过程系统工程-1

过程系统工程ProcessSystemEngineering

李亚军87112044iyajun@主要内容（Contents）第一章、过程系统工程概述第二章、化工过程模拟技术概述第三章、化工过程系统数学模型第四章、化工过程流程模拟基本技术

第五章、化工过程模拟技术的热力学方法及选择

第六章、蒸馏过程的计算

第一章：过程系统工程概述2023/2/73第一章、过程系统工程概述

1.1、过程工业

1、什么是过程工业：对物料进行物理的或化学的加工处理泛指为过程，特定的单一过程称为过程单元。由过程单元的组合构成一个网络，使原料转变为期望产品，同时产生增值效应的系统称为化工过程系统。2023/2/741.1、过程工业2、过程工业的范畴

(1）过程构成：单元操作与设备（2）过程原理：三传一反质量传递热量传递动量传递（流体流动）化学反应

因此化工、炼油、材料、钢铁、医药、造纸、食品等都属于过程工业(ProcessIndustry)。2023/2/75化工、石化等过程工业属物料、能量、信息流密集型行业2023/2/763、现代过程工业的特点

现代过程工业愈来愈注重于物料、能量的综合利用，这就不可避免地使大多数现代过程工业，特别是化学工业，采用了多次循环的复杂网络系统，多种产品、多种牌号的产品结构。由于要根据资源情况（质和量）实现高经济效益的满负荷操作，对设计提出了更高的要求，不再满足于靠“相似模拟乘上安全系统”式的落后设计方法，以及根据定性的工艺分析，将单元过程简单组合成完整的工艺流程，进行过程系统的分析设计。对设计提出高精度的理念，要求减少设计余量，优化投资与操作费用。现代过程工业向高效、节能、洁净型发展。1.1、过程工业2023/2/77第一章、过程系统工程概述1.2、系统工程概念

1、系统系统是指在一定条件下完成一定功能或实现一定目的的，由若干互相联系、互相影响的部分或要素组成的一个整体。实际为研究某种问题时考察的对象，通常也是与模型对应的原型。子系统：组成系统的各个部分亦可看作系统，相对于原系统而言即称为子系统。2023/2/781.2、系统工程概念2、系统工程系统工程可简单地定义为：从全局的观点出发，用定量和定性相结合的方法，从技术、经济、社会的角度，对一个大系统作全面的模拟、分析、评价、优化和控制。系统工程是方法论对于复杂系统研究的应用，主要重点是研究解决系统问题的方法。2023/2/791.2、系统工程概念3、系统工程发展上世纪50年代，系统工程的研究方法开始受到各工业化国家的重视。

1957年美国正式出版了第一本专著———【系统工程】1978年，中国学者钱学森发表了中国第一篇系统工程的文章，标志着我国系统工程研究的开始。2023/2/710第一章、过程系统工程概述1.3、过程系统工程（ProcessSystemEngineering

PSE）过程系统工程是运用系统工程的观点、方法、思路对过程系统进行模拟、分析、评价、优化和控制的一门跨学科的边缘科学。过程系统工程是系统工程的一个分支，又称化工系统工程，化工系统模拟分析等，是系统工程在以化工系统或化工生产过程为代表的过程工业中的应用。2023/2/7111.3过程系统工程

从数学角度看，化学加工是个典型的严重非线性的过程，小系统与大系统的运行规律可能有很大差异，设计条件或操作条件的局部较小变动可能导致系统整体状态的较大变化。有时生产专家的判断和预测往往不甚可靠，控制系统的粗略或失误也容易造成重大损失。如何在现有基础上对化工生产系统进行持续不断地改进甚至探索重大变革就成为迫切的任务。

过程系统工程方法为传统的化工生产的技术进步提供了有力的手段，过程系统工程最适合处理解决非线性的复杂大系统问题。2023/2/712第一章、过程系统工程概述

1.3过程系统工程（ProcessSystemEngineering

PSE）化工系统工程是研究化工生产在规划设计、操作运行、控制管理诸环节中，如何提高工作效率、降低投资费用和维护运行费用、提高系统可靠性安全性、强化环境友好、增加总经济效益的一门技术科学。被认为是继上世纪20年代单元操作、60年代传递现象研究之后，是化学工程的第三次突破。2023/2/713第一章、过程系统工程概述

