化工过程与合成第1章绪论

1、化工过程分析与合成什么是什么是“化工过程的分析与合成化工过程的分析与合成”?单元：由组件或零件、分组件装配在一起，通常在各种不同的环境中能够独立工作的组合体。 过程：由各种不同的单元组合而成。哲学意义是指客观事物从一个状态到另一个状态的转移。什么是什么是“化工过程的分析与合成化工过程的分析与合成”?过程的英文表述为“process”。化工过程：化工过程：化工生产从原料开始到制出目的产物，要经过众多的化学和物理加工处理步骤。化学反应：氧化、还原、磺化、硝化等物理加工：加热、冷凝、精馏、吸收等这些基本化学反应和物理加工工段，也称单元操作。这些基本化学反应和物理加工工段，也称单元操作。 什么是什么是

2、“化工过程的分析与合成化工过程的分析与合成”?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，方面方面合成是在思想中把事物的合成是在思想中把事物的各个属性，部分，方面结各个属性，部分，方面结合起来合起来两者彼此相反而又相互联系，分析与合成贯穿于思维的整两者彼此相反而又相互联系，分析与合成贯穿于思维的整个过程个过程只有对事物内部矛盾的各个方面进行具体分析，再合成起只有对事物内部矛盾的各个方面进行具体分析，再合成起来把握其矛盾的总体，才能真正深入到事物的本质，把握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事物发展的规律化工过程分析与合成课程

3、的特点化工过程分析与合成课程的特点 综合利用了化学工程与工艺专业的主要基础课程综合利用了化学工程与工艺专业的主要基础课程的内容，如的内容，如化工原理化工原理、化工热力学化工热力学、化学反应工程化学反应工程、传递过程原理传递过程原理、分离分离工程工程、化工数学化工数学、系统最优化系统最优化、化化工系统工程工系统工程等。等。 是一门综合性课程。是一门综合性课程。 与上述突出与上述突出数学方法的数学方法的基础课程相比，基础课程相比，更突出实更突出实践性的典型的践性的典型的“案例案例”分析。分析。 重点在于培养学生分析和解决实际问题的能力。重点在于培养学生分析和解决实际问题的能力。化工过程分析与合成课

4、程的任务化工过程分析与合成课程的任务 培养高年级学生综合运用学过的课程，培养高年级学生综合运用学过的课程，以及技术经济、环境保护方面的基础知识，以及技术经济、环境保护方面的基础知识，并结合本课程的过程系统分析与合成的方法，并结合本课程的过程系统分析与合成的方法，加强学生处理化学工业实际问题的能力。加强学生处理化学工业实际问题的能力。化工过程分析与合成课程的要求化工过程分析与合成课程的要求掌握过程系统分析与合成的基本概念、基本原理掌握过程系统分析与合成的基本概念、基本原理与方法与方法掌握过程系统稳态模型、动态模型建立的基本原掌握过程系统稳态模型、动态模型建立的基本原理，熟悉过程系统模拟与优化的基

5、本步骤与方法，理，熟悉过程系统模拟与优化的基本步骤与方法，掌握分离序列合成方法，熟练运行夹点技术进行换掌握分离序列合成方法，熟练运行夹点技术进行换热网络合成热网络合成理解过程系统稳态模型、动态模型求解算法，明理解过程系统稳态模型、动态模型求解算法，明确过程系统操作调优的原理、步骤和方法。明确间确过程系统操作调优的原理、步骤和方法。明确间歇系统模拟、优化与合成的特殊性歇系统模拟、优化与合成的特殊性了解过程系统对象的特性，学科的发展，该领域了解过程系统对象的特性，学科的发展，该领域前沿及与其它学科的关系前沿及与其它学科的关系化工过程分析与合成课程的主要内容化工过程分析与合成课程的主要内容 绪论绪论

6、 化工过程系统稳态模拟与分析化工过程系统稳态模拟与分析 化工过程系统动态模拟与分析化工过程系统动态模拟与分析 化工过程系统的优化化工过程系统的优化 化工生产过程操作工况调优化工生产过程操作工况调优 间歇化工过程间歇化工过程 换热网络合成换热网络合成 分离塔序列的合成分离塔序列的合成化工过程分析与合成内容体系化工过程系统的分析化工过程系统的合成化工过程系统的优化2，36，7，84，5绪论1化工过程系统的分析过程系统的流程、回路分析模型化模型求解断裂、收敛、矩阵CSTR、精馏、PSA、闪蒸2，3化工过程系统的合成间歇操作系统能量的综合利用分离序列综合最优时间表序列夹点技术、调优法数学规划法、探试法

