化工系統(tǒng)工程第一章概論1

1、 系統(tǒng)工程的研究始于1930年代,最初應(yīng)用于電工系統(tǒng)，美國雷德無線電公司提出電視廣播的“系統(tǒng)”及“系統(tǒng)規(guī)?！钡乃枷搿?40年代，Bell電話公司在研究微波通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率時提出“系統(tǒng)工程”的概念。第二次世界大戰(zhàn)期間,系統(tǒng)工程（運籌學(xué)）的方法在盟軍解決防空火力網(wǎng)的配置、軍運與后勤供給等軍事問題中得到了實際的應(yīng)用。 1950年代前后,系統(tǒng)工程方法開始引起工業(yè)化國家的重視。 54年美國MIT首先開設(shè)“系統(tǒng)工程”課程，57年美國出版第一本“系統(tǒng)工程”專著。 60年代后,系統(tǒng)工程的方法開始推廣一直到工業(yè),農(nóng)業(yè),交通運輸,規(guī)劃,宇航技術(shù)等各個領(lǐng)域,用來解決:技術(shù),經(jīng)濟發(fā)展的預(yù)測;系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計和最優(yōu)控制

2、;系統(tǒng)的組織和管理等一系列問題。 系統(tǒng)工程開始發(fā)展成為一門科學(xué)技術(shù)是近40年的事。第二次世界大戰(zhàn)期間，由于軍事上的需要，產(chǎn)生了運籌學(xué)，美國與前蘇聯(lián)發(fā)展了系統(tǒng)工程。此后，隨著生產(chǎn)的發(fā)展，各種類型的部門都在不同程度上感到整體觀念的重要性。無論是新武器系統(tǒng)的研制，資源的開發(fā)利用，工業(yè)、農(nóng)業(yè)和交通運輸?shù)陌l(fā)展都必須把其組成部門看成是一個彼此有機聯(lián)系在一起的系統(tǒng)。從整個系統(tǒng)的角度，周密考慮系統(tǒng)內(nèi)各個組成部門相互間的制約關(guān)系，才能使整個系統(tǒng)有效的，協(xié)調(diào)的工作。于20世紀50年代形成獨立學(xué)科。 70年代學(xué)者華羅庚在我國推廣運籌學(xué)，78年錢學(xué)森在文匯報發(fā)表中國第一篇系統(tǒng)工程文章，標(biāo)志我國系統(tǒng)工程研究進入新階段。

3、 系統(tǒng)工程學(xué)系統(tǒng)工程學(xué)學(xué)科根據(jù)總體協(xié)調(diào)的需要，將自然科學(xué)和社會科學(xué)中的某些思想、理論、方法、策略和手段從橫向、有效地組織起來應(yīng)用于人類實踐中，是應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)學(xué)和電子計算機等工具對系統(tǒng)的構(gòu)成要素、組織結(jié)構(gòu)、信息交換和自動控制等功能進行分析研究，以達到最優(yōu)設(shè)計、最優(yōu)控制和最優(yōu)管理的目標(biāo)。 系統(tǒng)工程是一種工程學(xué)的方法論。 它是方法論對于復(fù)雜系統(tǒng)的研究應(yīng)用。系統(tǒng)工程不同于基礎(chǔ)學(xué)科，它屬于方法學(xué)。其重點在于研究系統(tǒng)問題的方法上，而不在探討基本原理上。系統(tǒng)工程的主要研究方法是模型方法，用數(shù)學(xué)模型，即數(shù)學(xué)方程來描述過程的特性。通過模型方程在不同條件下求解，研究單元設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)與整體特點之間的關(guān)系。

