化工系统工程

1、化工系统工程化工系统工程主讲：智科端主讲：智科端 博士博士 副教授副教授Email：内蒙古工业大学化工学院内蒙古工业大学化工学院23 是我国建国以来最大的工程项目，它的论证、是我国建国以来最大的工程项目，它的论证、组织、实施与管理可以说就是一个庞大的系统组织、实施与管理可以说就是一个庞大的系统工程问题，这项工程涉及到了国家及地方的众工程问题，这项工程涉及到了国家及地方的众多部门，如水利、电力、能源、文物、生态、多部门，如水利、电力、能源、文物、生态、移民等等，涉及到几个省的上百个县市，同时移民等等，涉及到几个省的上百个县市，同时实施过程要由众多单位共同努力，时间横跨将实施过程要由众多单位共同努

2、力，时间横跨将近近2020年。年。4粮食价格的调整粮食价格的调整燃料能源价格燃料能源价格银行利率银行利率外汇牌价外汇牌价对于我们今天生活中所关心的各种社会经济对于我们今天生活中所关心的各种社会经济问题，如经济改革、价格问题、体制改革及问题，如经济改革、价格问题、体制改革及各种政策的出台都是要经过充分的系统的论各种政策的出台都是要经过充分的系统的论证，这些都与系统工程有关。证，这些都与系统工程有关。例如：例如：5企业的长远规划企业的长远规划新产品开发新产品开发区域规划区域规划大项目管理大项目管理将来在我们的实际工作中，我们会遇到将来在我们的实际工作中，我们会遇到许许多多的系统工程问题，许许多多的

3、系统工程问题，比如：比如：67公元前古希腊对公元前古希腊对“宇宙大系统宇宙大系统”的认识；的认识；我国西周时期的我国西周时期的“阴阳二气阴阳二气”及金、木、及金、木、水、火、土水、火、土“五行五行”；东汉时期形成的东汉时期形成的“二十四节气二十四节气”；周秦到西汉时期的周秦到西汉时期的“皇帝内经皇帝内经”。系统概念的形成系统概念的形成只见森林8系统概念的形成系统概念的形成u1515世纪下半叶以后：世纪下半叶以后：u1919世纪：世纪：u辨证唯物主义：辨证唯物主义：“只见树木只见树木”具体化具体化“先见森林，后见树木先见森林，后见树木”世界是由无数相互关联、世界是由无数相互关联、相互依赖、相互制

4、约和相互依赖、相互制约和相互作用的过程所形成相互作用的过程所形成的统一整体。的统一整体。科学系统思科学系统思想的实质想的实质9系统的概念系统的概念一台机器、一个部门、一项计划、一个研究项一台机器、一个部门、一项计划、一个研究项目、一种组织、一套制度都可以看成一个系统目、一种组织、一套制度都可以看成一个系统;系统的存在具有普遍性系统的存在具有普遍性;系统的概念是相对的而不是绝对的，它没有绝系统的概念是相对的而不是绝对的，它没有绝对规模的界限。对规模的界限。系统是由两个以上有机联系、相互作用的系统是由两个以上有机联系、相互作用的要素所组成，具有特定功能、结构和环境要素所组成，具有特定功能、结构和环

5、境的整体。的整体。101）集合性。系统是由两个以上的可以相互区别的要素所组成。）集合性。系统是由两个以上的可以相互区别的要素所组成。 2）相关性。组成系统的各要素之间具有相互联系、相互作用）相关性。组成系统的各要素之间具有相互联系、相互作用 、相互依赖的特定关系。某、相互依赖的特定关系。某要素若发生变化则会影响其他要素若发生变化则会影响其他 要素的状态变化。要素的状态变化。 3）层次性。一个系统可分解为若干子系统，而子系统还可以）层次性。一个系统可分解为若干子系统，而子系统还可以 分解为亚子系统等等，以致最终可分解为要素，这样就可构分解为亚子系统等等，以致最终可分解为要素，这样就可构 成具有特

6、定的空间层次结构。例如一个公司就是由子公司或二成具有特定的空间层次结构。例如一个公司就是由子公司或二 级厂级厂(矿矿)、车间、工段、班组，以及相应的职能部门构成。各、车间、工段、班组，以及相应的职能部门构成。各 层次的子系统相互联系，相互作用，以其特有的功能为统一的层次的子系统相互联系，相互作用，以其特有的功能为统一的 目标而相互协调运行。目标而相互协调运行。 4 4）整体性。系统不是各个要素的简单拼凑，而是根据特定的统一）整体性。系统不是各个要素的简单拼凑，而是根据特定的统一 性要求协调存在于系统整体之中。是具有整体的特定功能和特性性要求协调存在于系统整体之中。是具有整体的特定功能和特性 。

7、整体性强调要素间的协调与综合，这样才能获得具有良好功能。整体性强调要素间的协调与综合，这样才能获得具有良好功能 的系统。的系统。 115. 功能性。功能性是系统的基本特性之一：它表明系统具有的作用功能性。功能性是系统的基本特性之一：它表明系统具有的作用和效能，系统的功能以系统的结构为基础。系统的特定结构决定系和效能，系统的功能以系统的结构为基础。系统的特定结构决定系统的特定功能，系统不同，其功能也不同、这正是区别一个系统和统的特定功能，系统不同，其功能也不同、这正是区别一个系统和另一个系统的主要标志。人造系统是根据系统目的来设定功能，而另一个系统的主要标志。人造系统是根据系统目的来设定功能，而

8、自然系统虽无目的但却有功能。自然系统虽无目的但却有功能。 6环境适应性。任何一个系统都存在于一定的物质环境之中，它环境适应性。任何一个系统都存在于一定的物质环境之中，它必然与环境不断地进行物质、能量、信息的交换。外界环境的变化必然与环境不断地进行物质、能量、信息的交换。外界环境的变化对系统内部要素产生干扰，使要素和要素关系发生变化，从而可能对系统内部要素产生干扰，使要素和要素关系发生变化，从而可能引起系统功能的波动。所以系统必须适应外部环境的变化，这样的引起系统功能的波动。所以系统必须适应外部环境的变化，这样的系统才更有生命力。系统才更有生命力。 系统的特性系统的特性123.3.系统的分类系统

