时间及空间尺度发展课件

化工设计第一章化工过程设计王静康教授化工设计王静康教授第一节.现代过程工程/国际化学工业发展趋势第二节.绿色化学科学与工程准则第三节.化工过程设计的基本内容第四节.计算机辅助化工设计的发展第五节.工程伦理学与责任关怀准则第一章化工过程设计本“化工设计”教材(496页)：是高等教育‘十五’、‘十二.五’国家级规划教材,希望同学课下参考教材学习。第一节.现代过程工程/国际化学工业发展趋势第一章化工过程第四节.计算机辅助化工设计的发展

4.1.计算机硬件发展4.2.化工过程系统工程——计算机辅助设计软件的进展4.3.案例第四节.计算机辅助化工设计的发展计算机辅助化工过程设计

4.1.计算机硬件发展

计算机硬件发展：从1946-51年Eckert和Mauohly研制成功第一台电子计算机（ENIAC）和第一台商用计算机系统(VNIVAC-1)以来，数字机的发展共经历了四代。

新一代计算机，它有平行处理的结构，计算速度达到10000亿次/秒以上，且装入具有IF—THEN知识基底的人工智能系统或专家系统，从而可具有机器图象，机器说话，机器理解语言等更有效的交互作用功能，为计算机辅助化工过程设计提供服务。计算机辅助化工过程设计

4.1.计算机硬件发展计算表1.1适用于工程和科学的20世纪90年代

前四代计算机的演变

型号IBM代时间电路类型主贮存容量WordsCPU循环时间,微秒相对功能相对运算费用特点70111953电子管40961211批处理，比UNIVAC快70411955电子管3276812

FORTRAN编辑，自动处理子程序709021960晶体管327682.2200.13生产者的操作系统，维修大大减少360-7531960混合集成电路2621440.081080.04大大增加内存，分时操作既可用于商业又可用于科学计算370-16841973整体集成电路20971520.0544050.02CACHE高速贮存，多环节错误检查和校正3033U41978大规模集成电路62914560.0578380.008双处理器，入诊断系统3031K41981大规模集成电路83886080.02616980.0076四处理器，可靠性大大增加，虚拟贮存表1.1适用于工程和科学的20世纪90年代

前四代计算机微型计算机的出现对CAD-化工过程设计

产生巨大影响

目前，科学界与工程界主要在三种计算机系统中完成他们的计算，既高功能大型计算机，计算机工作站及个人计算机系统。随着超小型机的产生以及小型机微型化工作站的增多，促进了将它们联系成区域网络的发展，计算机联网已经实现，它的显著效果是不但可提高计算速度，而且可以实现内部通讯，共享不同计算软件模块库的资源，显著地提高处理能力与资源。微型计算机的出现对CAD-化工过程设计

产生巨大影响

微型机被用作大型机的终端，可将数据和程序传送到大型机中，还提供了分布数据处理的环境。

微型机对计算机辅助过程设计的影响有好、坏两个方面。

好的影响:是具有图象和扩展式微型机的大量涌现，使化学工程师思考问题的方式发生了改变，使许多设计者更多地熟悉计算机的功能，且能对计算机系统的开发者提出更多的要求，随着这种要求的实现，设计工程师将更进一步认识到计算机辅助化工过程的潜力，可以说微型计算机起着计算机科学与工程设计之间的催化剂作用。微型计算机的出现对计算机辅助化工过程设计产生巨大的影响。微型机被用作大型机的终端，可将数据和程序传送到大型机中，坏的影响是：1）年青的工程师过多地相信计算结果，使对设计改进的预计可能会高于实际得到的效果；2）如果所使用的模型及计算方法过于简化，会使所得的计算结果不是最佳条件，而与专家经验的判断有出入。但80年代中期以来，计算机硬件与软件快速发展，这些缺陷正在逐步被消除。图1.1化学工程计算系统应用的分布趋势坏的影响是：1）年青的工程师过多地相信计算结果，使对设计改进我国天河一号千万亿次超级计算机

