化工過程分析與合成課件

化工過程分析與合成化工過程分析與合成1化工過程分析與合成化工過程分析與合成2課程要求認真聽課，重在應用；要求出勤率，出勤情況記入總分，占總分15%，根據(jù)點名出勤情況打分確定；平時大作業(yè)完成情況記入總分，占總分15%，根據(jù)作業(yè)完成情況打分確定；結課考試成績占總分70%。課程要求認真聽課，重在應用；31緒論2化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬與分析3化工過程系統(tǒng)動態(tài)模擬與分析4化工過程系統(tǒng)的優(yōu)化5化工生產(chǎn)過程操作工況調優(yōu)6間歇化工過程7換熱網(wǎng)絡合成8分離塔序列綜合課程主要內(nèi)容1緒論課程主要內(nèi)容41緒論化工過程分析與合成過程：客觀事物從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的轉移。過程工藝：對物料流進行物理或化學的加工工藝?；ぃ捰?，化肥）、輕工、冶金過程、醫(yī)藥生產(chǎn)過程等。制造工藝：以工件為對象的加工工藝。像電視機、汽車、機械零件加工等的生產(chǎn)，都是制造工藝1緒論化工過程分析與合成51.1化工過程化工過程：以天然物料（煤、石油、鹽等）為基礎原料，經(jīng)過物理或化學加工制成產(chǎn)品的過程。通常化工過程大都包括三個部分：原料制備化學反應產(chǎn)品分離1.1化工過程化工過程：以天然物料（煤、石油、鹽等）為基6在多種多樣的單元過程中，最重要的也是最多用的單元過程是：化學反應過程換熱過程分離過程化工過程分析與合成課件71.1.1化學反應過程化學反應過程是化工過程的核心部分。主要的化學反應過程有：催化反應過程熱裂解反應過程電解質溶液離子反應過程生物化學反應過程1.1.1化學反應過程81.1.2換熱過程定義：化工過程工藝流程中被處理的物流，按各單元過程所要求的溫度，通過換熱器加熱或冷卻的過程。換熱網(wǎng)絡：滿足這種換熱要求的熱量或冷量，可以來自流程中的工藝物料流或是來自公用工程，構成換熱網(wǎng)絡。換熱網(wǎng)絡設計目標：以最大限度的節(jié)能、經(jīng)濟的設備投資、良好的操作適應性。實現(xiàn)最佳的換熱網(wǎng)絡設計，是化工過程系統(tǒng)合成研究的一項典型的事例，也是本課程將要重點研討的一項內(nèi)容。1.1.2換熱過程定義：化工過程工藝流程中被處理的物流，91.1.3分離過程定義：從某種已知組成的混合物中分離出某幾種目標產(chǎn)物的過程.化工系統(tǒng)綜合:從可以設計出的不同流程、不同塔數(shù)的多種流程方案中選擇經(jīng)濟的、能滿足分離要求的最佳方案.分離過程選擇:非均一系物料的氣固相分離:采用沉降、過濾、濕法除塵、電除塵等單元操作。液固相分離:過濾、干燥、沉降等。

均一系物料的氣相分離，可采用吸附、吸收、膜分離。

液相分離:則可用蒸餾與精餾、蒸發(fā)、結晶、汽提、萃取、膜分離等。1.1.3分離過程定義：從某種已知組成的混合物中分離出某10化學反應過程換熱過程分離過程不同的化工過程只是這三類過程的不同組合化工系統(tǒng)工程研究內(nèi)容:這三類，其中主要是換熱過程和分離過程化學反應過程111.2化工過程生產(chǎn)操作控制化工過程生產(chǎn)操作控制：對生產(chǎn)操作工況的調節(jié)。主要是對物料流溫度、壓力、流量、液位、組成等操作參數(shù)的調節(jié)?；み^程生產(chǎn)操作控制分類分散控制集中控制化工過程生產(chǎn)操作控制對生產(chǎn)過程是否能正常進行影響很大，因此至關重要。1.2化工過程生產(chǎn)操作控制化工過程生產(chǎn)操作控制：對生產(chǎn)操12分散控制:20世紀四五十年代的早期過程控制技術，采用基地式控制儀表實施單輸入、單輸出的簡單回路控制，又稱為分散控制，目標:保持生產(chǎn)工況平穩(wěn)。分散控制技術的特點：各個控制回路都相互獨立。優(yōu)點：當某一控制回路出現(xiàn)故障時，不致影響其他回路的正常工作。缺點：控制參數(shù)較多時，需要相應設置較多的硬件。且這種分散的控制，難于實現(xiàn)總體優(yōu)化。分散控制:13集中控制：將計算機應用于化工過程控制，把各個控制回路的運算、控制、顯示都集中于計算機來實現(xiàn)的控制手段。優(yōu)點：可以大大的節(jié)省硬件成本，便于同時分析各個控制回路的信息，為實現(xiàn)全系統(tǒng)的優(yōu)化控制提供了條件。缺點：一旦發(fā)生計算機故障則將出現(xiàn)全控制系統(tǒng)癱瘓的危險。由于這種缺陷的困擾，曾使計算機控制技術一度陷于難于發(fā)展的困境。20世紀70年代中期集散系統(tǒng)的出現(xiàn)，使計算機控制技術出現(xiàn)了燦爛的應用前景。集中控制：將計算機應用于化工過程控制，把各個控制回路的運算、141.3化工過程分析與合成化工過程分析與合成又稱為化工過程系統(tǒng)工程，化工過程系統(tǒng)工程是在系統(tǒng)工程、化學工程、過程控制、計算數(shù)學、信息技術等學科的邊緣上產(chǎn)生的一門綜合性學科，化工過程系統(tǒng)工程以處理物料-能量-信息流的過程系統(tǒng)為研究對象。1.3化工過程分析與合成化工過程分析與合成又稱為化工過程15“化工過程系統(tǒng)工程”作為現(xiàn)代化學工程的一個組成部分，是新近發(fā)展起來的一門新興的邊緣科學。簡單地說，將系統(tǒng)工程學的理論和方法應用于化工過程就形成了化工過程系統(tǒng)工程，簡稱為化工系統(tǒng)工程。一化工過程系統(tǒng)工程一化工過程系統(tǒng)工程16系統(tǒng)工程：以大系統(tǒng)為對象進行研究的跨學科的邊緣性科學。起源:該學科最初發(fā)源于美國，由于二次世界大戰(zhàn)期間，美國需要在有限的時間、空間和運力條件下安排達到最大的運送量。因此提出了如何對運力進行安排以實現(xiàn)最大運送量的問題。其后，在通信網(wǎng)絡的設計過程中，也發(fā)現(xiàn)存在著如何安排通信網(wǎng)絡以達到用最小的投入，得到最優(yōu)的通話效果的通信網(wǎng)絡最優(yōu)配備問題。