9、的分类13(2)美国著名学者美国著名学者H切斯纳指出：切斯纳指出：“系统工程认为虽然每个系统都系统工程认为虽然每个系统都由许多不同的特殊功能部分所组成，而这些功能部分之间又存在着由许多不同的特殊功能部分所组成，而这些功能部分之间又存在着相互关系，但是每一个系统都是完整的整体，每一个系统都要求有相互关系，但是每一个系统都是完整的整体，每一个系统都要求有一个或若干个目标。系统工程则是按照各个目标进行权衡，全面求一个或若干个目标。系统工程则是按照各个目标进行权衡，全面求得最优解得最优解(或满意解或满意解)的方法，并使各组成部分能够最大限度地互相的方法，并使各组成部分能够最大限度地互相适应适应”。 1

10、.1.系统工程的定义系统工程的定义(1)中国科学家钱学森指出：中国科学家钱学森指出：“系统工程是组织管理系统的规划、系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法研究、设计、制造、试验和使用的科学方法”，“系统工程是一门系统工程是一门组织管理的技术组织管理的技术”。 至今还没至今还没有统一定有统一定义义14(3)日本学者三浦武雄指出：日本学者三浦武雄指出：“系统工程与其它工程学不同之处在系统工程与其它工程学不同之处在于它是跨越许多学科的科学，而且是填补这些学科边界空白的边缘于它是跨越许多学科的科学，而且是填补这些学科边界空白的边缘科学。因为系统工程的目的是研究系统，而系统

11、不仅涉及到工程学科学。因为系统工程的目的是研究系统，而系统不仅涉及到工程学的领域，还涉及到社会、经济和政治等领域，为了圆满解决这些交的领域，还涉及到社会、经济和政治等领域，为了圆满解决这些交叉领域的问题，除了需要某些纵向的专门技术以外，还要有一种技叉领域的问题，除了需要某些纵向的专门技术以外，还要有一种技术从横向把它们组织起来，这种横向技术就是系统工程，也就是研术从横向把它们组织起来，这种横向技术就是系统工程，也就是研究系统所需的思想、技术和理论等体系化的总称。究系统所需的思想、技术和理论等体系化的总称。” 系统工程的定义系统工程的定义(4)中国大百科全书中国大百科全书自动控制与系统工程卷自动

12、控制与系统工程卷指出：指出：“系统工程系统工程是从整体出发合理开发、设计、实施和运用系统的工程技术。它是是从整体出发合理开发、设计、实施和运用系统的工程技术。它是系统科学直接改造世界的工程技术。系统科学直接改造世界的工程技术。” 15(5)日本工业标准日本工业标准(JIS)规定：规定：“系统工程是为了更好地达到系统目标系统工程是为了更好地达到系统目标，而对系统的构成要素、组织结构、信息流动和控制机构等进行分，而对系统的构成要素、组织结构、信息流动和控制机构等进行分析与设计的技术析与设计的技术”。 系统工程的定义系统工程的定义 系统工程是一门研究大规模复杂系统的系统工程是一门研究大规模复杂系统的

13、交交叉学科叉学科，它是根据整体协调的需要，综合运用，它是根据整体协调的需要，综合运用各种现代科学思想、理论、技术、方法、工具，各种现代科学思想、理论、技术、方法、工具，对系统进行研究分析、设计制造和服务，使系对系统进行研究分析、设计制造和服务，使系统整体尽量达到最佳协调和最满意的优化。统整体尽量达到最佳协调和最满意的优化。钱学森提出的现代科学技术体系钱学森提出的现代科学技术体系四个层次一座桥梁四个层次一座桥梁17系统工程研究对象系统工程研究对象不限于物质系统，还包括自然系统、不限于物质系统，还包括自然系统、社会经济系统、经营管理系统、军社会经济系统、经营管理系统、军事指挥系统等等。事指挥系统等

14、等。系统工程在系统工程在自然科学自然科学与与社会科学社会科学之间架设了一之间架设了一座沟通的桥梁。座沟通的桥梁。182.2.系统工程的理论基础系统工程的理论基础 从系统工程的定义可以看出，系统工程从系统工程的定义可以看出，系统工程是一门跨学科的是一门跨学科的边缘性交叉学科边缘性交叉学科，它包括，它包括自然、社会及工程设计分析等方面的知识，自然、社会及工程设计分析等方面的知识，它是由一般它是由一般系统论系统论、经济控制论经济控制论、运筹学运筹学等学科相互渗透、交叉发展而形成的。等学科相互渗透、交叉发展而形成的。193.3.系统工程与一般工程比较的特点系统工程与一般工程比较的特点 传统工程传统工程

15、系统工程系统工程研究研究对象对象特定的工程物质不局限于特定工程物质，也不局限于物质系统研究研究方法方法专业知识各种现代科学知识和专业知识着眼点着眼点局部最优整体最优204.4.系统工程与运筹学区别系统工程与运筹学区别侧重于评价和改进现有系统、设计新系统。侧重于评价和改进现有系统、设计新系统。通常涉及现有系统运营情况，侧重于资通常涉及现有系统运营情况，侧重于资源的最优配置。源的最优配置。21系统工程作为一门交叉学科，日益向多种学系统工程作为一门交叉学科，日益向多种学科渗透和交叉发展。科渗透和交叉发展。系统工程作为一门软科学，日益受到人们系统工程作为一门软科学，日益受到人们的重视。的重视。22复杂