系统研制成功

天河一号千万亿次超级计算机系统研制成功，峰值性能达每秒1206万亿次双精度浮点运算，国际TOP500组织发布，它为世界超级计算机排名第五，亜洲第一。

为我国解决经济、科技等领域系到重大挑战性问题提供了重要手段。我国天河一号千万亿次超级计算机

系统研制成功天河一号千万亿过程系统工程又称为化工系统工程它是系统工程与化学工程结合的产物，它是工程技术与管理技术的结合，它以处理物料流——能量流——信息流的过程系统为对象，核心功能是过程系统的设计、控制和组织、计划和管理，目的是达到技术和经济上的最优化，并符合社会可持续发展的要求。过程系统工程的基本方法是过程模拟，即过程的模型化与求解。经过几十年的努力，在过程模拟上已从中观系统向微观和宏观系统两头扩展并取得较大进展。过程系统工程又称为化工系统工程它是系统工程与化学工程结合的产4.2.化工过程系统工程——计算机辅助设计软件的进展过程系统工程的基本方法是过程模拟，即过程的模型化与求解。在过程系统的模拟方面，自在1958年M.W.Kellogg开发出了第一个过程模拟软件，现在已是第三代流程模拟系统，如Process-II、AspenPlus、CIMS等，目前已在中国各大化工设计院广泛应用。4.2.化工过程系统工程——计算机辅助设计软件的进展过程系统化工过程系统工程——计算机辅助设计

软件的研发进展由于化工过程所包括单元操作的多样性与传热、传质的复杂性，应指出至今尚没有全部清晰的物理模型，即使是灰箱模型也存在很多偏微分方程与非线性关系，找不到分析解，这些特点皆赋与化工应用软件独有的复杂性，只能在一定简化条件下求取近似解。

所以计算机辅助化工过程设计的另一个发展动向是人工智能和专家系统的优化应用软件进一步开发。化工过程系统工程——计算机辅助设计

软件的研发进展由于化工过

在过程单元模拟方面，对那些只处理流体的过程单元如吸收、简单精馏、液液萃取等模拟技术已基本成熟，早在20世纪50年代完成了闪蒸和精馏的计算机辅助计算，随后又应用FORTRAN语言进行不同单元操作的计算。

目前除了传统的平衡级的模型外，已出现了直接利用速率方程及传递物性的非平衡模型，如AspenTech1990推出的RATEFRAC软件等。此外，由于计算流体力学的进展，许多过去要用冷模研究解决的问题，现在应用计算机模拟技术即可解决，如在反应单元，基于反应动力学的均相与非均相反应器的模拟也趋向成熟，例如乙烯工业裂解炉（KTI公司的SPYRO软件）和炼油工业的催化裂化和加氢反应器等。90年代在复杂的聚合反应器模拟上也取得了较好的进展，如AspenTech的POLYMERPLUS在过程单元模拟方面，对那些只处理流体的过程单元如吸收、简

表1.2给出了近年来化工单元操作模块与物性数据模块进展情况。对于那些处理固体或固体-流体的单元，由于多相传质传热复杂性较高，尚有许多问题有待解决，例如晶体粒子集合体的表征，固液或固液汽体系的流变性能、相平衡和反应平衡等。至于生物化工过程单元的模型化与模拟技术还很不成熟，它将成为今后研究开发的重点之一。

在过程系统的模拟方面，使用序贯模块法的模拟系统已经历了三代发展。1958年M.W.Kellogg开发出了第一个过程模拟软件，即FlexibleFlowSheet，同时期一些大公司如UnionCarbideCo.和StamdardOilCo.也推出了序贯连续法的过程模拟程序。60年代中叶开始出现了软件公司，专门从事软件开发，如SimulationSciencesandChemShare等。60年代末期，在一些大型企业中试厂将控制计算机用于石油化工、炼钢等方面；相应也产生了一些过程控制软件。表1.2给出了近年来化工单元操作模块与物性数据模块进展

70年代后期以及八十年代，计算机辅助化工设计应用软件的开发和应用发展极为迅速，新的软件公司不断涌现，并产生了大量的新模拟系统:例如美国Chemshare公司的DESIGN/2000，美国MIT（麻省理工学院）开发的ASPENPlus，模拟科学公司的PROCESS，Profimatics公司的用于热交换及其网络设计的HEXNET/HEXTOP，传热研究公司的HTRI，Cincinnati大学的UCAN-Ⅱ，英国帝国化学公司（ICI）的ELOWPARCK-Ⅱ，牛津大学CAD研究中心的CONCEPT，帝国大学的SPEEDUP，匈牙利科学院的SIMUL等，至今已日趋成熟。70年代后期以及八十年代，计算机辅助化工设计应用软件的开发表1.3列出了化工模拟软件发展的三代流程模拟系统的特征。