化工過程分析與合成課件17由于先驅者的出發(fā)點和側重面各有不同，對系統(tǒng)工程的理解和認識也就各有不同.有些人強調復雜系統(tǒng)的最優(yōu)管理和最優(yōu)控制。有些人則著眼于工程系統(tǒng)的規(guī)劃和最優(yōu)設計。由于先驅者的出發(fā)點和側重面各有不同，對系統(tǒng)工程的理解和認識也18當強調復雜系統(tǒng)的最優(yōu)管理和最優(yōu)控制時———現(xiàn)代管理科學。當著眼工程的規(guī)劃及最優(yōu)設計——尋優(yōu)的綜合技術。當強調復雜系統(tǒng)的最優(yōu)管理和最優(yōu)控制時———現(xiàn)代管理科學。19系統(tǒng)工程的基本思想：從系統(tǒng)整體的觀念出發(fā)，周密考慮系統(tǒng)內(nèi)各個組成部分相互間的制約關系，討論系統(tǒng)整體的最優(yōu)策略。系統(tǒng)工程學又名：工程學的方法論研究對象：各個不同的系統(tǒng)系統(tǒng)工程的基本思想：從系統(tǒng)整體的觀念出發(fā)，周密考慮系統(tǒng)內(nèi)各個20化工過程系統(tǒng)工程以系統(tǒng)工程學為基礎，把社會問題作為研究對象的學科稱為社會系統(tǒng)工程學。把環(huán)境問題作為研究對象的學科稱為環(huán)境系統(tǒng)工程學。把化工過程系統(tǒng)問題作為研究對象的學科稱為化工過程系統(tǒng)工程學。

化工過程系統(tǒng)工程211認識上的三次飛躍第一次：20年代提出了“單元操作”的概念產(chǎn)生了化學工程學第二次：50年代提出了“三傳”的概念產(chǎn)生了化工傳遞過程原理的學科第三次：60年代初提出了“對化工過程系統(tǒng)的分析和模擬”的概念產(chǎn)生了化工過程系統(tǒng)工程學二、化工過程系統(tǒng)工程學的起源和發(fā)展1認識上的三次飛躍二、化工過程系統(tǒng)工程學的起源和發(fā)展222化工過程系統(tǒng)工程學產(chǎn)生的基礎化工生產(chǎn)過程的綜合性不斷增強，化工企業(yè)朝著多品種、跨學科的方向發(fā)展化工裝置日趨大型化，對放大技術的要求越來越高，小試到規(guī)模生產(chǎn)的周期越來越短。能源緊缺，能源的有效及合理利用成為人們越來越關心的問題。產(chǎn)品競爭日益加劇，一個品種的改變要求跟著企業(yè)迅速改變，以適應市場的變化環(huán)境意識的提高，要求企業(yè)對污染加以嚴格的控制，提出了如何減少污染，合理的綜合利用資源的問題。2化工過程系統(tǒng)工程學產(chǎn)生的基礎233化工系統(tǒng)工程學的綜合性從化工系統(tǒng)工程學的形成過程可知，這是一門綜合性學科，涉及：化學工程學系統(tǒng)工程學運籌學計算技術過程控制理論3化工系統(tǒng)工程學的綜合性24三、化工系統(tǒng)工程學的基本內(nèi)容任務：在“一定的輸入輸出條件下，尋求一個整體最優(yōu)的過程系統(tǒng)”。對一個待求的未知系統(tǒng)應指出：該系統(tǒng)應如何規(guī)劃、設計、操作、控制。為完成上述任務，大致包括兩個方面的工作:

化工過程系統(tǒng)的分析

化工過程系統(tǒng)的合成三、化工系統(tǒng)工程學的基本內(nèi)容任務：在“一定的輸入輸出條件下，25化工過程分析：對過程系統(tǒng)的運行機制、影響因素、過程模型的數(shù)學描述、目標函數(shù)的建立、優(yōu)惠工況下的最佳操作參數(shù)等進行分析。例：某年產(chǎn)30萬t乙烯裝置改擴建為45萬t裝置，竣工投產(chǎn)后達到了預期的產(chǎn)量，但能耗超標。如何選擇對策，就要對工藝裝置進行分析，在對過程進行系統(tǒng)分析的同時，必需要對單元、物料、能量利用情況進行分析。1.3.1化工過程系統(tǒng)的分析化工過程分析：對過程系統(tǒng)的運行機制、影響因素、過程模型的數(shù)學26過程系統(tǒng)分析與模擬：建立過程系統(tǒng)的數(shù)學模型并在計算機上模擬計算的整個過程稱為過程系統(tǒng)分析與模擬。

