过程系统控制第00章绪论

1、过程系统工程原理绪 论2022年6月9日星期四Process System Engineering Principle22022年6月9日星期四Process System Engineering Principle3 教学内容过程系统基本概念过程系统基本概念课程研究内容及方法课程研究内容及方法课程教学内容及要求课程教学内容及要求2022年6月9日星期四Process System Engineering Principle4 1 1、过程：、过程： 过程一词的哲学意义：过程一词的哲学意义：客观事物从一种状态到另一种状态的转移。客观事物从一种状态到另一种状态的转移。 过程单元间是通过过程单元间

2、是通过物料流物料流和和能量流能量流相互联结的。物料流借助于管线、相互联结的。物料流借助于管线、输送带传送；能量流包括热流和功流。输送带传送；能量流包括热流和功流。 过程系统过程系统 2 2、过程系统：、过程系统： 过程单元按照一定的方式相互联结在一起形成的网络称作过程系统。过程单元按照一定的方式相互联结在一起形成的网络称作过程系统。例如化工过程系统、石油加工过程系统、医药生产过程系统、冶金过程例如化工过程系统、石油加工过程系统、医药生产过程系统、冶金过程系统等等。系统等等。 过程一词的工业意义：过程一词的工业意义：对原料进行物理的或化学的加工处理称作过对原料进行物理的或化学的加工处理称作过程。

3、特定的过程称作过程单元，例如，分离过程单元、反应过程单元、程。特定的过程称作过程单元，例如，分离过程单元、反应过程单元、换热过程单元等。换热过程单元等。 过程系统概念2022年6月9日星期四Process System Engineering Principle5 过程系统概念过程系统过程系统图图0-1 0-1 过程系统过程系统 由图由图0-10-1可知：过程系统又可定义为：可知：过程系统又可定义为：过程系统过程系统 过程单元过程单元 十十 单元间联结关系单元间联结关系 因此，在过程单元间之间进行计算，主要进行的是因此，在过程单元间之间进行计算，主要进行的是物料衡算物料衡算和和能量能量衡算，衡

4、算，从而确定系统的物料消耗和能量消耗。从而确定系统的物料消耗和能量消耗。 2022年6月9日星期四Process System Engineering Principle6 过程系统概念化工生产过程化工生产过程 化工生产过程是以天然物料为原料，经过物理或化学加工制成产品化工生产过程是以天然物料为原料，经过物理或化学加工制成产品的过程。通常包括三个部分：原料制备、化学反应、产品分离。的过程。通常包括三个部分：原料制备、化学反应、产品分离。 例如：乙炔法制取聚氯乙烯塑料的生产过程如图例如：乙炔法制取聚氯乙烯塑料的生产过程如图0-20-2所示。所示。图图0-2 0-2 化工生产过程的简要示意化工生产

5、过程的简要示意 显然，化工生产过程的核心是化学反应过程及其设备显然，化工生产过程的核心是化学反应过程及其设备反应器。反应器。 其次是原料和产品的前处理、后处理过程（一般是物理过程）。其次是原料和产品的前处理、后处理过程（一般是物理过程）。2022年6月9日星期四Process System Engineering Principle7 过程系统概念工业生产过程的要求工业生产过程的要求 工业生产过程的基本要求：工业生产过程的基本要求： （1 1）安全生产。）安全生产。 （2 2）单位产品的原材料和能源消耗尽量少。）单位产品的原材料和能源消耗尽量少。 （3 3）副产品，特别是废物最好不要产生，防止

6、对环境的污染。）副产品，特别是废物最好不要产生，防止对环境的污染。 （4 4）生产设备的利用率要高。）生产设备的利用率要高。 如何做到这一点？如何做到这一点？ 工程上是通过工程上是通过工业过程控制系统工业过程控制系统来操作和控制实际的工业生产过程。来操作和控制实际的工业生产过程。2022年6月9日星期四Process System Engineering Principle8 过程系统概念工业生产过程的要求工业生产过程的要求 工业生产过程控制的任务：工业生产过程控制的任务：返返 回回 根据不同的工业生产过程和特点，采用测量仪表和计算机等自动化根据不同的工业生产过程和特点，采用测量仪表和计算机等

7、自动化工具，应用控制理论，设计工业生产过程控制系统，实现工业生产过程工具，应用控制理论，设计工业生产过程控制系统，实现工业生产过程自动化。自动化。图图0-3 0-3 工业生产过程控制工业生产过程控制 与其它学科的关系与其它学科的关系 由于工业生产过程多种多样而且非常由于工业生产过程多种多样而且非常复杂，因此，在设计工业生产过程控制系复杂，因此，在设计工业生产过程控制系统时，必须花大量的时间和精力了解该工统时，必须花大量的时间和精力了解该工业生产过程的基本原理、操作过程和过程业生产过程的基本原理、操作过程和过程特性，这是设计和实现一个工业生产过程特性，这是设计和实现一个工业生产过程控制系统的首要