1.3过程系统工程（ProcessSystemEngineering

PSE）

Westeberg：“如何选择优化了的单元设备及其间的联结关系来组成一个化工过程系统，从给定的原料生产一定的产品，在最小的总费用和最小的环境污染条件下安全地生产，并在运行中采取和保持最优的操作条件”。2023/2/714第一章、过程系统工程概述

1.4过程系统工程基本任务与内容

化工系统工程是一门技术性、应用性、综合性较强的学科，是促进过程工业技术进步的有力工具。化工系统工程学科的主要任务不是揭示化工生产涉及的基本规律，而是充分利用这些规律改进实际生产过程，以达到在化工生产的规划设计、操作运行、控制管理、采购与销售的各个环节合理化、最优化的目的，即从减少投资、降低消耗、节约能源、减少污染、提高产量质量、减轻劳动强度、保障安全等方面进行工作，从而提高化工装置的生产效率和经济效益。2023/2/715主要技术内容有系统的分析与模拟、系统的合成与优化等该学科的直接目的就是在综合运用其他学科成果的基础上完成改造自然、控制自然、创造物质财富的任务。是一门交叉科学，涉及系统工程、化学工程、应用数学、控制理论、计算机科学、信息科学、经济、环境等学科。该学科的主要手段为数学模拟，即建立描述过程特征的数学模型并求解计算，实现对系统规律和行为的预测。主要应用于设计、改造、扩产、消除瓶颈等层次。1.4过程系统工程基本任务与内容2023/2/7161、系统分析是对指定的系统结构与参数，进行描述或确定系统的状态与功能。通常是给定系统的特性和系统输入，预测系统的状态和系统的输出。系统分析包括三方面内容：（1）系统分解：将复杂大系统分解为若干较简单的子系统；（2）系统模型：建立描述各子系统输入输出关系的模型，一般为数学表达式。模型一般分为过程单元模型、系统结构模型和技术经济模型等几类。（3）系统模拟：根据系统分解的结果，按照系统的结构将诸子系统连接，进行计算，模拟或预测整个系统的状态与功能。1.4过程系统工程基本任务与内容2023/2/717

2、系统综合（系统合成）是在给定系统的任务或目标亦即确定了系统功能的条件下，寻求或选择各子系统的功能特性及其组合方式以实现预定的系统功能和目标。

3、系统优化由于实现系统目标的方式不是唯一的，寻找实现系统功能和目标的最佳方式、最佳途径。系统优化的主要工具为运筹学原理与方法。1.4过程系统工程基本任务与内容2023/2/7181.4过程系统工程基本任务与内容

过程系统工程主要研究内容是如何实现过程系统的操作模拟、设计模拟、操作优化、设计优化以及过程系统的最优合成。2023/2/719

1.5、过程系统工程的基本方法与技术路线化工过程系统工程解决实际问题的基本方法是过程模拟或流程模拟。过程模拟包括模型建立与模型求解两部分内容。技术路线通常为首先运用过程模拟技术建立化工流程模拟系统，然后利用流程模拟系统进行系统分析、系统综合或系统优化。第一章、过程系统工程概述2023/2/7201.6、过程系统工程与其他相关学科的关系从化工系统工程的角度看，化工原理、化工热力学、物理化学、传递原理、反应工程等学科的作用是提供流程模拟所需的基本数学模拟；运筹学提供了系统优化的数学工具；数值计算等应用数学学科提供了模型求解的数学手段。同时过程控制技术使得化工系统工程与实际工业生产紧密结合，是实施系统优化的重要技术保证。第一章、过程系统工程概述2023/2/7211.6、过程系统工程与其他相关学科的关系

作为化工系统工程专业人员，必须具备化学工程、应用数学等相关学科的领域知识，否者，如不甚了解化工过程的一般规律，对化工系统工程的研究就易陷入肤浅、脱离实际；如不具备应用数学领域的扎实基本功，则易导致眼高手低、缺乏解决问题的手段。第一章、过程系统工程概述2023/2/7221.7、化工系统工程的主要技术与工具

建模和模拟是化工系统工程最重要、最常用的技术手段。化工系统工程学科技术人员的大部分工作也是力图建立各式各样的流程模拟系统，以适合不同的实际需要。

化工流程模拟系统（或流程模拟系统）是专门用于进行化工过程模拟的工具，一般均指计算机软件系统。第一章、过程系统工程概述

第二章化工流程模拟技术概述2023/2/724

由于在石油化工实际生产过程中，利用传统的技术很难实现描述单元装置操作的静、动态特征，如工艺过程中反应的，流体力学的，传热的，传质的特征及工程技术问题，装置的系统故障诊断，新产品研制开发中的问题等。

