化工系統(tǒng)工程緒論

化工系統(tǒng)工程緒論2024/3/24化工系統(tǒng)工程緒論1、教學(xué)安排及要求（1）學(xué)時(shí)：32h 2學(xué)分（2）成績(jī)?cè)u(píng)定：期末考試：80分課程論文：20分2、教材（1）過(guò)程系統(tǒng)工程（華東理工大學(xué)出版社，2009年6月）姚平經(jīng)主編（2）化工過(guò)程分析與綜合（大連理工大學(xué)出版社，2009年1月）都健主編姚平經(jīng)主審化工系統(tǒng)工程緒論第1章緒論1.1

過(guò)程系統(tǒng)工程的發(fā)展歷史和研究?jī)?nèi)容1.1.1過(guò)程系統(tǒng)工程的發(fā)展歷史

（1）化工過(guò)程化工過(guò)程是指用適當(dāng)?shù)脑辖?jīng)過(guò)一系列物理單元操作和化學(xué)反應(yīng)的單元過(guò)程而轉(zhuǎn)化為合乎需要的產(chǎn)品的過(guò)程。（2）過(guò)程系統(tǒng)工程（PSE）

以處理物料-能量-資金-信息流的過(guò)程系統(tǒng)為研究對(duì)象，其核心功能是過(guò)程系統(tǒng)的組織、計(jì)劃、協(xié)調(diào)、設(shè)計(jì)、控制和管理。目的是在總體上達(dá)成技術(shù)及經(jīng)濟(jì)上的最優(yōu)化，以符合可持續(xù)發(fā)展的要求。（1961年AIChE討論會(huì)論文集上第一次用到PSE,ProcessSystemsEngineering)

化工系統(tǒng)工程緒論

20世紀(jì)60年代初，產(chǎn)生和發(fā)展時(shí)期。產(chǎn)生的基礎(chǔ)是化學(xué)工程、系統(tǒng)工程、運(yùn)籌學(xué)、數(shù)值計(jì)算方法、過(guò)程控制論及計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科。（3）發(fā)展歷史

20世紀(jì)60年代末至70年代末，產(chǎn)生和發(fā)展的理論準(zhǔn)備時(shí)期，是學(xué)術(shù)醞釀期。明確了學(xué)科范疇為過(guò)程系統(tǒng)的分析、過(guò)程綜合和過(guò)程控制。20世紀(jì)80年代末至90年代末，成長(zhǎng)時(shí)期。一方面計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及，研制出化工流程通用模擬系統(tǒng)。另一方面，石油危機(jī)，節(jié)能降耗。學(xué)術(shù)理論走向工業(yè)應(yīng)用?；は到y(tǒng)工程緒論新世紀(jì)開(kāi)始至現(xiàn)在，擴(kuò)展時(shí)期，研究范圍和研究?jī)?nèi)容都在擴(kuò)大。20世紀(jì)90年代，環(huán)境問(wèn)題的突出，“綠色過(guò)程系統(tǒng)工程”。化工系統(tǒng)工程緒論1.1.2過(guò)程系統(tǒng)工程的研究?jī)?nèi)容（1）基礎(chǔ)部分

過(guò)程穩(wěn)態(tài)模擬

過(guò)程系統(tǒng)優(yōu)化

過(guò)程系統(tǒng)綜合與集成過(guò)程動(dòng)態(tài)分析與控制（2）擴(kuò)充部分面向過(guò)程工業(yè)的經(jīng)營(yíng)管理系統(tǒng)工程，如：計(jì)劃與調(diào)度計(jì)算機(jī)集成加工系統(tǒng)供應(yīng)鏈管理化工系統(tǒng)工程緒論1.2基本概念

（1）過(guò)程系統(tǒng)(Processsystem)

過(guò)程系統(tǒng)是對(duì)原料進(jìn)行物理的或化學(xué)的加工處理的系統(tǒng)，它由一些特定功能的過(guò)程單元按著一定的方式相互聯(lián)結(jié)而組成，它的功能在于實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)中的物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)換?！斑^(guò)程系統(tǒng)”的含義已不局限于生產(chǎn)工藝過(guò)程，而逐步延伸到經(jīng)營(yíng)管理業(yè)務(wù)和決策過(guò)程—供應(yīng)鏈的優(yōu)化（Supplychainoptimization)。