8、条件。控制系统的首要条件。2022年6月9日星期四Process System Engineering Principle9单元操作单元操作 在各过程系统中，原料和产品的前处理、后处理过程可归纳为一系在各过程系统中，原料和产品的前处理、后处理过程可归纳为一系列的单元操作。列的单元操作。表表0 01 1 常用的单元操作常用的单元操作 课程研究内容及方法2022年6月9日星期四Process System Engineering Principle10 课程研究内容及方法研究内容研究内容 1 1、动量传递过程（单相或多相流动）、动量传递过程（单相或多相流动）- - 动量传递理论（速度）动量传递理论

9、（速度） 2 2、热量传递过程、热量传递过程 - - 热量传递理论（温度）热量传递理论（温度） 3 3、物质传递过程、物质传递过程 - - 质量传递理论（浓度）质量传递理论（浓度） 基础理论：基础理论： 1 1、动量传递过程：流体输送、沉降、过滤、搅拌等；、动量传递过程：流体输送、沉降、过滤、搅拌等； 2 2、热量传递过程：加热、冷却、冷凝和蒸发等；、热量传递过程：加热、冷却、冷凝和蒸发等； 3 3、物质传递过程：吸收、精馏、萃取、吸附、膜分离等。、物质传递过程：吸收、精馏、萃取、吸附、膜分离等。 单元操作：单元操作： 4 4、热、物同时传递过程：增湿与减湿、结晶、干燥等。、热、物同时传递过程

10、：增湿与减湿、结晶、干燥等。2022年6月9日星期四Process System Engineering Principle11 课程研究内容及方法研究方法研究方法 实验研究法（经验方法）：用量纲分析和相似理论为指导，依实验研究法（经验方法）：用量纲分析和相似理论为指导，依靠实验来确定过程变量之间的关系，通常用无量纲数群（或称准数）构靠实验来确定过程变量之间的关系，通常用无量纲数群（或称准数）构成的关系来表达。成的关系来表达。 数学模型法（半理论半经验方法）：对实际过程进行深入的机数学模型法（半理论半经验方法）：对实际过程进行深入的机理分析，抓住过程本质，进行合理假设（简化），建立物理模型，进

11、行理分析，抓住过程本质，进行合理假设（简化），建立物理模型，进行数学描述，得出数学模型。通过实验确定模型参数。数学描述，得出数学模型。通过实验确定模型参数。 2022年6月9日星期四Process System Engineering Principle 课程研究内容及方法结结 论论 过程系统工程原理过程系统工程原理课程培养目标：课程培养目标： 单元操作和设备选择能力。单元操作和设备选择能力。根据工艺生产要求和物系特征，合根据工艺生产要求和物系特征，合理选择单元操作和设备，从而经济而有效地满足工艺要求。理选择单元操作和设备，从而经济而有效地满足工艺要求。 工程设计能力。工程设计能力。学习进行过

12、程的计算和设备的设计。在缺乏数学习进行过程的计算和设备的设计。在缺乏数据的情况下，如何组织实验以取得必要的设计数据。据的情况下，如何组织实验以取得必要的设计数据。 操作和调节生产过程的能力。操作和调节生产过程的能力。学习如何操作和调节生产过程。学习如何操作和调节生产过程。在操作发生故障时如何寻找故障的缘由，了解优化生产过程的途径。在操作发生故障时如何寻找故障的缘由，了解优化生产过程的途径。 装置开发或科学研究的能力。装置开发或科学研究的能力。学习如何根据物理或物理化学原学习如何根据物理或物理化学原理而开发单元操作，进而组织一个生产工艺过程。将可能变为现实实现理而开发单元操作，进而组织一个生产工

13、艺过程。将可能变为现实实现工程目的。工程目的。12返返 回回2022年6月9日星期四Process System Engineering Principle13 课程教学内容及要求教学内容教学内容 第一章第一章 流体流动流体流动 第二章第二章 流体输送设备流体输送设备 第三章第三章 传传 热热 第五章第五章 吸吸 收收 第六章第六章 蒸蒸 馏馏 第七章第七章 气液传质设备气液传质设备 第八章第八章 其它传递过程其它传递过程 第四章第四章 传热设备传热设备 2022年6月9日星期四Process System Engineering Principle14 课程教学内容及要求教学内容教学内容 贯

