第2讲 过程系统工程

1、Review of last lecture 系统系统: 系统工程系统工程 （观点、方法、角度（观点、方法、角度SAEOC) 过程系统工程过程系统工程: （内容、作用及沿革）（内容、作用及沿革） 过程系统工程的有关基本术语过程系统工程的有关基本术语 系统系统/环境环境/决策变量决策变量/状态变量状态变量/过程模拟过程模拟/过程模拟系统过程模拟系统 过程系统工程基本任务与内容过程系统工程基本任务与内容 基本任务基本任务:化工生产各环节化工生产各环节(规划设计、操作运行、控制管规划设计、操作运行、控制管 理、采购与销售理、采购与销售)的优化（解决技术经济决策问题）的优化（解决技术经济决策问题）;

2、内容内容: ASO 系统分析系统分析 过程系统工程：把系统工程的一套过程系统工程：把系统工程的一套 研究方法、观点、思路应用到过程研究方法、观点、思路应用到过程 系统的模拟、评价、优化、合成等系统的模拟、评价、优化、合成等 问题上，形成了过程系统工程学。问题上，形成了过程系统工程学。 是将化学工程、应用数学、将计算是将化学工程、应用数学、将计算 机软件、过程控制的理论与技术集机软件、过程控制的理论与技术集 成的学科成的学科。 系统综合（系统合成）系统综合（系统合成）是在给定系统的是在给定系统的任务或目标任务或目标亦即确定了系统功亦即确定了系统功 能的条件下，寻求或能的条件下，寻求或选择选择各子

3、系统的功能特性及其组合方式各子系统的功能特性及其组合方式以实现预定的以实现预定的 系统功能和目标（合成氨）。系统功能和目标（合成氨）。 系统最优化系统最优化（也称做（也称做运筹学运筹学方法）是近几十年形成的，它方法）是近几十年形成的，它主要运用数主要运用数 学方法研究各种系统的优化途径及方案，为决策者提供科学决策的依据。学方法研究各种系统的优化途径及方案，为决策者提供科学决策的依据。 最优化方法的主要研究对象最优化方法的主要研究对象: :各种有组织系统的各种有组织系统的管理问题管理问题及其及其生产经营活动生产经营活动。 最优化方法的目的最优化方法的目的: :对所研究的系统，求得一个合理设计工艺

4、参数或运用人对所研究的系统，求得一个合理设计工艺参数或运用人 力、物力和财力的最佳方案，发挥和提高系统的效能及效益，最终达到系力、物力和财力的最佳方案，发挥和提高系统的效能及效益，最终达到系 统的最优目标。统的最优目标。 过程系统工程要解决的基本问题：过程系统工程要解决的基本问题：操作问题、设计型问题、操作优化操作问题、设计型问题、操作优化 和过程合成和过程合成（SDOSSDOS）-简称简称四个基本问题。四个基本问题。 合成氨工艺流程合成氨工艺流程 1.5 化工系统工程解决的基本问题（案例化工系统工程解决的基本问题（案例1） -1.5.1 1.5.1 精馏单元（系统精馏单元（系统) ) 1.5

5、.1.1 过程单元模拟分析与设计过程单元模拟分析与设计 定义：在确定过程系统的定义：在确定过程系统的 结构及其子系统的前提下结构及其子系统的前提下 ，通过数学模拟的方法，通过数学模拟的方法， 推测特定系统的特性，确推测特定系统的特性，确 定各部位的信息和定各部位的信息和/或或总体总体 技术经济指标的方法为技术经济指标的方法为过过 程系统模拟分析程系统模拟分析。 设计型？设计型？ R，Ntt， D or W 1.5.1.2 过程单元优化与综合过程单元优化与综合 1.4.4 过程系统的优化与合成过程系统的优化与合成 一类是对确定过程系统的优化，通一类是对确定过程系统的优化，通 常是求取能使过程系统

6、的目标函数极常是求取能使过程系统的目标函数极 小（或极大）最佳决策变量的值，通小（或极大）最佳决策变量的值，通 常称为常称为过程系统的优化过程系统的优化； J（总费用）（总费用）=操作费用操作费用+折旧（设备？）折旧（设备？） （一般，简化的决策变量为（一般，简化的决策变量为R，P） 综合综合? 1.5.2 化工系统工程研究的基本问题（案例化工系统工程研究的基本问题（案例2） -乙烯氧化制环氧乙烷反应乙烯氧化制环氧乙烷反应- -吸收系统吸收系统 1.5.2.1 乙烯氧化法制环氧乙烷工艺流程乙烯氧化法制环氧乙烷工艺流程 混合器反应器分离器 分割器 X1 X0 X2X3 X5 X6 X4 u SP