16、适应系统理论（复杂适应系统理论（CASCAS理论）理论）系统工程朝着系统工程朝着“巨系统巨系统”的方向发展的方向发展综合集成研讨厅体系构想综合集成研讨厅体系构想23四、系统工程方法论四、系统工程方法论 它是系统工程思考问题和处理问题的一它是系统工程思考问题和处理问题的一般方法，把分析对象作为整体系统来考般方法，把分析对象作为整体系统来考虑，进行分析、设计、制造和使用时的虑，进行分析、设计、制造和使用时的基本思想方法和工作方法。基本思想方法和工作方法。系统工程方法论就是解决系统工程实践中系统工程方法论就是解决系统工程实践中的问题所应遵循的步骤、程序和方法。的问题所应遵循的步骤、程序和方法。242

17、.2.系统工程与传统方法的区别系统工程与传统方法的区别从前面对系统工程的介绍可以看出，系统工程的目从前面对系统工程的介绍可以看出，系统工程的目标是通过什么样的方法可使系统达到最优，而方法标是通过什么样的方法可使系统达到最优，而方法论是把设想付诸实现的过程。对于传统方法，它解论是把设想付诸实现的过程。对于传统方法，它解决问题的目标往往是单一的，比如设计一个产品或决问题的目标往往是单一的，比如设计一个产品或只强调成本低或只强调性能高，而系统工程对目标只强调成本低或只强调性能高，而系统工程对目标的考虑需要从系统运行的全过程即的考虑需要从系统运行的全过程即时间方面时间方面以及在以及在每个阶段中处理问题

18、的特殊思维过程即每个阶段中处理问题的特殊思维过程即逻辑方面逻辑方面，并综合运用各种专业知识即并综合运用各种专业知识即知识方面知识方面来综合考虑。来综合考虑。25霍尔的霍尔的“三三维结构维结构”模模式式 26 时间维时间维a)规划阶段规划阶段：主要是按照设计要求提出系统目标，主要是按照设计要求提出系统目标，制定规划和政策。制定规划和政策。b)拟定阶段：拟定阶段：完成的任务是提出具体的方案，进行完成的任务是提出具体的方案，进行系统的初步设计。系统的初步设计。c)分析阶段：分析阶段： 对所设计的方案进行分析、比较。对所设计的方案进行分析、比较。d)运筹阶段运筹阶段：方案的综合选优，确定最优实施方案方

19、案的综合选优，确定最优实施方案。e) 实施阶段：实施阶段：系统的设计、安装及调试等。系统的设计、安装及调试等。f) 运行阶段运行阶段：按照系统预定的用途工作。按照系统预定的用途工作。g)更新阶段：更新阶段：按系统要求实施，取消旧系统，代之按系统要求实施，取消旧系统，代之以新系统，对系统改进。以新系统，对系统改进。27 逻辑维逻辑维a) 明确问题：明确问题：了解问题所处的环境，收集有关的了解问题所处的环境，收集有关的数据和资料，主要目的是弄清问题。数据和资料，主要目的是弄清问题。b)系统指标设计：系统指标设计：确定所要解决问题的目标和确定所要解决问题的目标和相应的评价准则。相应的评价准则。c)系

20、统方案综合：系统方案综合：为实现预期目标，拟定所需采为实现预期目标，拟定所需采取的策略和应选择的方案。取的策略和应选择的方案。d)系统分析：系统分析：深入了解所提出的政策措施和解决深入了解所提出的政策措施和解决方法，分析这些措施方法在实施中的预期效果。方法，分析这些措施方法在实施中的预期效果。28 逻辑维逻辑维e) 系统方案的优化与选择：系统方案的优化与选择：用数学规划等定量的用数学规划等定量的优化方法去判别各种方案的优劣，以进行方案选优化方法去判别各种方案的优劣，以进行方案选择。择。f) 决策：决策：以指标体系为评价准则，在考虑决策者以指标体系为评价准则，在考虑决策者的偏好等基础上，选择最优

21、方案。的偏好等基础上，选择最优方案。g) 实施计划：实施计划：按决策结果制定实施方案和计划。按决策结果制定实施方案和计划。29 知识维知识维 知识维是指各工作步骤所需的各门知识维是指各工作步骤所需的各门专业知识，由于系统工程是个综合专业知识，由于系统工程是个综合性的交叉学科，在上述各阶段中，性的交叉学科，在上述各阶段中，执行任何一步都会涉及多种专业技执行任何一步都会涉及多种专业技术，如社会科学、工程技术、法律、术，如社会科学、工程技术、法律、商业、医药、艺术等等。商业、医药、艺术等等。 304 4、系统分析简介、系统分析简介l狭义的解释狭义的解释认为系统分析是系统工程的认为系统分析是系统工程的

22、一项优化技术，是系统工程在非结构化一项优化技术，是系统工程在非结构化问题决策中的具体应用。问题决策中的具体应用。l系统工程方法论的基础是系统分析技术，系统工程方法论的基础是系统分析技术，系统分析是完成系统工程问题的中心环节系统分析是完成系统工程问题的中心环节; ;l广义的解释广义的解释认为系统分析就是系统工程，认为系统分析就是系统工程，系统分析是系统工程的同义词系统分析是系统工程的同义词; ;315.5.系统分析的概念及要素系统分析的概念及要素系统分析是运用建模及预测、优化、仿真、系统分析是运用建模及预测、优化、仿真、评价等技术对系统的各有关方面进行定性与评价等技术对系统的各有关方面进行定性与

23、定量相结合的分析，为选择最优或满意的系定量相结合的分析，为选择最优或满意的系统方案提供决策依据的分析研究过程。统方案提供决策依据的分析研究过程。32系统分析的基本概念系统分析的基本概念系统分析的目的系统分析的目的是在于分析系统内部与系是在于分析系统内部与系统环境之间、系统内部各要素之间的相互统环境之间、系统内部各要素之间的相互依赖、相互制约、相互促进的复杂关系，依赖、相互制约、相互促进的复杂关系，分析系统要素的层次结构关系及其对系统分析系统要素的层次结构关系及其对系统功能和目标的影响，通过建立系统的分析功能和目标的影响，通过建立系统的分析模型使系统各要素及其与环境之间的协调模型使系统各要素及其

