过程系统工程-1绪论

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1、化工过程系统工程(Chemical Process Systems Engineering)上海师范大学生命与环境学院上海师范大学生命与环境学院郭亚军郭亚军 教授教授2009年9月2010年1月学时：48学时/3学分成绩评定：平时作业 （30分） 课程论文 （10分） 期末考试 （60分）40分60分教学安排及要求参考书：1 杨友麒，实用化工系统工程，化学工业出版社，19892 杨冀宏，麻德贤，过程系统工程导论，烃加工出版社，19893 姚平经，化工过程系统工程，大连理工大学出版社，第1版，1992 4 姚平经，全过程系统能量优化综合（大连理工大学教授学术丛书，95），大连 理工大学出版社，1

2、9955 化工过程模拟与分析6 系统能量优化综合7 数值分析8 Rudd D F, Process Synthesis,19739 Linnhoff B, User Guide on Process Integration For the Efficient Use of Energy, 1982, 199410 Douglas J M, Conceptual Design of Chemical Processes,1988教材：姚平经，过程系统工程，华东理工大学出 版社，第1版，2009年6月 1.1 系统与系统工程1.2 化工过程系统工程1.2.1 化工过程系统模拟与分析1.2.2 化工

3、过程系统综合1.2.3 化工过程系统的操作与控制1.2.4 间歇化工过程系统的设计与操作优化1.2.5 人工智能技术在化工过程系统中的应用1.3 数学模拟的优点与限制1.3.1 数学模拟的优点1.3.2 数学模拟的限制因素1 绪论1.4 流程结构的图形表示1.4.1 信息流图（Information flow diagram）1.4.2 信号流图（Signal flow diagram）1.5 流程结构的矩阵表示1.5.1 过程矩阵（process matrix）1.5.2 关联矩阵（occurrence matrix）1.5.3 邻接矩阵（adjacency matrix）1.6 化工过程系

4、统稳态模拟方法1.6.1 化工过程系统稳态模拟的基本类型1.6.2 化工过程系统稳态模拟的基本方法 1.6.3 流程模拟系统软件1 绪论人们对化工类型生产过程的认识在不断深化，从廿世纪20年 代至今已发生三次认识上的飞跃：第一次飞跃第一次飞跃发生在廿世纪20年代，从各种各样化工生产工艺中找出了组成它们的共同的基本单元，抽象出“单元操作单元操作”的概念，从而奠定了化学工程的基础；第二次飞跃第二次飞跃发生在廿世纪50年代，从“单元操作”中又进一步归纳出其中共同的基本规律，进而提出了“传递过程传递过程”的概念；第三次飞跃第三次飞跃发生在廿世纪50年代以后，是将各种单元操作所组成的化工系统化工系统作为

5、一个整体进行研究。 引言：化工生产认识上的三次飞跃 化工过程系统工程产生？ 必要性必要性：生产的发展为化工过程系统工程的产生提供了必要性。（两个矛盾） 可能性可能性：临近学科的发展为化工过程系统工程这门学科的产生提供了可能性。生产发展带来的两大矛盾首先，新产品、新过程的开发加快与工业放大技术落后之间的矛盾尖锐化，要求将过去的相似模拟（如实验室的试验）、逐级放大的方法改为通过数学模拟来指导放大与设计，以加快放大与设计的整个过程，缩短开发周期；现代工业的综合化发展，使流程结构日益复杂，在这种综合企业的合理设计时，就不能把单个装置孤立起来，而必须要整个地作为一个系统来进行研究，分析其整体特性；装置规

6、模的日益大型化对设计提出了更高的要求，即要求做到大型系统的整体最优化设计，这样可大幅度节省投资费用和操作费用。其次，化学工程本身的发展，使人们对过程的机理了解比较清楚；计算数学计算数学的发展，为复杂问题在计算机上顺利求解提供了有效的方法；运筹学运筹学及后来的系统工程学科系统工程学科的发展提供了分析大规模系统的手段；控制论学科控制论学科的的发展，使人们能从过程控制的角度，运用系统工程方法来研究整体控制性能；计算机技术计算机技术的快速发展，为化工过程分析和顺利而高效地进行过程设计提供了基础，等等。 临近学科的发展临近学科的发展将系统工程的思想和方法应用于化工过程，即将系统工程的思想和方法应用于化工

