优化的目标函数通常是多目标函数.ppt

1、化工设计 第一章 化工过程设计,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。,第二节. 绿色化学科学与工程准则,工厂公用工程及联产系统的节能、减少排放及废物最小化 a. 水网络系统的集成（淡水资源危机） b. 反应器网络的集成 c. 减少有机挥发物的排放 d. 热交换网络节能系统,绿色过程集成方法,交换网络:绿色深度过

2、程集成方法,热交换网络的建立仍是化工节能的主要技术,因为化学工业能耗中有43%用于分离，分离设备投资占总投资的4070%，而分离中精馏用能又占其中95%，因此，如何通过集成减少精馏过程耗能就自然成为研究重点。复杂精馏包括预精馏，侧线精馏，侧线汽提和完全热耦化的Petlyuk精馏,交换网络可以大幅度降低能耗。,复杂精馏塔的集成案例：,交换网络:绿色深度过程集成方法,国际社会对可持续发展响应的四个发展阶段,第三节. 化工过程设计的基本内容,化工过程设计的目标,过程设计的核心目标：要确定出一个综合优化的设计方案，使其各个方面皆能处于优化状态。 过程设计的具体目标： 1. 确定最佳流程与设备单元及其间

3、的最佳组合；寻找最佳操作条件，在此条件下，能使产品以最低成本，达到所希望的产率； 2. 同时还必须考虑安全与环境保护的必要约束条件。,过程设计是过程工程中极有意义的一个阶段。通常是指继过程开发研究之后直至完成课题全部设计图纸的阶段。 过程设计阶段是总结过程开发阶段的全部信息，进而完成全部过程的合成（或过程的改善）方案。 因而，从事过程设计的设计者必须全面掌握过程开发的工作内容，分清所开发的内容哪些是属于成熟的、有操作经验的技术；哪些是没有经验的、不具备工业实践条件的技术。 对于不具备工业实践条件的技术慎重地对待，应在使用传统的设计方法及常用的数学模型，作进一步考查之后再下结论。,第三节.化工过

4、程设计的基本内容,大型石油化工厂照片,车间内,计算机辅助控制室,精馏塔,顶部,底部,H=102米,化工厂的车间布置,一、化工厂车间的构成,生产部分,原料工段 生产工段 成品工段 回收工段 计算机控制室,辅助部分,变配电室 通风空调室 车间化验室 机电仪修室 各类中转室,生活部分,车间办公室 工人休息室 浴室及更衣间 卫生间,化工厂的一个车间,车间布置的任务：,车间平立面布置设计需要的主要资料： 1、化工厂总图布置图，厂房土建结构图； 2、PID图； 3、物料衡算及能量衡算结果、物性数据； 4、设备一览表（尺寸、重量、安装及保温情况）； 5、车间公用工程用量及车间外管情况； 6、车间定员（人数、

5、倒班情况）。,第三节.化工过程设计的基本内容,车间平立面布置样图,配管设计样图,大项目,建设前期各项准备工作,项目建议书,初步可行性研究,详细可行性研究,初步决策,工程评估,最终决策,计划任务书,扩大初步设计,施工图设计,我国现行的工厂基本建设程序,第三节.化工过程设计的基本内容,化工过程设计的目标,过程设计是一个复杂的问题，不但要进行定量计算，而且还要处理大量的信息，进行严密的逻辑推理，所以必须应用计算机辅助设计方法。 需要重视的是现有许多类型的过程合成，还处于半科学、半艺术的阶段，确实需要参照专家的经验求解。,第三节.化工过程设计的基本内容,在现代过程设计中，一个重要概念就是，寻找过程的最

6、优设计方案。,二十世纪四、五十年代逐级放大的中试过程，方案有限，谈不到多方案的比较； 到了五、六十年代，虽然出现了台式计算器和计算尺，但也无法应付庞大工作量的多方案寻优计算。 七十年代以来大容量计算机的问世以及化工过程系统工程的进展及其模拟与优化软件的出现，提供了现代的工具，使过程设计有了实现优化的可能性。 过程设计的优化过程，就是应用过程的数学模型在计算机上进行迭代计算，最终寻得优化设计方案的历程。 优化的目标函数通常是多目标函数，其中包括经济指标，能耗，资源利用率以及环境指标。,no,yes,第三节.化工过程设计的基本内容,1.社会需求 要情况,2.产品-原料 产量-工艺路线,3.过程 合

7、成,4.流程 选择,5.设计基础 设计变量 过程&物性模型 公用工程,6.设计方法 非设计变量变量的初值及收敛方法,7.CAD过程设计 物料和能量衡算 过程流股一览表 过程设备一览表 公用工程一览表 自动控制一览表 过程流程图 过程说明,8.技术经济分析 投资成本吸引力准则 热力学效率&可操作性&安全工程&环保、保健.,9.优化估算 目标函数 优化方法,结构优化,设计变量的优化,10.过程设计报告 设计的必要计算；全部设计图纸及说明,过程合成，如: 热交换网络的合成、质量交换网络的合成，氢夹点分析、水网络系统的集成、反应器网络的集成等,21世纪的化工设计不再是只考虑一个企业问题（70年代），为

8、了达到最好地实现循环经济的的要求，达到优化的节能降耗减排效果，必级考虑设计与建设生态工业园区的高端整体问题。,生态工业园区的建立,第三节.化工过程设计的基本内容,生态工业群-园区生态工业模式,原子经济性 + 零排放 循环经济 + 环境友好,1,2,3,4,5,6,生态园内企业模拟自然界生态系统，相互之间存在协同和共生关系，将最大限度地充分利用资源和减少负面环境影响，最后达到可持续发展的目标。,第三节.化工过程设计的基本内容,丹麦 Kalundborg 生态工业园区的工业网络图,养鱼场,4、石膏壁板厂,街区供热,5.土壤修复公司 水泥和铺路,农厂,硫,淤泥肥料,粉煤灰,废热,淡水湖泊,3.制药厂

9、,硫酸厂,2.炼油厂,温室养殖,1.燃煤火力发电厂,废热,硫酸钙,废热,烟气,冷却水,蒸汽,蒸汽,水,农产品,第三节.化工过程设计的基本内容,课下作业,1. 化工过程设计的绿色化学科学与工程准则包括那些内容？ 2. 简述化工过程系统工程模拟软件主要发展趋势 参考文献： David T. Allen, David R. Shonnard, Green Engineering: Environmentally Conscious Design of Chemical Processes, Prentice Hall PTR, Indiana,USA.,2001 2. Edited By: D J H CLARK, Handbook of Green Chemistry and Technology, Blackwell Publishing, Oxford, UK., 2002,请同学们提前完成作业，在习题课上进行讨论。,第一章 习 题 1. 化工过程设计的绿色化学科学与工程准则包括那些内容？ 2. 简述化工过程系统工程模拟软件主要发展趋势 参考文献： David T. Allen, David R. Shonnard, Green Engineering: Environmentally Conscious Design of Chemical Pr