24、与环境之间的协调达到最佳状态，达到最佳状态，最终为系统决策提供依据。最终为系统决策提供依据。33系统分析的要素系统分析的要素（1）问题）问题（2）目的及目标）目的及目标（3）方案）方案（4）模型）模型（5）评价）评价（6）决策者）决策者系统工程方法系统工程方法论论弄清问题弄清问题|目标选择目标选择 |拟定方案拟定方案 |建立模型建立模型 |系统评价系统评价 |系统决策系统决策 | 实施实施系系 统统 分分 析析356.6.系统分析的程序系统分析的程序36（1 1）初步分析）初步分析 初步分析：初步分析：What?Why?Where?When?Who?How?l问题的目标问题的目标 目标的层次性

25、 目标的冲突37目标树 X X1 X2 X338目标冲突和利害冲突目标冲突和利害冲突 在目标分析过程中，系统分析人员经在目标分析过程中，系统分析人员经常会发现，许多关键情况往往是由于存在常会发现，许多关键情况往往是由于存在着相互冲突的分目标造成的。这有两种情着相互冲突的分目标造成的。这有两种情况：况： 一种是纯属专业性质的，即目标冲突问题； 另一种是社会性质的，即利害冲突问题。39目标冲突目标冲突 例如在进行产品设计时，所可能强调的例如在进行产品设计时，所可能强调的两个目标：两个目标： 一是尽可能低的成本 二是尽可能高的质量。解决办法：解决办法：建立一个没有矛盾的目标集，把引起矛盾的分目标剔除

26、掉。 采用所有分目标，寻求一个能达到冲突目标得以并存的方案。 40利害冲突利害冲突 处理的方法处理的方法 ： 目标方之一放弃自己的利益； 保持其中一个目标，用其它方式补偿或部分补偿受损方的利益； 通过协商调整目标系统，使之达到目标相容。l例如企业在减员增效的过程中就至少有如例如企业在减员增效的过程中就至少有如下两个目标：下两个目标：一是提高企业的效益二是保证工作岗位不减员。417.7.系统分析的原则系统分析的原则 （1）坚持问题导向；（2）以整体为目标；（3）多方案模型分析和选优；（4）定量分析与定性分析相结合；（5）多次反复进行。烟囱锅炉除尘器煤目的：模拟烟囱排放的烟尘和目的：模拟烟囱排放的

27、烟尘和SO2，据此提出，据此提出最佳治理方案。最佳治理方案。 烟尘超标烟尘超标4.84倍，倍，SO2超标超标10.84倍倍 8.8.系统分析举例系统分析举例1 拟定方案：拟定方案： 修建高烟囱修建高烟囱120m （目前是（目前是45m），投），投 资估算资估算22万；万；不可行不可行(附近是机场）附近是机场）； 该厂采用的是多管旋风加文丘里除尘器该厂采用的是多管旋风加文丘里除尘器，效率为，效率为93.8%，若改用电除尘器，除尘效率，若改用电除尘器，除尘效率将提高到将提高到99%，投资，投资70万；而对万；而对SO2，可以采，可以采用预洗或炉中添加石灰等方法，用预洗或炉中添加石灰等方法，可行可行

28、；1 拟定方案：拟定方案： 更换锅炉，投资更换锅炉，投资200万，能降低大约万，能降低大约23的飞灰，而对的飞灰，而对SO2没有减少。此外，还可没有减少。此外，还可能引起燃烧效率降低。若以降低燃烧效率能引起燃烧效率降低。若以降低燃烧效率2计算，其年经济损失为计算，其年经济损失为11.76万元，万元，所以所以这是一个不理想的可行方案；这是一个不理想的可行方案； 改用外地优质煤（目前是用本地区的褐改用外地优质煤（目前是用本地区的褐煤）。改用优质煤后，煤尘与煤）。改用优质煤后，煤尘与SO2的排放量的排放量估算分别为估算分别为85.53kg/h和和129.7kg/h，均小于，均小于标准量。此外还可节约

29、燃料费标准量。此外还可节约燃料费191.7万元万元/年年。这是四个方案中比较理想的治理污染的这是四个方案中比较理想的治理污染的方案。方案。45461 1、模型及特征、模型及特征 模型是现实系统的替代物。模型应反映出系统模型是现实系统的替代物。模型应反映出系统的主要组成部分、各部分之间的相互关系，以及在的主要组成部分、各部分之间的相互关系，以及在运用条件下的因果作用及相互关系。运用条件下的因果作用及相互关系。特征：特征：（1）它是现实世界部分的抽象或模仿；）它是现实世界部分的抽象或模仿；（2）它是由那些与分析的问题有关的因素构成的；）它是由那些与分析的问题有关的因素构成的；（3）它表明了有关因素

30、间的相互关系。）它表明了有关因素间的相互关系。47模型化模型化 模型化就是为描述系统的构成和行为，对实体系统的模型化就是为描述系统的构成和行为，对实体系统的各种因素进行适当筛选，用一定方式（数学、图像等）各种因素进行适当筛选，用一定方式（数学、图像等）表达系统实体的方法。表达系统实体的方法。-构模的过程构模的过程l利用模型与原型之间某方面的相似关系，在研究利用模型与原型之间某方面的相似关系，在研究的过程中用模型来代替原型，通过对模型的研究的过程中用模型来代替原型，通过对模型的研究得到关于原型的一些信息。得到关于原型的一些信息。本质：本质：483.模型（化）的地位与作用作用：作用：（1 1）人们