计算机辅助化工设计软件主要包括物性数据库，稳态过程模拟软件，动态过程模拟软件，经济分析与评价软件，绘图（各种工程图，如流程、设备、施工管道图等）软件等。但随着过程的系统的增大、循环回路的增多以及非线性化特征的增强，采用联立方程法的过程模拟系统发展迅速，例如动态模拟软件ASCAND（美国大学）、SPEEDUP（英国理工学院和ICI公司，后为Aspen-Tech收购改为CustomerModeler）和Star公司的HYSYS等已被工业界应用。九十年代以来，已出现将稳态模拟与动态模拟结合的趋势。如Hyprotech公司开发的HYSYS软件已被工业界应用于在线优化操作。、表1.3列出了化工模拟软件发展的三代流程模拟系统的特征。近年来，化工过程系统工程发展较快，为化工过程设计的集成与优化提供了新的思路与应用软件。在过程合成领域中，目前已有能量网络集成（如夹点技术等），质量交换网络集成（如节水减排网络，氢夹点技术等）在国外过程设计中广泛应用，已取得较大幅度节能降耗的效果。值得注意的是20世纪末期发展起来的大系统计算机集成制造系统CIMS，能形成一个过程控制与管理一体化的高柔性的智能系统，它由三大模块组成：过程控制，管理信息系统MIS及决策支持系统DSS，和介于两者之间的计算机辅助工厂运行系统CAPO。在21世纪国际制造业中应用效果证明：它的合理应用可以在不同程度上达到提高产品质、增进企业对市场变化响应灵敏度、降低成本、提高生产安全性以及市场竞争力的目的。近年来，化工过程系统工程发展较快，为化工过程设计的集成与优化

在化工过程系统工程用于过程设计方面，应继续进一步开发与提高的软件内容是：高精确度的全流程大系统集成与整体模拟的方法；热物理性质模型；包括大系统过程控制与管理在内的过程合成；过程设计中的可操作性与安全性分析；绿色过程集成分析评价方法；专家系统与大系统的优化等等。

因为21世纪化学工程已进入了过程工程与产品工程并重的阶段，批处理过程将持续与连续过程同时发展，所以还应特别重视过程工程与产品工程结合的模拟、分析与评估；多产品、多目的批处理工厂的设计优化策略等问题。在化工过程系统工程用于过程设计方面，应继续进一步开发与由于化工过程所包括单元操作的多样性与传热、传质的复杂性。应指出至今尚没有全部清晰的物理模型，即使是灰箱模型也存在很多偏微分方程与非线性关系，找不到分析解，这些特点皆赋予化工应用软件独有的复杂性，只能在一定简化条件下求取近似解。所以计算机辅助化工过程设计的另一个发展动向是人工智能和专家系统的优化应用软件进一步开发。由于化工过程所包括单元操作的多样性与传热、传质的复杂性。应指在过程设计中，常常不能从有效的方法中选择最好的数值方法及模型，而专家系统能很好地完成这个任务。一种新的程序化技术，它可将人类的经验变成有效的机器码，起着专家咨询的作用，这种码或程序称为专家系统。最早的专家系统曾被用作棋类比赛，后来在医药和化学中得到应用。现有的专家系统大致可分成两类：1）分析系统，它以仪表所接受的数据作为输入，并产生一个解释，再以对此数据的诊断结果作为输出；2）合成系统，它为满足某一目标而创造一个计划和设计，它比前一类系统的开发又要难一些。在过程设计中，常常不能从有效的方法中选择最好的数值方法及模型表1.2三代流程模拟系统

第一代第二代第三代年代1958~19651966~19751976~至今开发成本，美元~20万~100万＞600万规模(条FORTRAN语句)1~520~60120处理最大流股数数千（1~5）万＞20万最多模块数＜50＜100依机器容量而定最多组分数＜20＜50依机器容量而定物性数据≤20＜30依机器容量而定流股类型无数据库180~500种化合物物性700种化合物物性典型代表气、液气、液气、液、固及电解质

GIFSFLOWTRANASPEN

PACERCONCEPTDESIGN/2000

SP-05PROCESSPROCESS（新版）表1.2三代流程模拟系统

第一代第二代第三代年代195开发程序一是否达应用水平单元操作模块

1．包括反应的多相平衡是2．精馏

理想是三相是反应是带反应的三相否多塔是非均相共沸否间歇是反应速度否

3．含固定操作是4．电解系统是5．聚合系统是6．生化系统否7．设备尺寸集成及速率否8．反应模型库是物理性质模块

1．状态方程是2．高极性系统状态方程否3．严密的电解热力学是4．模型床否5．特殊性质模型库否6．物理性质集成模块是表1.2近年来化工工程软件模块进展开发程序一是否达应用水平单元操作模块

1．包括反应的多相平衡曙光5000服务结点4个（2路4核的AMDOpteron238016G内存）GPU计算节点28台两路四核IntelCPU5520、12G内存