7、过程，即称为称为化工过程系统工程化工过程系统工程。化工过程系统模拟与分析化工过程系统模拟与分析是化工过程系统工程的重要组成部分，是其研究的基础与主要内容。“系统系统”这一概念，来源于人类的长期社会实践，但由于受到早年科学技术发展水平的限制，一直没有受到应有的重视。直到廿世纪40年代美国才开始在工程设计中应用“系统”这一概念，到了50年代以后才把“系统”这一概念逐步明确化、具体化，并在工程技术系统的研究和管理中广泛应用。1.1 1.1 系统与系统工程系统与系统工程v系统”这一概念的来源？v传统的分析方法与系统工程学的分析方法的区别？v“系统工程”的对象是什么？v系统工程对系统整体的协调与优化过程

8、是一个怎样的过程？正像科学与其它领域中的每一个新的观念一样，系统的概念也有一段漫长的历史。系系统统统统工程学工程学认为认为 ，把所研究的对对象当作一个整体来研究， 也即把一个研究的对对象看作一个系统统，从系统统整体出发发去 研究系统统内部各组组成之间间的有机联联系和系统统外部环环境的相 互关系。综综合研究的方法，即是系统统工程研究方法。传统传统传统传统 的分析方法的分析方法，往往把一个事物分解成许许多独立的 部分，把问题问题 分得很细细，然后分别进别进 行深入研究。 由于这样这样 的研究方法往往容易把事物看成是孤立的、 静止的，因此得出的结论结论 往往被限制在一个局部的条 件下，如果扩扩大到更

9、大的范围围来考察，那么整体的结结 论论就可能是片面的、甚至是错误错误 的。一般系统论统论 是美籍奥地利生物学家贝贝塔朗菲L.V.Bertalanffy） 创创立的一门逻辑门逻辑 和数学领领域的科学，它的主要目的是企图图确立 适用于系统统的一般原则则。它运用完整性、集中化、等级结级结 构、 终终极性、逻辑逻辑 同构等概念，找出适用于一切综综合系统统或子系统统 的模式、原则则和规规律。后来又后来又发发发发展成展成为试图为试图为试图为试图 包括一般系包括一般系统论统论统论统论 、控制、控制论论论论、自、自动动动动机理机理论论论论 、信息、信息论论论论、集合、集合论论论论、图论图论图论图论 、网、网络

10、络络络理理论论论论、系、系统统统统数学、数学、对对对对策策论论论论、 判定判定论论论论、计计计计算数学、模算数学、模拟拟拟拟的理的理论论论论和方法，和方法，统统统统称称为为为为系系统论统论统论统论 。它活。它活跃跃跃跃于国于国际际际际学学术术术术界，已成界，已成为为为为科学哲学流派之一。科学哲学流派之一。以研究大系统为对象的一门新兴的边缘学科。它将自然科学和社会科学中的某些思想、理论、方法、策略和手段等根据总体协调的需要有机地联系起来，将人们的生产、科研、经济活动等有效地组织起来，用数学方法和计算机等工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换、反馈控制等功能进行分析、设计、制造和服务，从而达到

11、最优设计、控制、管理，使局部和整体之间的关系协调配合，以实现系统的综合最优化。 “ “系统工程系统工程” ”系统工程与其它工程学不同，不限于某个领域，不限 于物质系统，被认为是一种“软科学”。系统工程作为一门工程技术，是在运筹学、控制论、计算机技术、工程设计、管理科学等学科的基础上发展起来 的。系统统工程对对系统统整体的协调协调 与优优化过过程可用图图图图1.11.1表示。电子计算机 分析 制造 设设 计计 服务 构成要素组织结构信息交换反馈控制 局部利益整体利益系统综合 最优优化 协调 配合 最优设计 控制 管理 生产 科研 经济经济 活动动构 成 系 统统 功能 利益系统思想、理论、 方法

