化工過程分析與合成緒論

化工過程分析與合成緒論第1頁/共61頁什么是“化工過程的分析與合成”?單元：由組件或零件、分組件裝配在一起，通常在各種不同的環(huán)境中能夠獨立工作的組合體。

過程：由各種不同的單元組合而成。哲學意義是指客觀事物從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的轉移。第2頁/共61頁什么是“化工過程的分析與合成”?過程的英文表述為“process”?；み^程：化工生產從原料開始到制出目的產物，要經過眾多的化學和物理加工處理步驟。◆化學反應：氧化、還原、磺化、硝化等◆物理加工：加熱、冷凝、精餾、吸收等這些基本化學反應和物理加工工段，也稱單元操作。第3頁/共61頁什么是“化工過程的分析與合成”?

分析分析是在思想中把事物分解為各個屬性，部分，方面

合成合成是在思想中把事物的各個屬性，部分，方面結合起來兩者彼此相反而又相互聯系，分析與合成貫穿于思維的整個過程只有對事物內部矛盾的各個方面進行具體分析，再合成起來把握其矛盾的總體，才能真正深入到事物的本質，把握事物發(fā)展的規(guī)律第4頁/共61頁化工過程分析與合成課程的特點綜合利用了化學工程與工藝專業(yè)的主要基礎課程的內容，如《化工原理》、《化工熱力學》、《化學反應工程》、《傳遞過程原理》、《分離工程》、《化工數學》、《系統(tǒng)最優(yōu)化》、《化工系統(tǒng)工程》等。是一門綜合性課程。與上述突出數學方法的基礎課程相比，更突出實踐性的典型的“案例”分析。重點在于培養(yǎng)學生分析和解決實際問題的能力。第5頁/共61頁化工過程分析與合成課程的任務

培養(yǎng)高年級學生綜合運用學過的課程，以及技術經濟、環(huán)境保護方面的基礎知識，并結合本課程的過程系統(tǒng)分析與合成的方法，加強學生處理化學工業(yè)實際問題的能力。第6頁/共61頁化工過程分析與合成課程的要求★掌握過程系統(tǒng)分析與合成的基本概念、基本原理與方法★掌握過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型、動態(tài)模型建立的基本原理，熟悉過程系統(tǒng)模擬與優(yōu)化的基本步驟與方法，掌握分離序列合成方法，熟練運行夾點技術進行換熱網絡合成★理解過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型、動態(tài)模型求解算法，明確過程系統(tǒng)操作調優(yōu)的原理、步驟和方法。明確間歇系統(tǒng)模擬、優(yōu)化與合成的特殊性★了解過程系統(tǒng)對象的特性，學科的發(fā)展，該領域前沿及與其它學科的關系第7頁/共61頁化工過程分析與合成課程的主要內容緒論化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬與分析化工過程系統(tǒng)動態(tài)模擬與分析化工過程系統(tǒng)的優(yōu)化化工生產過程操作工況調優(yōu)間歇化工過程換熱網絡合成分離塔序列的合成第8頁/共61頁《化工過程分析與合成》內容體系化工過程系統(tǒng)的分析化工過程系統(tǒng)的合成化工過程系統(tǒng)的優(yōu)化2，36，7，84，5緒論1第9頁/共61頁化工過程系統(tǒng)的分析過程系統(tǒng)的流程、回路分析模型化模型求解斷裂、收斂、矩陣CSTR、精餾、PSA、閃蒸2，3第10頁/共61頁化工過程系統(tǒng)的合成間歇操作系統(tǒng)能量的綜合利用分離序列綜合最優(yōu)時間表序列夾點技術、調優(yōu)法數學規(guī)劃法、探試法、調優(yōu)法第11頁/共61頁化工過程系統(tǒng)的優(yōu)化通常的優(yōu)化問題化工大系統(tǒng)優(yōu)化離線調優(yōu)方法LP、NLP可行路徑、不可行路徑機理模型、統(tǒng)計模型、智能模型第12頁/共61頁緒論第13頁/共61頁緒論1.1化工過程1.2化工過程生產操作控制1.3化工過程的分析與合成1.4化工過程模擬系統(tǒng)1.5化工企業(yè)CIPS技術1.6人工智能技術在化工過程中的應用1.7本教材的目的與內容第14頁/共61頁課程背景二戰(zhàn)后，化工高等教育出現了兩大流派和傾向?！镂鞣桨l(fā)達國家，隨著化工熱力學、傳遞過程原理、反應工程與化工系統(tǒng)工程知識的系統(tǒng)化、理論化，突出了化學工程科學分類知識的教育，對工程師面對的實際問題反而注意不夠★在前蘇聯和東歐各國，則出現了專業(yè)劃分過細，所培養(yǎng)的高級人才缺乏生命力的落后局面。第15頁/共61頁課程背景★在我國，一方面由于受前蘇聯的影響，專業(yè)劃分過細，人才適應能力差的問題早已暴露無遺；另一方面，化學工程專業(yè)又因循西方的模式，過分強調學科性，忽視化學工程與技術問題的綜合性與實踐性。工程師的基本任務和能力就是綜合，工程師的創(chuàng)造性也主要通過綜合來體現。第16頁/共61頁反應B+C精餾ABB反應分離CEC+DDC第17頁/共61頁