第二章化工流程模拟技术概述2023/2/725

化工流程模拟是一种高科技手段，它根据化工单元过程和热力学的基本方程，应用现代数学方法，通过计算机模拟实际的化工生产过程。即在计算机上准确地“再现”实际生产过程，得到详细、完整的物料平衡和热量平衡数据，以便来指导实际生产。

2.1、什么是化工流程模拟？2023/2/7262.1、什么是化工流程模拟？

由于过程流程模拟技术能够反映传统技术难以实现的单元装置的静、动态特征，广泛地应用于石油、化工、制药、冶金等重要行业中，无论是在项目工程设计中，还是在生产中实施先进过程控制，抑或是更高层次的企业优化生产管理（当今比较流行的ERP企业资源计划体系）。而所有的应用都必须是建立对企业的生产过程有一个全面准确了解的基础上，通过运用流程模拟技术对生产过程进行流程模拟来达到目的。2023/2/7272.2、化工流程模拟技术的应用主要可以解决以下工程问题：

(1)可为工程设计提供基础数据。通过工艺过程严格的物流和能流的平衡计算，预测物流的流率，组成和性质，预测操作条件，设备尺寸，从而减少装置的设计时间，也可进行各种装置的设计方案比较。2023/2/7282.2、化工过程模拟技术的应用（2）可以对生产过程中的故障进行模拟诊断,当生产过程现有装置系统发生故障时，主要是设备问题和工艺问题，可以通过流程模拟进行工况模拟诊断，帮助尽快找出故障发生的原因和位置。（3）在新产品开发过程中，通过流程模拟可以为新产品开发研制提供极大的便利，可模拟新产品开发中的工艺参数，协助新工艺的开发，减少大量不必要的实验投资。2023/2/7292.2、化工过程模拟技术的应用（4）系统的挖潜增效：根据系统整体经济效益最优的目标对部分单元过程进行改造，消除流程中的瓶颈，在生产过程中，流程模拟可以对现有装置进行生产能力的标定，来帮助寻找系统的“瓶颈”部位，确定各单元过程最优的设备结构参数，并充分利用原有的设备，制定合理的改造方案，清除装置的瓶颈，使整个装置能力匹配，最大限度地发挥效益。2023/2/7302.2、化工过程模拟技术的应用（5）实现系统的最优操作：根据系统整体最优的目标确定各单元过程的操作条件，包括操作方式和操作参数。在保持流程结构不变的条件下，通过改变压力、温度、原料配比等操作条件，寻求改善系统性能的途径，使生产装置的运行处于最优操作，以节能降耗，较少的投入取得较大的经济效益和提高生产技术水平。2023/2/7312.2、化工过程模拟技术的应用(6)可进行生产过程的经济评价，进行多种工艺方案的经济比较，进行最优评估。可用于从众多方案中选择最佳的工艺路线，综合设备投资、能耗、物耗、产品质量、操作费用、环境友好等因素，用系统合成的方法找出经济效益最大的方案，为决策提供依据。(7)能够支持实现研究和开发阶段的数学模拟放大，概念设计，工艺设计及工程设计，工厂开工指导及操作工仿真培训，工艺流程改进及优化，工厂消除瓶颈的技术改造等。

(8)可在生产中实施先进过程控制和企业的优化生产管理。2023/2/7322.3、过程模拟技术发展情况

（1）、国外进展FlexibleFlowsheet美国M.W.Kellogg公司(1958年)PROCESS/PROⅡ美国SimulationSciences公司(60年末)AspenPlus美国AspenTech.公司(80年代末)Hysim/Hysis加拿大Hyprotech公司(80年代初)2023/2/7332.3、过程模拟技术发展情况

（2）、国内情况HSSSP原化工部第五设计院(中石化兰州院)(70年代中)ECSS青岛化工学院(80年代末)2023/2/7342.4、化工流程模拟分类稳态模拟(离线模拟、静态模拟）SteadyStateSimulation