31、对客观系统一定程度研究结果的表达。）人们对客观系统一定程度研究结果的表达。（2 2）导致科学规律、理论、原理的发现。）导致科学规律、理论、原理的发现。（3 3）利用模型可以进行）利用模型可以进行“思想思想”试验。试验。49地位：地位：3.模型（化）的地位与作用 模型不能代替对客观系统内容的研究，只有在模型不能代替对客观系统内容的研究，只有在和对客体系统内容研究相配合时，其作用才能充分和对客体系统内容研究相配合时，其作用才能充分发挥。发挥。504.模型的分类v概念模型：概念模型：通过人们的经验、知识和直觉形成的。形式上分为思维、字句或描述的。v符号模型：符号模型：用符号来代表系统的各种因素和它们

32、间 的相互关系。分为结构模型和数学模型。v类比模型：类比模型：和实际模型作用相同。v仿真模型：仿真模型：用计算机对系统进行仿真时所用的模型。v形象模型：形象模型：把现实的东西的尺寸进行改变后的表示。分为物理模型和图像模型。515.建立模型的一般原则 建立方框图建立方框图 考虑信息相关性考虑信息相关性 考虑准确性考虑准确性 考虑结集性考虑结集性526.建模的基本步骤明确建模的目的和要求；对系统进行一般语言描述；弄清系统中的主要因素及其相互关系；确定模型的结构；估计模型的参数；实验研究；必要修改。537.模型化的基本方法（4）老手法：（2）实验方法：（3）综合方法：（1）分析方法：（5）辨证法：化

33、工化工过程过程分析与合成分析与合成过程：过程：客观事物从一个状态到另一个状态的转移。客观事物从一个状态到另一个状态的转移。过程过程工艺工艺：对物料流进行物理或化学的加工工艺。对物料流进行物理或化学的加工工艺。化工（炼油，化肥）、轻工、冶金过程、医药生化工（炼油，化肥）、轻工、冶金过程、医药生产过程等。产过程等。制造制造工艺工艺：以工件为对象的加工工艺。像电视机、以工件为对象的加工工艺。像电视机、汽车、机械零件加工等的生产，都是制造工艺汽车、机械零件加工等的生产，都是制造工艺1.1 化工过程 化工过程化工过程：以天然物料（煤、石油、盐等）以天然物料（煤、石油、盐等）为基础原料，经过物理或化学加工

34、制成产为基础原料，经过物理或化学加工制成产品的过程。品的过程。 通常化工过程大都包括三个部分通常化工过程大都包括三个部分： 原料制备原料制备 化学反应化学反应 产品分离产品分离w 在多种多样的单元过程中，最重要的也是在多种多样的单元过程中，最重要的也是最多用的单元过程最多用的单元过程是：是：w 化学反应过程化学反应过程w 换热过程换热过程w 分离过程分离过程1.1.1 化学反应过程 化学反应过程是化工过程的核心部分化学反应过程是化工过程的核心部分。 主要的化学反应过程有：主要的化学反应过程有： 催化催化反应过程反应过程 热裂解反应热裂解反应过程过程 电解质溶液离子反应电解质溶液离子反应过程过程

35、 生物化学生物化学反应过程反应过程1.1.2 换热过程 定义：定义：化工过程工艺流程中被处理的物流，按各单元化工过程工艺流程中被处理的物流，按各单元过程所要求的温度，通过换热器加热或冷却的过程。过程所要求的温度，通过换热器加热或冷却的过程。满足这种换热要求的热量或冷量，可以来满足这种换热要求的热量或冷量，可以来自流程中的工艺物料流或是来自公用工程，构成换热自流程中的工艺物料流或是来自公用工程，构成换热网络。网络。 换热网络设计目标：换热网络设计目标：以最大限度的节能、经济的设备以最大限度的节能、经济的设备投资、良好的操作适应性。投资、良好的操作适应性。 实现最佳的换热网络设计，是化工过程系统合

36、成研究实现最佳的换热网络设计，是化工过程系统合成研究的一项典型的事例，的一项典型的事例，也是也是本课程本课程将要将要重点研讨重点研讨的一项的一项内容。内容。1.1.3 分离过程 定义：定义：从某种已知组成的混合物中分离出某几种目标从某种已知组成的混合物中分离出某几种目标产物的过程产物的过程. 化工系统综合化工系统综合:从可以设计出的不同流程、不同塔数的从可以设计出的不同流程、不同塔数的多种流程方案中选择经济的、能满足分离要求的最佳多种流程方案中选择经济的、能满足分离要求的最佳方案方案. 分离过程选择分离过程选择: 非均一系物料的气固相分离非均一系物料的气固相分离:采用沉降、过滤、湿法除采用沉降

37、、过滤、湿法除尘、电除尘等单元操作。尘、电除尘等单元操作。 液固相分离液固相分离:过滤、干燥、沉降等。过滤、干燥、沉降等。 均一系物料的气相分离均一系物料的气相分离，可采用吸附、吸收、膜分离。，可采用吸附、吸收、膜分离。 液相分离液相分离:则可用蒸馏与精馏、蒸发、结晶、汽提、萃则可用蒸馏与精馏、蒸发、结晶、汽提、萃取、膜分离等。取、膜分离等。 化学反应过程化学反应过程 换热过程换热过程 分离过程分离过程 不同的化工过程只是这三类过程的不同组合不同的化工过程只是这三类过程的不同组合 化工系统工程研究内容化工系统工程研究内容:这三类，其中主要是这三类，其中主要是换热过程和分离过程换热过程和分离过程

38、1.2 化工过程生产操作控制 化工过程生产操作控制化工过程生产操作控制：对生产操作工况：对生产操作工况的调节。主要是对物料流温度、压力、流的调节。主要是对物料流温度、压力、流量、液位、组成等操作参数的调节。量、液位、组成等操作参数的调节。 化工过程生产操作控制分类化工过程生产操作控制分类 分散控制分散控制 集中控制集中控制化工过程生产操作控制化工过程生产操作控制对生产过程是否能正对生产过程是否能正常进行影响很大，因此至关重要。常进行影响很大，因此至关重要。 分散控制分散控制: 20世纪四五十年代的早期过程控制技术，采用世纪四五十年代的早期过程控制技术，采用基地式控制仪表实施单输入、单输出的简单

