化工系统工程绪论9621.pptx

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1、 化工系统工程化工系统工程(Chemical Process Systems Engineering)主讲教师主讲教师:都健都健 王瑶王瑶1、教学安排及要求、教学安排及要求（1）学时：）学时：32h 2学分学分（2）成绩评定：）成绩评定：期末考试期末考试：80分分课程论文：课程论文：20分分2、教材、教材（1）过程系统工程过程系统工程（华东理工大学出版社，（华东理工大学出版社，2009年年6月）月）姚平经姚平经 主编主编（2）化工过程分析与综合化工过程分析与综合（大连理工大学出版社，（大连理工大学出版社，2009年年1月）月）都健都健 主编主编 姚平经姚平经 主审主审第第1章章 绪论绪论1.1

2、 过程系统工程的发展历史和研究内容过程系统工程的发展历史和研究内容 1.1.1 过程系统工程的发展历史过程系统工程的发展历史 （1）化工过程）化工过程 化工过程是指用适当的原料经过一系列物理单元操作和化工过程是指用适当的原料经过一系列物理单元操作和化学反应的单元过程而转化为合乎需要的产品的过程。化学反应的单元过程而转化为合乎需要的产品的过程。（2）过程系统工程（）过程系统工程（PSE）以处理物料以处理物料-能量能量-资金资金-信息流的过程系统为研究对象，信息流的过程系统为研究对象，其核心功能是过程系统的组织、计划、协调、设计、控制和其核心功能是过程系统的组织、计划、协调、设计、控制和管理。目的

3、是在总体上达成技术及经济上的最优化，以符合管理。目的是在总体上达成技术及经济上的最优化，以符合可持续发展的要求可持续发展的要求。（1961年AIChE讨论会论文集上第一次用到PSE,Process Systems Engineering)20世纪世纪60年代初年代初，产生和发展时期。产生的基础是化学，产生和发展时期。产生的基础是化学工程、系统工程、运筹学、数值计算方法、过程控制论及计工程、系统工程、运筹学、数值计算方法、过程控制论及计算机技术等学科。算机技术等学科。（3）发展历史）发展历史 20世纪世纪60年代末至年代末至70年代末年代末，产生和发展的理论准备时，产生和发展的理论准备时期，是学

4、术酝酿期。明确了学科范畴为过程系统的分析、期，是学术酝酿期。明确了学科范畴为过程系统的分析、过程综合和过程控制。过程综合和过程控制。20世纪世纪80年代末至年代末至90年代末年代末，成长时期。一方面计算机，成长时期。一方面计算机应用的普及，研制出化工流程通用模拟系统。另一方面，应用的普及，研制出化工流程通用模拟系统。另一方面，石油危机，节能降耗。石油危机，节能降耗。学术理论走向工业应用。学术理论走向工业应用。新世纪开始至现在新世纪开始至现在，扩展时期，研究范围和研究内容，扩展时期，研究范围和研究内容都在扩大。都在扩大。20世纪世纪90年代年代，环境问题的突出，环境问题的突出，“绿色过程系统工程

5、绿色过程系统工程”。1.1.2 过程系统工程的研究内容过程系统工程的研究内容（1）基础部分）基础部分 过程稳态模拟过程稳态模拟 过程系统优化过程系统优化 过程系统综合与集成过程系统综合与集成 过程动态分析与控制过程动态分析与控制（2）扩充部分）扩充部分 面向过程工业的经营管理系统工程，如：面向过程工业的经营管理系统工程，如：计划与调度计划与调度 计算机集成加工系统计算机集成加工系统 供应链管理供应链管理1.2 基本概念基本概念 （1）过程系统）过程系统(Process system)过程系统是对原料进行物理的或化学的加工处理的系统，它过程系统是对原料进行物理的或化学的加工处理的系统，它由一些特