過程就是客觀事物從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的轉移。在工藝生產上，對物料流進行物理或化學的加工工藝，稱作過程工藝；以汽車、輪船等工件為對象的加工工藝，稱為制造工藝。常見的過程工藝：化工過程冶金過程石油煉制過程醫(yī)藥生產過程第18頁/共61頁化工過程是以天然物料為原料經過物理或化學的加工制成產品的過程。通?；み^程包括三個部分：原料制備化學反應產品分離1.1化工過程第19頁/共61頁

各種單元過程由被處理的物料流聯接起來，構成化工過程生產工藝流程。最重要的單元過程：化學反應過程換熱過程分離過程第20頁/共61頁化學反應過程

──化工過程的核心部分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化反應過程…...第21頁/共61頁催化反應過程合成反應：合成氨、合成甲醇等的反應過程；第22頁/共61頁催化反應過程氧化反應：萘氧化制苯酐、乙烯氧化制環(huán)氧乙烯等的反應過程；第23頁/共61頁催化反應過程脫氫反應：乙苯脫氫制苯乙烯的反應過程；第24頁/共61頁催化反應過程裂化反應：重質油催化裂化制輕質油的反應過程；第25頁/共61頁催化反應過程烷基化反應：乙烯與苯的烷基化制乙苯的反應過程；第26頁/共61頁熱裂解反應過程煤干餾生成焦碳、煤焦油、焦爐煤氣的反應過程；輕油裂解制乙烯的反應過程；第27頁/共61頁電解質溶液離子反應過程各種無機鹽生產以及氨堿法制堿的反應過程；第28頁/共61頁生物化學反應過程發(fā)酵法生產氨基酸、有機醇、酮等的反應過程第29頁/共61頁換熱過程★使被處理的物流，按要求的溫度進入各個單元過程。這一過程是由換熱器與換熱物流所構成的換熱網絡實現的?！锖侠淼脑O計，能充分回收過程系統(tǒng)中的熱量或冷量?！镆宰畲笙薅鹊墓?jié)能、經濟的設備投資、良好的操作適應性為目標，實現最佳的換熱網絡設計，是化工過程系統(tǒng)綜合研究的一項典型的事例。第30頁/共61頁分離過程非均一系氣固相分離：沉降、過濾、濕法除塵、電除塵液固相分離：過濾、干燥、沉降均一系氣相分離：吸附、吸收、膜分離液相分離：蒸餾與精餾、蒸發(fā)、結晶、氣提、萃取、膜分離等

分離產物、副產物、廢物以及未反應的原料，最終得到一定純度的產物第31頁/共61頁

化工過程生產操作工況的調節(jié)，主要是對物料流溫度、壓力、流量、液位、組成等操作參數的調節(jié)。1.2化工過程生產操作控制第32頁/共61頁基地式控制技術（40-50年代）特點：采用基地式控制儀表實施單輸入、單輸出的簡單回路控制控制目標：保持生產工況平穩(wěn)出現了單元組合式控制儀表，從簡單控制回路發(fā)展了串級、前饋補償等控制系統(tǒng)第33頁/共61頁

優(yōu)點：特點為各個控制回路都是相互獨立的當某一控制回路出現故障時，不致影響其他回路的正常工作，系統(tǒng)的可靠性易于得到保障

缺點：對于規(guī)模范圍較大被控參數較多的對象來說，較多的控制回路需要相應設置較多的硬件。分散控制，難于實現總體優(yōu)化的控制方案。第34頁/共61頁計算機集中式控制技術（60年代）化工過程向著大型化、連續(xù)化發(fā)展要求檢測、控制的生產操作參數數量很多，并需要更優(yōu)良的控制質量計算機應用迅速的滲入各個領域，過程控制也開始了應用計算機的嘗試第35頁/共61頁

