化工系统工程

化工系统工程主讲：智科端博士副教授TELmail：zhikeduan@内蒙古工业大学化工学院2第一章系统与系统工程一、系统工程的应用举例二、系统三、系统工程四、系统工程方法论3一、系统工程的应用举例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、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，时间横跨将近20年。三峡水利工程4粮食价格的调整燃料能源价格银行利率外汇牌价一、系统工程的应用举例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。例如：5企业的长远规划新产品开发区域规划大项目管理一、系统工程的应用举例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，比如：6第一章系统与系统工程一、系统工程的应用举例二、系统三、系统工程四、系统工程方法论7公元前古希腊对“宇宙大系统”的认识；我国西周时期的“阴阳二气”及金、木、水、火、土“五行”；东汉时期形成的“二十四节气”；周秦到西汉时期的“皇帝内经”。二、系统系统概念的形成只见森林1.系统的概念8系统概念的形成15世纪下半叶以后：19世纪：辨证唯物主义：“只见树木”具体化“先见森林，后见树木”世界是由无数相互关联、相互依赖、相互制约和相互作用的过程所形成的统一整体。科学系统思想的实质9系统的概念一台机器、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;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，它没有绝对规模的界限。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。2）相关性。组成系统的各要素之间具有相互联系、相互作用、相互依赖的特定关系。某—要素若发生变化则会影响其他要素的状态变化。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定的空间层次结构。例如一个公司就是由子公司或二级厂(矿)、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目标而相互协调运行。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。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。2.系统的特性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。系统统的的特特性性12开放放系系统统与与封封闭闭系系统统3.系统统的的分分类类实体体系系统统与与概概念念系系统统自然然系系统统与与人人造造系系统统动态态系系统统与与静静态态系系统统13(2)美国国著著名名学学者者H．切切斯斯纳纳指指出出：：““系系统统工工程程认认为为虽虽然然每每个个系系统统都都由由许许多多不不同同的的特特殊殊功功能能部部分分所所组组成成，，而而这这些些功功能能部部分分之之间间又又存存在在着着相相互互关关系系，，但但是是每每一一个个系系统统都都是是完完整整的的整整体体，，每每一一个个系系统统都都要要求求有有一一个个或或若若干干个个目目标标。。系系统统工工程程则则是是按按照照各各个个目目标标进进行行权权衡衡，，全全面面求求得得最最优优解解(或满满意意解解)的方方法法，，并并使使各各组组成成部部分分能能够够最最大大限限度度地地互互相相适适应应””。。1.系统统工工程程的的定定义义(1)中国国科科学学家家钱钱学学森森指指出出：：““系系统统工工程程是是组组织织管管理理系系统统的的规规划划、、研研究究、、设设计计、、制制造造、、试试验验和和使使用用的的科科学学方方法法””，，““系系统统工工程程是是一一门门组组织织管管理理的的技技术术””。。