6、定功能的过程单元按着一定的方式相互联结而组成，它由一些特定功能的过程单元按着一定的方式相互联结而组成，它的功能在于实现工业生产中的物质和能量的转换。的功能在于实现工业生产中的物质和能量的转换。“过程系统过程系统”的含义已不局限于生产工艺过程，而逐步延伸到的含义已不局限于生产工艺过程，而逐步延伸到经营管理业务和决策过程经营管理业务和决策过程供应链的优化（供应链的优化（Supply chain optimization)。（2）过程系统模拟分析（）过程系统模拟分析（Analysis)给定的过程系统指定的输入待求的输出 从传统的过程系统扩展到联合装置，整个企业，从传统的过程系统扩展到联合装置，整个企

7、业，甚至于一个地区的工业生态系统，向甚至于一个地区的工业生态系统，向巨型系统巨型系统发展。发展。为了研究过程机理和产品设计，为了研究过程机理和产品设计，微观尺度微观尺度的原的原子子/分子模拟用来洞察分子结构与宏观性能之间的定分子模拟用来洞察分子结构与宏观性能之间的定量关系量关系。过程系统模拟的一般步骤有：过程系统模拟的一般步骤有：（a）需要立足于坚实工程实践基础上的创造性思维，明）需要立足于坚实工程实践基础上的创造性思维，明确研究目标和预期结果；确研究目标和预期结果；（b）建立数学模型：根据问题定义，写出相关衡算方程）建立数学模型：根据问题定义，写出相关衡算方程和过程机理关联式，作出可行的假定

8、，进行必要的实验室和过程机理关联式，作出可行的假定，进行必要的实验室实验和获得有关工程数据；实验和获得有关工程数据；（c）选择计算方法和策略或计算机软件；）选择计算方法和策略或计算机软件；（d）对模拟结果合理性的评价：模拟结果是否已恰当的）对模拟结果合理性的评价：模拟结果是否已恰当的表达了实际过程并进行正确的解释，研究各种备选方案，表达了实际过程并进行正确的解释，研究各种备选方案，提出修改，更新和完善措施。提出修改，更新和完善措施。（3）过程系统优化）过程系统优化（Optimization)过程系统优化是实现过程系统优化设计、优化操过程系统优化是实现过程系统优化设计、优化操作、优化控制和优化管

9、理的数学手段。作、优化控制和优化管理的数学手段。最具代表性的方法是最具代表性的方法是数学规划法数学规划法。数学规划法把。数学规划法把过程系统优化问题表征为目标函数和一系列等式、不过程系统优化问题表征为目标函数和一系列等式、不等式约束的多变量数学模型，然后采用适宜的算法获等式约束的多变量数学模型，然后采用适宜的算法获得问题的最优解或近优解。得问题的最优解或近优解。大规模的大规模的非线性规划非线性规划和和混合整数非线性规划混合整数非线性规划问题。问题。算法主要有算法主要有两类两类，一是基于梯度寻优的确定性算，一是基于梯度寻优的确定性算法，另一是进化算法（智能算法），如遗传算法等。法，另一是进化算法

10、（智能算法），如遗传算法等。多目标优化：多目标优化：经济、环境和可操作性等经济、环境和可操作性等 多目标优化问题极少存在绝对最优解，而是存在一多目标优化问题极少存在绝对最优解，而是存在一个非劣解集（个非劣解集（pareto 解集解集），即其中每一个解在不牺牲），即其中每一个解在不牺牲其它子目标性能的前提下已无法再改进单个子目标性能。其它子目标性能的前提下已无法再改进单个子目标性能。对于多目标优化问题，首先寻求非劣解集，然后由对于多目标优化问题，首先寻求非劣解集，然后由决策者按着各目标的重要性或优先程度选择最佳折衷解。决策者按着各目标的重要性或优先程度选择最佳折衷解。（4）过程系统综合）过程系统

11、综合(Synthesis)与集成（与集成（Integration)待综合的过程系统给定的或可选择的输入所要求的或希望的输出 过程系统综合是指按着规定的系统特性，寻求所需的系过程系统综合是指按着规定的系统特性，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；是过程系统设计中最具创造性的步骤。最优组合；是过程系统设计中最具创造性的步骤。包括两种决策：一是由相互作用的单元包括两种决策：一是由相互作用的单元/子系统之间子系统之间的拓扑和特性而规定的各种的拓扑和特性而规定的各种结构替换方案结构替换方案的选择，另一的选择，另一是组成