7、 SP-设计规定 u-分割比 1.5.2.2 模拟问题获取系统的应答特性（系统分析）模拟问题获取系统的应答特性（系统分析） 混合器反应器分离器 分割器 X1 X0 X2X3 X5 X6 X4 u 已知系统的输入已知系统的输入X0X0、过程参数、过程参数u u、4 4个单元特性及系统的拓扑结个单元特性及系统的拓扑结 构，求系统的输出状态以及系统中其他所有流股的信息。构，求系统的输出状态以及系统中其他所有流股的信息。 1.5.2.3 设计型问题设计型问题 混合器反应器分离器 分割器 X1 X0 X2X3 X5 X6 X4 u SP 已知系统的输入已知系统的输入X0X0、4 4个单元特性及系统的拓扑

8、结构，求满足某个个单元特性及系统的拓扑结构，求满足某个 设计规定设计规定(SP=4%)(SP=4%)的条件下，系统的输出、系统中其他所有流股的信息的条件下，系统的输出、系统中其他所有流股的信息 以及设计规定相对应的过程参数以及设计规定相对应的过程参数u u。 1.5.2.4 优化问题优化问题 混合器 反应器 T 分离器 分割器 X1 X0 X2X3 X5 X6 X4 u 已知系统的输入、系统特性、系统结构，求优化目标函数极值（已知系统的输入、系统特性、系统结构，求优化目标函数极值（ 比如优化的目标为目的产物的利润最大）以及此时的决策变量（如反比如优化的目标为目的产物的利润最大）以及此时的决策变

9、量（如反 应器的温度和分割比）的数值。应器的温度和分割比）的数值。 1.5.3 合成问题（系统综合）合成问题（系统综合） 已知输入（用什么原料）、输出（制什么产品），求为达到生已知输入（用什么原料）、输出（制什么产品），求为达到生 产目的在某个目标函数下的最佳工艺流程。可以用下图描述过程合产目的在某个目标函数下的最佳工艺流程。可以用下图描述过程合 成系统。成系统。 原料产品 ? 原料？ ? ？产品 ? Aspen-plus ,Process（Pro-II), Micro-chess, ECSS 过程合成的提出：1968，Rudd（美） 在给定系统的在给定系统的任务或目标任务或目标亦亦 即确定了

10、系统功能的条件下，即确定了系统功能的条件下， 寻求或寻求或选择各子系统的功能选择各子系统的功能 特性及其组合方式特性及其组合方式以实现预以实现预 定的系统功能和目标。定的系统功能和目标。 过程系统工程的技术手段和工具是过程系统工程的技术手段和工具是？ 1.6 化工系统工程的主要技术手段与工具化工系统工程的主要技术手段与工具 主要内容主要内容:系统分析的任务在于描述或预测系统的特性系统分析的任务在于描述或预测系统的特性;系统综合是指确定化系统综合是指确定化 工系统结构的过程工系统结构的过程;而系统优化是为了以最佳的方式实现系统的目标或功能，而系统优化是为了以最佳的方式实现系统的目标或功能， 是全

11、部工作的最终目的。（是全部工作的最终目的。（化工系统工程的核心是最优化化工系统工程的核心是最优化） 如何实现如何实现?(手工计算手工计算?计算尺计算尺?计算器计算器? Or.) 1.6.1化工流程模拟系统（或流程模拟系统）化工流程模拟系统（或流程模拟系统）-软件软件 化工过程模拟程序系统常简称为流程模拟软件化工过程模拟程序系统常简称为流程模拟软件(chemical engineering simulation system )，它是一种综合性计算机程序系统，用于单元过程以及，它是一种综合性计算机程序系统，用于单元过程以及 由这些单元过程所组成的整个化工过程系统的模拟计算由这些单元过程所组成的整