56块ATIRadeonHD5870GPU通用计算节点20台四路四核的AMDOpteron8380处理器、32G内存高速互连Infiniband20GB高速网络网络千兆网交换机二套操作系统CentOS5.4存储空间全光纤存储5TB计算能力曙光4000A服务结点4个二路单核服务节点（AMD248CPU，4GBMEM）计算结点29个四路单核节点（AMD848，8GB内存）

3个四路双核节点（AMD875双核CPU，8GB内存）高速互连Myrinet2000网络1000Mbps+100Mbps操作系统CentOS4.3编程语言C/C++、Fortran、Java并行环境MPI、PVM、HPF、OpenMP存储空间3.6TB分布局域硬盘、3TBSCSI盘阵

DELLPowerEdge服务结点二路四核服务节点（AMDOpteron2350，8GBMEM）计算结点4台四路4核节点（AMDOpteron8350，32GB内存）网络四个1000Mbps操作系统CentOS5.3编程语言C/C++、Fortran、Java并行环境序号软件名称描述1SimSciPRO/II化工流程模拟软件2AspenPlus化工流程模拟软件3UniSim化工流程模拟仿真4gPROMS化工过程建模系统5ANSYSCFX流体力学计算软件6ANSYSFluent流体力学计算软件7ANSYSPolyFlow粘弹性流体力学计算软件8AutoDeskMoldflow模塑仿真分析软件9Gaussian09计算化学软件10MaterialStudio材料科学模拟计算软件11DiscoveryStudio生物医药分子模拟软件12VASP从头计算量子化学计算软件13Matlab计算数学软件14ComsolMultiphysics多物理场耦合模拟软件15ADF密度泛函计算化学软件己应用于化工系统工程设计软件如下：曙光5000服务结点4个（2路4核的AMDOpteron序号 软件名称 描述16 ZENCRACK 高级三维裂纹扩展行为分析软件17 ABINIT 电子结构密度泛函程序18 NWChem 大规模计算化学程序19 SIESTA 线性标度密度泛函计算程序20 CPMD 平面波电子结构软件21 Quantum-ESPRESSO 基于密度泛函的分子动力学软件22 LmtART 完全势LMTO法计算程序23 NAMD 分子动力学计算软件24 GROMACS 分子动力学计算软件25 LAMMPS 分子动力学计算软件26 EGO 非平衡态分子动力学模拟软件27 TheRate 化学反应理论计算程序28 DOCK 高通量药物筛选软件29 BLAST 基因序列比对程序30 SciLab 科学计算软件包31 OpenFOAM 开源流体动力学模拟软件包己应用于化工设计软件如下：序号 软件名称 描述计算机辅助设计软件——

化工过程系统工程进一步研发目标：在化工过程系统工程用于过程设计方面，应继续进一步开发与提高的软件内容是：1.高精确度的全流程大系统集成与整体模拟的方法；热物理性质模型；包括大系统过程控制与管理在内的过程合成；

2.过程设计中的可操作性与安全性分析；

3.过程集成分析评价方法以及多产品、多目的批处理工厂的设计优化策略等问题。

因为化工过程设计的主要目标之一：是维护生产过程安全性，及实现环境保护的责任

。计算机辅助设计软件——

化工过程系统工程进一步研发目标：为了加速实现绿色化学与化工研发目标,必须向多尺度集成研究(时间及空间尺度)发展WithCFDtool(savingprocessdevelopmenttime)WithoutCFDtoolImprovedcashflowCashflowTimeShorterpaybacktimeReducedtimetomarketReducedprocessdevelopmenttime缩短开发周期减少投资环境友好改善产品质量迅速抢占市场为了加速实现绿色化学与化工研发目标,必须向多尺度集成研究(时生态工业园区是绿色过程系统工程的研究范畴绿色过程系统工程的的研究对象是和过程系统工程是相同的。它区别于工业生态学在于它将过程系统本身为主要研究对象，研究它对生态系统的影响，目的是发展过程系统时，使它与环境相容。特别着重研究这些人为系统与自然系统的交互作用与协调发展的规律。研究方法是建立系统模型，进行模拟与分析。在时空的层面上，大致分为三个层次的摸拟、分析与优化：

1.微观层次系统：如分子-纳米层次，产品分子设计等。

2.介观层次系统：如基于流程的，基予夹点分析的，基于热力学分析的等。

3.宏观层次系统：如生态工业园区(Eco-industrialParks,EIPs)等。生态工业园区是绿色过程系统工程的研究范畴绿色过程系统工程的