静态模拟软件：

Aspenplus—AspenTech.公司

Pro-Ⅱ—SimSci公司动态模拟DynamicSimulation

动态模拟软件：

Aspendynamics—AspenTech.公司

Hysis—Hyprotech公司

Dynsim—SimSci公司2023/2/7352.4、化工流程模拟分类实时优化RealTimeOptimization

实时优化软件:AspenDMOPlus—AspenTech.公司ROMEO(RigorousOn-lineModelingwithEquation-basedOptimization)—SimSci公司2023/2/7362.5、Aspen工程软件介绍

Aspen工程套件(AspenEngineeringSuite™)：稳态模拟(离线模拟、静态模拟）SteadyStateSimulation

该套件由以下几个著名的软件组成：稳态模拟AspenPlus、动态模拟AspenCustomModeler及AspenDynamics、过程综合与集成AspenPinch（夹点技术）和AspenSplit、聚合过程模拟PolymersPlus、换热器设计B-JAC、设计工作流集成平台AspenZyqad等。

2023/2/7372.5、Aspen工程软件介绍

AspenPlus是世界过程工业最大的软件商AspenTech.公司开发的大型通用流程模拟系统，称为“先进过程工程系统”（AdvancedSystemforProcessEngineering）简称Aspen。经过20年多来不断地改进、扩充和提高，成为举世公认的标准大型流程模拟软件。AspenPlus在全球各大石油化工企业中占有较大的份额，全世界最大的50家化学公司中有46家使用该软件。2023/2/7382.5、Aspen工程软件介绍（1）AspenPlus－AspenTech公司开发的稳态模拟软件。科研开发可模拟诊断生产装置不正常运行工况；优化操作参数，节能降耗，可以标定生产流程各部位的能力，找出“瓶颈”位置及增产方案。可以快速筛选各种替代流程方案迅速确定物料及能量衡算工程设计生产制造可以减少中试层次减少试验量，加速产品上市过程2023/2/7392023/2/7402.5、Aspen工程软件介绍（2）AspenCustomModeler及AspenDynamicsAspenCustomModeler是一套建立在联立微分—代数方程组求积分解基础上的动态模拟系统。它使用和AspenPlus一样的物性数据库（PropertiesPlus），这样可使稳态及动态模拟计算结果保持一致性。它与一些其它工具软件有接口：MATLAB接口：这种过程控制设计工具相联接可以开发控制策略G2接口：可以与这种人工智能工具软件结合开发操作工仿真培训器及工厂诊断系统2023/2/7412023/2/742

通过建立的动态模型，可以对共沸塔的操作进行大量细致的优化研究塔底供热量塔压塔顶取热量塔底MTBE纯度塔压塔底供热量塔顶取热量塔底产品纯度2023/2/7432.5、Aspen工程软件介绍AspenCustomModeler常用的几个方面：提高可操作性：包括开车方案，正常操作规程改进安全性：包括释放系统，事故分析改进过程控制方案：测试可能的控制方案，研究先进控制策略开发用户模型及优化过程操作2023/2/744

2.5、Aspen工程软件介绍（3）AspenPinch和SplitAspenPinch和Split是两个相互补充的先进过程设计软件。AspenPinch是一个基于过程综合与集成的夹点技术的计算软件。它应用工厂现场操作数据或者AspenPlus模拟计算的数据为输入，来设计能耗最小、操作成本最低的化工厂和炼油厂过程流程。2023/2/7452023/2/746复合曲线2023/2/7472.5、Aspen工程软件介绍AspenPinch的典型作用有以下几个方面：老厂节能改造的过程集成方案设计老厂扩大生产能力的“脱瓶颈”分析能量回收系统（例如换热器网络）的设计分析公用工程系统合理布局及优化操作（包括加热炉、蒸汽透平、燃气透平、制冷系统等模型在内）2023/2/7482023/2/7492.5、Aspen工程软件介绍（4）PolymersPlus是一个模拟聚合物制造过程的通用聚合过程模拟系统。评估不同的过程设计方案优化工厂操作开发反应动力学的深入机理通过模拟来找寻增加生产能力的方案开发新牌号2023/2/7502.5、Aspen工程软件介绍（5）B－JAC

是一个换热器设计的专用软件包，它包括各种换热器的热设计、机械设计、成本估算及设备结构施工图。软件函盖的范围包括：管壳式换热器、空气冷却换热器、火焰加热炉、燃炉尾气省能器等各种类型。2023/2/751B-JAC换热器优化设计结果

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