至今今还还没没有有统统一一定定义义14(3)日本本学学者者三三浦浦武武雄雄指指出出：：““系系统统工工程程与与其其它它工工程程学学不不同同之之处处在在于于它它是是跨跨越越许许多多学学科科的的科科学学，，而而且且是是填填补补这这些些学学科科边边界界空空白白的的边边缘缘科科学学。。因因为为系系统统工工程程的的目目的的是是研研究究系系统统，，而而系系统统不不仅仅涉涉及及到到工工程程学学的的领领域域，，还还涉涉及及到到社社会会、、经经济济和和政政治治等等领领域域，，为为了了圆圆满满解解决决这这些些交交叉叉领领域域的的问问题题，，除除了了需需要要某某些些纵纵向向的的专专门门技技术术以以外外，，还还要要有有一一种种技技术术从从横横向向把把它它们们组组织织起起来来，，这这种种横横向向技技术术就就是是系系统统工工程程，，也也就就是是研研究究系系统统所所需需的的思思想想、、技技术术和和理理论论等等体体系系化化的的总总称称。。””系统工工程的的定义义(4)《中国大百科全书·自动控制与系统工程卷》指出：“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。它是系统科学直接改造世界的工程技术。”15(5)日本工业标准(JIS)规定：“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析与设计的技术”。系统工工程的的定义义系统工工程是是一门门研究究大规规模复复杂系系统的的交叉学学科，它是是根据据整体体协调调的需需要，，综合合运用用各种种现代代科学学思想想、理理论、、技术术、方方法、、工具具，对对系统统进行行研究究分析析、设设计制制造和和服务务，使使系统统整体体尽量量达到到最佳佳协调调和最最满意意的优优化。。钱学森森提出出的现现代科科学技技术体体系——四个层层次一一座桥桥梁17系统工工程研研究对对象研究对对象：：不限于于物质质系统统，还还包括括自然然系统统、社社会经经济系系统、、经营营管理理系统统、军军事指指挥系系统等等等。。系统工工程在在自然科科学与社会科科学之间架架设了了一座座沟通通的桥桥梁。。182.系统工工程的的理论论基础础从系统统工程程的定定义可可以看看出，，系统统工程程是一门门跨学学科的的边缘性性交叉叉学科科，它包包括自然、、社会会及工工程设设计分分析等等方面面的知知识，，它是由由一般般系统论论、经济控控制论论、运筹学学等学科科相互互渗透透、交交叉发发展而而形成成的。。193.系统工工程与与一般般工程程比较较的特特点

传统工程系统工程研究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方法专业知识各种现代科学知识和专业知识着眼点局部最优整体最优204.系统工工程与与运筹筹学区区别系统工工程：：侧重于于评价价和改改进现现有系系统、、设计计新系系统。。运筹学学：通常涉涉及现现有系系统运运营情情况，，侧重重于资资源的的最优优配置置。215.系统工工程理理论的的新发发展系统工工程作作为一一门交交叉学学科，，日益益向多多种学学科渗渗透和和交叉叉发展展。系统工程程作为一一门软科科学，日日益受到到人们的的重视。。225.系统工程程理论的的新发展展复杂适应应系统理理论（CAS理论）系统工程程朝着“巨系统”的方向发发展综合集成成研讨厅厅体系构构想23四、系统统工程方方法论它是系统统工程思思考问题题和处理理问题的的一般方方法，把把分析对对象作为为整体系系统来考考虑，进进行分析析、设计计、制造造和使用用时的基基本思想想方法和和工作方方法。系统工程程方法论论就是解解决系统统工程实实践中的的问题所所应遵循循的步骤骤、程序序和方法法。1.系统工程程方法论论242.系统工程程与传统统方法的的区别从前面对对系统工工程的介介绍可以以看出，，系统工工程的目目标是通通过什么么样的方方法可使使系统达达到最优优，而方方法论是是把设想想付诸实实现的过过程。对对于传统统方法，，它解决决问题的的目标往往往是单单一的，，比如设设计一个个产品或或只强调调成本低低或只强强调性能能高，而而系统工工程对目目标的考考虑需要要从系统统运行的的全过程程即时间方面面以及在每每个阶段段中处理理问题的的特殊思思维过程程即逻辑方面面，并综合合运用各各种专业业知识即即知识方面面来综合考考虑。253.系统工程程的三维维结构分分析霍尔的“三维结构”模式