優(yōu)點：計算機用于化工過程控制，可以把各個控制回路的運算、控制、顯示都集中于計算機來實現這種集中控制可以大大的節(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全控制系統(tǒng)癱瘓的危險第36頁/共61頁DistributedControlSystem（70年代）隨著化工裝置規(guī)模的增大，被控對象參數，控制回路的增多，為了滿足對工業(yè)控制計算機應具備高度可靠性和靈活性的要求把計算機技術、控制技術、通訊技術、圖像顯示技術等集成為一體化的計算機控制系統(tǒng)，這就是分布式控制系統(tǒng)，又稱集散系統(tǒng)。集散系統(tǒng)吸取了分散系統(tǒng)和集中系統(tǒng)兩者的優(yōu)點第37頁/共61頁優(yōu)點集：管理、操作、控制三方面的集中散：功能分散、負荷分散和危險分散克服了分散系統(tǒng)難于實現全局系統(tǒng)控制的缺點克服了集中系統(tǒng)的危險集中第38頁/共61頁DCS的產品美國Honeywell公司的TDC-3000Foxboro公司的SPECTRUMFisher公司的PROVOXBailey公司的NETWORK90Taylor公司的MOD-300日本橫河公司的CENTUM第39頁/共61頁DCS的發(fā)展前景向擴大應用覆蓋面方向發(fā)展向管控一體化方向發(fā)展產品向開放化和標準化方向發(fā)展向現場總線技術發(fā)展第40頁/共61頁DCS的先進控制與優(yōu)化控制

目前DCS大多采用PID控制模式，——把收集到的數據和一個參考值進行比較，產生的差別用于計算新的輸入值，這個新的輸入值可以讓系統(tǒng)的數據達到或保持參考值。先進控制：自適應、預估值、模糊、智能控制等。優(yōu)化控制：在DCS上安裝運行某化工過程的數學模型，按既定的目標函數進行優(yōu)化計算，從而實現優(yōu)化控制。第41頁/共61頁1.3化工過程的分析與合成60年代初，在化學工程、系統(tǒng)工程、運籌學、數值計算方法、過程控制論等學科邊緣，產生了過程系統(tǒng)工程，也稱化工過程系統(tǒng)工程。任務:以系統(tǒng)工程的思想、方法，解決化工過程系統(tǒng)的設計、開發(fā)、操作、控制等問題，──系統(tǒng)工程的分析與合成

手段：運算描述過程系統(tǒng)的數學模型，這種模型的運算稱作化工過程系統(tǒng)模擬第42頁/共61頁化工過程系統(tǒng)的分析

主要是分析過程系統(tǒng)的運行機制、影響因素、過程模型的數學描述、目標函數的建立、優(yōu)惠工況下的最佳操作參數目標是使決擇方案，技術上先進、可行，經濟上優(yōu)越、合理對于操作工況的分析也就是通常說的生產操作調優(yōu)，包括在線調優(yōu)和離線調優(yōu)。第43頁/共61頁化工過程系統(tǒng)的合成包括：反應路徑合成；換熱網絡合成；分離序列合成；過程控制系統(tǒng)合成；解決由各個單元過程合成總體過程系統(tǒng)的任務由于化工過程系統(tǒng)的復雜性，這類優(yōu)化問題常是具有非線性、奇異、有約束、多極值等現象，近年來出現的模擬退火法和進化算法第44頁/共61頁1.4化工過程模擬系統(tǒng)

對于化工過程的開發(fā)、設計，上世紀初期，由實驗室到中間廠逐級放大的經驗辦法；

30年代，以相似論為基礎得出準數方程的辦法，建立數學模型的模擬放大法；

50年代后期，采用計算機數學模擬，基本上解決了大部分單元過程的開發(fā)放大問題。第45頁/共61頁化工流程穩(wěn)態(tài)模擬系統(tǒng)特點：模型中不包括時間參數，即把過程中的各種因素都看成是不隨時間而變化的，——適用于連續(xù)過程。在大規(guī)模連續(xù)化的工藝流程中，穩(wěn)態(tài)是不存在的穩(wěn)態(tài)模擬是對動態(tài)過程到達平穩(wěn)狀態(tài)的一種簡化處理，這種處理是很必要的第46頁/共61頁穩(wěn)態(tài)模擬系統(tǒng)的發(fā)展第一代（50--60年代）美國Kellogg公司的FLEXIBLE