過程系統(tǒng)的模型：對實際過程系統(tǒng)的描述。

包括：數(shù)學模型與實物模型。

過程系統(tǒng)分析與模擬：27數(shù)學模型：建立數(shù)學表達式，在建立過程中運用邏輯關系、規(guī)則、概念。模擬計算：首先要尋求有效的數(shù)學模型求解的方法，并將模型的求解過程轉變?yōu)橛嬎愠绦颍缓笥嬎愕贸鲋庇^形式的輸出結果.數(shù)學模型：建立數(shù)學表達式，在建立過程中運用邏輯關系、規(guī)則、概28前例中：若該套擴建不久的年產(chǎn)45萬t乙烯裝置，又面臨著進一步擴建為60萬t規(guī)模的任務。建摸時要吸取前次擴建的經(jīng)驗這是一個大系統(tǒng)的多目標合成問題，是一個按既定多目標函數(shù)尋優(yōu)的系統(tǒng)合成問題。擴建方案的目標達到產(chǎn)量要求達到能耗指標前例中：若該套擴建不久的年產(chǎn)45萬t乙烯裝置，又面臨著進一步29

〈１〉過程系統(tǒng)合成：

所需系統(tǒng)結構

定義：按照規(guī)定的系統(tǒng)特性子系統(tǒng)性能按規(guī)定的目標最優(yōu)組合，尋求理想過程系統(tǒng)。

具有最優(yōu)的系統(tǒng)結構

〈２〉理想的過程系統(tǒng)具有最合適的子系統(tǒng)

尋求1.3.2化工過程系統(tǒng)的合成〈１〉過程系統(tǒng)合成：尋求1.3.2化工過程系統(tǒng)的合成30混合混合反應分離分離分離Ａ+Ｂ+ＣＰB+C+A+PＣBＢA+CAC例：某化工過程系統(tǒng)由Ｂ+Ｃ為原料生產(chǎn)Ａ，且副產(chǎn)Ｐ，其可能的過程流程一：樹結構流程系統(tǒng)結構的概念混合混反分分分Ａ+Ｂ+ＣＰB+C+A+PＣBＢA+CAC例：31例：某化工過程系統(tǒng)由Ｂ+Ｃ為原料生產(chǎn)Ａ，且副產(chǎn)Ｐ，其可能的過程流程二：再循環(huán)結構流程

混反B+C+A+P分離ＣＢＰＡＣＡ+Ｂ+ＣＡ+ＣＢ分離分離例：某化工過程系統(tǒng)由Ｂ+Ｃ為原料生產(chǎn)Ａ，且副產(chǎn)Ｐ，其可能的過32由前例可知，過程系統(tǒng)的流程結構可有幾種選擇方案（備選方案）。樹結構流程再循環(huán)流股結構由前例可知，過程系統(tǒng)的流程結構可有幾種選擇方案（備選方案）。33

子系統(tǒng)的特性更有幾種方案可供選擇。如：想得到合格Ａ

分離子系統(tǒng)精餾萃取板式填料間歇連續(xù)

這種在多種備選方案中進行選擇及排除，以構造最理想系統(tǒng)的過程為系統(tǒng)的綜合過程。

子系統(tǒng)的特性更有幾種方案可供選擇。34〈３〉過程系統(tǒng)合成的方法

過去：全部憑借工程師的經(jīng)驗。

現(xiàn)在：借助對各種子系統(tǒng)的分析與模擬，預測系統(tǒng)特性，達到綜合目的。

因此：過程系統(tǒng)分析是過程系統(tǒng)綜合的基礎?！矗场颠^程系統(tǒng)合成的方法過去：全部憑借工程師的經(jīng)驗。35化工過程系統(tǒng)合成包括有：反應路徑合成換熱網(wǎng)絡合成分離序列合成過程控制系統(tǒng)合成特別是要解決由各個單元過程合成總體過程系統(tǒng)的任務?！矗础颠^程系統(tǒng)合成的研究內(nèi)容化工過程系統(tǒng)合成包括有：〈４〉過程系統(tǒng)合成的研究內(nèi)容36①反應路徑的綜合：對給定原料規(guī)定產(chǎn)品的問題稱為反應路徑的綜合。

例：由糠醛糠醇

可以有氣相加氫法高壓，但反應迅速，副產(chǎn)物少。

也有液相加氫法低壓，反應慢，副產(chǎn)物多。

尋求反應路徑①反應路徑的綜合：尋求反應路徑37②換熱網(wǎng)絡綜合：對于大型化工企業(yè)，多裝置，多物流。一些裝置需要熱物流作為加熱介質，另一些裝置則需冷卻介質提供冷量。因而，從全局的角度，合理配置冷熱物流的走向，以達到冷熱配置平衡，以最低的消耗達到最優(yōu)的換熱配置。這就要求：通過物流間的合理分配，使熱量（冷量）利用最合理。②換熱網(wǎng)絡綜合：38③分離序列綜合：以５組元、均相混合液的分離為例找出最優(yōu)的分離序列設計者需解決的問題對最優(yōu)分離序列中的單個分離器找出最優(yōu)設計參數(shù)