26①时间维a)规划阶段段：主要是按按照设计计要求提提出系统统目标，，制定规规划和政政策。b)拟定阶段段：完成的任任务是提提出具体体的方案案，进行行系统的的初步设设计。c)分析阶段段：对所设计计的方案案进行分分析、比比较。d)运筹阶段段：方案的综综合选优优，确定定最优实实施方案案。e)实施阶段段：系统的设设计、安安装及调调试等。。f)运行阶段段：按照系统统预定的的用途工工作。g)更新阶段段：按系统要要求实施施，取消消旧系统统，代之之以新系系统，对对系统改改进。27②逻辑维a)明确问题题：了解问题题所处的的环境，，收集有有关的数数据和资资料，主主要目的的是弄清清问题。。b)系统指标标设计：：确定所要要解决问问题的目目标和相相应的评评价准则则。c)系统方案案综合：：为实现预预期目标标，拟定定所需采采取的策策略和应应选择的的方案。。d)系统分析析：深入了解解所提出出的政策策措施和和解决方方法，分分析这些些措施方方法在实实施中的的预期效效果。28②逻辑维e)系统方案案的优化化与选择择：用数学规规划等定定量的优优化方法法去判别别各种方方案的优优劣，以以进行方方案选择择。f)决策：以指标体体系为评评价准则则，在考考虑决策策者的偏偏好等基基础上，，选择最最优方案案。g)实施计划划：按决策结结果制定定实施方方案和计计划。29③知识维知识维是是指各工工作步骤骤所需的的各门专专业知识识，由于于系统工工程是个个综合性性的交叉叉学科，，在上述述各阶段段中，执执行任何何一步都都会涉及及多种专专业技术术，如社社会科学学、工程程技术、、法律、、商业、、医药、、艺术等等等。304、系统分分析简介介狭义的解解释认为系统统分析是是系统工工程的一一项优化化技术，，是系统统工程在在非结构构化问题题决策中中的具体体应用。。系统工程程方法论论的基础础是系统统分析技技术，系系统分析析是完成成系统工工程问题题的中心心环节;广义的解释认为系统分析析就是系统工工程，系统分分析是系统工工程的同义词词;315.系统分析的概概念及要素系统分析是运运用建模及预预测、优化、、仿真、评价价等技术对系系统的各有关关方面进行定定性与定量相相结合的分析析，为选择最最优或满意的的系统方案提提供决策依据据的分析研究究过程。32系统分析的基基本概念系统分析的目目的是在于分析系系统内部与系系统环境之间间、系统内部部各要素之间间的相互依赖赖、相互制约约、相互促进进的复杂关系系，分析系统统要素的层次次结构关系及及其对系统功功能和目标的的影响，通过过建立系统的的分析模型使使系统各要素素及其与环境境之间的协调调达到最佳状状态，最终为系统决决策提供依据据。33系统分析的要要素（1）问题（2）目的及目标标（3）方案（4）模型（5）评价（6）决策者系统工程方法法论弄清问题|目标选择|拟定方案|建立模型|系统评价|系统决策|实施系统分析356.系统分析的程程序36（1）初步分析初步分析：What?Why?Where?When?Who?How?问题的目标目标的层次性性目标的冲突37目标树XX1X2X338目标冲突和利利害冲突在目标分析过过程中，系统统分析人员经经常会发现，，许多关键情情况往往是由由于存在着相相互冲突的分分目标造成的的。这有两种种情况：一种是纯属专专业性质的，，即目标冲突突问题；另一种是社会会性质的，即即利害冲突问问题。39目标冲突例如在进行产产品设计时，，所可能强调调的两个目标标：一是尽可能低低的成本二是尽可能高高的质量。解决办法：建立一个没有有矛盾的目标标集，把引起起矛盾的分目目标剔除掉。。采用所有分目目标，寻求一一个能达到冲冲突目标得以以并存的方案案。40利害冲突处理的方法：：目标方之一放放弃自己的利利益；保持其中一个个目标，用其其它方式补偿偿或部分补偿偿受损方的利利益；通过协商调整整目标系统，，使之达到目目标相容。例如企业在减减员增效的过过程中就至少少有如下两个个目标：一是提高企业业的效益二是保证工作作岗位不减员员。417.