12、该系统的各个单元是组成该系统的各个单元/子系统的替换子系统的替换方案的设计方案的设计。从数学上讲，第一个决策可表示为整数规划问题，第从数学上讲，第一个决策可表示为整数规划问题，第二个决策是非线性规划问题。二个决策是非线性规划问题。综合方法：综合方法：(a)直观推断法直观推断法 (Heuristic)(b)调优法调优法 (Evolutionary)(c)分解法分解法 (Decomposition)(d)结构参数法结构参数法 (Structural parameter approach)(e)人工智能人工智能 (Artificial intelligence)过程系统综合的主要课题：过程系统综合的

13、主要课题：（a）反应路径的综合反应路径的综合 （b）反应器网络综合）反应器网络综合（c）换热器网络综合换热器网络综合 （d）分离序列综合）分离序列综合（e）公用工程系统综合公用工程系统综合 （f）控制系统综合控制系统综合（g）全流程系统综合全流程系统综合 （h）过程系统能量、质量集成）过程系统能量、质量集成 过程系统集成过程系统集成是从过程系统设计的整体考虑，综合利是从过程系统设计的整体考虑，综合利用物质和能量，将物质流、能量流和信息流整体优化，找用物质和能量，将物质流、能量流和信息流整体优化，找到理想的过程系统。到理想的过程系统。过程系统集成包括过程系统集成包括能量集成能量集成和和质量集成质

14、量集成两个主要方两个主要方面，相伴随的是信息集成。面，相伴随的是信息集成。过程能量集成过程能量集成是以合理利用能量为目标的全过程系是以合理利用能量为目标的全过程系统综合问题，把反应、分离、热回收和公用工程子系统统综合问题，把反应、分离、热回收和公用工程子系统一体化地考虑能量的供求关系以及过程结构、操作参数一体化地考虑能量的供求关系以及过程结构、操作参数的调优处理，达到全系统能量的优化综合。的调优处理，达到全系统能量的优化综合。质量集成质量集成考虑物质的总体分配，包括过程中物质的考虑物质的总体分配，包括过程中物质的利用、循环、截断，流股的分割、混合等，涉及把所有利用、循环、截断，流股的分割、混合

15、等，涉及把所有物质转化为最有价值产物的路径，有效的生产理想产品，物质转化为最有价值产物的路径，有效的生产理想产品，使副产物和废物最小化。使副产物和废物最小化。1.3 本课程的研究方法和特点本课程的研究方法和特点特点：系统的方法论、研究对象为一个特点：系统的方法论、研究对象为一个整体、优化整体、优化的的思想。思想。过程系统进行科学研究的方法过程系统进行科学研究的方法：第一步第一步，建立过程系统的数学模型，或运用已有模拟软，建立过程系统的数学模型，或运用已有模拟软件，进行数学模拟；件，进行数学模拟；第二步第二步，整理计算数据，与已有的物理化学实验数据或，整理计算数据，与已有的物理化学实验数据或生产

16、数据作偏差对比，从过程机理与数值计算角度解释生产数据作偏差对比，从过程机理与数值计算角度解释和分析偏差产生的各种影响因素，并给予修正，直到满和分析偏差产生的各种影响因素，并给予修正，直到满足允许误差的要求。足允许误差的要求。第三步第三步，采用已确认的数学模型进行模拟，作为过程，采用已确认的数学模型进行模拟，作为过程系统的优化和综合研究的基础。系统的优化和综合研究的基础。2 过程系统稳态模拟过程系统稳态模拟 2.1 基本概念基本概念 目的：研究化工系统整体稳态特性。模拟模拟(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