（2）過(guò)程系統(tǒng)模擬分析（Analysis)給定的過(guò)程系統(tǒng)指定的輸入待求的輸出化工系統(tǒng)工程緒論從傳統(tǒng)的過(guò)程系統(tǒng)擴(kuò)展到聯(lián)合裝置，整個(gè)企業(yè)，甚至于一個(gè)地區(qū)的工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，向巨型系統(tǒng)發(fā)展。為了研究過(guò)程機(jī)理和產(chǎn)品設(shè)計(jì)，微觀尺度的原子/分子模擬用來(lái)洞察分子結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的定量關(guān)系?；は到y(tǒng)工程緒論過(guò)程系統(tǒng)模擬的一般步驟有：

（a）需要立足于堅(jiān)實(shí)工程實(shí)踐基礎(chǔ)上的創(chuàng)造性思維，明確研究目標(biāo)和預(yù)期結(jié)果；（b）建立數(shù)學(xué)模型：根據(jù)問(wèn)題定義，寫出相關(guān)衡算方程和過(guò)程機(jī)理關(guān)聯(lián)式，作出可行的假定，進(jìn)行必要的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和獲得有關(guān)工程數(shù)據(jù)；（c）選擇計(jì)算方法和策略或計(jì)算機(jī)軟件；

（d）對(duì)模擬結(jié)果合理性的評(píng)價(jià)：模擬結(jié)果是否已恰當(dāng)?shù)谋磉_(dá)了實(shí)際過(guò)程并進(jìn)行正確的解釋，研究各種備選方案，提出修改，更新和完善措施?；は到y(tǒng)工程緒論（3）過(guò)程系統(tǒng)優(yōu)化（Optimization)

過(guò)程系統(tǒng)優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)過(guò)程系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化操作、優(yōu)化控制和優(yōu)化管理的數(shù)學(xué)手段。

最具代表性的方法是數(shù)學(xué)規(guī)劃法。數(shù)學(xué)規(guī)劃法把過(guò)程系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題表征為目標(biāo)函數(shù)和一系列等式、不等式約束的多變量數(shù)學(xué)模型，然后采用適宜的算法獲得問(wèn)題的最優(yōu)解或近優(yōu)解。大規(guī)模的非線性規(guī)劃和混合整數(shù)非線性規(guī)劃問(wèn)題。

算法主要有兩類，一是基于梯度尋優(yōu)的確定性算法，另一是進(jìn)化算法（智能算法），如遺傳算法等?；は到y(tǒng)工程緒論多目標(biāo)優(yōu)化：經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和可操作性等

多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題極少存在絕對(duì)最優(yōu)解，而是存在一個(gè)非劣解集（pareto解集），即其中每一個(gè)解在不犧牲其它子目標(biāo)性能的前提下已無(wú)法再改進(jìn)單個(gè)子目標(biāo)性能。對(duì)于多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，首先尋求非劣解集，然后由決策者按著各目標(biāo)的重要性或優(yōu)先程度選擇最佳折衷解。化工系統(tǒng)工程緒論（4）過(guò)程系統(tǒng)綜合(Synthesis)與集成（Integration)待綜合的過(guò)程系統(tǒng)給定的或可選擇的輸入所要求的或希望的輸出過(guò)程系統(tǒng)綜合是指按著規(guī)定的系統(tǒng)特性，尋求所需的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其各子系統(tǒng)的性能，并使系統(tǒng)按規(guī)定的目標(biāo)進(jìn)行最優(yōu)組合；是過(guò)程系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最具創(chuàng)造性的步驟。包括兩種決策：一是由相互作用的單元/子系統(tǒng)之間的拓?fù)浜吞匦远?guī)定的各種結(jié)構(gòu)替換方案的選擇，另一是組成該系統(tǒng)的各個(gè)單元/子系統(tǒng)的替換方案的設(shè)計(jì)。從數(shù)學(xué)上講，第一個(gè)決策可表示為整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題，第二個(gè)決策是非線性規(guī)劃問(wèn)題。化工系統(tǒng)工程緒論綜合方法：(a)直觀推斷法(Heuristic)(b)調(diào)優(yōu)法(Evolutionary)(c)分解法(Decomposition)(d)結(jié)構(gòu)參數(shù)法(Structuralparameterapproach)(e)人工智能(Artificialintelligence)過(guò)程系統(tǒng)綜合的主要課題：（a）反應(yīng)路徑的綜合（b）反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)綜合（c）換熱器網(wǎng)絡(luò)綜合（d）分離序列綜合（e）公用工程系統(tǒng)綜合（f）控制系統(tǒng)綜合（g）全流程系統(tǒng)綜合（h）過(guò)程系統(tǒng)能量、質(zhì)量集成化工系統(tǒng)工程緒論