7、、调优法化工过程系统的优化通常的优化问题化工大系统优化离线调优方法LP、NLP可行路径、不可行路径机理模型、统计模型、智能模型绪 论绪绪 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

8、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，对工程师面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。课 程 背 景 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

9、才适应能力差的问题早已暴露无遗；另一过细，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，过分强调方面，化学工程专业又因循西方的模式，过分强调学科性，忽视化学工程与技术问题的综合性与实践学科性，忽视化学工程与技术问题的综合性与实践性。性。工程师的基本任务和能力就是综合，工程师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。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在工艺生产上，对物料流进行物理或化在工艺生产上，对物料流进行物理或化学的加工工艺，称作学的加工工艺，称作过程工艺过程工艺；以汽车、轮船等；以汽车、轮船等工件为

10、对象的加工工艺，称为工件为对象的加工工艺，称为制造工艺制造工艺。常见的过程工艺：常见的过程工艺：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化工过程是以天然物料为原料经过物理或化学的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。加工制成产品的过程。通常化工过程包括三个部分：通常化工过程包括三个部分：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1.1 化工过程化工过程 各种单元过程由被处理的物料流联接各种单元过程由被处理的物料流联接起来，构成化工过程生产工艺流程。起来，构成化工过程生产工艺流程。最重要的单元过程：最重要的单元过

11、程：v化学反应过程化学反应过程v换热过程换热过程v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 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；催化反应过程催化反应过程 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；催化反应过程催化反应过程 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；催化反应过程催化反应过程

12、裂化反应：裂化反应：重质重质油催化裂化制轻油催化裂化制轻质油的反应过程；质油的反应过程；催化反应过程催化反应过程 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程；乙烯与苯的烷基化制乙苯的反应过程；热裂解反应过程热裂解反应过程 煤干馏生成焦煤干馏生成焦碳、煤焦油、碳、煤焦油、焦炉煤气的反焦炉煤气的反应过程应过程； 轻油裂解制乙轻油裂解制乙烯的反应过程烯的反应过程；电解质溶液离子反应过程电解质溶液离子反应过程 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

13、的反应过程 使被处理的物流，按要求的温度进入各个单元过使被处理的物流，按要求的温度进入各个单元过程。这一过程是由换热器与换热物流所构成的换程。这一过程是由换热器与换热物流所构成的换热网络实现的。热网络实现的。 合理的设计，能充分回收过程系统中的热量或冷合理的设计，能充分回收过程系统中的热量或冷量。量。 以最大限度的节能、经济的设备投资、良好的操以最大限度的节能、经济的设备投资、良好的操作适应性为目标，实现最佳的换热网络设计，是作适应性为目标，实现最佳的换热网络设计，是化工过程系统综合研究的一项典型的事例化工过程系统综合研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、

14、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、膜分离等 分离产物、副产物、废物以及未反应的原料，分离产物、副产物、废物以及未反应的原料，最终得到一定纯度的产物最终得到一定纯度的产物 化工过程生产操作工况的调节，主要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、组是对物料流温度、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。1.2

15、化工过程生产操作控制化工过程生产操作控制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

16、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

17、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，控制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具备回路的增多，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、图像显示把计算机技术

18、、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，这就是技术等集成为一体化的计算机控制系统，这就是分布式控制系统，又称集散系统。分布式控制系统，又称集散系统。集散系统吸取了分散系统和集中系统两者的优点集散系统吸取了分散系统和集中系统两者的优点管理、操作、控制三方面的集中管理、操作、控制三方面的集中：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公司的公司的TDC-3000Foxboro公司的公司的SPECTRUM

19、Fisher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 目前目前DCS大多采用大多采用PID控制模式，控制模式，把收集到的把收集到的数据和一个参考值进行比较，产生的差别用于计算新的数据和一个参考值进行比较，产生的差别用于计算新的输入值，这个新的输入值可以让系统的数据达到或保持输入值，这个新的输入值可以让系统的数据达到