39、回路基地式控制仪表实施单输入、单输出的简单回路控制，又称为控制，又称为分散控制分散控制， 目标目标:保持生产工况平稳。保持生产工况平稳。 分散控制技术的特点分散控制技术的特点：各个控制回路都相互独立。：各个控制回路都相互独立。 优点：优点：当某一控制回路出现故障时，不致影响其当某一控制回路出现故障时，不致影响其他回路的正常工作。他回路的正常工作。 缺点：缺点：控制参数较多时，需要相应设置较多的硬控制参数较多时，需要相应设置较多的硬件。且这种分散的控制，件。且这种分散的控制，难于实现总体优化难于实现总体优化。 集中控制集中控制：将计算机应用于化工过程控制，：将计算机应用于化工过程控制，把各个控制

40、回路的运算、控制、显示都集中把各个控制回路的运算、控制、显示都集中于计算机来实现的控制手段。于计算机来实现的控制手段。 优点优点：可以大大的节省硬件成本，便于同时：可以大大的节省硬件成本，便于同时分析各个控制回路的信息，为实现全系统的分析各个控制回路的信息，为实现全系统的优化控制提供了条件。优化控制提供了条件。 缺点缺点：一旦发生计算机故障则将出现全控制：一旦发生计算机故障则将出现全控制系统瘫痪的危险。由于这种缺陷的困扰，曾系统瘫痪的危险。由于这种缺陷的困扰，曾使计算机控制技术一度陷于难于发展的困境。使计算机控制技术一度陷于难于发展的困境。 20世纪世纪70年代中期年代中期集散系统集散系统的出

41、现，使计算的出现，使计算机控制技术出现了灿烂的应用前景。机控制技术出现了灿烂的应用前景。1.3 化工过程分析与合成化工过程分析与合成 化工过程分析与合成化工过程分析与合成又称为又称为化工过程系统工化工过程系统工程程， 化工过程系统工程化工过程系统工程是在是在系统工程系统工程、化学工程化学工程、过程控制过程控制、计算数学、信息技术计算数学、信息技术等学科的边等学科的边缘上产生的一门综合性学科，缘上产生的一门综合性学科， 化工过程系统工程化工过程系统工程以处理物料以处理物料-能量能量-信息流信息流的过程系统为研究对象。的过程系统为研究对象。 “化工过程系统工程化工过程系统工程”作为现代化学工程作为

42、现代化学工程的一个组成部分，是新近发展起来的一门的一个组成部分，是新近发展起来的一门新兴的边缘科学。新兴的边缘科学。 简单地说，将简单地说，将系统工程学系统工程学的理论和方法应的理论和方法应用于用于化工过程化工过程就形成了就形成了化工过程系统工程，化工过程系统工程，简称为化工系统工程简称为化工系统工程。一 化工过程系统工程 系统工程：系统工程：以大系统为对象进行研究的跨学科以大系统为对象进行研究的跨学科的边缘性科学。的边缘性科学。 起源起源:该学科该学科最初发源于美国最初发源于美国，由于二次世界大，由于二次世界大战期间，美国需要在有限的时间、空间和运力战期间，美国需要在有限的时间、空间和运力条

43、件下安排达到最大的运送量。因此提出了如条件下安排达到最大的运送量。因此提出了如何对何对运力进行安排以实现最大运送量运力进行安排以实现最大运送量的问题。的问题。 其后，在其后，在通信网络的设计过程中通信网络的设计过程中，也发现存在，也发现存在着如何安排通信网络以达到用最小的投入，得着如何安排通信网络以达到用最小的投入，得到最优的通话效果的到最优的通话效果的通信网络最优配备通信网络最优配备问题。问题。 由于先驱者的出发点和侧重面各有不同，由于先驱者的出发点和侧重面各有不同，对系统工程的理解和认识也就各有不同对系统工程的理解和认识也就各有不同. 有些人强调复杂系统的有些人强调复杂系统的最优管理和最优

44、控最优管理和最优控制。制。 有些人则着眼于工程有些人则着眼于工程系统的规划和最优设系统的规划和最优设计。计。 当强调复杂系统的最优管理和最当强调复杂系统的最优管理和最优控制时优控制时现代管理科学。现代管理科学。 当着眼工程的规划及最优设计当着眼工程的规划及最优设计寻优的综合技术。寻优的综合技术。 系统工程的基本思想系统工程的基本思想：从系统整体的观念从系统整体的观念出发，周密考虑系统内各个组成部分相互出发，周密考虑系统内各个组成部分相互间的制约关系，讨论系统整体的最优策略。间的制约关系，讨论系统整体的最优策略。 系统工程学系统工程学又名：又名：工程学的方法论工程学的方法论 研究对象：各个不同的

45、系统研究对象：各个不同的系统 化工过程系统工程化工过程系统工程 以以系统工程学为基础系统工程学为基础， 把把社会问题作为研究对象社会问题作为研究对象的学科称为的学科称为社会社会系统工程学系统工程学。 把把环境问题作为研究对象环境问题作为研究对象的学科称为的学科称为环境环境系统工程学。系统工程学。 把把化工过程系统问题作为研究对象化工过程系统问题作为研究对象的学科的学科称为称为化工化工过程系统工程学过程系统工程学。 1 认识上的三次飞跃认识上的三次飞跃 第一次第一次：20年代年代 提出了提出了“单元操作单元操作”的概念的概念 产生了化学工程学产生了化学工程学 第二次第二次：50年代年代 提出了提