12、个化工过程系统的模拟计算。 合成流程合成流程 工艺参数优化工艺参数优化 脱除瓶颈脱除瓶颈 研究某些设计问题或操作模拟分析研究某些设计问题或操作模拟分析 进行参数灵敏度分析进行参数灵敏度分析 PSE的主要任务？的主要任务？ ？ 1.6.2 1.6.2 历史沿革、现状与前景历史沿革、现状与前景 19581958年年, ,Flexible FlowsheetingFlexible Flowsheeting（Kellogg,Kellogg,合成氨，合成氨，第一个化工模拟程序）第一个化工模拟程序） 6060年代，化工过程模拟的年代，化工过程模拟的初始发展期初始发展期。PACERPACER（Purdue

13、university)Purdue university) CHESSMicro-CHESS (Houstn university)CHESSMicro-CHESS (Houstn university)待待 （第一代）第一代） 7070年代，化工过程模拟的成长年代，化工过程模拟的成长壮大期壮大期。模拟软件的开发，研制走向专业化，商业。模拟软件的开发，研制走向专业化，商业 化。从过去的分散在大学和各个炼油、石化公向转向由专门的化工软件公司进行。模化。从过去的分散在大学和各个炼油、石化公向转向由专门的化工软件公司进行。模 拟计算的准确性、可靠性大大加强，应用范围不断拓宽，功能愈益丰富，使用越来越

14、拟计算的准确性、可靠性大大加强，应用范围不断拓宽，功能愈益丰富，使用越来越 方便，并且涌现了一批著名的、影响广泛的商业化软件方便，并且涌现了一批著名的、影响广泛的商业化软件。如：。如：MonsantoMonsanto的的FlowtranFlowtran （第二代）（第二代） 8080年代开始，化工模拟的深入年代开始，化工模拟的深入发展期发展期。是化工模拟的深入发展期；最主要的特点。是化工模拟的深入发展期；最主要的特点 是从是从“离线离线”走向走向“在线在线”，从稳态模拟发展到动态模拟和实时优化，从单纯的稳态，从稳态模拟发展到动态模拟和实时优化，从单纯的稳态 计算发展到和工业装置紧密相连。国外不

15、少公司已将著名的软件等定为企业标淮。如计算发展到和工业装置紧密相连。国外不少公司已将著名的软件等定为企业标淮。如 美国的美国的Aspen Aspen PLUSPLUS, , 加拿大加拿大HYSIM,PROCESS PROHYSIM,PROCESS PRO （第三代）（第三代） 8080年代末，年代末，AspenTechAspenTech公司率先推出了动态模拟软件公司率先推出了动态模拟软件Speed UpSpeed Up。 垄断局面正在形成垄断局面正在形成 1990年以来，以年以来，以Aspen Tech公司为代表，形成了以公司为代表，形成了以Aspen Technology Inc., Sim

16、ulation Science Inc., Hyprotech Inc.（新近被（新近被Aspen收购）收购）, Honeywell Inc. 等几大公司控制全球化工过程模拟软件市场的局面。等几大公司控制全球化工过程模拟软件市场的局面。 产品系列化和系统集成技术迅速发展产品系列化和系统集成技术迅速发展 产品系列化。以产品系列化。以Aspen Tech公司为例，该公司共有公司为例，该公司共有43项产品，其中用于设计的项产品，其中用于设计的 17项，用于操作的项，用于操作的16项，用于管理的有项，用于管理的有19项项(有重叠有重叠)。 通用性和专门化的流程模拟、先进控制和过程优化软件通用性和专门化

17、的流程模拟、先进控制和过程优化软件 1.6.3 流程模拟软件的分类流程模拟软件的分类 操作状态：操作状态： 稳态模拟系统稳态模拟系统 动态模拟系统动态模拟系统 适应性：适应性： 通用模拟系统：模拟不同类型的工厂和过程通用模拟系统：模拟不同类型的工厂和过程 专用模拟系统：专门的过程系统专用模拟系统：专门的过程系统 程序结构：程序结构： 固定结构：固定结构：“千篇一律千篇一律”，用户提供基础数据，给定计算次序，用户提供基础数据，给定计算次序 灵活结构：根据需要载入实际需要的模块，或自动生成灵活结构：根据需要载入实际需要的模块，或自动生成 1.6.4 流程模拟软件的组成流程模拟软件的组成 输入输出模