4、通過過程的整體優(yōu)化，確定各個單元參數(shù)的最優(yōu)數(shù)值，使過程的整體性能達到最優(yōu)。 系統(tǒng)工程學(xué)是以系統(tǒng)(特別是大系統(tǒng))作為對象的一門跨學(xué)科的邊緣學(xué)科。它是根據(jù)總體協(xié)調(diào)的需要，把自然科學(xué)和社會科學(xué)中的某些思想、理論、策略、方法和手段等從橫向方面有效的組織起來應(yīng)用于人類實踐中，是應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)學(xué)和電子計算機等工具對系統(tǒng)的構(gòu)成要素、組織結(jié)構(gòu)、信息交換和自動控制等功能進行分析研究，而達到最優(yōu)設(shè)計，最優(yōu)控制和最優(yōu)管理的目標(biāo)，是為更加合理的研制和運用系統(tǒng)而采取的各種組織管理技術(shù)的總稱。歸根結(jié)底它是一種工程學(xué)的方法論。 過程系統(tǒng)工程亦稱化工系統(tǒng)工程或化工過程系統(tǒng)工程。它是隨著系統(tǒng)工程的發(fā)展而形成的，是系統(tǒng)工程的方法在化

5、工過程中的應(yīng)用。過程系統(tǒng)涉及化工、石油化工、冶金、材料、核能、生化、食品、輕工、醫(yī)藥、環(huán)保等生產(chǎn)過程。與機械加工等不連續(xù)系統(tǒng)不同?；は到y(tǒng)工程就是用系統(tǒng)整體觀點和系統(tǒng)工程方法來研究化工過程的開發(fā)、設(shè)計、最優(yōu)操作和最優(yōu)控制。與機械加工等不連續(xù)系統(tǒng)不同。 化工過程系統(tǒng)工程是將系統(tǒng)工程的思想、研究方法用于過程系統(tǒng)的模擬、分析、評價、優(yōu)化、合成（綜合）和控制中，形成過程系統(tǒng)工程學(xué)化工系統(tǒng)工程學(xué)，涉及化學(xué)工程、系統(tǒng)工程、應(yīng)用數(shù)學(xué)、管理科學(xué)、過程控制論等學(xué)科的邊緣科學(xué),是化學(xué)工程的一個分支。 基本內(nèi)容從系統(tǒng)的整體目標(biāo)出發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部各個組成部分的特性及其相互關(guān)系，確定化工系統(tǒng)在規(guī)劃、設(shè)計、控制和管理等方

6、面的最優(yōu)策略。借助的數(shù)學(xué)工具是運籌學(xué)和現(xiàn)代控制論的一些方法，依靠的技術(shù)手段是電子計算機。 對象過程系統(tǒng)工程是在系統(tǒng)工程、化學(xué)工程、過程控制、計算數(shù)學(xué)信息技術(shù)等學(xué)科的邊緣上產(chǎn)生的一門綜合性學(xué)科 。其研究對象是化工生產(chǎn)過程中的某個系統(tǒng)（物料能量信息流），謀求的目標(biāo)是該系統(tǒng)的整體優(yōu)化，即合理確定和控制系統(tǒng)各個組成部分輸入、輸出狀態(tài)，使得反映系統(tǒng)效益的某種定量函數(shù)達到最大值或最小值。這種體現(xiàn)系統(tǒng)整體目標(biāo)的函數(shù)稱為目標(biāo)函數(shù)。如進行某個化工裝置的最優(yōu)設(shè)計時，通常選用投資費用和操作費用作為目標(biāo)函數(shù)，以尋求總費用最小的設(shè)計方案?；は到y(tǒng)工程是一門發(fā)展中的學(xué)科，到目前為止，人們對這門學(xué)科的理解和定義亦不完全相同