FLOWSHEET，美國Houston大學開發(fā)的CHESS（ChemicalEngineeringSimulationSystem）第二代（70年代）美國Monsanto公司開發(fā)的FLOWTRAN美國Braun公司開發(fā)的PF10（ProcessFlow）日本千代田工程公司開發(fā)的CAPES（ComputerAidedProcessEngineeringSystem）第三代（1981）ASPEN(AdvancedSystemofProcessEngineering)第47頁/共61頁化工流程動態(tài)模擬系統(tǒng)許多的動態(tài)過程不允許簡化處理為穩(wěn)態(tài)過程間歇過程：裝料、開車、反應、停車、卸料連續(xù)過程：開車、停車、事故處理第48頁/共61頁動態(tài)模擬系統(tǒng)的發(fā)展第一代（70年代）1969年加拿大McMaster大學開發(fā)的DYNSYS美國杜邦公司開發(fā)的DYFLO美國Michigan大學開發(fā)了DYSCO日本千代田化工建設公司開發(fā)了DOPL第二代（70--80年代）美國的魯姆斯公司將動態(tài)模擬技術用于進行系統(tǒng)可行性分析、先進控制系統(tǒng)方案設計日本的一些大型化工建設工程公司將動態(tài)模擬技術用于進行新建大型化工廠工藝及控制系統(tǒng)的設計第三代（1981）由動態(tài)模擬技術衍生出用于培訓工人的模擬培訓器（SimulationControlCo.,AutodynamicsCo.,AtlanticSimulationInc）第49頁/共61頁1.5化工企業(yè)CIPS技術

化工過程分析與合成的任務是以高產、優(yōu)質、低耗為目標，尋求工藝生產中的設備、流程的合理配置方案以及最優(yōu)生產工況的操作在生產實踐中人們認識到，尋求化工過程優(yōu)惠工況依據不僅來自工藝過程本身，而必須遵循的根本性依據是企業(yè)的經營決策為實現企業(yè)最佳經營、生產決策的手段是當代的CIMS技術第50頁/共61頁Computer

Integrated

Manufacturing

System1974年美國JosephHarrington博士在《ComputerIntegratedManufacturing》一書中首次提出通過計算機硬、軟件綜合運用現代管理技術、制造技術、信息技術、自動化技術、系統(tǒng)工程技術，將企業(yè)生產中有關的人、技術、經營管理三要素及其信息流、物質流有機集成為實施優(yōu)化運作的大系統(tǒng)第51頁/共61頁EnterpriseResourcePlanning企業(yè)擁有卓越的銷售人員，但生產線上的工人卻無法如期交貨，車間管理人員則抱怨說采購部門沒有及時供應他們所需要的原料；采購部門的效率過高，倉庫里囤積的某些材料10年都用不完，倉庫庫位飽和，資金周轉很慢；ManufacturingResourcesPlanning未來兩年我國ERP產品市場達一百億元。準時生產制；精良生產制第52頁/共61頁ComputerIntegratedProcessSystem

化工、石化企業(yè),特別是一些特種化學品、精細化工產品的生產企業(yè)，要求新產品開發(fā)周期短、上市快;并要求生產工藝裝備是具有適應多種產品的柔性系統(tǒng)。以CIPS的概念和方法組織過程生產企業(yè)的運作環(huán)節(jié)，包括生產控制、調度、管理、經營決策、市場分析、新產品設計及研究開發(fā)，直到銷售和售后服務、用戶意見反饋等，形成以市場驅動、全局優(yōu)化的企業(yè)系統(tǒng)，收到了顯著的經濟效益。第53頁/共61頁CIPS的應用

日本三井石油化學公司實施CIPS，預計庫存量可減少30%，生產周期可縮短30%，成品油產量可增加10%，管理效率可提高20%。當前發(fā)達國家的大型化工、石化公司幾乎都處在對CIPS的實施、研究階段。國內的一些企業(yè)聯合著高校和科學院所正在積極開展CIPS的建設，如齊魯石化勝利煉油廠、滄州大化集團、大慶石化總廠等。第54頁/共61頁1.6人工智能在化工過程中的應用

各種化工過程系統(tǒng)基本上都可用數學模型描述。但由于實際化工過程的復雜性，還有許多現象具有離散的、非數值的、模糊的、不確定的特性，對這類對象建立數學模型非常困難一般：由技術專家憑籍他們的專業(yè)技術和經驗來解決。缺點：對不同的專家，解決辦法可能有差異人工智能技術的引用，為解決這類問題辟出了新徑第55頁/共61頁人工智能技術

宏觀模擬從人在思維時的心理活動出發(fā)。分析、研究人是如何運用知識、邏輯而解釋問題的，從而掌握人腦的邏輯思維規(guī)律運用計算機模擬這個過程，選出與人的思維過程相一致的結果，這就是專家系