③分離序列綜合：39

不同的兩種分離序列方案：哪個好，需找出判別方法。ＡＢＣＤＥＡＢＣＤＥＡＢＣＤＥＢＣＡＢＣＤＥＡＢＣＤＥＡＢＣＤＥＥＤＡＢＣＤＥＡＢＣＤＥＡＢＣＤＥＢＣＡＢＣＤＥＡＢＣＤＥＡＢＣ40④反應器網(wǎng)絡的綜合：對于需多級多次反應才可得到的反應產(chǎn)物需建立反應器網(wǎng)絡（或稱反應器系統(tǒng)）。如何使系統(tǒng)最優(yōu)。⑤全流程的綜合：由原料

目的產(chǎn)物尋找最優(yōu)的流程，包括：反應、分離、換熱等等，全流程實現(xiàn)最優(yōu)。④反應器網(wǎng)絡的綜合：41⑥公用工程系統(tǒng)綜合：公用工程系統(tǒng)的核心部分是蒸汽動力系統(tǒng)。蒸汽動力系統(tǒng)最優(yōu)綜合的目的就是要降低整個系統(tǒng)的能耗。⑥公用工程系統(tǒng)綜合：421.4化工過程模擬系統(tǒng)

20世紀初期，對于化工過程的開發(fā)、設計，只是采用由實驗室到中間廠逐級放大的經(jīng)驗方法。30年代出現(xiàn)了相似論為基礎得出準數(shù)方程的辦法。同時出現(xiàn)了建立數(shù)學模型的模擬放大法。50年代后期，應用計算機及數(shù)值計算，采用數(shù)學模擬的方法解決了大部分單元過程的開發(fā)放大問題。即根據(jù)最基本的單元過程實驗數(shù)據(jù)，利用數(shù)學模型在計算機上解決開發(fā)放大問題。例如：丙烯二聚反應由實驗室數(shù)據(jù)放大到工業(yè)反應器設計，放大倍數(shù)達1700倍。甲苯歧化反應過程的放大倍數(shù)為6000倍。1.4化工過程模擬系統(tǒng)20世紀初期，對于化工過程的開發(fā)43這種在計算機上模擬化工過程工藝流程的軟件，稱為化工流程模擬系統(tǒng)。應用化工流程模擬系統(tǒng)進行化工過程工藝開發(fā)設計的技術，稱作計算機輔助過程設計CAPD(ComputerAidedProcessDesign)。這種在計算機上模擬化工過程工藝流程的軟件，稱為化工流程模擬系44按待模擬的系統(tǒng)特性：

1穩(wěn)態(tài)過程系統(tǒng)模擬：2動態(tài)過程系統(tǒng)模擬：

按待模擬的系統(tǒng)特性：451.4.1化工流程穩(wěn)態(tài)模擬系統(tǒng)一般的化工流程模擬系統(tǒng)是穩(wěn)態(tài)模擬系統(tǒng)。特性：（1）系統(tǒng)參數(shù)不隨時間變化，建模容易。（2）系統(tǒng)沒有或不考慮大的干擾造成波動的影響。在大規(guī)模連續(xù)化的工藝流程中，物料是以連續(xù)流動的狀態(tài)在系統(tǒng)中被加工的，過程中的各種參數(shù)總是隨時間不斷變化的，因而穩(wěn)態(tài)是不存在的。穩(wěn)態(tài)模擬只不過是對動態(tài)過程到達平穩(wěn)狀態(tài)的一種簡化處理，事實上這種處理是很必要的。1.4.1化工流程穩(wěn)態(tài)模擬系統(tǒng)一般的化工流程模擬系統(tǒng)是穩(wěn)態(tài)模4620世紀60年代以來，化工流程穩(wěn)態(tài)模擬系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了三個時代。第一代：20世紀50年代末至60年代。如美國Kellogg公司開發(fā)的FLEXIBLEFLOWSHEET、美國Houston大學開發(fā)的CHESS(ChemicalEngineeringSimulationSystem)20世紀60年代以來，化工流程穩(wěn)態(tài)模擬系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了三個時47第二代：20世紀70年代。比第一代在功能、規(guī)模方面都有很大進步。代表性的系統(tǒng)有：美國公司開發(fā)的FLOWTRAN、美國Braun公司開發(fā)的PFl0(ProcessFlow)、日本干代田工程公司開發(fā)的CAPES(ComputerAidedProcessEngineeringSystem)等。第二代：20世紀70年代。比第一代在功能、規(guī)模方面都有很大進48第三代：美國麻省理工學院主持開發(fā)的ASPEN(AdvancedSystemofProcessEngineering)。ASPEN的開發(fā)是針對以煤為原料解決能源工藝為背景的。而第二代模擬系統(tǒng)以處理氣—液系統(tǒng)為其特長，不具備處理固體物料的功能。ASPEN的開發(fā)工作從1976年起，組織了杜邦、埃克森、孟山都、飛馬石油等50家公司投入力量，歷時5年耗資600萬美元，于1981年完成交付使用。ASPEN具有更大更強的功能。第三代：美國麻省理工學院主持開發(fā)的ASPEN(Advance49國內(nèi)在20世紀70年代開始進行化工流程模擬系統(tǒng)的開發(fā)工作。一些設計院所、研究院所、高校等單位開發(fā)的模擬系統(tǒng)，可以對石油氣分離、基本有機合成、合成氨等工藝系統(tǒng)進行工況模擬、操作、開發(fā)設計等等。國內(nèi)向市場推出的商品軟件ECSS(EngineeringChemicalSimulationSystem)是青島化工學院開發(fā)的化工流程模擬系統(tǒng)。國內(nèi)在20世紀70年代開始進行化工流程模擬系統(tǒng)的開發(fā)工作。50目前國內(nèi)使用模擬系統(tǒng)多數(shù)是引進的。最早引進的模擬軟件是1978年由丹麥引進的Gips，這是個合成氨工藝專用的流程模擬系統(tǒng)。20世紀80年代又引進了ASPENTech公司的ASPENPLUS，先后約有30套左右；美國SimulationScience公司的約26套；Hydrotech公司的HYSlM30套左右等。目前國內(nèi)使用模擬系統(tǒng)多數(shù)是引進的。511.4.2動態(tài)模擬系統(tǒng)在化工過程工藝生產(chǎn)中存在著相當多的動態(tài)過程，它們是不允許簡化處理為穩(wěn)態(tài)過程的。如精細化學品、染料中間體、農(nóng)藥生產(chǎn)中的間歇反應釜操作過程，正常生產(chǎn)操作周期中，總是包括著裝料、開車、反應、停車、卸料，這些過程的工藝參數(shù)都是時間的函數(shù)。即便是連續(xù)生產(chǎn)過程，也有開車、停車、事故出現(xiàn)等動態(tài)過程。對于這些過程的分析都要進行動態(tài)模擬。1.4.2動態(tài)模擬系統(tǒng)在化工過程工藝生產(chǎn)中存在著相當多的521.4.2動態(tài)模擬系統(tǒng)