46、出了“三传三传”的概念的概念 产生产生了化工传递过程原理的学科了化工传递过程原理的学科 第三次第三次：60年代初年代初 提出了提出了“对化工过程系统对化工过程系统的分析和模拟的分析和模拟”的概念的概念 产生了化工过程系统产生了化工过程系统工程学工程学二、二、 化工过程系统工程学的起源和发展化工过程系统工程学的起源和发展 2 化工过程系统工程学产生的基础化工过程系统工程学产生的基础 化工化工生产过程的综合性不断增强生产过程的综合性不断增强，化工企业朝着多，化工企业朝着多品种、跨学科的方向发展品种、跨学科的方向发展 化工装置日趋大型化化工装置日趋大型化，对放大技术的要求越来越高，对放大技术的要求越

47、来越高，小试到规模生产的周期越来越短。小试到规模生产的周期越来越短。 能源紧缺，能源紧缺，能源的有效及合理利用成为人们越来越能源的有效及合理利用成为人们越来越关心的问题。关心的问题。 产品竞争日益加剧产品竞争日益加剧，一个品种的改变要求跟着企业，一个品种的改变要求跟着企业迅速改变，以适应市场的变化迅速改变，以适应市场的变化 环境意识的提高环境意识的提高，要求企业对污染加以严格的控制，要求企业对污染加以严格的控制，提出了如何减少污染，合理的综合利用资源的问题。提出了如何减少污染，合理的综合利用资源的问题。 3 化工系统工程学的综合性化工系统工程学的综合性 从化工系统工程学的形成过程可知，这是一门

48、综从化工系统工程学的形成过程可知，这是一门综合性学科，涉及：合性学科，涉及： 化学工程学化学工程学 系统工程学系统工程学 运筹学运筹学 计算技术计算技术 过程控制理论过程控制理论三、化工系统工程学的基本内容 任务：任务：在在“一定的输入输出条件下，寻求一定的输入输出条件下，寻求一个整体最优的过程系统一个整体最优的过程系统”。 对一个待求的未知系统应指出：该系统对一个待求的未知系统应指出：该系统应应如何规划、设计、操作、控制如何规划、设计、操作、控制。 为完成上述任务，大致包括两个方面的为完成上述任务，大致包括两个方面的工作工作: 化工过程系统的化工过程系统的分析分析 化工过程系统的化工过程系统

49、的合成合成 化工过程分析化工过程分析：对过程系统的运行机制、影响因素、：对过程系统的运行机制、影响因素、过程模型的数学描述、目标函数的建立、优惠工况过程模型的数学描述、目标函数的建立、优惠工况下的最佳操作参数等进行分析。下的最佳操作参数等进行分析。 例：例：某年产某年产30万万t 乙烯装置乙烯装置改扩建改扩建为为45万万t 装置，竣装置，竣工投产后工投产后达到了预期的产量达到了预期的产量，但，但能耗超标能耗超标。 如何选择对策，就要对如何选择对策，就要对工艺装置进行分析，工艺装置进行分析，在对过在对过程进行系统分析的同时，必需要对程进行系统分析的同时，必需要对单元、物料、能单元、物料、能量利用

50、情况量利用情况进行分析。进行分析。1.3.1 化工过程系统的分析 过程系统分析与模拟过程系统分析与模拟： 建立过程系统的数学模型并在计算机上模拟计算建立过程系统的数学模型并在计算机上模拟计算的整个过程称为过程系统分析与模拟。的整个过程称为过程系统分析与模拟。 过程系统的模型：过程系统的模型：对实际过程系统的描述。对实际过程系统的描述。 包括：包括：数学模型与实物模型。数学模型与实物模型。 数学模型：数学模型：建立数学表达式，建立数学表达式，在建立过程在建立过程中中运用逻辑关系、规则、概念。运用逻辑关系、规则、概念。 模拟计算：模拟计算：首先要寻求有效的数学模型求首先要寻求有效的数学模型求解的方

51、法，并将模型的求解过程转变为计解的方法，并将模型的求解过程转变为计算程序，然后计算得出直观形式的输出结算程序，然后计算得出直观形式的输出结果果. 前例中前例中：若该套扩建不久的年产若该套扩建不久的年产45万万t乙烯装置，乙烯装置，又面临着进一步扩建为又面临着进一步扩建为60万万t规模的任务。规模的任务。 建摸时要吸取前次扩建的经验建摸时要吸取前次扩建的经验 这是一个大系统的多目标这是一个大系统的多目标合成合成问题，是一个按问题，是一个按既定多目标函数寻优的系统合成问题既定多目标函数寻优的系统合成问题。扩建方案的目标w达到产量要求w达到能耗指标过程系统合成过程系统合成：所需系统结构所需系统结构

52、定义定义：按照规定的系统特性：按照规定的系统特性 子系统性能子系统性能按规定的目标最优组合，寻求按规定的目标最优组合，寻求理想过程系统理想过程系统。 具有具有最优最优的的系统结构系统结构理想的过程系统理想的过程系统具有最合适的具有最合适的子系统子系统寻求1.3.2 化工过程系统的合成混合混合反应分离分离分离+B+C+A+PBA+CAC例：例：某化工过程系统由某化工过程系统由+为原料生产，且副为原料生产，且副产，其可能的过程流程一：产，其可能的过程流程一：树结构树结构流程流程系统结构的概念系统结构的概念例：例：某化工过程系统由某化工过程系统由+为原料生产，且副为原料生产，且副产，其可能的过程流程

53、二产，其可能的过程流程二：再循环结构再循环结构流程流程 混反B+C+A+P分离+分离分离 由前例可知，过程系统的流程结构可有几由前例可知，过程系统的流程结构可有几种选择方案（备选方案）。种选择方案（备选方案）。 树结构流程树结构流程 再循环流股结构再循环流股结构子系统子系统的特性更有几种方案可供选择。的特性更有几种方案可供选择。如：想得到合格如：想得到合格分离子系统分离子系统精馏萃取精馏萃取板式填料间歇连续板式填料间歇连续这种在多种备选方案中进行选择及排除，以构造这种在多种备选方案中进行选择及排除，以构造最理想系统的过程最理想系统的过程为为系统的综合过程系统的综合过程。过程系统合成的方法过程系