系统分析的原原则（1）坚持问题导导向；（2）以整体为目目标；（3）多方案模型型分析和选优优；（4）定量分析与与定性分析相相结合；（5）多次反复进进行。烟囱例：发电厂环环境工程系统统分析锅炉除尘器煤目的：模拟烟烟囱排放的烟烟尘和SO2，据此提出最最佳治理方案案。烟尘超标4.84倍，SO2超标10.84倍8.系统分析举例例1．拟定方案：①修建高烟囱120m（目前是45m），投资资估算22万；不可行(附近是机场））；②该厂采用的是是多管旋风加加文丘里除尘尘器，效率为为93.8%，若改用电电除尘器，，除尘效率率将提高到到99%，投资70万；而对SO2，可以采用用预洗或炉炉中添加石石灰等方法法，可行；1．拟定方案：：③更换锅炉，，投资200万，能降低低大约2／3的飞灰，而而对SO2没有减少。。此外，还还可能引起起燃烧效率率降低。若若以降低燃燃烧效率2％计算，其其年经济损损失为11.76万元，所以这是一一个不理想想的可行方方案；④改用外外地优质煤煤（目前是是用本地区区的褐煤））。改用优优质煤后，，煤尘与SO2的排排放放量量估估算算分分别别为为85.53kg/h和129.7kg/h，均均小小于于标标准准量量。。此此外外还还可可节节约约燃燃料料费费191.7万元元/年。。这是是四四个个方方案案中中比比较较理理想想的的治治理理污污染染的的方方案案。。45第二二章章系系统统分分析析一、、模模型型与与模模型型化化简简介介二、、系系统统结结构构分分析析技技术术三、系统统仿真46一、模型型与模型型化简介介1、模型及及特征模型是现现实系统统的替代代物。模模型应反反映出系系统的主主要组成成部分、、各部分分之间的的相互关关系，以以及在运运用条件件下的因因果作用用及相互互关系。。特征：（1）它是现现实世界界部分的的抽象或或模仿；；（2）它是由由那些与与分析的的问题有有关的因因素构成成的；（3）它表明明了有关关因素间间的相互互关系。。47模型化模型化就就是为描描述系统统的构成成和行为为，对实实体系统统的各种种因素进进行适当当筛选，，用一定定方式（（数学、、图像等等）表达达系统实实体的方方法。------构模的过过程2.模型（化化）及其其本质利用模型型与原型型之间某某方面的的相似关关系，在在研究的的过程中中用模型型来代替替原型，，通过对对模型的的研究得得到关于于原型的的一些信信息。本质：483.模型（化化）的地地位与作作用作用：（1）人们对对客观系系统一定定程度研研究结果果的表达达。（2）导致科科学规律律、理论论、原理理的发现现。（3）利用模模型可以以进行“思想”试验。49地位：3.模型（化化）的地地位与作作用模型不能能代替对对客观系系统内容容的研究究，只有有在和对对客体系系统内容容研究相相配合时时，其作作用才能能充分发发挥。504.模型的分分类概念模型型：通过人们们的经验验、知识识和直觉觉形成的的。形式式上分为为思维、、字句或或描述的的。符号模型型：用符号来来代表系系统的各各种因素素和它们们间的的相互关关系。分分为结构模型型和数学模型型。类比模型型：和实际模模型作用用相同。。仿真模型型：用计算机机对系统统进行仿仿真时所所用的模模型。形象模型型：把现实的的东西的的尺寸进进行改变变后的表表示。分分为物理模型型和图像模型型。515.建立模型型的一般般原则①建立方框框图②考虑信息息相关性性③考虑准确确性④考虑结集集性526.建模的基基本步骤骤①明确建模模的目的的和要求求；②对系统统进行一一般语言言描述；；③弄清系系统中的的主要因因素及其其相互关关系；④确定模模型的结结构；⑤估计模模型的参参数；⑥实验研研究；⑦必要修修改。537.模型化的的基本方方法（4）老手法法：（2）实验方方法：（3）综合方方法：（1）分析方方法：（5）辨证法法：化工过程分析与合合成过程：客观事物物从一个个状态到到另一个个状态的的转移。。过程工艺：对物料流流进行物物理或化化学的加加工工艺艺。化工工（炼油油，化肥肥）、轻轻工、冶冶金过程程、医药药生产过过程等。。制造工艺：以工件为为对象的的加工工工艺。像像电视机机、汽车车、机械械零件加加工等的的生产，，都是制制造工艺艺1.1化化工工过程化工过程程：以天然物物料（煤煤、石油油、盐等等）为基基础原料料，经过过物理或或化学加加工制成成产品的的过程。。