過(guò)程系統(tǒng)集成是從過(guò)程系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體考慮，綜合利用物質(zhì)和能量，將物質(zhì)流、能量流和信息流整體優(yōu)化，找到理想的過(guò)程系統(tǒng)。

過(guò)程系統(tǒng)集成包括能量集成和質(zhì)量集成兩個(gè)主要方面，相伴隨的是信息集成。

過(guò)程能量集成是以合理利用能量為目標(biāo)的全過(guò)程系統(tǒng)綜合問(wèn)題，把反應(yīng)、分離、熱回收和公用工程子系統(tǒng)一體化地考慮能量的供求關(guān)系以及過(guò)程結(jié)構(gòu)、操作參數(shù)的調(diào)優(yōu)處理，達(dá)到全系統(tǒng)能量的優(yōu)化綜合。

質(zhì)量集成考慮物質(zhì)的總體分配，包括過(guò)程中物質(zhì)的利用、循環(huán)、截?cái)啵鞴傻姆指?、混合等，涉及把所有物質(zhì)轉(zhuǎn)化為最有價(jià)值產(chǎn)物的路徑，有效的生產(chǎn)理想產(chǎn)品，使副產(chǎn)物和廢物最小化?；は到y(tǒng)工程緒論1.3本課程的研究方法和特點(diǎn)特點(diǎn)：系統(tǒng)的方法論、研究對(duì)象為一個(gè)整體、優(yōu)化的思想。過(guò)程系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)研究的方法：第一步，建立過(guò)程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，或運(yùn)用已有模擬軟件，進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬；

第二步，整理計(jì)算數(shù)據(jù)，與已有的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或生產(chǎn)數(shù)據(jù)作偏差對(duì)比，從過(guò)程機(jī)理與數(shù)值計(jì)算角度解釋和分析偏差產(chǎn)生的各種影響因素，并給予修正，直到滿足允許誤差的要求。第三步，采用已確認(rèn)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬，作為過(guò)程系統(tǒng)的優(yōu)化和綜合研究的基礎(chǔ)。

化工系統(tǒng)工程緒論2過(guò)程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬2.1基本概念目的：研究化工系統(tǒng)整體穩(wěn)態(tài)特性。模擬(Simulation)：用一能反映研究對(duì)象本質(zhì)和內(nèi)在聯(lián)系，與原型具有客觀的一致性，且可再現(xiàn)原型發(fā)生的本質(zhì)過(guò)程和特性的模型，來(lái)研究和設(shè)計(jì)原型過(guò)程的方法。A復(fù)雜B簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)A

（以B的行為模擬A的行為，從簡(jiǎn)單的預(yù)測(cè)復(fù)雜的。）

實(shí)驗(yàn)?zāi)M：采用實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b置進(jìn)行研究。

數(shù)學(xué)模擬：采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究。建立數(shù)學(xué)模型——模型化

求解數(shù)學(xué)模型——模擬化工系統(tǒng)工程緒論2.1.1過(guò)程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型1）數(shù)學(xué)模型概念把與系統(tǒng)有關(guān)的數(shù)量關(guān)系歸納為反映系統(tǒng)機(jī)理與特性的數(shù)學(xué)方程組。2）建立數(shù)學(xué)模型的要求和規(guī)則對(duì)描述對(duì)象本質(zhì)的深刻理解，方程包括：物料衡算和能量衡算方程；物流局部微元的“基本”過(guò)程方程；各種過(guò)程參數(shù)間理論的、半經(jīng)驗(yàn)的或純經(jīng)驗(yàn)的關(guān)聯(lián)式；對(duì)過(guò)程參數(shù)的約束?；は到y(tǒng)工程緒論3）數(shù)學(xué)模型的分類（1）穩(wěn)態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型穩(wěn)態(tài)模型——不含時(shí)間變量；動(dòng)態(tài)模型——參數(shù)隨時(shí)間而變，包括時(shí)間變量。

（2）機(jī)理模型和“黑箱”模型（經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停C(jī)理模型——根據(jù)一定的理論和方法，對(duì)過(guò)程的機(jī)理進(jìn)行研究而建立的模型；“黑箱”模型——根據(jù)過(guò)程輸入、輸出數(shù)據(jù)，采用回歸分析方法確定輸入與輸出數(shù)據(jù)的關(guān)系而建立起來(lái)的模型。

化工系統(tǒng)工程緒論（3）集總參數(shù)模型與分布參數(shù)模型集總參數(shù)模型——過(guò)程變量不隨空間坐標(biāo)而改變，如理想混合反應(yīng)器。分布參數(shù)模型——過(guò)程變量隨空間坐標(biāo)而改變。

（4）確定性模型和隨機(jī)模型確定性模型——輸入與輸出存在確定關(guān)系；隨機(jī)模型——輸入與輸出沒(méi)有確定關(guān)系，且時(shí)間是一獨(dú)立變量?；は到y(tǒng)工程緒論2.1.2系統(tǒng)的自由度分析1）自由度分析目的：正確地確定系統(tǒng)應(yīng)給定的獨(dú)立變量數(shù)，避免方程無(wú)解。

自由度（degreeofFreedom)：

ND>0不定方程組，有無(wú)窮個(gè)解ND<0過(guò)度設(shè)定，形成矛盾方程，割除冗余方程N(yùn)D=0正確設(shè)定，方程組有唯一解

設(shè)計(jì)變量：預(yù)先賦值的變量（ND個(gè)）狀態(tài)變量：除設(shè)計(jì)變量外的變量(NEquations個(gè))

狀態(tài)方程：NEquations個(gè)方程化工系統(tǒng)工程緒論實(shí)例:

①

混合器

獨(dú)立方程包括壓力平衡方程:物料衡算方程:

熱量衡算方程:C+2F1,P1,T1,x11,x21,…,xc-1，1F2,P2,T2,x12,x22,…,xc-1，2F3,P3,T3,x13,x23,…,xc-1，3化工系統(tǒng)工程緒論混合器的獨(dú)立方程數(shù)：混合器的自由度：

說(shuō)明：兩獨(dú)立流股混合過(guò)程的自由度為兩個(gè)獨(dú)立流股自由度之和。

如果混合器有S個(gè)輸入流股，則自由度為S(C+2)。

化工系統(tǒng)工程緒論例：苯－甲苯混合器m=12n=4d=8化工系統(tǒng)工程緒論2）設(shè)計(jì)變量的選擇（1）所選擇的設(shè)計(jì)變量間是相互獨(dú)立的；（2）應(yīng)使模擬問(wèn)題的求解盡量方便。

2.1.3過(guò)程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬的基本方法1）序貫?zāi)K法（SequentialModularMethod）2）聯(lián)立方程法（EquationOrientedMethod）3）聯(lián)立模塊法（SimultaneousModularMethod）化工系統(tǒng)工程緒論單元模塊過(guò)程模型方程求解程序物性數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用輸入物流變量輸出物流變量設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)操作參數(shù)2.2過(guò)程系統(tǒng)模擬的序貫?zāi)K法模塊：用以描述單元操作、物性及系統(tǒng)其他功能的子程序?；は到y(tǒng)工程緒論序貫?zāi)K法：

逐個(gè)單元模塊依次序貫計(jì)算求解系統(tǒng)模型的一種方法。

特點(diǎn)：①與實(shí)際過(guò)程的直觀聯(lián)系強(qiáng)；②易于診斷錯(cuò)誤；③計(jì)算效率低。

回路（環(huán)路）—輸入流股與后續(xù)的單元設(shè)備輸出有關(guān)?；は到y(tǒng)工程緒論基本步驟（與實(shí)際過(guò)程的一致性）：（1）搜集相關(guān)的資料和數(shù)據(jù)