17、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。）实验模拟实验模拟：采用实验模型装置进行研究。数学模拟数学模拟：采用数学模型进行研究。建立数学模型模型化模型化 求解数学模型模拟模拟2.1.1 过程系统的数学模型过程系统的数学模型1）数学模型概念数学模型概念 把与系统有关的数量关系归纳为反映系统机理与特性的数数学方程组学方程组。2）建立数学模型的要求和规则建立数学模型的要求和规则对描述对象本质的深刻理解，方程包括：(1)物料衡算和能量衡算方程；(2)物流局部微元的“基本”过程方程；(3)各种过程参数间理论的、半经验的或纯经验的关联式；(4)

18、对过程参数的约束。3）数学模型的分类）数学模型的分类 （1）稳态模型和动态模型）稳态模型和动态模型 稳态模型不含时间变量；动态模型参数随时间而变，包括时间变量。（2）机理模型和）机理模型和“黑箱黑箱”模型（经验模型）模型（经验模型）机理模型根据一定的理论和方法，对过程的机理进 行研究而建立的模型；“黑箱”模型根据过程输入、输出数据，采用回归分析 方法确定输入与输出数据的关系而建立起来的模型。（3）集总参数模型与分布参数模型）集总参数模型与分布参数模型 集总参数模型过程变量不随空间坐标而改变，如理想 混合反应器。分布参数模型过程变量随空间坐标而改变。（4）确定性模型和随机模型）确定性模型和随机模

19、型 确定性模型输入与输出存在确定关系；随机模型 输入与输出没有确定关系，且时间是一独立 变量。2.1.2 系统的自由度分析系统的自由度分析 1）自由度分析）自由度分析 目的：目的：正确地确定系统应给定的独立变量数，避免方程无解。自由度（自由度（degree of Freedom)：ND0 不定方程组，有无穷个解不定方程组，有无穷个解 ND0 过度设定，形成矛盾方程，割除冗余方程过度设定，形成矛盾方程，割除冗余方程 ND=0 正确设定，方程组有唯一解正确设定，方程组有唯一解 设计变量：预先赋值的变量（设计变量：预先赋值的变量（ND个）个）状态变量：除设计变量外的变量状态变量：除设计变量外的变量(

20、NEquations个个)状态方程：状态方程：NEquations个方程个方程实例实例:混合器混合器 独立方程包括独立方程包括压力平衡方程压力平衡方程:物料衡算方程物料衡算方程:热量衡算方程热量衡算方程:C+2F1,P1,T1,x11,x21,xc-1，1F2,P2,T2,x12,x22,xc-1，2F3,P3,T3,x13,x23,xc-1，3 混合器的独立方程数：混合器的自由度：说明：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 m=12n=4d=82）设计变量的选择（1）所选择的设计变量间是相互独立的；（2

21、）应使模拟问题的求解尽量方便。2.1.3 过程系统稳态模拟的基本方法过程系统稳态模拟的基本方法 1）序贯模块法）序贯模块法（Sequential Modular Method）2）联立方程法）联立方程法（Equation Oriented Method）3）联立模块法）联立模块法（Simultaneous Modular Method）单元模块单元模块过程模型方程过程模型方程求解程序求解程序物性数据库调用物性数据库调用输入物流变量输出物流变量设备结构参数操作参数2.2 过程系统模拟的序贯模块法过程系统模拟的序贯模块法模块模块：用以描述单元操作、物性及系统其他功能的子程序。序贯模块法：序贯模块法

22、：逐个单元模块依次序贯计算求解系统模型的一种方法。特点：特点：与实际过程的直观联系强；易于诊断错误；计算效率低。回路（环路）回路（环路）输入流股与后续的单元设备输出有关。基本步骤（与实际过程的一致性）基本步骤（与实际过程的一致性）：（1）搜集相关的资料和数据）搜集相关的资料和数据 操作及设计数据、设备结构尺寸；验证模型所需要的生产数据或实验数据。（2）建立过程系统的结构模型）建立过程系统的结构模型 a.过程系统的拓扑获取信息流图 b.信息流图表示成矩阵形式 c.系统的分隔 d.断裂回路选定适宜断裂流股和初值 e.模拟计算的求解顺序，管理模拟计算过程 （3）建立单元设备模块）建立单元设备模块 （