通常化工工过程大大都包括括三个部部分：原料制备备化学反应应产品分离离在多种多多样的单单元过程程中，最最重要的的也是最多用的的单元过过程是：化学反应应过程换热过程程分离过程程1.1.1化化学反反应过程程化学反应应过程是是化工过过程的核核心部分分。主要的化化学反应应过程有有：催化反应过程程热裂解反反应过程电解质溶溶液离子子反应过程生物化学学反应过程程1.1.2换热过程程定义：化工过程程工艺流流程中被被处理的的物流，，按各单单元过程程所要求求的温度度，通过过换热器器加热或或冷却的的过程。。换热网络络：满足这种种换热要要求的热热量或冷冷量，可可以来自自流程中中的工艺艺物料流流或是来来自公用用工程，，构成换换热网络络。换热网络络设计目目标：以最大限限度的节节能、经经济的设设备投资资、良好好的操作作适应性性。实现最佳佳的换热热网络设设计，是是化工过过程系统统合成研研究的一一项典型型的事例例，也是本课程将要重点研讨讨的一项内内容。1.1.3分分离过过程定义：从某种已已知组成成的混合合物中分分离出某某几种目目标产物物的过程程.化工系统统综合:从可以设设计出的的不同流流程、不不同塔数数的多种种流程方方案中选选择经济济的、能能满足分分离要求求的最佳佳方案.分离过程程选择:非均一系系物料的的气固相相分离:采用沉降降、过滤滤、湿法法除尘、、电除尘尘等单元元操作。。液固相分分离:过滤、干干燥、沉沉降等。。均一系系物料料的气气相分分离，可采采用吸吸附、、吸收收、膜膜分离离。液相分离:则可用蒸馏馏与精馏、、蒸发、结结晶、汽提提、萃取、、膜分离等等。化学反应过过程换热过程分离过程不同的化工工过程只是是这三类过过程的不同同组合化工系统工工程研究内内容:这三类，其其中主要是是换热过程和和分离过程程1.2化化工过程程生产操作作控制化工过程生生产操作控控制：对生产操操作工况的的调节。主主要是对物物料流温度度、压力、、流量、液液位、组成成等操作参参数的调节节。化工过程生生产操作控控制分类分散控制集中控制化工过程生生产操作控控制对生产过程程是否能正正常进行影影响很大，，因此至关关重要。分散控制:20世纪四五十十年代的早早期过程控控制技术，，采用基地地式控制仪仪表实施单单输入、单单输出的简简单回路控控制，又称称为分散控制，目标:保持生产工工况平稳。。分散控制技技术的特点点：各个控制制回路都相相互独立。。优点：当某一控制制回路出现现故障时，，不致影响响其他回路路的正常工工作。缺点：控制参数较较多时，需需要相应设设置较多的的硬件。且且这种分散散的控制，，难于实现总总体优化。集中控制：将计算机机应用于化化工过程控控制，把各各个控制回回路的运算算、控制、、显示都集集中于计算算机来实现现的控制手手段。优点：可以大大大的节省硬硬件成本，，便于同时时分析各个个控制回路路的信息，，为实现全全系统的优优化控制提提供了条件件。缺点：一旦发生生计算机故故障则将出出现全控制制系统瘫痪痪的危险。。由于这种种缺陷的困困扰，曾使使计算机控控制技术一一度陷于难难于发展的的困境。20世纪70年代中期集散系统的出现，使使计算机控控制技术出出现了灿烂烂的应用前前景。1.3化工过程分分析与合成成化工过程分分析与合成成又称为化工过程系系统工程，化工过程系系统工程是在系统工程、化学工程、过程控制、计算数学、、信息技术术等学科的边边缘上产生生的一门综综合性学科科，化工过程系系统工程以处理物料料-能量-信息流的过过程系统为为研究对象象。“化工过程系系统工程””作为现代代化学工程程的一个组组成部分，，是新近发发展起来的的一门新兴兴的边缘科科学。简单地说，，将系统工程学学的理论和方方法应用于于化工过程就形成了化工过程系系统工程，，简称为化化工系统工工程。一化工工过程系统统工程系统工程：：以大系统为为对象进行行研究的跨跨学科的边边缘性科学学。起源:该学科最初发源于于美国，由于二次次世界大战战期间，美美国需要在在有限的时时间、空间间和运力条条件下安排排达到最大大的运送量量。因此提提出了如何何对运力进行安安排以实现现最大运送送量的问问题题。。其后后，，在在通信信网网络络的的设设计计过过程程中中，也也发发现现存存在在着着如如何何安安排排通通信信网网络络以以达达到到用用最最小小的的投投入入，，得得到到最最优优的的通通话话效效果果的的通信信网网络络最最优优配配备备问题题。。由于于先先驱驱者者的的出出发发点点和和侧侧重重面面各各有有不不同同，，对对系系统统工工程程的的理理解解和和认认识识也也就就各各有有不不同同.有些些人人强强调调复复杂杂系系统统的的最优优管管理理和和最最优优控控制制。。有些些人人则则着着眼眼于于工工程程系统统的的规规划划和和最最优优设设计计。。当强强调调复复杂杂系系统统的的最最优优管管理理和和最最优优控控制制时时—————现代代管管理理科科学学。。当着着眼眼工工程程的的规规划划及及最最优优设设计计———寻优优的的综综合合技技术术。。系统统工工程程的的基基本本思思想想：从系系统统整整体体的的观观念念出出发发，，周周密密考考虑虑系系统统内内各各个个组组成成部部分分相相互互间间的的制制约约关关系系，，讨讨论论系系统统整整体体的的最最优优策策略略。。系统统工工程程学学又名名：：工程程学学的的方方法法论论研究究对对象象：：各各个个不不同同的的系系统统化工工过过程程系系统统工工程程以系统统工工程程学学为为基基础础，把社会会问问题题作作为为研研究究对对象象的学学科科称称为为社会会系统统工工程程学学。把环境境问问题题作作为为研研究究对对象象的学学科科称称为为环境境系统统工工程程学学。。把化工工过过程程系系统统问问题题作作为为研研究究对对象象的学学科科称称为为化工工过程程系系统统工工程程学学。1认识识上上的的三三次次飞飞跃跃第一一次次：20年代代提提出出了了““单单元元操操作作””的的概概念念产产生生了了化化学学工工程程学学第二次：50年代提出了了“三传”的的概念产产生了化工传传递过程原理理的学科第三次：60年代初提出出了“对化工工过程系统的的分析和模拟拟”的概念产产生了化化工过程系统统工程学二、化工过过程系统工程程学的起源和和发展2化工过程系统统工程学产生生的基础化工生产过程的综综合性不断增增强，化工企业朝朝着多品种、、跨学科的方方向发展化工装置日趋趋大型化，对放大技术术的要求越来来越高，小试试到规模生产产的周期越来来越短。能源紧缺，能源的有效及及合理利用成成为人们越来来越关心的问问题。产品竞争日益益加剧，一个品种的的改变要求跟跟着企业迅速速改变，以适适应市场的变变化环境意识的提提高，要求企业对对污染加以严严格的控制，，提出了如何何减少污染，，合理的综合合利用资源的的问题。3化工系统工程程学的综合性性从化工系统工工程学的形成成过程可知，，这是一门综综合性学科，，涉及：化学工程学系统工程学运筹学计算技术过程控制理论论三、化工系统统工程学的基本内容任务：在“一定的输输入输出条件件下，寻求一一个整体最优优的过程系统统”。对一个待求的的未知系统应应指出：该系系统应如何规划、设设计、操作、、控制。为完成上述任任务，大致包包括两个方面面的工作:化工过程系统统的分析化工过程系统统的合成化工过程分析析：对过程系统统的运行机制制、影响因素素、过程模型型的数学描述述、目标函数数的建立、优优惠工况下的的最佳操作参参数等进行分分析。例：某年产30万t乙烯装置改扩建为45万t装置，竣工投投产后达到了预期的的产量，但能耗超标。如何选择对策策，就要对工艺装置进行行分析，在对过程进行行系统分析的的同时，必需需要对单元、物料、、能量利用情情况进行分析。1.3.1化工过程系统统的分析过程系系统分分析与与模拟拟：建立过过程系系统的的数学学模型型并在在计算算机上上模拟拟计算算的整整个过过程称称为过过程系系统分分析与与模拟拟。过程系系统的的模型型：对实际际过程程系统统的描描述。。包括：：数学模模型与与实物物模型型。数学模模型：：建立数数学表表达式式，在建立立过程程中运用逻逻辑关关系、、规则则、概概念。。模拟计计算：：首先要要寻求求有效效的数数学模模型求求解的的方法法，并并将模模型的的求解解过程程转变变为计计算程程序，，然后后计算算得出出直观观形式式的输输出结结果.前例中中：若该套套扩建建不久久的年年产45万t乙烯装装置，，又面面临着着进一一步扩扩建为为60万t规模的的任务务。建摸时时要吸吸取前前次扩扩建的的经验验这是一一个大大系统统的多多目标标合成问题，，是一一个按按既定多多目标标函数数寻优优的系系统合合成问问题。扩建方案的目标达到产量要求达到能耗指标〈１〉过程系系统合合成：所需系系统结结构定义：按照照规定定的系系统特特性子系统统性能能按规定定的目目标最最优组组合，，寻求求理想过过程系系统。具有最优的系统结结构〈２〉理想的的过程程系统统具有最最合适适的子系统统寻求1.3.2化化工工过程程系统统的合合成混合混合反应分离分离分离Ａ+Ｂ+ＣＰB+C+A+PＣBＢA+CAC例：：某化化工工过过程程系系统统由由ＢＢ+Ｃ为为原原料料生生产产ＡＡ，，且且副副产产ＰＰ，，其其可可能能的的过过程程流流程程一一：：树结结构构流程程系统统结结构构的的概概念念例：：某化化工工过过程程系系统统由由ＢＢ+Ｃ为为原原料料生生产产ＡＡ，，且且副副产产ＰＰ，，其其可可能能的的过过程程流流程程二二：再循循环环结结构构流程程混反B+C+A+P分离ＣＢＰＡＣＡ+Ｂ+ＣＡ+ＣＢ分离分离由前例可可知，过过程系统统的流程程结构可可有几种种选择方方案（备备选方案案）。树结构流流程再循环流流股结构构子系统的特性更更有几种种方案可可供选择择。如：想得得到合格格Ａ分离子系系统精馏萃萃取板式填填料间间歇连连续这种在多多种备选选方案中中进行选选择及排排除，以以构造最最理想系系统的过过程为系统的综综合过程程。〈３〉过程系统统合成的的方法过去：全部凭借借工程师师的经验验。现在：借助对各各种子系系统的分分析与模模拟，预测系统统特性，，达到综综合目的的。因此：过程系统统分析是过程系统统综合的的基础。化工过程程系统合合成包括括有：反应路径径合成换热网络络合成分离序列列合成过程控制制系统合合成特别是要要解决由由各个单单元过程程合成总总体过程程系统的的任务。。〈４〉过程系统统合成的的研究内内容①反应路径的的综合：对给定原料料规规定产品品的问题称称为反应路路径的综合合。例：由糠醛糠糠醇醇可以有气相加氢法法高压压，但反应应迅速，副副产物少。。也有液相加氢法法低压压，反应慢慢，副产物物多。寻求反应路径②换热网络综综合：对于大型化化工企业，，多装置，，多物流。。一些装置需要热物流流作为加热热介质，另一些装装置则需冷却介质质提供冷量量。因而，从全全局的角度度，合理配配置冷热物物流的走向向，以达到到冷热配置置平衡，以以最低的消消耗达到最最优的换热热配置。这就要求：：通过物流流间的合理理分配，使使热量（冷冷量）利用用最合理。。③分离序列综综合：以５组元、、均相混合合液的分离离为例找出最优的的分离序列列设计者需解解决的问题对对最优优分离序列列中的单个分离器找找出最优设设计参数不同的两种种分离序列列方案：哪哪个好，需需找出判别别方法。ＡＢＣＤＥＡＢＣＤＥＡＢＣＤＥＢＣＡＢＣＤＥＡＢＣＤＥＡＢＣＤＥＥＤ④反应器网络络的综合：：对于需多级级多次反应应才可得到到的反应产产物需建立立反应器网网络（或称称反应器系系统）。如如何使系统统最优。⑤全流程的综综合：由原料目的产物寻找最优的的流程，包包括：反应应、分离、、换热等等等，全流程程实现最优优。⑥公用工程系系统综合：：公用工程系系统的核心心部分是蒸蒸汽动力系系统。蒸汽汽动力系统统最优综合合的目的就就是要降低低整个系统统的能耗。。1.4化化工过程程模拟系统统20世纪初期，，对于化工过过程的开发发、设计，，只是采用用由实验室到中中间厂逐级级放大的经经验方法。30年代出现了相似论为基基础得出准准数方程的办法。同同时出现了了建立数学学模型的模模拟放大法法。50年代后期，应用计算算机及数值值计算，采采用数学模模拟的方法法解决了大大部分单元元过程的开开发放大问问题。即根据最基基本的单元元过程实验验数据，利利用数学模模型在计算算机上解决决开发放大大问题。例如：丙烯烯二聚反应由实验验室数据放放大到工业业反应器设设计，放大大倍数达1700倍。甲苯歧化反反应过程的放大大倍数为6000倍。这种在计算算机上模拟拟化工过程程工艺流程程的软件，，称为化工流程模模拟系统。应用化工流流程模拟系系统进行化化工过程工工艺开发设设计的技术术，称作计计算机辅助助过程设计计CAPD(ComputerAidedProcessDesign)。按待模拟的的系统特性性：1稳态过程系系统模拟：：2动态过程系系统模拟：：1.4.1化工流程程稳态模拟拟系统一般的化工工流程模拟拟系统是稳稳态模拟系系统。特性：（1）系统参数不不随时间变变化，建模容易。。（2）系统没没有或不考考虑大的干干扰造成波波动的影影响。在大规模连连续化的工工艺流程中中，物料是是以连续流流动的状态态在系统中中被加工的的，过程中中的各种参参数总是随随时间不断断变化的，，因而稳态态是不存在在的。稳态模拟只不过是对动态过程程到达平稳稳状态的一种简化化处理，事事实上这种种处理是很很必要的。。20世纪60年代以来，，化工流程程稳态模拟拟系统的发发展经历了了三个时代代。第一代：20世纪50年代末至60年代。如美美国Kellogg公司开发的的FLEXIBLEFLOWSHEET、美国Houston大学开发的的CHESS(ChemicalEngineeringSimulationSystem)第二代：20世纪70年代。比第第一代在功功能、规模模方面都有有很大进步步。代表性的系系统有：美国公司开开发的FLOWTRAN、美国Braun公司开发的的PFl0(ProcessFlow)、日本干代田田工程公司司开发的CAPES(ComputerAidedProcessEngineeringSystem)等。第三代：美国麻省省理工学院院主持开发发的ASPEN(AdvancedSystemofProcessEngineering)。ASPEN的开发是针针对以煤为为原料解决决能源工艺艺为背景的的。而第二二代模拟系系统以处理理气—液系统为其其特长，不不具备处理理固体物料料的功能。。ASPEN的开发工作作从1976年起，组织织了杜邦、、埃克森、、孟山都、、飞马石油油等50家公司投入力力量，历时5年耗资600万美元，于1981年完成交付使使用。ASPEN具有更大更强强的功能。国内在20世纪70年代开始进行行化工流程模模拟系统的开开发工作。一些设计院所所、研究院所所、高校等单单位开发的模模拟系统，可可以对石油气气分离、基本本有机合成、、合成氨等工工艺系统进行行工况模拟、、操作、开发发设计等等。。国内向市场推推出的商品软软件ECSS(EngineeringChemicalSimulationSystem)是青岛化工学学院开发的化化工流程模拟拟系统。目前国内使用用模拟系统多数是引进的的。最早引进的模模拟软件是1978年由丹麦引进进的Gips，这是个合成成氨工艺专用用的流程模拟拟系统。20世纪80年代又引进了了ASPENTech公司的ASPENPLUS，先后约有30套左右；美国SimulationScience公司的约26套；Hydrotech公司的HYSlM30套左右等。模拟是对过程程系统模型的的求解过程系统的模模拟分析对某个给定的的过程系统模模型进行模拟拟求解，可得得出该系统的的全部状态变变量，从而可可以对该过程程系统进行工工况分析过程系统设计计当对某个或某某些系统变量量提出设计规规定要求时，，通过调整某某些决策变量量使模拟结果果满足设计规规定要求过程系统参数数优化过程系统模型型与最优化模模型联解得到到一组使工况况目标函数最最佳的决策变变量（优化变变量）。从而而实施最佳工工况2.1过程系统模拟拟的三种基本本方法序贯模模块法法（SequentialModularMethod）面向方方程法法（EquationOrientedMethod）联立模模块法法（SimultaneouslyModularMethod）过程系系统模模拟的的序贯贯模块块法SMM的基本本部分分是模模块（（子程程序）），用用以描描述物物性、、单元元操作作以及及系统统其它它功能能。SMM对过程程系统统的模模拟以以单元元模块块的模模拟计计算为为基础础。SMM按照由由各种种单元元模块块组成成的过过程系系统的的结构构，序序贯的的对各各单元元模块块进行行计算算，从从而完完成该该过程程系统统模拟拟计算算。优点点：：与实实际际过过程程的的直直观观联联系系强强模拟拟系系统统软软件件的的建建立立、、维维护护和和扩扩充充都都很很方方便便，，易易于于通通用用化