工过程第三节间间歇歇过过程的最程的最优时间优时间表表 间歇过程最优时间表加工加工设备设备公用公用工程工程生生产产时间时间 待生待生产产产产品品最优时间表*生产能力&时间分配*原材料、中间产品及最终产品的贮存分配*劳动力&能源分配生生产时间产时间表的开表的开发发是是间间歇歇过过程程优优化化的主要的主要问题问题一.时间表问题（生产调度）图6-9多级生产装置一.时间表问题例例1 1 有四种产品A、B、C 和 D 需要用四台间歇设备、和按一定的顺序进行加工可能的方案：(a)按产品次序，一个产品加工完成后再加工另一个。缺点缺点是一些设备的闲置时间过长。(b)交叉使用各台设备一.时间表问题例

12、例1 1可能的可能的时间时间表表*表中遵循了一个约束条件，即各产品均有它自己的加工次序。在排序理论中称表中的加工次序为“技术约束”，与此技术约束相容的时间表为“可行时间表”，反之为“不可行时间表”。一.时间表问题简单问题简单问题，可用，可用观观察方法列出所有的可行和不可行察方法列出所有的可行和不可行时间时间表表。n n个产品、个产品、m m台设备，在一个特定设备上每一种排列均可给台设备，在一个特定设备上每一种排列均可给出（出（n n!）m m种排列的加工次序。种排列的加工次序。Eg.Eg.n n4 4，m m4 4 有（有（4 4！）！）4 4331776331776种可能种可能 n=5,m=

13、4 n=5,m=4时间表总数为（时间表总数为（5 5！）！）4 42.1102.1108 8。解解时间时间表表问题问题困困难难，必，必须须采用很巧妙方法，采用很巧妙方法，有有时时即使用了很巧妙的方法，某些即使用了很巧妙的方法，某些问题问题求解所用的求解所用的时间时间也可也可能很能很长长一.时间表问题图6-10四产品四设备问题的最优时间表一.时间表问题*时间表问题是寻找加工次序的问题与技术约束兼容，且对于某一种函数是最优一.时间表问题1.1.时间表表问题的主要假的主要假设、符号、符号说明明和目和目标函数函数若有n个产品J1，J2，,Jn，需要在m台间歇设备M1，M2，,Mm上进行加工，用Oij表

14、示第i个产品用第j台设备处理。在排序理论中将产品视为“作业(Job)”，而将设备视为“处理器(Processor)”主要假设(a)(a)各个产品是一个实体。尽管此产品可承受不同的操作，但不能同时进行同一产品的两个操作。因此，在我们的讨论中不能有这样的情况，即同时生产几种中间体，然后再将它们掺合成最终的产品。(b)(b)没有优先问题。各个操作一旦开始以后，必须在这台处理器加工直到完成规定的操作。(c(c）各产品有m个不同的操作，在每一台设备上完成一个操作。不允许在同一台设备上对某一产品加工两次。同样，应坚持在每一台设备上加工各个产品，产品不允许跳过一台或多台设备。主要假设(d)不能中途放弃，各产

15、品必须被加工到完成。(e)加工时间与时间表无关，设备调整到正常状态所需要的时间与操作次序无关；在两台设备之间输送产品的时间可忽略。(f)允许有中间贮罐，产品可等待到下一台要用的设备空出来。但在有的问题中被加工的产品必须连续地从一个操作到另一个操作。(g)各类设备只有一台，即不允许在产品的加工中选择设备。此假设与前面介绍的用两台同步或异步操作的设备，来消除尺寸上的瓶颈或循环时间上的瓶颈是矛盾的。主要假设(h)(h)可以有闲置的设备。(i)(i)没有一台设备能同时进行两个操作。(j)(j)设备不发生故障，对整个时间表期间有效。(k)(k)技术约束是事先知道的，且在操作过程中是不变的。(l(l)以下