23、4）热力学数据及物性数据模块）热力学数据及物性数据模块 （5）输入模块）输入模块 （6）输出模块）输出模块 缺点：缺点：物性参数、单元模块及系统断裂流股三层嵌套迭代。设计型问题：设计型问题：不断调节输入参数和设备工艺结构参数。物性计算物性计算1过过程程单单元元计计算算2流流程程计计算算3设设计计规规定定计计算算4序贯模块法的迭代层次示意图序贯模块法的迭代层次示意图氨合成系统反应温度：400500，压力：300 kg/cm2催化反应N2+3H2 2NH3平衡时，氨的合成转化率为12。保持连续稳定操作的条件：新鲜原料气体的流量、组成恒定；反应器在恒温、恒压下操作；各分离器闪蒸温度、闪蒸压力恒定；排

24、空物流的排空比率恒定。混合组分混合组分1N22H23NH34Ar5CH42.2.1 氨合成系统的物料衡算流程模拟氨合成系统的物料衡算流程模拟工艺流图工艺流图 信息流图信息流图1）氨合成系统的数学模型 混合器j=1,2,5，表示5种混合组分物流编号：1，2，105个方程个方程混合器j=1,2,5 5个方程个方程反应器 反应平衡方程：反应平衡方程：K：平衡常数，：平衡常数，P：反应压力：反应压力5个方程个方程高压分离器 汽液平衡方程汽液平衡方程k1,k2,k5为为PD，TD下的组分平衡常数下的组分平衡常数 10个方程个方程10个方程个方程汽液平衡方程汽液平衡方程 k1,k2,k5为为PF，TF下的

25、组分平衡常数下的组分平衡常数 低压分离器 10个方程个方程其中，其中，f为分割率为分割率 分流器 分子分率约束式10个方程个方程共计：共计：Ne 55 个方程个方程 方程类型方程类型物料平衡方程组：无反应质量平衡（分子量平衡）有反应原子数目平衡分子分率约束式：设备约束式（描述流程结构）：反应平衡常数反应平衡常数分割率分割率汽液平衡常数（高压）汽液平衡常数（高压）汽液平衡常数（低压）汽液平衡常数（低压）变量个数变量个数设备参数：物流变量60个 Fi,i=1,2,10 xij，i=1,2,10；j=1,2,5 方程数：Ne 55；变量数：Nv 72 设计变量 d 72 55 17（个）可选设备参数

26、 12 个 可选进料物流变量：F1，x11，x12，x14，x15为设计变量2)数学模型的序贯求解 序贯模块法中应用的系统分解的基本思想：化整为零，按大系统特性，将各个子系统的求解有机地结合起来，实现整个系统的优化目标。物流变量60个 Fi,i=1,2,10 xij，i=1,2,10；j=1,2,5 方程数：Ne 55；变量数：Nv 72 设计变量 d 72 55 17（个）可选设备参数 12 个 可选进料物流变量：F1，x11，x12，x14，x15为设计变量2)数学模型的序贯求解 序贯模块法中应用的系统分解的基本思想：化整为零，按大系统特性，将各个子系统的求解有机地结合起来，实现整个系统的

27、优化目标。基本步骤不可分隔子系统的识别不可分隔子系统的识别：将整个系统分隔成若干个相互不存在循环回路的独立子系统，并确定各子系统的计算顺序。大系统各级子系统大型方程组需同时求解的方程式不可分隔子系统的断裂：不可分隔子系统的断裂：对包含循环回路的子系统，确定需要事先假定的物流参数，确定合理的求解顺序。组合各子系统，求解整个大系统组合各子系统，求解整个大系统按大系统特性，将各个子系统的求解有机地结合起来，实现整个系统的优化目标对氨合成系统，识别出2个带有循环的不可分割子系统。流线流线3、4、8、10和单元和单元、组成的循组成的循环子系统环子系统流线流线2、3、4、5、7和单元和单元、组成的循环子组成的循环子系统系统氨合成系统序贯求解流程图 不可分隔子系统的断裂谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH