化工过程分析与合成Ch1

1、绪绪 论论1.1 1.1 化工过程化工过程1.2 1.2 化工过程生产操作控制化工过程生产操作控制1.3 1.3 化工过程的分析与合成化工过程的分析与合成1.4 1.4 化工过程模拟系统化工过程模拟系统1.5 1.5 化工企业化工企业CIPSCIPS技术技术1.6 1.6 人工智能技术在化工过程中的应用人工智能技术在化工过程中的应用1.7 1.7 本教材的目的与内容本教材的目的与内容课程背景 二战后，化工高等教育出现了两大流派和倾向。二战后，化工高等教育出现了两大流派和倾向。 西方发达国家，随着化工热力学、传递过程原理、西方发达国家，随着化工热力学、传递过程原理、反应工程与化工系统工程知识的系

2、统化、理论化，反应工程与化工系统工程知识的系统化、理论化，突出了化学工程科学分类知识的教育，对工程师突出了化学工程科学分类知识的教育，对工程师面对的实际问题反而注意不够面对的实际问题反而注意不够 在前苏联和东欧各国，则出现了专业划分过细，在前苏联和东欧各国，则出现了专业划分过细，所培养的高级人才缺乏生命力的落后局面。所培养的高级人才缺乏生命力的落后局面。 在我国，一方面由于受前苏联的影响，专业划分在我国，一方面由于受前苏联的影响，专业划分过细，人才适应能力差的问题早已暴露无遗；过细，人才适应能力差的问题早已暴露无遗； 另一方面，化学工程专业又因循西方的模式，过另一方面，化学工程专业又因循西方的

3、模式，过分强调学科性，忽视化学工程与技术问题的综合分强调学科性，忽视化学工程与技术问题的综合性与实践性。性与实践性。 工程师的基本任务和能力就是综合，工程工程师的基本任务和能力就是综合，工程师的创造性也主要通过综合来体现。师的创造性也主要通过综合来体现。反应B+C精馏ABB反应分离CEC+DDC 实际工业过程与假想过程的差异实际工业过程与假想过程的差异由乙烯直接水合连续生产乙醇：由于原料中的杂质以及所发生的副反应等，实际工业过程往往比假想过程复杂很多。假想过程实际过程实际过程在工艺生产上，对物料流进行物理或在工艺生产上，对物料流进行物理或化学的加工工艺称作过程工艺。化学的加工工艺称作过程工艺。

4、z化工过程化工过程z冶金过程冶金过程z石油炼制过程石油炼制过程z医药生产过程医药生产过程化工过程是以天然物料为原料经过化工过程是以天然物料为原料经过物理或化学的加工制成产品的过程。物理或化学的加工制成产品的过程。v原料制备原料制备v化学反应化学反应v产品分离产品分离 包括包括 合成、氧化、加氢、裂解、电解质溶液反应等合成、氧化、加氢、裂解、电解质溶液反应等单元过程由被处理的物单元过程由被处理的物料流联接起来，构成化工过料流联接起来，构成化工过程生产工艺流程程生产工艺流程 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 化工过程的核心部分化工过程的核心部分 催化反应过程催化反应过程

5、 热裂解反应过程热裂解反应过程 电解质溶液离子反应过程电解质溶液离子反应过程 生化反应过程生化反应过程 .催化反应过程催化反应过程 合成反应合成反应：合成氨、合成甲醇等的反应过程合成氨、合成甲醇等的反应过程； 氧化反应氧化反应：萘氧化制苯酐、乙烯氧化制环氧乙烯萘氧化制苯酐、乙烯氧化制环氧乙烯等的反应过程；等的反应过程； 脱氢反应脱氢反应：乙苯脱氢制苯乙烯的反应过程；乙苯脱氢制苯乙烯的反应过程； 裂化反应：裂化反应：重质油催化裂化制轻质油的反应过程；重质油催化裂化制轻质油的反应过程； 烷基化反应烷基化反应：乙烯与苯的烷基化制乙苯的反应过乙烯与苯的烷基化制乙苯的反应过程；程； 加氢裂化反应加氢裂化

6、反应：正庚烷加氢裂化制丙烷和丁烷的正庚烷加氢裂化制丙烷和丁烷的反应过程反应过程热裂解反应过程热裂解反应过程 煤干馏生成焦碳、煤焦油、焦炉煤气的反应过程；煤干馏生成焦碳、煤焦油、焦炉煤气的反应过程； 轻油裂解制乙烯的反应过程轻油裂解制乙烯的反应过程电解质溶液反应过程电解质溶液反应过程各种无机盐生产以及氨碱法制碱的反应过程各种无机盐生产以及氨碱法制碱的反应过程生物化学反应过程生物化学反应过程发酵法生产氨基酸、有机醇、酮等的反应过程发酵法生产氨基酸、有机醇、酮等的反应过程 换热器与换热物流构成了换热网络换热器与换热物流构成了换热网络 合理的设计，能充分回收过程系统中的热量或合理的设计，能充分回收过程

7、系统中的热量或冷量冷量 以最大限度的节能、经济的设备投资、以最大限度的节能、经济的设备投资、良好的操作适应性为目标，实现最佳的良好的操作适应性为目标，实现最佳的换热网络设计，是化工过程系统综合研换热网络设计，是化工过程系统综合研究的一项典型的事例。究的一项典型的事例。 非均一系非均一系 气固相分离：沉降、过滤、湿法除尘、电除尘气固相分离：沉降、过滤、湿法除尘、电除尘 液固相分离：过滤、干燥、沉降液固相分离：过滤、干燥、沉降 均一系均一系 气相分离：吸附、吸收、膜分离气相分离：吸附、吸收、膜分离 液相分离：蒸馏与精馏、蒸发、结晶、气提、液相分离：蒸馏与精馏、蒸发、结晶、气提、 萃取、膜分离等萃取

8、、膜分离等 化工过程生产操作工况的调节，主要是化工过程生产操作工况的调节，主要是对物料流温度、压力、流量、液位、组对物料流温度、压力、流量、液位、组成等操作参数的调节成等操作参数的调节采用基地式控制仪表实施单输入、采用基地式控制仪表实施单输入、单输出的简单回路控制单输出的简单回路控制保持生产工况平稳保持生产工况平稳 出现了单元组合式控制仪表，从简单控出现了单元组合式控制仪表，从简单控制回路发展了串级、前馈补偿等控制系制回路发展了串级、前馈补偿等控制系统统 特点为各个控制回特点为各个控制回路都是相互独立的路都是相互独立的 当某一控制回路出当某一控制回路出现故障时，不致影现故障时，不致影响其他回路

9、的正常响其他回路的正常工作，系统的可靠工作，系统的可靠性易于得到保障性易于得到保障 对于规模范围较大对于规模范围较大被控参数较多的对被控参数较多的对象来说，较多的控象来说，较多的控制回路需要相应设制回路需要相应设置较多的硬件。置较多的硬件。 分散控制，难于实分散控制，难于实现总体优化的控制现总体优化的控制方案。方案。化工过程向着大型化、连续化发展化工过程向着大型化、连续化发展要求检测、控制的生产操作参数数量很要求检测、控制的生产操作参数数量很多，并需要更优良的控制质量多，并需要更优良的控制质量计算机应用迅速的渗入各个领域，过程计算机应用迅速的渗入各个领域，过程控制也开始了应用计算机的尝试控制也

10、开始了应用计算机的尝试计算机用于化工过程控计算机用于化工过程控制，可以把各个控制回制，可以把各个控制回路的运算、控制、显示路的运算、控制、显示都集中于计算机来实现都集中于计算机来实现这种集中控制可以大大这种集中控制可以大大的节省硬件成本，便于的节省硬件成本，便于同时分析各个控制回路同时分析各个控制回路的信息，为实现全系统的信息，为实现全系统的优化控制提供了条件的优化控制提供了条件一旦发生计算机故障则将一旦发生计算机故障则将出现全控制系统瘫痪的危出现全控制系统瘫痪的危险险随着化工装置规模的增大，被控对象参数，控随着化工装置规模的增大，被控对象参数，控制回路的增多，为了满足对工业控制计算机应制回路

11、的增多，为了满足对工业控制计算机应具备高度可靠性和灵活性的要求具备高度可靠性和灵活性的要求把计算机技术、控制技术、通讯技术、图像显把计算机技术、控制技术、通讯技术、图像显示技术等集成为一体化的计算机控制系统示技术等集成为一体化的计算机控制系统集散系统吸取了分散系统和集中系统两者的优集散系统吸取了分散系统和集中系统两者的优点点管理、操作、管理、操作、CRT三方面的集中三方面的集中：功能分散、负荷分散和危险分散功能分散、负荷分散和危险分散 克服了分散系统难于实现全局系统控制克服了分散系统难于实现全局系统控制的缺点的缺点 克服了集中系统的危险集中克服了集中系统的危险集中美国美国Honeywell公司

12、的公司的TDC-3000Foxboro公司的公司的SPECTRUMFisher公司的公司的PROVOXBailey公司的公司的NETWORK90Taylor公司的公司的MOD-300日本横河公司的日本横河公司的CENTUM向扩大应用覆盖面方向发展向扩大应用覆盖面方向发展向管控一体化方向发展向管控一体化方向发展产品向开放化和标准化方向发展产品向开放化和标准化方向发展向现场总线技术发展向现场总线技术发展60年代初，在年代初，在化学工程、系统工程、运筹学、数化学工程、系统工程、运筹学、数值计算方法、过程控制论值计算方法、过程控制论等学科边缘，产生等学科边缘，产生了过程系统工程，也称化工过程系统工程了

13、过程系统工程，也称化工过程系统工程任务任务:以系统工程的思想、方法，解决化工过程系以系统工程的思想、方法，解决化工过程系统的设计、开发、操作、控制等问题，统的设计、开发、操作、控制等问题，系统工程的分析与合成系统工程的分析与合成实施化工过程分析、合成的手段是运算描述过程实施化工过程分析、合成的手段是运算描述过程系统的数学模型，这种模型的运算称作化工系统的数学模型，这种模型的运算称作化工过程系统模拟过程系统模拟分析是在思想中把事物分析是在思想中把事物分解为各个属性，部分，分解为各个属性，部分，方面方面综合是在思想中把事物的综合是在思想中把事物的各个属性，部分，方面结各个属性，部分，方面结合起来合

14、起来两者彼此相反而又相互联系两者彼此相反而又相互联系分析与综合贯穿于思维的整个过程分析与综合贯穿于思维的整个过程只有对事物内部矛盾的各个方面进行具体分析，只有对事物内部矛盾的各个方面进行具体分析，再综合起来把握其矛盾的总体，才能真正深再综合起来把握其矛盾的总体，才能真正深入到事物的本质，把握事物发展的规律入到事物的本质，把握事物发展的规律主要是分析过程系统的运行机制、影响因主要是分析过程系统的运行机制、影响因素、过程模型的数学描述、目标函数的建素、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立、优惠工况下的最佳操作参数目标是使决择方案，技术上先进、可行，目标是使决择方案，技术上

15、先进、可行，经济上优越、合理经济上优越、合理对于操作工况的分析也就是通常说的生产对于操作工况的分析也就是通常说的生产操作调优操作调优包括：反应路径合成；换热网络合成；分包括：反应路径合成；换热网络合成；分离序列合成；过程控制系统合成；离序列合成；过程控制系统合成；解决由各个单元过程合成总体过程系统的解决由各个单元过程合成总体过程系统的任务任务由于化工过程系统的复杂性，这类优化问由于化工过程系统的复杂性，这类优化问题常是具有非线性、奇异、有约束、多极题常是具有非线性、奇异、有约束、多极值等现象，近年来出现的模拟退火法和进值等现象，近年来出现的模拟退火法和进化算法化算法本世纪初期，由实验室到中间厂