54、统合成的方法 过去过去：全部凭借工程师的经验。全部凭借工程师的经验。 现在现在：借助对各种子系统的分析与模拟借助对各种子系统的分析与模拟，预测系统特性，达到综合目的预测系统特性，达到综合目的。 因此：因此：过程系统分析过程系统分析是是过程系统综合的过程系统综合的基础基础。 化工过程系统合成包括有化工过程系统合成包括有： 反应路径合成反应路径合成 换热网络合成换热网络合成 分离序列合成分离序列合成 过程控制系统合成过程控制系统合成 特别是要解决由各个单元过程合成总体过程特别是要解决由各个单元过程合成总体过程系统的任务。系统的任务。过程系统合成的研究内容过程系统合成的研究内容 反应路径的综合：反应

55、路径的综合：对给定原料规定产品的问题称为反对给定原料规定产品的问题称为反应路径的综合。应路径的综合。例：例：由糠醛糠醇由糠醛糠醇可以有可以有气相加氢法高压，但反应迅速，气相加氢法高压，但反应迅速，副产物少。副产物少。也有也有液相加氢法低压，反应慢，副液相加氢法低压，反应慢，副产物多。产物多。寻求反应路径 换热网络综合：换热网络综合：对于大型化工企业，多装置，多物流。对于大型化工企业，多装置，多物流。一些装置一些装置需要热物流作为加热介质需要热物流作为加热介质，另一些装置则，另一些装置则需冷却介质提供冷量需冷却介质提供冷量。因而，从全局的角度，合理配置冷热物流的走因而，从全局的角度，合理配置冷热

56、物流的走向，以达到冷热配置平衡，以最低的消耗达到最优向，以达到冷热配置平衡，以最低的消耗达到最优的换热配置。的换热配置。这就要求：通过物流间的合理分配，使热量这就要求：通过物流间的合理分配，使热量（冷量）利用最合理。（冷量）利用最合理。 分离序列综合：分离序列综合：以组元、均相混合液的分离为例以组元、均相混合液的分离为例找出最优的分离序列找出最优的分离序列设计者需解决设计者需解决的问题对最优分离序列中的单的问题对最优分离序列中的单个分离器找出最优设计个分离器找出最优设计 参数参数不同的两种分离序列方案：哪个好，需找不同的两种分离序列方案：哪个好，需找出判别方法。出判别方法。 反应器网络的综合：

57、反应器网络的综合： 对于需多级多次反应才可得到的反应产物对于需多级多次反应才可得到的反应产物需建立反应器网络（或称反应器系统）。如何需建立反应器网络（或称反应器系统）。如何使系统最优。使系统最优。 全流程的综合：全流程的综合： 由由原料原料目的产物目的产物 寻找最优的流程，包括：反应、分离、换寻找最优的流程，包括：反应、分离、换热等等，全流程实现最优。热等等，全流程实现最优。 公用工程系统综合：公用工程系统综合： 公用工程系统的核心部分是蒸汽动力公用工程系统的核心部分是蒸汽动力系统。蒸汽动力系统最优综合的目的就是系统。蒸汽动力系统最优综合的目的就是要降低整个系统的能耗。要降低整个系统的能耗。1

58、.4 化工过程模拟系统 20世纪初期，世纪初期，对于化工过程的开发、设计，只是采对于化工过程的开发、设计，只是采用由用由实验室到中间厂逐级放大的经验方法实验室到中间厂逐级放大的经验方法。 30年代年代出现了出现了相似论为基础得出准数方程相似论为基础得出准数方程的办法。的办法。同时出现了建立数学模型的模拟放大法。同时出现了建立数学模型的模拟放大法。 50年代后期年代后期，应用计算机及数值计算，采用数学模，应用计算机及数值计算，采用数学模拟的方法解决了大部分单元过程的开发放大问题。拟的方法解决了大部分单元过程的开发放大问题。 即根据最基本的单元过程实验数据，利用数学模型在即根据最基本的单元过程实验

59、数据，利用数学模型在计算机上解决开发放大问题。计算机上解决开发放大问题。 例如：丙烯二聚例如：丙烯二聚反应由实验室数据放大到工业反应器反应由实验室数据放大到工业反应器设计，放大倍数达设计，放大倍数达1700倍倍。 甲苯歧化反应甲苯歧化反应过程的放大倍数为过程的放大倍数为6000倍倍。 这种在计算机上模拟化工过程工艺流程的这种在计算机上模拟化工过程工艺流程的软件，称为软件，称为化工流程模拟系统化工流程模拟系统。 应用化工流程模拟系统进行化工过程工艺应用化工流程模拟系统进行化工过程工艺开发设计的技术，称作计算机辅助过程设开发设计的技术，称作计算机辅助过程设计计(Computer Aided Pro

60、cess Design)。按待模拟的系统特性：按待模拟的系统特性： 1 稳态过程系统模拟：稳态过程系统模拟： 2 动态过程系统模拟：动态过程系统模拟： 1.4.1化工流程稳态模拟系统 一般的化工流程模拟系统是稳态模拟系统。一般的化工流程模拟系统是稳态模拟系统。特性：特性：（1） 系统参数不随时间变化，系统参数不随时间变化，建模容易。建模容易。（2） 系统没有或不考虑大的干扰造成波系统没有或不考虑大的干扰造成波 动的影响。动的影响。 在大规模连续化的工艺流程中，物料是以连续流在大规模连续化的工艺流程中，物料是以连续流动的状态在系统中被加工的，过程中的各种参数动的状态在系统中被加工的，过程中的各种