20、或保持参考值。参考值。先进控制：先进控制：自适应、预估值、模糊、智能控制等。自适应、预估值、模糊、智能控制等。优化控制：优化控制：在在DCS上安装运行某化工过程的数学模型，上安装运行某化工过程的数学模型，按既定的目标函数进行优化计算，从而实现优化控制。按既定的目标函数进行优化计算，从而实现优化控制。1.3 化工过程的分析与合成化工过程的分析与合成 60年代初，在年代初，在化学工程、系统工程、运筹学、化学工程、系统工程、运筹学、数值计算方法、过程控制论数值计算方法、过程控制论等学科边缘，产生了等学科边缘，产生了过程系统工程，也称化工过程系统工程。过程系统工程，也称化工过程系统工程。 任务任务:以

21、系统工程的思想、方法，解决化工过以系统工程的思想、方法，解决化工过程系统的设计、开发、操作、控制等问题，程系统的设计、开发、操作、控制等问题，系系统工程的分析与合成统工程的分析与合成 手段：手段：运算描述过程系统的数学模型，这种运算描述过程系统的数学模型，这种模型的运算称作化工过程系统模拟模型的运算称作化工过程系统模拟 主要是分析过程系统的运行机制、影响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、目标函数的建因素、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，技术上先进、可行，经济

22、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对于操作工况的分析也就是通常说的生产操作调优，包括在线调优和离线调优。产操作调优，包括在线调优和离线调优。包括：反应路径合成；换热网络合成；分离序包括：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；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任务解决由各个单元过程合成总体过程系统的任务由于化工过程系统的复杂性，这类优化问题常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、多极值等现象，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化算法近年来出现的模拟退火法

23、和进化算法1.4 化工化工过程模拟过程模拟系统系统 对于化工过程的开发、设计，上世纪初期，由对于化工过程的开发、设计，上世纪初期，由实验室到中间厂逐级放大的经验办法；实验室到中间厂逐级放大的经验办法； 30年代，以相似论为基础得出准数方程的办法，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；建立数学模型的模拟放大法； 50年代后期，采用计算机数学模拟，基本上解年代后期，采用计算机数学模拟，基本上解决了大部分单元过程的开发放大问题。决了大部分单元过程的开发放大问题。特点：特点：模型中不包括时间参数，即把过程中的各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

24、的，种因素都看成是不随时间而变化的，适用于适用于连续过程连续过程 。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

25、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

26、、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

27、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的模拟培训器（Simulation Control Co., Autodynamics Co., Atlantic Simulation Inc）1.5 化工化工企业企业CIPS技术技术 化工过程分析与合成的化工过程分析与合成的任务任务是以高产、优质、低是以高产、优质、低耗为目标，寻求工艺生产中的设备、流程的合理配置耗为目标，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方案以

28、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，而必须遵循的根本性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依据是企业的经营决策 为实现企业最佳经营、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一书一书中首次提出中首次提出 通过计算机硬、软件综合运用现代管理技通过计算机硬、软件综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、

29、自动化技术、系统术、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工程技术，将企业生产中有关的人、技术、经人、技术、经营管理营管理三要素及其三要素及其信息流、物质流信息流、物质流有机集成为有机集成为实施优化运作的大系统实施优化运作的大系统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

30、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。 准时生产制；精良生产制准时生产制；精良生产制 化工、石化企业化工、石化企业, ,特别是一些特种化学品、精细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、上市化工产品的生产企业，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柔性并要求生产工艺装备是具有适应多种产品的柔性系统。系统。 以以CIPSCIPS

31、的概念和方法组织过程生产企业的运作环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、市场分节，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，直到销售和售后服务、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、全局优化的企业用户意见反馈等，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。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，预计库存量可减少减少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1

32、0%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当前发达国家的大型化工、石化公司几乎都处在对对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国内的一些企业联合着高校和科学院所正在积极开展开展CIPSCIPS的建设，如齐鲁石化胜利炼油厂、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。1.6 人工智能在化工过程中的应用人工智能在化工过程中的应用 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，对这类对象建散的、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