12、、策略、手段图图1.1 1.1 系统整体的协调与优化过程系统整体的协调与优化过程 化工过程系统工程是化学工程学的一个分支，是将系统工程学的 理论和方法应用于化工过程领域的一门新兴的边缘学科，所涉及 的学科有：化学工程、系统工程、运筹学、控制论、计算机科学 、计算数学、人工智能等。基本内容基本内容: : 是从化工系统的整体目标出发，根据系统内部各个组成 部分的特性及其相互关系，确定化工系统在规划、设计、控制和 管理等方面的最优策略。包括: 过程系统模拟与分析、过程系统综合、过程系统的控制与操 作、过程系统的设计与优化和人工智能技术在化工过程中的应用 等。 1.2 化工过程系统工程 廿世纪廿世纪6

13、060年代年代是化工过程系统工程产生和发展的理论准备时期，代表性的研 究者有美国的Rudd和Watson（1968），Himmelblau和Bischoff（1968）， 日本的矢木荣和西村肇（1969），苏联的（1971）等，他们的论著 阐述了化工过程系统工程的研究方法和内容。廿世纪廿世纪7070年代年代是化工过程系统工程走上实用的时期。随着计算机应用的普及 ，采用化工过程系统工程方法，陆续研制出有效的工业用化工流程通用模拟 系统，并对过程生产实现计算机控制，取得显著经济效益。廿世纪廿世纪8080年代年代是化工过程系统工程普及推广的时代，不仅在化工、石油、石 油化工、核工业和能源工业中获得广

14、泛应用，而且向冶金、轻工、食品等连 续加工过程工业部门推广，有力地促进了这些部门生产技术的飞速发展，相 应地，化工过程系统工程学科在理论、方法和内容方面也在不断完善和发展 ，自1982年起每隔三年一届的国际化工过程系统工程会议就是这一进步的标 志之一。我国从廿世纪70年代开始介绍这门新学科。廿世纪80年代开始这一学科发展 很快。化工过程系统工程的产生和发展v 在过程开发阶段（又称为规划决策阶段），主要完成可行性研究，提出可行性研究报告；v 在科研阶段，建立数学模型，描述过程对象的规律性与特点。在数学模型基础上进行流程方案的开发，用流程模拟系统和经济评价进一步进行可行性研究；v 在技术开发阶段，

15、通过中试（或小试）与系统模拟相结合，寻找装置整体操作的最优条件，缩短开发周期，同时也可以利用中试的实验数据来修正模型；化工过程系统工程研究的目的和任务 v在设计阶段化工过程系统工程的主要任务是CAD，即计算机辅助设计（ Computer Aided Design），仍以化工过程系统模拟为基础。化工过程设计就是如何找到一个理想的过程以满足给定的生产 要求，长期以来是凭工程师的经验完成的，而 “过程综合”则将化 工流程设计由经验上升到科学，即用计算机实现最优化设计。v在生产阶段投产之前研制模拟培训系统，对操作人员进行培训。投产之后 对已有的化工系统进行模拟与分析，找到适宜的操作条件，与集 散控制系

16、统结合起来，指导生产操作。v在扩产改造阶段对现有装置进行模拟与分析，寻找薄弱环节，提出改造方案。 v 一般含义上的模拟是指：借助于一个系统或过程的性能，对另一个系统或过程的性能作出模仿性的演示。 v 物理模拟例子：用试验水槽里的船舶模型来研究船舶的性能；用风洞中的飞机模型来研究飞机的性能。v 数学模拟：把要加以研究讨论的系统或过程的性能用一个数学模型（指一组数学方程）描述出来，之后采取某种解算手段去对数学模型进行求解，从而达到研究的目的。vv化工过程系统模拟与分析化工过程系统模拟与分析的定义：建立化工过程系统的数学模型或描述模型并在计算机上加以体现、试验和分析。 1.2.1 化工过程系统模拟与分析 计算机模拟 二次世界大战期间分子动力学模拟 数学模型或描述模型是