化工系统工程 第一章绪论.ppt

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1、化工系统工程 绪论 化工单元过程的模型化及其单元模块 过程系统的结构分析 序贯模块法 联立方程法 联立模块法 化工系统的最优化 化工过程系统的合成1/2/20231/2/20231 1第一章第一章 绪论绪论化环学院：路平第一章 绪论要点：1）系统工程和过程系统工程的定义及发展背景。2）过程系统工程研究方法的优点；过程系统工程的应用；现代化工系统工程的特点；过程系统工程的基本概念。3）过程系统工程研究的内容。1/2/20231/2/20232 2第一章第一章 绪论绪论化环学院：路平系统工程与过程系统工程系统工程：是以系统为研究对象的一门跨学科的边缘科学；是根据总体协调的需要，把自然科学和社会科学

2、中的某些思想、理论、方法、策略和手段等从横的方面有效地组织起来应用于人类实践中，是应用现代数学和电子计算机等工具对系统的构成要素、组织结构、信息交换和自动控制等功能进行分析研究，从而达到最优设计、最优控制和最优管理的目标，系统工程学是一种工程学的方法论。系统工程：也可以简单地定义为从全局的观点出发，用定量和定性相结合的方法，从技术、经济、社会的角度，对一个大系统作全面的模拟、分析、评价、优化和控制。1/2/20231/2/20233 3第一章第一章 绪论绪论化环学院：路平系统工程与过程系统工程用于对复杂系统研究的应用。其重点是研究解决系统问题的方法，不是讨论构成系统的基本原理、规律和特性。过程

3、系统工程：把系统工程的方法、观点、思路应用于过程系统研究，形成过程系统工程学。曾称化工系统工程、化工系统模拟分析等，可看出过程系统工程的工程背景是化学工程。研究历史晚于系统工程。1/2/20231/2/20234 4第一章第一章 绪论绪论化环学院：路平过程系统过程系统：对物料进行物理的或化学的加工处理泛指过程，特定的单一过程称为过程单元，而由过程单元的组合构成可使原料转变为期望产品同时产生增值效应的网络系统称为过程系统。本学科涉及化学工程、系统工程、应用数学、计算机和过程控制论等学科的边缘科学。1/2/20231/2/20235 5第一章第一章 绪论绪论化环学院：路平过程系统发展：注意：过程单

4、元优化的简单组合并不等同于过程系统的优化，系统越大，整体优化的效果越好。1/2/20231/2/20236 6第一章第一章 绪论绪论化环学院：路平现代化工过程工业的特点注重物料、能量的综合利用以及对生态环境的保护。现代大多数过程工业，特别是化学工业，其装置采用多循环、多嵌套的复杂网络系统。现代大多数过程工业具有多种产品、多种牌号的产品结构。根据资源情况（质和量）实现高经济效益的大规模、满负荷操作。1/2/20231/2/20237 7第一章第一章 绪论绪论化环学院：路平现代化工过程工业的设计问题过程工业向高效、节能、洁净型发展，设计上定量和高精度的理念要求减小设计余量，要求资源的循环与综合利用

5、，实现投资与操作费用的优化设计。过去的“相似模拟乘上安全系数”、逐（多）级中试放大式的设计方法以及根据定性的工艺分析将单元过程简单组合成完整的工艺流程进行过程系统设计的方法已远远不能满足现代化工工业发展的需要。1/2/20231/2/20238 8第一章第一章 绪论绪论化环学院：路平过程系统工程的基本术语数学模型：就是物理实体的数学抽象，即关联研究对象的输入、输出以及一系列参数的数学方程式。（线性或非线性、代数方程或微分方程、或者不同类型的方程混合组成的复杂方程组）。数学模型分为机理模型、统计模型和混合模型。模型化：将原型抽象成数学模型的过程。模拟：通过对数学模型的研究达到了解、认识原型特性的

6、这种方法。分相似模拟和类似模拟。1/2/20231/2/20239 9第一章第一章 绪论绪论化环学院：路平过程系统工程的基本术语过程系统模拟分析：在确定过程系统的结构及其子系统特性的前提下，借助计算机和系统模型，通过数学模拟的方法，推测特定系统的特性，确定其各部位信息和总体技术经济指标的方法。过程系统优化分成两大类：1）对确定过程系统的优化，常称为过程系统的优化。如化工厂的操作优化、确定工艺流程前提下的设计优化。通常求取能使过程系统的目标函数极小或极大的最佳决策变量的数值。2）对不确定过程系统的优化，过程系统综合。通常给定输人、输出或仅给定其中之一，求取能使目标函数最优的最佳过程系统。1/2/

7、20231/2/20231010第一章第一章 绪论绪论化环学院：路平过程系统工程的研究对象和内容 主要研究内容：如何实现过程系统的操作模拟、设计模拟、操作最优化、设计最优化以及过程系统的最优合成四大内容。即模拟、设计、优化和合成。1/2/20231/2/20231111第一章第一章 绪论绪论化环学院：路平过程系统工程的研究对象和内容模拟：已知系统的输入、过程参数及系统中各单元的特性，已知系统的拓扑结构，求过程系统的输出状态。拓扑结构：描述系统中各单元之间结构关系。设计：求过程参数设置。优化：求最优控制参数P、T和过程参数。合成：求最佳过程系统。1/2/20231/2/20231212第一章第一

8、章 绪论绪论化环学院：路平模型构造及其求解方法模型构造：单元模型+结构模型求解方法一般有三种：序贯模块法、联立方程法、联立模块法。序贯模块法：以化工单元为单位，将描述系统的方程组通过系统分解方法降解成若于个低维的可独立求解的子系统来完成流程模拟。联立方程法：把整个高维系统模拟方程组作为一个整体联立求解，或以变量为对象，对模拟方程组进行分隔然后分别求解。联立模块法：把前两种方法的优点综合起来，扬长避短，取利避害，因此一向被公认为是最有发展潜力的模拟策略。应该指出：三种模拟策略是在最经典、最基本方法上的差别，经过几十年发展和改进，方法间已无明显分界线，只在求解方程组时，具有不同加速收敛速度的一系列

9、算法。1/2/20231/2/20231313第一章第一章 绪论绪论化环学院：路平过程系统工程的应用应用：控制生产、培训教育、过程设计。优点：经济性：减少中间试验，节省人力、物力和财力。外延性：可用于极端条件下的过程性能的研究。互换性：变更单元模块或系统结构，方便地实现方案评价和比较。精确性：如单元和系统模型均为严格机理模型，则系统模拟、优化是很精确的，等效程度是很高的。预测性：预测可调变量的稳定性和灵敏度，作出操作安全性预报。1/2/20231/2/20231414第一章第一章 绪论绪论化环学院：路平流程模拟系统简介分通用和专用流程模拟软件。软件用途：设计新流程；操作优化；消除瓶颈；研究某些设计或操作问题；参数敏度分析；参数拟合。通用模拟软件由输人、输出模块；物性数据库；算法子程序模块；成本估算和经济评价模块；单元操作模块和主控模块等部分组成。1/2/20231/2/20231515第一章第一章 绪论绪论化环学院：路平通用软件模块间关系图1/2/20231/2/20231616第一章第一章 绪论绪论