16、物理量，即：产品数、设备数、加工时间、就绪时间和对规定一个特定的问题所需的全部其它物理量，是已知的，而且是恒定不变的。符号说明目标函数通常使用的主要准通常使用的主要准则则或目或目标标函数是函数是F Fmax max 最大的流最大的流经时间经时间（min)min)（时间时间表表费费用直接和最用直接和最长长作作业时间业时间相关）相关）C Cmaxmax最大的完成最大的完成时间时间（min)min)（时间时间表表费费用取决于加工系用取决于加工系统统完成完成这这一一组组作作业业的的时间时间）就就绪时间绪时间的差的差别别，CmaxCmax称称为总为总生生产时间产时间FF平均流平均流经时间经时间CC平均完

17、成平均完成时间时间（目标函数一.时间表问题2.2.时间表表问题的分的分类n/m/A/Bn 作业作业(产品产品)的数目的数目m机器机器(设备设备)的数目的数目A 说明流经此车间或工厂的模式，当说明流经此车间或工厂的模式，当m=1时，时，A可以是空白的。可以是空白的。A也可以是也可以是P、F或或G。一.时间表问题2.2.时间表表问题的分的分类n/m/A/BAP、F或或G P：排列的多产品过程(Permutation Flowshop)，不仅对所有产品的设备顺序相同，而且现在还限制搜索对各台设备来说产品顺序也是相同的时间表。故时间表完全由数字1，2，n的单一的排列所规定。F：多产品过程（Flowsh

18、op）情况，即对所有产品的设备顺序相同。G：一般的多目的过程（Jobshop）,在这种情况下对技术约束的形式无限制一.时间表问题2.2.时间表表问题的分的分类n/m/A/BB目标函数，即用此目标函数或准则来估计时间表，它可取前面讨论过的任目标函数，即用此目标函数或准则来估计时间表，它可取前面讨论过的任何一种形式。何一种形式。Eg.n/2/F/C max 是指是指n个产品，个产品，2台设备，多产台设备，多产 品过程问题，在时间表的建立中品过程问题，在时间表的建立中以总生产时间最少为目标函数以总生产时间最少为目标函数二.最优时间表计算规则简单简单多多产产品品间间歇歇过过程程多目的多目的间间歇歇过过

19、程程指用来严格确定加工次指用来严格确定加工次序的一组简单规则，从序的一组简单规则，从问题的数据来建立最优问题的数据来建立最优解。解。二.最优时间表计算规则对计算规则说明：对计算规则说明：*在具有两台或多台设备的情况下，可采用此方法。在具有两台或多台设备的情况下，可采用此方法。*只有只有n/2/F/F max 问题，可将计算规则用于所有情况下。对于其他类问题，计算问题，可将计算规则用于所有情况下。对于其他类问题，计算规则少且只用于特殊情况。规则少且只用于特殊情况。*还假设：还假设：对所有的对所有的J Ji i(i=1i=1，2 2，n n)，就绪时间为零，即就绪时间为零，即r ri i=0=0。

20、在多产品厂中在多产品厂中技术约束的要求是产品以同样的次序在两台设备之间通过。技术约束的要求是产品以同样的次序在两台设备之间通过。1.n/2/F/Fmax问题Johnson规则n个产品用两个单元（M1和M2）加工，每个产品都先用M1加工，然后用M2加工，目标函数是使最大的流经时间Fmax最小。由于所有产品的就绪时间为零，所以FmaxCmax。先在M1上从具有最短加工时间的产品开始加工使在M2上具有最短加工时间的产品后结束加工最优时间安排应是一个J1，J2，Jn，排列问题，目标是使在加工顺序中较早的产品在M2上有较短的加工时间。1.n/2/F/Fmax问题Johnson规则令令ai为为Ji在在M1

21、上的加工时间，上的加工时间，bi为为Ji在在M2上的加工时间，则有上的加工时间，则有ai=pi1，bi=pi2。此规则采用从两端向中间移动的方式建立加工顺序。此规则采用从两端向中间移动的方式建立加工顺序。从从K=1开始，随顺序中第开始，随顺序中第1,2,3,4,个位置被填充，而增加到个位置被填充，而增加到2，3，4，从从L=n开始，随顺序中第开始，随顺序中第n,n-1,n-2,个位置被填充，而减少到个位置被填充，而减少到n-1，n-2，Johnson规则：规则：1.n/2/F/Fmax问题Johnson规则步骤步骤1:令令K=1，L=n步骤步骤2:令现在的未被排进时间表的产品列是令现在的未被排

22、进时间表的产品列是J1，J2，Jn步骤步骤3:对现在未被排进时间表的产品寻找所有对现在未被排进时间表的产品寻找所有ai和和bi最小最小者者,若有两个或两个以上的产品具有最短的时间，则从中任若有两个或两个以上的产品具有最短的时间，则从中任选一个选一个Ji步骤步骤4：若在若在M1上上Ji具有最短时间，即具有最短时间，即ai最小最小(i)将将Ji排在加工排在加工顺序中的第序中的第K位置位置(ii)从从现在未排在未排进时间表的表的产品列中消去品列中消去Ji;(iii)令令K=K+1;(iv)去步去步骤61.n/2/F/Fmax问题Johnson规则步骤步骤5:若在若在M2 上上Ji 具有最短时间，即具

23、有最短时间，即bi 是最小的，则进是最小的，则进行与行与4相似的操作相似的操作()将将Ji 排入加工顺序中的第排入加工顺序中的第L位置位置;()从现在的未排进时间表的产品列中消去从现在的未排进时间表的产品列中消去;()令令L=L-1;()去步骤去步骤6步骤步骤6:若有任何未被排进时间表的产品，若有任何未被排进时间表的产品，则去步骤则去步骤3。否则，停止计算。否则，停止计算1.n/2/F/Fmax问题Johnson规则步骤步骤5:若在若在M2 上上Ji 具有最短时间，即具有最短时间，即bi 是最小的，则进是最小的，则进行与行与4相似的操作相似的操作()将将Ji 排入加工顺序中的第排入加工顺序中的

24、第L位置位置;()从现在的未排进时间表的产品列中消去从现在的未排进时间表的产品列中消去;()令令L=L-1;()去步骤去步骤6步骤步骤6:若有任何未被排进时间表的产品，若有任何未被排进时间表的产品，则去步骤则去步骤3。否则，停止计算。否则，停止计算程序框程序框图图1.n/2/F/Fmax问题Johnson规则例例例例6-2:6-2:7/2/F/F max问题，应用Johnson规则。各产品在设备M1和M2上的加工时间如下：产品产品4 4列入时间表：列入时间表：44产品产品5 5列入时间表：列入时间表：4545产品产品2 2列入时间表：列入时间表：42 542 5产品产品3 3列入时间表：列入时

25、间表：4 23 54 23 5产品产品1 1列入时间表：列入时间表：4 2 1 3 54 2 1 3 5产品产品6 6列入时间表：列入时间表：4 2 61 3 54 2 61 3 5产品产品7 7列入时间表：列入时间表：4 2 6 7 1 3 54 2 6 7 1 3 5 产品顺序为（产品顺序为（4 4，2 2，6 6，7 7，1 1，3 3，5 5）或（）或（4 4，2 2，6 6，7 7，3 3，1 1，5 5）用用JohnsonJohnson规则建立时间表规则建立时间表44226677113355Total time 43 units44771122566335Total time 39

26、 unitsGantt Chart 2.n/2/G/Fmax问题的Johnson规则 在在这这里取消关于各个里取消关于各个产产品必品必须须通通过过全部全部单单元的假元的假设设。若。若产产品品组组J1，J2，Jn中的中的产产品可被分品可被分为为以以下四下四类类：A类类 只需在单元只需在单元 M1上加工的产品上加工的产品B类类 只需在单元只需在单元M2上加工的产品上加工的产品C类类 以以M1、M2这样的次序在两个单元上加工的产品这样的次序在两个单元上加工的产品D类类 以以M2、M1这样的次序在两个单元上加工的产品这样的次序在两个单元上加工的产品 2.n/2/G/Fmax问题的Johnson规则 我

27、们按下列方法求解：我们按下列方法求解：(i)A类产品以任意次序安排时间类产品以任意次序安排时间,得到顺序得到顺序SA；(ii)B类产品任意次序安排时间，而得到顺序类产品任意次序安排时间，而得到顺序SB；(iii)C类产品，可将它视为类产品，可将它视为n/2/F/Fmax问题，用问题，用Johnson规规 则安排时间而得到顺序则安排时间而得到顺序SC;(iv)对对D类产品，也将它视为类产品，也将它视为n/2/F/Fmax问题，用问题，用Johnson算算法安排时间而得到顺序法安排时间而得到顺序SD。(M2是第一个单元，是第一个单元，M1是第二是第二个单元个单元)最优时间表对单元最优时间表对单元M

28、1为（为（SC，SA，SD），），而对单元而对单元M2为为（SD，SB，SC）。）。2.n/2/G/Fmax问题的Johnson规则 例6-3：9/2/G/Fmax问题，用Johnson规则寻找最优时间表A类产品：产品类产品：产品7仅在仅在M1上加工，顺序为（上加工，顺序为（7）；）；B类产品：产品类产品：产品8和和9需要需要M2，故任选顺序故任选顺序(8,9)；C类产品：产品类产品：产品1,2,3,4先用先用M1，后用后用M2。用用Johnson规则解规则解此此4/2/F/Fmax问题，得到的顺序为（问题，得到的顺序为（4，3，2，1）；）；D类产品：产品类产品：产品5和和6先用先用M2，后

29、用后用M1。用用Johnson规则解此规则解此2/2/F/Fmax问题，得到顺序（问题，得到顺序（5，6），记住），记住M1现在是第二单现在是第二单元。元。2.n/2/G/Fmax问题的Johnson规则 单元单元M1上产品的加工顺序为（上产品的加工顺序为（4,3,2,1,7,5,6）单元单元M2上的加工顺序为上的加工顺序为(5,6,8,9,4,3,2,1)按此顺序进行加工的按此顺序进行加工的Gantt图如图所示，可以看出图如图所示，可以看出Fmax44 3.特殊的n/3/F/Fmax问题用于用于n/2/F/Fmax问题的问题的Johnson规规则可被推广则可被推广到特殊的到特殊的n/3/F/

30、Fmax问题。需要问题。需要的条件是的条件是:*即在第二单元上的最大加工时间不大于在第一或第三即在第二单元上的最大加工时间不大于在第一或第三单元上的最小时间。单元上的最小时间。或或或或上述条件式满足，则求得上述条件式满足，则求得n/3/F/Fmax问题的最优时间表问题的最优时间表 虚拟时间：令虚拟时间：令 ai=pi1+pi2 bi=pi2+pi3对对n/3/F/Fmax问题排列时间问题排列时间表，认为类同于两个虚拟时间表，认为类同于两个虚拟时间下的下的n/2/F/Fmax问题，用问题，用Johnson规则可以产生最优时间规则可以产生最优时间表表 3.特殊的n/3/F/Fmax问题例例例例6-46-4：6/3/F/Fmax问题，说明问题，说明Johnson规则在特殊的规则在特殊的 n/3/F/Fmax 问题上的应用问题上的应用 3.特殊的n/3/F/Fmax问题首先首先对此此问题检查是否是否满足条件足条件因此可以两个虚因此可以两个虚拟时间为准，用准，用JohnsonJohnson规则求取最求取最优时间表表 3.特殊的n/3/F/Fmax问题Thanks