16、逐级放大的本世纪初期，由实验室到中间厂逐级放大的经验办法经验办法30年代，以相似论为基础得出准数方程的办年代，以相似论为基础得出准数方程的办法。建立数学模型的模拟放大法法。建立数学模型的模拟放大法50年代后期，数学模拟。基本上解决了大部年代后期，数学模拟。基本上解决了大部分单元过程的开发放大问题分单元过程的开发放大问题特点：模型中不包括时间参数，即把过程中的各特点：模型中不包括时间参数，即把过程中的各种因素都看成是不随时间而变化的种因素都看成是不随时间而变化的在大规模连续化的工艺流程中，稳态是不存在的在大规模连续化的工艺流程中，稳态是不存在的稳态模拟是对动态过程到达平稳状态的一种简化稳态模拟是

17、对动态过程到达平稳状态的一种简化处理，这种处理是很必要的处理，这种处理是很必要的第一代（第一代（50-60年代）年代）美国美国KelloggKellogg公司的公司的FLEXIBLEFLEXIBLEFLOWSHEETFLOWSHEET，美国美国HoustonHouston大学开发的大学开发的CHESSCHESS（Chemical Engineering Simulation Chemical Engineering Simulation System System ）第二代（第二代（70年代）年代）美国美国Monsanto公司开发的公司开发的FLOWTRAN美国美国Braun公司开发的公司开发

18、的PF10（Process Flow）日本千代田工程公司开发的日本千代田工程公司开发的CAPES（Computer Aided Process Engineering System）第三代（第三代（1981）ASPEN(Advanced System of Process Engineering)许多的动态过程不允许简化处理为稳态过程许多的动态过程不允许简化处理为稳态过程装料、开车、反应、停车、卸料装料、开车、反应、停车、卸料开车、停车、事故处理开车、停车、事故处理第一代（第一代（70年代）年代）1969年加拿大年加拿大McMaster大学开发的大学开发的DYNSYS美国杜邦公司开发的美国杜邦

19、公司开发的DYFLO美国美国Michigan大学开发了大学开发了DYSCO日本千代田化工建设公司开发了日本千代田化工建设公司开发了DOPL第二代（第二代（70-80年代）年代）美国的鲁姆斯公司将动态模拟技术用于进行系统可行性分析、先进控制美国的鲁姆斯公司将动态模拟技术用于进行系统可行性分析、先进控制系统方案设计系统方案设计日本的一些大型化工建设工程公司将动态模拟技术用于进行新建大型化日本的一些大型化工建设工程公司将动态模拟技术用于进行新建大型化工厂工艺及控制系统的设计工厂工艺及控制系统的设计第三代（第三代（1981）由动态模拟技术衍生出用于培训工人的模拟培训器（由动态模拟技术衍生出用于培训工人

20、的模拟培训器（Simulation Control Co., Autodynamics Co., Atlantic Simulation Inc）化工过程分析与合成的任务是以高产、优质、低化工过程分析与合成的任务是以高产、优质、低耗为目标，寻求工艺生产中的设备、流程的耗为目标，寻求工艺生产中的设备、流程的合理配置方案以及最优生产工况的操作合理配置方案以及最优生产工况的操作在生产实践中人们认识到，寻求化工过程优惠工在生产实践中人们认识到，寻求化工过程优惠工况依据不仅来自工艺过程本身，而必须遵循况依据不仅来自工艺过程本身，而必须遵循的根本性依据是企业的经营决策的根本性依据是企业的经营决策为实现企业

21、最佳经营、生产决策的手段是当代的为实现企业最佳经营、生产决策的手段是当代的CIMS技术技术1974年美国年美国Joseph Harrington博士在博士在Computer Integrated Manufacturing一书中首次提出一书中首次提出通过计算机硬、软件综合运用现代管理技术、通过计算机硬、软件综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，将企业生产中有关的人、统工程技术，将企业生产中有关的人、技术、经营管理三要素及其信息流、物技术、经营管理三要素及其信息流、物质流有机集成为实施优化运作的大系统质流有机集成为实施优化运作的大系