動態(tài)過程模擬系統(tǒng)主要應用于：（1）了解裝置經(jīng)受動態(tài)負荷變化的能力和可操作性。（2）分析非正常操作條件下的動態(tài)性能。（3）通過模擬仿真，尋找最優(yōu)的參數(shù)及控制。（4）以模擬型代替實際裝置培訓即將上崗人員。

1.4.2動態(tài)模擬系統(tǒng)動態(tài)過程模擬系統(tǒng)主要應用于：531.5本教材的目的與內(nèi)容本課程的目的：在學習了化工原理、化工工藝學、化工動力學、化工熱力學等課程的基礎上，學會以系統(tǒng)工程的方法論來處理化工過程的分析與合成問題。1.5本教材的目的與內(nèi)容本課程的目的：54化工過程分析與合成化工過程分析與合成55化工過程分析與合成化工過程分析與合成56課程要求認真聽課，重在應用；要求出勤率，出勤情況記入總分，占總分15%，根據(jù)點名出勤情況打分確定；平時大作業(yè)完成情況記入總分，占總分15%，根據(jù)作業(yè)完成情況打分確定；結課考試成績占總分70%。課程要求認真聽課，重在應用；571緒論2化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬與分析3化工過程系統(tǒng)動態(tài)模擬與分析4化工過程系統(tǒng)的優(yōu)化5化工生產(chǎn)過程操作工況調優(yōu)6間歇化工過程7換熱網(wǎng)絡合成8分離塔序列綜合課程主要內(nèi)容1緒論課程主要內(nèi)容581緒論化工過程分析與合成過程：客觀事物從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的轉移。過程工藝：對物料流進行物理或化學的加工工藝?；ぃ捰停剩?、輕工、冶金過程、醫(yī)藥生產(chǎn)過程等。制造工藝：以工件為對象的加工工藝。像電視機、汽車、機械零件加工等的生產(chǎn)，都是制造工藝1緒論化工過程分析與合成591.1化工過程化工過程：以天然物料（煤、石油、鹽等）為基礎原料，經(jīng)過物理或化學加工制成產(chǎn)品的過程。通?；み^程大都包括三個部分：原料制備化學反應產(chǎn)品分離1.1化工過程化工過程：以天然物料（煤、石油、鹽等）為基60在多種多樣的單元過程中，最重要的也是最多用的單元過程是：化學反應過程換熱過程分離過程化工過程分析與合成課件611.1.1化學反應過程化學反應過程是化工過程的核心部分。主要的化學反應過程有：催化反應過程熱裂解反應過程電解質溶液離子反應過程生物化學反應過程1.1.1化學反應過程621.1.2換熱過程定義：化工過程工藝流程中被處理的物流，按各單元過程所要求的溫度，通過換熱器加熱或冷卻的過程。換熱網(wǎng)絡：滿足這種換熱要求的熱量或冷量，可以來自流程中的工藝物料流或是來自公用工程，構成換熱網(wǎng)絡。換熱網(wǎng)絡設計目標：以最大限度的節(jié)能、經(jīng)濟的設備投資、良好的操作適應性。實現(xiàn)最佳的換熱網(wǎng)絡設計，是化工過程系統(tǒng)合成研究的一項典型的事例，也是本課程將要重點研討的一項內(nèi)容。1.1.2換熱過程定義：化工過程工藝流程中被處理的物流，631.1.3分離過程定義：從某種已知組成的混合物中分離出某幾種目標產(chǎn)物的過程.化工系統(tǒng)綜合:從可以設計出的不同流程、不同塔數(shù)的多種流程方案中選擇經(jīng)濟的、能滿足分離要求的最佳方案.分離過程選擇:非均一系物料的氣固相分離:采用沉降、過濾、濕法除塵、電除塵等單元操作。液固相分離:過濾、干燥、沉降等。

均一系物料的氣相分離，可采用吸附、吸收、膜分離。

液相分離:則可用蒸餾與精餾、蒸發(fā)、結晶、汽提、萃取、膜分離等。1.1.3分離過程定義：從某種已知組成的混合物中分離出某64化學反應過程換熱過程分離過程不同的化工過程只是這三類過程的不同組合化工系統(tǒng)工程研究內(nèi)容:這三類，其中主要是換熱過程和分離過程化學反應過程651.2化工過程生產(chǎn)操作控制化工過程生產(chǎn)操作控制：對生產(chǎn)操作工況的調節(jié)。主要是對物料流溫度、壓力、流量、液位、組成等操作參數(shù)的調節(jié)。化工過程生產(chǎn)操作控制分類分散控制集中控制化工過程生產(chǎn)操作控制對生產(chǎn)過程是否能正常進行影響很大，因此至關重要。1.2化工過程生產(chǎn)操作控制化工過程生產(chǎn)操作控制：對生產(chǎn)操66分散控制:20世紀四五十年代的早期過程控制技術，采用基地式控制儀表實施單輸入、單輸出的簡單回路控制，又稱為分散控制，目標:保持生產(chǎn)工況平穩(wěn)。分散控制技術的特點：各個控制回路都相互獨立。優(yōu)點：當某一控制回路出現(xiàn)故障時，不致影響其他回路的正常工作。缺點：控制參數(shù)較多時，需要相應設置較多的硬件。且這種分散的控制，難于實現(xiàn)總體優(yōu)化。分散控制:67集中控制：將計算機應用于化工過程控制，把各個控制回路的運算、控制、顯示都集中于計算機來實現(xiàn)的控制手段。優(yōu)點：可以大大的節(jié)省硬件成本，便于同時分析各個控制回路的信息，為實現(xiàn)全系統(tǒng)的優(yōu)化控制提供了條件。缺點：一旦發(fā)生計算機故障則將出現(xiàn)全控制系統(tǒng)癱瘓的危險。由于這種缺陷的困擾，曾使計算機控制技術一度陷于難于發(fā)展的困境。20世紀70年代中期集散系統(tǒng)的出現(xiàn)，使計算機控制技術出現(xiàn)了燦爛的應用前景。集中控制：將計算機應用于化工過程控制，把各個控制回路的運算、681.3化工過程分析與合成化工過程分析與合成又稱為化工過程系統(tǒng)工程，化工過程系統(tǒng)工程是在系統(tǒng)工程、化學工程、過程控制、計算數(shù)學、信息技術等學科的邊緣上產(chǎn)生的一門綜合性學科，化工過程系統(tǒng)工程以處理物料-能量-信息流的過程系統(tǒng)為研究對象。1.3化工過程分析與合成化工過程分析與合成又稱為化工過程69“化工過程系統(tǒng)工程”作為現(xiàn)代化學工程的一個組成部分，是新近發(fā)展起來的一門新興的邊緣科學。簡單地說，將系統(tǒng)工程學的理論和方法應用于化工過程就形成了化工過程系統(tǒng)工程，簡稱為化工系統(tǒng)工程。一化工過程系統(tǒng)工程一化工過程系統(tǒng)工程70系統(tǒng)工程：以大系統(tǒng)為對象進行研究的跨學科的邊緣性科學。起源:該學科最初發(fā)源于美國，由于二次世界大戰(zhàn)期間，美國需要在有限的時間、空間和運力條件下安排達到最大的運送量。因此提出了如何對運力進行安排以實現(xiàn)最大運送量的問題。其后，在通信網(wǎng)絡的設計過程中，也發(fā)現(xiàn)存在著如何安排通信網(wǎng)絡以達到用最小的投入，得到最優(yōu)的通話效果的通信網(wǎng)絡最優(yōu)配備問題。

化工過程分析與合成課件71由于先驅者的出發(fā)點和側重面各有不同，對系統(tǒng)工程的理解和認識也就各有不同.有些人強調復雜系統(tǒng)的最優(yōu)管理和最優(yōu)控制。有些人則著眼于工程系統(tǒng)的規(guī)劃和最優(yōu)設計。由于先驅者的出發(fā)點和側重面各有不同，對系統(tǒng)工程的理解和認識也72當強調復雜系統(tǒng)的最優(yōu)管理和最優(yōu)控制時———現(xiàn)代管理科學。當著眼工程的規(guī)劃及最優(yōu)設計——尋優(yōu)的綜合技術。當強調復雜系統(tǒng)的最優(yōu)管理和最優(yōu)控制時———現(xiàn)代管理科學。73系統(tǒng)工程的基本思想：從系統(tǒng)整體的觀念出發(fā)，周密考慮系統(tǒng)內(nèi)各個組成部分相互間的制約關系，討論系統(tǒng)整體的最優(yōu)策略。系統(tǒng)工程學又名：工程學的方法論研究對象：各個不同的系統(tǒng)系統(tǒng)工程的基本思想：從系統(tǒng)整體的觀念出發(fā)，周密考慮系統(tǒng)內(nèi)各個74化工過程系統(tǒng)工程以系統(tǒng)工程學為基礎，把社會問題作為研究對象的學科稱為社會系統(tǒng)工程學。把環(huán)境問題作為研究對象的學科稱為環(huán)境系統(tǒng)工程學。把化工過程系統(tǒng)問題作為研究對象的學科稱為化工過程系統(tǒng)工程學。