7、。 特性化工系統(tǒng)同所有的系統(tǒng)一樣，具有嵌套性的特點,即一個系統(tǒng)總是另一個更大系統(tǒng)的一部分,為該大系統(tǒng)的子系統(tǒng)；同時它又可能是由更小的子系統(tǒng)所構(gòu)成。一般把單元操作和反應(yīng)過程作為化工系統(tǒng)的基本元素，系統(tǒng)可看成是一系列基本元素按一定聯(lián)結(jié)方式組成的網(wǎng)絡(luò)。因此，可將化工系統(tǒng)的特性歸結(jié)為基本元素特性和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上特性兩個部分。 1.一個化工企業(yè)是由企業(yè)組織管理系統(tǒng),生產(chǎn)系統(tǒng)(包括了物流、能量、信息等子系統(tǒng))，公用工程以及生產(chǎn)輔助,服務(wù)系統(tǒng)等組成的一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。系統(tǒng)的規(guī)模龐大,子系統(tǒng)多，各子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系復(fù)雜，而且多數(shù)是非線性的。 2.各子系統(tǒng)按一定的目標(biāo)有機的構(gòu)成了一個整體，共同完成規(guī)定的任務(wù)。在一個化

8、工企業(yè)中，除了企業(yè)內(nèi)部各個部門之間構(gòu)成一個層次分明、統(tǒng)籌分工、相互聯(lián)系的完整系統(tǒng)外，它還與企業(yè)外部的許多因素，如主管部門的政治、經(jīng)濟政策、資源的狀況、供求關(guān)系等密切相關(guān)，構(gòu)成一個根據(jù)外部環(huán)境條件的變化不斷調(diào)整其內(nèi)部特性的反饋系統(tǒng)。該系統(tǒng)并非固定不變，而是保持某種動態(tài)平衡，同時還包含不確定因素和競爭因素，所以系統(tǒng)的輸入在時間、空間或數(shù)值上都呈現(xiàn)隨機性。3.由于技術(shù)的發(fā)展，環(huán)境條件的變化，系統(tǒng)的最優(yōu)化模型并不是完美無缺和固定不變的，在某些情況下，必然會出現(xiàn)新的系統(tǒng)與原有的系統(tǒng)之間的競爭，或者一些長期運轉(zhuǎn)的系統(tǒng)也必然存在規(guī)模增減或改進的可能性，因此在進行系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計和最優(yōu)控制要考慮到這種應(yīng)變的靈活性

9、。 4.化工系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計和最優(yōu)控制以及最優(yōu)管理要綜合運用多種學(xué)科，多種專業(yè)的知識，要由多種專業(yè)人員協(xié)同工作。1. 傳統(tǒng)的化學(xué)工程立足于“三傳一反”，孤立地研究各單元操作和設(shè)備特性；化工系統(tǒng)工程進行整體研究各子系統(tǒng)相互影響及整個系統(tǒng)的組合特性。即，傳統(tǒng)化學(xué)工程研究的是單元過程的特性，研究設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)對單元操作的影響?；は到y(tǒng)工程研究的是化工過程整體的特性，是關(guān)于設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)對化工過程整體影響的定量研究。 2. 傳統(tǒng)的化學(xué)工程主要研究定態(tài)過程特性；化工系統(tǒng)工程研究定態(tài)與動態(tài)特性。3. 傳統(tǒng)的化學(xué)工程定性討論最優(yōu)化問題；化工系統(tǒng)工程作最優(yōu)化定量計算，研究靈敏度分析及可靠性與穩(wěn)定

10、性問題。4. 傳統(tǒng)的化學(xué)工程以相似論與物理模擬相結(jié)合；化工系統(tǒng)工程以數(shù)學(xué)模擬與物理模擬相結(jié)合，對化工系統(tǒng)進行最優(yōu)化設(shè)計與決定最優(yōu)控制方案。5. 傳統(tǒng)的化學(xué)工程的數(shù)學(xué)工具為經(jīng)典數(shù)學(xué)方法；化工系統(tǒng)工程采用更多、更新、更深的數(shù)學(xué)知識。 現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)在19世紀末形成，1870年德國建成帶回收化學(xué)品（芳烴）的焦?fàn)t；20世紀石油化工興起，出現(xiàn)多種管式爐和裂解氣分離流程、多種合成橡膠、塑料及合成纖維，開發(fā)出多種生產(chǎn)有機產(chǎn)品新工藝，生產(chǎn)規(guī)模擴大，自動化程度提高，傳統(tǒng)的單元操作、化工設(shè)計、控制及管理方法已無法滿足要求。1968年出版的“Strategy of Process Engineering”標(biāo)志了過程系