18、块输入输出模块 单元模块单元模块 物性数据库物性数据库 算法子程序块算法子程序块 单元设备估算模块单元设备估算模块 成本估算成本估算 经济评价模块经济评价模块 主控模块主控模块 其他其他 （用户自编）（用户自编） 过程系统模拟的基本结构 管理系统 主控模块 单元过程模块 物性数据库 热力学数据库 输入模块 输出模块 优化方法库 经济分析模块 计算方法库 1.6.6 几种主要商业化流程模拟软件几种主要商业化流程模拟软件 Aspen Plus，Hysys：美国：美国AspenTech公司公司 PRO/II：美国：美国SimSci-Esscor公司公司 gPROMS：英国：英国PSE公司公司 Che

19、mCAD：美国：美国Chemstations公司公司 ECSS：青岛科技大学：青岛科技大学 （国内）（国内） Aspen Plus 大型通用流程模拟系统大型通用流程模拟系统: MIT,第三代流程模拟软件。该项目称为第三代流程模拟软件。该项目称为 “过程工程的先进系统过程工程的先进系统”（Advanced System for Process Engineering，简称，简称ASPEN），并于），并于1981年底完成。年底完成。1982年为了将年为了将 其商品化，成立了其商品化，成立了AspenTech公司，并称之为公司，并称之为Aspen Plus。该软件。该软件 经过经过20多年来不断地改

20、进、扩充和提高，已先后推出了十多个版本，多年来不断地改进、扩充和提高，已先后推出了十多个版本， 成为举世公认的标准大型流程模拟软件，应用案例数以百万计。成为举世公认的标准大型流程模拟软件，应用案例数以百万计。 PRO/II 大型通用流程模拟系统大型通用流程模拟系统:前身前身PROCESS (SIMSCI) 。适用于油气加。适用于油气加 工、炼油、化工、化学、工程和建筑、聚合物、精细化工、制药等工、炼油、化工、化学、工程和建筑、聚合物、精细化工、制药等 行业，主要用来模拟设计新工艺、评估改变的装置配置、改进现有行业，主要用来模拟设计新工艺、评估改变的装置配置、改进现有 装置、依据环境规则进行评估

21、和证明、消除装置工艺瓶颈、优化和装置、依据环境规则进行评估和证明、消除装置工艺瓶颈、优化和 改进装置产量和效益等。改进装置产量和效益等。 ECSS ECSS化工之星。青岛科技大学，国家科技进步二等奖。属信息技术化工之星。青岛科技大学，国家科技进步二等奖。属信息技术 在过程工业应用的高新技术成果。可广泛用于过程研究开发、过程在过程工业应用的高新技术成果。可广泛用于过程研究开发、过程 设计、装置而模拟与优化、过程去瓶颈分析和装置扩产节能挖潜改设计、装置而模拟与优化、过程去瓶颈分析和装置扩产节能挖潜改 造等，是利用信息技术改造传统过程工业的基本工具和手段。该系造等，是利用信息技术改造传统过程工业的基

22、本工具和手段。该系 统具有强大的过程模拟、分析、优化、设备设计和环境瓶颈等功能统具有强大的过程模拟、分析、优化、设备设计和环境瓶颈等功能。 1.7 过程系统工程的应用领域过程系统工程的应用领域 过程开发初期：可行性研究、概念设计过程开发初期：可行性研究、概念设计 新厂设计：系统模拟、优化，多快好省新厂设计：系统模拟、优化，多快好省 老厂改造：操作寻优、提高效益老厂改造：操作寻优、提高效益 管理决策：更加科学、全面（优化排产）管理决策：更加科学、全面（优化排产） 培训与教学培训与教学：（：（在线在线”的生产培训、事故处理、开停车等不宜在实际的生产培训、事故处理、开停车等不宜在实际 装置上进行的培训工作；计算机辅助过程系统教育软件装置上进行的培训工作；计算机辅助过程系统教育软件CAICAI可用于学校教可用于学校教 学的辅助工具学的辅助工具。） （谁来完成？）（谁来完成？） 1.8 系统优化的灵敏度分析系统优化的灵敏度分析 灵敏度：响应的变化除以对应的激励变化称为灵敏度灵敏度：响应的变化除以对应的激励变化称为灵敏度 灵敏度分析的必要性灵敏度分析的必要性 因模型本身的误差和操作条件波动的原因，因模型本身的误差和操作条件波动的原因，“最优最优”目标会发生变