化工過程系統(tǒng)工程751認識上的三次飛躍第一次：20年代提出了“單元操作”的概念產(chǎn)生了化學工程學第二次：50年代提出了“三傳”的概念產(chǎn)生了化工傳遞過程原理的學科第三次：60年代初提出了“對化工過程系統(tǒng)的分析和模擬”的概念產(chǎn)生了化工過程系統(tǒng)工程學二、化工過程系統(tǒng)工程學的起源和發(fā)展1認識上的三次飛躍二、化工過程系統(tǒng)工程學的起源和發(fā)展762化工過程系統(tǒng)工程學產(chǎn)生的基礎化工生產(chǎn)過程的綜合性不斷增強，化工企業(yè)朝著多品種、跨學科的方向發(fā)展化工裝置日趨大型化，對放大技術的要求越來越高，小試到規(guī)模生產(chǎn)的周期越來越短。能源緊缺，能源的有效及合理利用成為人們越來越關心的問題。產(chǎn)品競爭日益加劇，一個品種的改變要求跟著企業(yè)迅速改變，以適應市場的變化環(huán)境意識的提高，要求企業(yè)對污染加以嚴格的控制，提出了如何減少污染，合理的綜合利用資源的問題。2化工過程系統(tǒng)工程學產(chǎn)生的基礎773化工系統(tǒng)工程學的綜合性從化工系統(tǒng)工程學的形成過程可知，這是一門綜合性學科，涉及：化學工程學系統(tǒng)工程學運籌學計算技術過程控制理論3化工系統(tǒng)工程學的綜合性78三、化工系統(tǒng)工程學的基本內(nèi)容任務：在“一定的輸入輸出條件下，尋求一個整體最優(yōu)的過程系統(tǒng)”。對一個待求的未知系統(tǒng)應指出：該系統(tǒng)應如何規(guī)劃、設計、操作、控制。為完成上述任務，大致包括兩個方面的工作:

化工過程系統(tǒng)的分析

化工過程系統(tǒng)的合成三、化工系統(tǒng)工程學的基本內(nèi)容任務：在“一定的輸入輸出條件下，79化工過程分析：對過程系統(tǒng)的運行機制、影響因素、過程模型的數(shù)學描述、目標函數(shù)的建立、優(yōu)惠工況下的最佳操作參數(shù)等進行分析。例：某年產(chǎn)30萬t乙烯裝置改擴建為45萬t裝置，竣工投產(chǎn)后達到了預期的產(chǎn)量，但能耗超標。如何選擇對策，就要對工藝裝置進行分析，在對過程進行系統(tǒng)分析的同時，必需要對單元、物料、能量利用情況進行分析。1.3.1化工過程系統(tǒng)的分析化工過程分析：對過程系統(tǒng)的運行機制、影響因素、過程模型的數(shù)學80過程系統(tǒng)分析與模擬：建立過程系統(tǒng)的數(shù)學模型并在計算機上模擬計算的整個過程稱為過程系統(tǒng)分析與模擬。

過程系統(tǒng)的模型：對實際過程系統(tǒng)的描述。

包括：數(shù)學模型與實物模型。

過程系統(tǒng)分析與模擬：81數(shù)學模型：建立數(shù)學表達式，在建立過程中運用邏輯關系、規(guī)則、概念。模擬計算：首先要尋求有效的數(shù)學模型求解的方法，并將模型的求解過程轉變?yōu)橛嬎愠绦?，然后計算得出直觀形式的輸出結果.數(shù)學模型：建立數(shù)學表達式，在建立過程中運用邏輯關系、規(guī)則、概82前例中：若該套擴建不久的年產(chǎn)45萬t乙烯裝置，又面臨著進一步擴建為60萬t規(guī)模的任務。建摸時要吸取前次擴建的經(jīng)驗這是一個大系統(tǒng)的多目標合成問題，是一個按既定多目標函數(shù)尋優(yōu)的系統(tǒng)合成問題。擴建方案的目標達到產(chǎn)量要求達到能耗指標前例中：若該套擴建不久的年產(chǎn)45萬t乙烯裝置，又面臨著進一步83

〈１〉過程系統(tǒng)合成：

所需系統(tǒng)結構

定義：按照規(guī)定的系統(tǒng)特性子系統(tǒng)性能按規(guī)定的目標最優(yōu)組合，尋求理想過程系統(tǒng)。

具有最優(yōu)的系統(tǒng)結構

〈２〉理想的過程系統(tǒng)具有最合適的子系統(tǒng)

尋求1.3.2化工過程系統(tǒng)的合成〈１〉過程系統(tǒng)合成：尋求1.3.2化工過程系統(tǒng)的合成84混合混合反應分離分離分離Ａ+Ｂ+ＣＰB+C+A+PＣBＢA+CAC例：某化工過程系統(tǒng)由Ｂ+Ｃ為原料生產(chǎn)Ａ，且副產(chǎn)Ｐ，其可能的過程流程一：樹結構流程系統(tǒng)結構的概念混合混反分分分Ａ+Ｂ+ＣＰB+C+A+PＣBＢA+CAC例：85例：某化工過程系統(tǒng)由Ｂ+Ｃ為原料生產(chǎn)Ａ，且副產(chǎn)Ｐ，其可能的過程流程二：再循環(huán)結構流程

混反B+C+A+P分離ＣＢＰＡＣＡ+Ｂ+ＣＡ+ＣＢ分離分離例：某化工過程系統(tǒng)由Ｂ+Ｃ為原料生產(chǎn)Ａ，且副產(chǎn)Ｐ，其可能的過86由前例可知，過程系統(tǒng)的流程結構可有幾種選擇方案（備選方案）。樹結構流程再循環(huán)流股結構由前例可知，過程系統(tǒng)的流程結構可有幾種選擇方案（備選方案）。87