11、統(tǒng)工程學(xué)科初步形成。20世紀60年代化學(xué)工業(yè)原料路線由煤炭向石油、天然氣的加速轉(zhuǎn)變，及70年代后石油價格的大幅提高給過程系統(tǒng)工程提供了挑戰(zhàn)與機遇，即要求在裝置大型化、綜合化、合理化的基礎(chǔ)上降低原料消耗、成本及靈活控制。經(jīng)多年的努力，理論研究及工業(yè)應(yīng)用成果層出不窮，過程模擬技術(shù)也實現(xiàn)了商品化。 （化工）過程系統(tǒng)工程這門年輕的學(xué)科從上世紀60 年代開始醞釀，至今已經(jīng)歷了3 個時期。1968年一1979 年初創(chuàng)時期1979年一2000 年成長時期2000年至今的擴展時期 過程系統(tǒng)工程在我國的研究和應(yīng)用是從1973 年開始起步。 1982年在日本京都召開第一屆國際過程系統(tǒng)工程學(xué)術(shù)會議PSE82，標(biāo)志著

12、過程系統(tǒng)工程已成為國際公認的獨立學(xué)科。自82年及88年開始每3年舉行一次的PSE及Aspen World (Aspen 用戶會議)均有數(shù)百篇論文發(fā)表，也反映了該學(xué)科的發(fā)展?？梢哉J為過程系統(tǒng)工程已基本成熟，形成一門獨立的學(xué)科。（楊友麒、成思危，現(xiàn)代過程系統(tǒng)工程，化學(xué)工業(yè)出版社，2003） 過程系統(tǒng)工程學(xué)科雖有50余年的歷史，但仍無一致的定義。這是由于它是邊緣學(xué)科，與系統(tǒng)工程、化學(xué)工程、過程控制、計算數(shù)學(xué)、信息技術(shù)、計算機技術(shù)與管理科學(xué)難以劃分出明確的界限；另外也由于過程綜合、人工智能、失效分析、計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）、柔性制造系統(tǒng)、企業(yè)資源計劃、供應(yīng)鏈管理等新內(nèi)容不斷出現(xiàn)，使過程系統(tǒng)工程

13、學(xué)科仍在不斷發(fā)展。 過程系統(tǒng)工程由工程技術(shù)（硬技術(shù)）、管理技術(shù)（軟技術(shù)）組成。 過程系統(tǒng)工程是繼20世紀20年代單元操作技術(shù)和60年代傳遞現(xiàn)象理論后，化學(xué)工程學(xué)的第三次重大發(fā)展。 過程系統(tǒng)工程是過程工業(yè)信息化的理論基礎(chǔ)，作為一門學(xué)科對化學(xué)工業(yè)的兩化融合發(fā)展處于十分關(guān)鍵的地位。 黨的十六大就提出以信息化帶動工業(yè)化、以工業(yè)化促進信息化，帶動了過程系統(tǒng)工程與化學(xué)工業(yè)的“兩化融合” 發(fā)展。 本課著重介紹工程技術(shù)方面。即以處理化工過程中的物料能量信息流的過程系統(tǒng)為研究對象，其核心功能是過程系統(tǒng)的組織、計劃、協(xié)調(diào)、設(shè)計、控制和管理，達到在總體上技術(shù)與經(jīng)濟上的最優(yōu)化，并符合可持續(xù)發(fā)展的要求。 基本學(xué)習(xí)內(nèi)容