14、穿整个教学过程的两个重要内容：贯穿整个教学过程的两个重要内容： 1 1、单位制和单位换算、单位制和单位换算 单位换算：是指同一性质的不同单位之间的数值换算。常用的单位单位换算：是指同一性质的不同单位之间的数值换算。常用的单位换算有长度单位换算、重量单位换算、压力单位换算、面积单位换算、换算有长度单位换算、重量单位换算、压力单位换算、面积单位换算、电容单位换算等。电容单位换算等。 在国际单位制中，将单位分成两类：基本单位、导出单位。在国际单位制中，将单位分成两类：基本单位、导出单位。 单位换算的原因：由于历史、地区及各个学科的不同要求，对基本单位换算的原因：由于历史、地区及各个学科的不同要求，对

15、基本量及其单位的选择有所不同，因而产生了多种不同的单位制度。量及其单位的选择有所不同，因而产生了多种不同的单位制度。 目前，国际上采用统一的国际单位（目前，国际上采用统一的国际单位（SISI），我国采用中华人民共和），我国采用中华人民共和国法定计量单位。（各种单位制度及换算方法参见各种手册）国法定计量单位。（各种单位制度及换算方法参见各种手册）2022年6月9日星期四Process System Engineering Principle15 课程教学内容及要求教学内容教学内容 各种物理量通过描述自然规律的方程及其定义而彼此相互联系。为各种物理量通过描述自然规律的方程及其定义而彼此相互联系。为

16、了方便，选取一组相互独立的物理量，作为基本量，其他量则根据基本了方便，选取一组相互独立的物理量，作为基本量，其他量则根据基本量和有关方程来表示，称为导出量。量和有关方程来表示，称为导出量。 基本单位是：长度（米）、质量（千克）、时间（秒）、电流（安基本单位是：长度（米）、质量（千克）、时间（秒）、电流（安培）、热力学温度（开尔文）、物质的量（摩尔）和发光强度（坎德培）、热力学温度（开尔文）、物质的量（摩尔）和发光强度（坎德拉）。基本单位在量纲上彼此独立。拉）。基本单位在量纲上彼此独立。 单位换算举例：温度。单位换算举例：温度。2022年6月9日星期四Process System Enginee

17、ring Principle16 课程教学内容及要求教学内容教学内容 过程系统的计算可分为过程系统的计算可分为设计型计算设计型计算和和操作型计算操作型计算。 2 2、物料衡算和能量衡算、物料衡算和能量衡算 计算的基础是：质量守恒、能量守恒、平衡关系和速率关系。计算的基础是：质量守恒、能量守恒、平衡关系和速率关系。 （1 1）物料衡算）物料衡算 目的：为了搞清生产过程中原料、产品及损失之间的数量关系。目的：为了搞清生产过程中原料、产品及损失之间的数量关系。 物料衡算是质量守恒定律的一种表现形式，即：物料衡算是质量守恒定律的一种表现形式，即： 式中：式中：G Gi i输入物料的总和；输入物料的总和

18、； G Go o输出物料的总和；输出物料的总和； G GA A累计的物料量。累计的物料量。2022年6月9日星期四Process System Engineering Principle17 课程教学内容及要求教学内容教学内容 （2 2）能量衡算）能量衡算 目的：为了搞清生产过程中能源的使用与损耗关系。目的：为了搞清生产过程中能源的使用与损耗关系。 能量衡算的依据是能量守恒定律。例如，对热量衡算可以写成：能量衡算的依据是能量守恒定律。例如，对热量衡算可以写成： 式中：式中：Q Qi i随物料进入系统的总热量，随物料进入系统的总热量，kJkJ或或kWkW； Q Qo o随物料离开系统的总热量，随

19、物料离开系统的总热量，kJkJ或或kWkW； Q QL L向系统周围散失的热量，向系统周围散失的热量，kJkJ或或kWkW。 机械能、热量、电能、化学能、原子能等统称能量。各种能量间可机械能、热量、电能、化学能、原子能等统称能量。各种能量间可以相互转换。以相互转换。2022年6月9日星期四Process System Engineering Principle18 课程教学内容及要求教学要求教学要求 1 1、教学观点与重心：、教学观点与重心： 古人云：古人云：“授人以鱼，不如授人以渔授人以鱼，不如授人以渔”，说的是传授给人既有的知，说的是传授给人既有的知识，不如传授给人学习知识的方法。道理其实很简单，鱼是目的，钓鱼识，不如传授给人学习知识的方法。道理其实很简单，鱼是目的，钓鱼是手段，一条鱼能解一时之饥，却不能解长久之饥，如果想永远有鱼吃，是手段，一条鱼能解一时之饥，却不能解长久之饥，如果想永远有鱼吃，那就要学会钓鱼的方法。那就要学会钓鱼的方法。 联合国教科文组织曾谈到：今后的文盲将不再是不识字的人，而是联合国教科文组织曾谈到：今后的文盲将不再是不识字的人，而是不会自学和学了知识不会应用的人。不会自学和学了知识不会应用的人。 方法为主，知识为辅。方法为主，知识为辅。 进一步说明，进一步说明，“授人以鱼，不如授人以渔；授人以渔，不如授人以