22、统Enterprise Resource Planning 企业拥有卓越的销售人员，但生产线上的工人却企业拥有卓越的销售人员，但生产线上的工人却无法如期交货，车间管理人员则抱怨说采购部门无法如期交货，车间管理人员则抱怨说采购部门没有及时供应他们所需要的原料；没有及时供应他们所需要的原料； 采购部门的效率过高，仓库里囤积的某些材料采购部门的效率过高，仓库里囤积的某些材料10年都用不完，仓库库位饱和，资金周转很慢；年都用不完，仓库库位饱和，资金周转很慢； Manufacturing Resources Planning 未来两年我国未来两年我国ERP产品市场达一百亿元。产品市场达一百亿元。化工、石

23、化企业化工、石化企业, ,特别是一些特种化学品、精细化工特别是一些特种化学品、精细化工产品的生产企业，要求新产品开发周期短、上市产品的生产企业，要求新产品开发周期短、上市快快; ;并要求生产工艺装备是具有适应多种产品的并要求生产工艺装备是具有适应多种产品的柔性系统柔性系统以以CIPSCIPS的概念和方法组织过程生产企业的运作环节，的概念和方法组织过程生产企业的运作环节，包括生产控制、调度、管理、经营决策、市场分包括生产控制、调度、管理、经营决策、市场分析、新产品设计及研究开发，直到销售和售后服析、新产品设计及研究开发，直到销售和售后服务、用户意见反馈等，形成以市场驱动、全局优务、用户意见反馈等

24、，形成以市场驱动、全局优化的企业系统，收到了显著的经济效益化的企业系统，收到了显著的经济效益日本三井石油化学公司实施日本三井石油化学公司实施CIPSCIPS，预计库存量可减少，预计库存量可减少30%30%，生产周期可缩短，生产周期可缩短30%30%，成品油产量可增加，成品油产量可增加10%10%，管理效率可提高，管理效率可提高20%20%当前发达国家的大型化工、石化公司几乎都处在对当前发达国家的大型化工、石化公司几乎都处在对CIPSCIPS的实施、研究阶段的实施、研究阶段国内的一些企业联合着高校和科学院所正在积极开展国内的一些企业联合着高校和科学院所正在积极开展CIPSCIPS的建设，如齐鲁石

25、化胜利炼油厂、沧州大化的建设，如齐鲁石化胜利炼油厂、沧州大化集团、大庆石化总厂等集团、大庆石化总厂等各种化工过程系统基本上都可用数学模型描述。各种化工过程系统基本上都可用数学模型描述。但由于实际化工过程的复杂性，还有许多现象具有离但由于实际化工过程的复杂性，还有许多现象具有离散的、非数值的、模糊的、不确定的特性，对散的、非数值的、模糊的、不确定的特性，对这类对象建立数学模型非常困难这类对象建立数学模型非常困难一般：由技术专家凭籍他们的专业技术和经验来解决。一般：由技术专家凭籍他们的专业技术和经验来解决。缺点：对不同的专家，解决办法可能有差异缺点：对不同的专家，解决办法可能有差异人工智能技术人工

26、智能技术的引用，为解决这类问题辟出了新径的引用，为解决这类问题辟出了新径人工智能的发展和应用人工智能的发展和应用 基于基于Data Mining 技术，发现人所不能发技术，发现人所不能发现或者忽略的现象现或者忽略的现象 Beer & Diaper 弹子机弹子机 Science Fiction: 终结者终结者从人在思维时的心理活动出发。分析、研究人是如何运用知识、逻辑而解释问题的，从而掌握人脑的逻辑思维规律运用计算机模拟这个过程，选出与人的思维过程相一致的结果，这就是是从人脑的生理结构出发，模拟人脑在思维过程中的生理活动，从而得出和人脑思维过程相一致的结果这种模拟包括建立神经元（脑细胞）模型，以及它们相互间传递信息的网络结构模型。这就是关键组成是知识库与推理机制，适用于求解非数关键组成是知识库与推理机制，适用于求解非数值的，不确定的或模糊的问题值的，不确定的或模糊的问题70年代中期以前多属于解释型和诊断型。年代