14、化工過程分析與綜合是過程系統(tǒng)工程學(xué)科的核心內(nèi)容，包括：化工過程分析與模擬(穩(wěn)態(tài)、動態(tài))化工過程優(yōu)化化工流程綜合 1.2.1 石油、化學(xué)工業(yè)的變化 傳統(tǒng)的化學(xué)工程方法以單元操作概念為基礎(chǔ)，化工裝置的設(shè)計僅限于各個單元過程和設(shè)備計算，并不涉及如何把單元過程和設(shè)備組成一個完整系統(tǒng)的有關(guān)工程問題。隨著技術(shù)的發(fā)展，石油、化學(xué)工業(yè)發(fā)生了深刻的變化： 1.現(xiàn)代化的石油、化學(xué)工業(yè)實現(xiàn)綜合生產(chǎn)與聯(lián)合企業(yè)的生產(chǎn)方式；（大系統(tǒng)分析） 2.現(xiàn)代化的石油化工裝置日趨大型化；（最優(yōu)設(shè)計、控制與管理） 3.生產(chǎn)過程實現(xiàn)了連續(xù)化、自動化生產(chǎn)；（計算機多變量時變系統(tǒng)控制） 4.原料、流程、產(chǎn)品變化快；（產(chǎn)品開發(fā)，過程放大） 5

15、.電子計算機普及、現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)及現(xiàn)代控制論在化學(xué)工程的應(yīng)用。（解決復(fù)雜設(shè)計計算與控制） 社會生產(chǎn)和其他方面的需要,對于系統(tǒng)工程的興起起了很大的促進作用。此外,近年來應(yīng)用數(shù)學(xué),現(xiàn)代控制論等學(xué)科的重大成果極大的充實了系統(tǒng)工程的理論基礎(chǔ)。電子計算機的飛躍發(fā)展尤為系統(tǒng)工程提供了強有力的技術(shù)手段。所有這些技術(shù)上的進步，使它在近二三十年內(nèi)得以蓬勃發(fā)展。當(dāng)系統(tǒng)工程的方法用于各個部門時，就很自然的逐步形成了具有各自特點的系統(tǒng)工程。 鑒于前述原因，為滿足化學(xué)工業(yè)亟需技術(shù)創(chuàng)新的要求，促使人們在化工企業(yè)的組織管理，生產(chǎn)過程的開發(fā)研究，設(shè)計中采用的新的概念，即系統(tǒng)工程的思想和方法來解決企業(yè)組織管理、生產(chǎn)裝置的最優(yōu)設(shè)計

16、和最優(yōu)控制的問題。 1.3.1. 化工技術(shù)發(fā)展的預(yù)測和決策 1.3.2. 化工系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計 1.3.3. 化工系統(tǒng)的最優(yōu)控制 1.3.4. 企業(yè)的組織管理和經(jīng)營技術(shù) 應(yīng)用系統(tǒng)工程的方法，定性和定量的預(yù)測化工技術(shù)未來的發(fā)展趨勢，對化工技術(shù)發(fā)展的路線做出技術(shù)經(jīng)濟的評價，估計技術(shù)發(fā)展帶來的經(jīng)濟效益，對于社會發(fā)展、能源、資源的利用、環(huán)境保護等帶來的后果。簡言之，是對未來化學(xué)工業(yè)的發(fā)展進行預(yù)測，并依次對化學(xué)工業(yè)的發(fā)展方向制定科學(xué)的決策。 即按照化工系統(tǒng)的要求,根據(jù)給定的輸入和輸出條件,確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),尋求在滿足一定的約束條件下,使系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)取極大值或極小值時各個單元過程和設(shè)備的最優(yōu)操作條件; 或者對一個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定的化工系統(tǒng),根據(jù)給定的輸入條件,確定在滿足一定的束縛條件下,使系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)取極大值或極小值的輸出條件. 實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制:指涉及一個控制系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定在最優(yōu)操作條件下運行。 系統(tǒng)的最優(yōu)控制可分兩類： 對于狀態(tài)隨時間變化的動態(tài)系統(tǒng),最優(yōu)控制需要尋找使目標(biāo)函數(shù)取極大或極小值的控制系統(tǒng)，從而使系統(tǒng)處于最優(yōu)狀態(tài)下運行； 對于系統(tǒng)的狀態(tài)與時間無關(guān)的定態(tài)系統(tǒng)，最優(yōu)控制需