操作及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸；驗(yàn)證模型所需要的生產(chǎn)數(shù)據(jù)或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)。（2）建立過(guò)程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型

a.過(guò)程系統(tǒng)的拓?fù)浍@取信息流圖b.信息流圖表示成矩陣形式c.系統(tǒng)的分隔化工系統(tǒng)工程緒論

d.斷裂回路選定適宜斷裂流股和初值e.模擬計(jì)算的求解順序，管理模擬計(jì)算過(guò)程

（3）建立單元設(shè)備模塊（4）熱力學(xué)數(shù)據(jù)及物性數(shù)據(jù)模塊（5）輸入模塊（6）輸出模塊缺點(diǎn)：物性參數(shù)、單元模塊及系統(tǒng)斷裂流股三層嵌套迭代。設(shè)計(jì)型問(wèn)題：不斷調(diào)節(jié)輸入?yún)?shù)和設(shè)備工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)。

化工系統(tǒng)工程緒論物性計(jì)算1過(guò)程單元計(jì)算2流程計(jì)算3設(shè)計(jì)規(guī)定計(jì)算4序貫?zāi)K法的迭代層次示意圖化工系統(tǒng)工程緒論氨合成系統(tǒng)反應(yīng)溫度：400～500℃，壓力：300kg/cm2催化反應(yīng)N2+3H2

2NH3平衡時(shí)，氨的合成轉(zhuǎn)化率為12％。保持連續(xù)穩(wěn)定操作的條件：新鮮原料氣體的流量、組成恒定；反應(yīng)器在恒溫、恒壓下操作；各分離器閃蒸溫度、閃蒸壓力恒定；排空物流的排空比率恒定?；旌辖M分1－N22－H23－NH34－Ar5－CH42.2.1氨合成系統(tǒng)的物料衡算流程模擬化工系統(tǒng)工程緒論工藝流圖

信息流圖化工系統(tǒng)工程緒論1）氨合成系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

混合器①j=1,2,…,5，表示5種混合組分物流編號(hào)：1，2，……，105個(gè)方程化工系統(tǒng)工程緒論混合器②j=1,2,…,55個(gè)方程化工系統(tǒng)工程緒論反應(yīng)器③反應(yīng)平衡方程：K：平衡常數(shù)，P：反應(yīng)壓力5個(gè)方程化工系統(tǒng)工程緒論高壓分離器④汽液平衡方程k1,k2,…,k5為PD，TD下的組分平衡常數(shù)10個(gè)方程化工系統(tǒng)工程緒論10個(gè)方程汽液平衡方程

k1’,k2’,…,k5’為PF，TF下的組分平衡常數(shù)

低壓分離器⑤化工系統(tǒng)工程緒論10個(gè)方程其中，f為分割率分流器⑥化工系統(tǒng)工程緒論分子分率約束式10個(gè)方程共計(jì)：Ne＝55個(gè)方程化工系統(tǒng)工程緒論

方程類型物料平衡方程組：無(wú)反應(yīng)——質(zhì)量平衡（分子量平衡） 有反應(yīng)——原子數(shù)目平衡分子分率約束式：設(shè)備約束式（描述流程結(jié)構(gòu)）：反應(yīng)平衡常數(shù)分割率汽液平衡常數(shù)（高壓）汽液平衡常數(shù)（低壓）變量個(gè)數(shù)設(shè)備參數(shù)：化工系統(tǒng)工程緒論物流變量60個(gè)

Fi,i=1,2,…,10

xij，i=1,2,…,10；j=1,2,…,5∴方程數(shù)：Ne＝55；變量數(shù)：Nv＝72

設(shè)計(jì)變量d＝72－55＝17（個(gè)）可選設(shè)備參數(shù)12個(gè)可選進(jìn)料物流變量：F1，x11，x12，x14，x15為設(shè)計(jì)變量2)數(shù)學(xué)模型的序貫求解