子系統(tǒng)的特性更有幾種方案可供選擇。如：想得到合格Ａ

分離子系統(tǒng)精餾萃取板式填料間歇連續(xù)

這種在多種備選方案中進行選擇及排除，以構造最理想系統(tǒng)的過程為系統(tǒng)的綜合過程。

子系統(tǒng)的特性更有幾種方案可供選擇。88〈３〉過程系統(tǒng)合成的方法

過去：全部憑借工程師的經(jīng)驗。

現(xiàn)在：借助對各種子系統(tǒng)的分析與模擬，預測系統(tǒng)特性，達到綜合目的。

因此：過程系統(tǒng)分析是過程系統(tǒng)綜合的基礎。〈３〉過程系統(tǒng)合成的方法過去：全部憑借工程師的經(jīng)驗。89化工過程系統(tǒng)合成包括有：反應路徑合成換熱網(wǎng)絡合成分離序列合成過程控制系統(tǒng)合成特別是要解決由各個單元過程合成總體過程系統(tǒng)的任務。〈４〉過程系統(tǒng)合成的研究內(nèi)容化工過程系統(tǒng)合成包括有：〈４〉過程系統(tǒng)合成的研究內(nèi)容90①反應路徑的綜合：對給定原料規(guī)定產(chǎn)品的問題稱為反應路徑的綜合。

例：由糠醛糠醇

可以有氣相加氫法高壓，但反應迅速，副產(chǎn)物少。

也有液相加氫法低壓，反應慢，副產(chǎn)物多。

尋求反應路徑①反應路徑的綜合：尋求反應路徑91②換熱網(wǎng)絡綜合：對于大型化工企業(yè)，多裝置，多物流。一些裝置需要熱物流作為加熱介質，另一些裝置則需冷卻介質提供冷量。因而，從全局的角度，合理配置冷熱物流的走向，以達到冷熱配置平衡，以最低的消耗達到最優(yōu)的換熱配置。這就要求：通過物流間的合理分配，使熱量（冷量）利用最合理。②換熱網(wǎng)絡綜合：92③分離序列綜合：以５組元、均相混合液的分離為例找出最優(yōu)的分離序列設計者需解決的問題對最優(yōu)分離序列中的單個分離器找出最優(yōu)設計參數(shù)

③分離序列綜合：93

不同的兩種分離序列方案：哪個好，需找出判別方法。ＡＢＣＤＥＡＢＣＤＥＡＢＣＤＥＢＣＡＢＣＤＥＡＢＣＤＥＡＢＣＤＥＥＤＡＢＣＤＥＡＢＣＤＥＡＢＣＤＥＢＣＡＢＣＤＥＡＢＣＤＥＡＢＣ94④反應器網(wǎng)絡的綜合：對于需多級多次反應才可得到的反應產(chǎn)物需建立反應器網(wǎng)絡（或稱反應器系統(tǒng)）。如何使系統(tǒng)最優(yōu)。⑤全流程的綜合：由原料

目的產(chǎn)物尋找最優(yōu)的流程，包括：反應、分離、換熱等等，全流程實現(xiàn)最優(yōu)。④反應器網(wǎng)絡的綜合：95⑥公用工程系統(tǒng)綜合：公用工程系統(tǒng)的核心部分是蒸汽動力系統(tǒng)。蒸汽動力系統(tǒng)最優(yōu)綜合的目的就是要降低整個系統(tǒng)的能耗。⑥公用工程系統(tǒng)綜合：961.4化工過程模擬系統(tǒng)

20世紀初期，對于化工過程的開發(fā)、設計，只是采用由實驗室到中間廠逐級放大的經(jīng)驗方法。30年代出現(xiàn)了相似論為基礎得出準數(shù)方程的辦法。同時出現(xiàn)了建立數(shù)學模型的模擬放大法。50年代后期，應用計算機及數(shù)值計算，采用數(shù)學模擬的方法解決了大部分單元過程的開發(fā)放大問題。即根據(jù)最基本的單元過程實驗數(shù)據(jù)，利用數(shù)學模型在計算機上解決開發(fā)放大問題。例如：丙烯二聚反應由實驗室數(shù)據(jù)放大到工業(yè)反應器設計，放大倍數(shù)達1700倍。甲苯歧化反應過程的放大倍數(shù)為6000倍。1.4化工過程模擬系統(tǒng)20世紀初期，對于化工過程的開發(fā)97這種在計算機上模擬化工過程工藝流程的軟件，稱為化工流程模擬系統(tǒng)。應用化工流程模擬系統(tǒng)進行化工過程工藝開發(fā)設計的技術，稱作計算機輔助過程設計CAPD(ComputerAidedProcessDesign)。這種在計算機上模擬化工過程工藝流程的軟件，稱為化工流程模擬系98按待模擬的系統(tǒng)特性：

1穩(wěn)態(tài)過程系統(tǒng)模擬：2動態(tài)過程系統(tǒng)模擬：

按待模擬的系統(tǒng)特性：991.4.1化工流程穩(wěn)態(tài)模擬系統(tǒng)一般的化工流程模擬系統(tǒng)是穩(wěn)態(tài)模擬系統(tǒng)。特性：（1）系統(tǒng)參數(shù)不隨時間變化，建模容易。（2）系統(tǒng)沒有或不考慮大的干擾造成波動的影響。在大規(guī)模連續(xù)