第2讲过程系统工程课件

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1、Review of last lecture 系统: 系统工程 （观点、方法、角度SAEOC) 过程系统工程: （内容、作用及沿革） 过程系统工程的有关基本术语 系统/环境/决策变量/状态变量/过程模拟/过程模拟系统 过程系统工程基本任务与内容 基本任务:化工生产各环节(规划设计、操作运行、控制管 理、采购与销售)的优化（解决技术经济决策问题）; 内容: ASO 系统分析,过程系统工程：把系统工程的一套研究方法、观点、思路应用到过程系统的模拟、评价、优化、合成等问题上，形成了过程系统工程学。是将化学工程、应用数学、将计算机软件、过程控制的理论与技术集成的学科。,系统综合（系统合成）是在给定系统

2、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（合成氨）。 系统最优化（也称做运筹学方法）是近几十年形成的，它主要运用数学方法研究各种系统的优化途径及方案，为决策者提供科学决策的依据。最优化方法的主要研究对象:各种有组织系统的管理问题及其生产经营活动。最优化方法的目的:对所研究的系统，求得一个合理设计工艺参数或运用人力、物力和财力的最佳方案，发挥和提高系统的效能及效益，最终达到系统的最优目标。 过程系统工程要解决的基本问题：操作问题、设计型问题、操作优化和过程合成（SDOS）-简称四个基本问题。,合成氨工艺流程,1.5 化工系统工程解

3、决的基本问题（案例1）,-1.5.1 精馏单元（系统),1.5.1.1 过程单元模拟分析与设计,定义：在确定过程系统的结构及其子系统的前提下，通过数学模拟的方法，推测特定系统的特性，确定各部位的信息和/或总体技术经济指标的方法为过程系统模拟分析。 设计型？,R，Ntt， D or W,1.5.1.2 过程单元优化与综合,1.4.4 过程系统的优化与合成 一类是对确定过程系统的优化，通常是求取能使过程系统的目标函数极小（或极大）最佳决策变量的值，通常称为过程系统的优化； J（总费用）=操作费用+折旧（设备？） （一般，简化的决策变量为R，P） 综合?,1.5.2 化工系统工程研究的基本问题（案例

4、2）,-乙烯氧化制环氧乙烷反应-吸收系统,1.5.2.1 乙烯氧化法制环氧乙烷工艺流程,1.5.2.2 模拟问题获取系统的应答特性（系统分析）,已知系统的输入X0、过程参数u、4个单元特性及系统的拓扑结构，求系统的输出状态以及系统中其他所有流股的信息。,1.5.2.3 设计型问题,已知系统的输入X0、4个单元特性及系统的拓扑结构，求满足某个设计规定(SP=4%)的条件下，系统的输出、系统中其他所有流股的信息以及设计规定相对应的过程参数u。,1.5.2.4 优化问题,已知系统的输入、系统特性、系统结构，求优化目标函数极值（比如优化的目标为目的产物的利润最大）以及此时的决策变量（如反应器的温度和分

5、割比）的数值。,1.5.3 合成问题（系统综合）,已知输入（用什么原料）、输出（制什么产品），求为达到生产目的在某个目标函数下的最佳工艺流程。可以用下图描述过程合成系统。,Aspen-plus ,Process（Pro-II), Micro-chess, ECSS 过程合成的提出：1968，Rudd（美）,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。,过程系统工程的技术手段和工具是？,1.6 化工系统工程的主要技术手段与工具,主要内容:系统分析的任务在于描述或预测系统的特性;系统综合是指确定化工系统结构的过程;而系统优化

6、是为了以最佳的方式实现系统的目标或功能，是全部工作的最终目的。（化工系统工程的核心是最优化） 如何实现?(手工计算?计算尺?计算器? Or.) 1.6.1化工流程模拟系统（或流程模拟系统）-软件 化工过程模拟程序系统常简称为流程模拟软件(chemical engineering simulation system )，它是一种综合性计算机程序系统，用于单元过程以及由这些单元过程所组成的整个化工过程系统的模拟计算。 合成流程 工艺参数优化 脱除瓶颈 研究某些设计问题或操作模拟分析 进行参数灵敏度分析,PSE的主要任务？,？,1.6.2 历史沿革、现状与前景 1958年,Flexible Flow

7、sheeting（Kellogg,合成氨，第一个化工模拟程序） 60年代，化工过程模拟的初始发展期。PACER（Purdue university) CHESSMicro-CHESS (Houstn university)待 （第一代） 70年代，化工过程模拟的成长壮大期。模拟软件的开发，研制走向专业化，商业化。从过去的分散在大学和各个炼油、石化公向转向由专门的化工软件公司进行。模拟计算的准确性、可靠性大大加强，应用范围不断拓宽，功能愈益丰富，使用越来越方便，并且涌现了一批著名的、影响广泛的商业化软件。如：Monsanto的Flowtran（第二代） 80年代开始，化工模拟的深入发展期。是化工

8、模拟的深入发展期；最主要的特点是从“离线”走向“在线”，从稳态模拟发展到动态模拟和实时优化，从单纯的稳态计算发展到和工业装置紧密相连。国外不少公司已将著名的软件等定为企业标淮。如美国的Aspen PLUS, 加拿大HYSIM,PROCESS PRO （第三代） 80年代末，AspenTech公司率先推出了动态模拟软件Speed Up。,垄断局面正在形成 1990年以来，以Aspen Tech公司为代表，形成了以Aspen Technology Inc., Simulation Science Inc., Hyprotech Inc.（新近被Aspen收购）, Honeywell Inc.等几大

9、公司控制全球化工过程模拟软件市场的局面。 产品系列化和系统集成技术迅速发展 产品系列化。以Aspen Tech公司为例，该公司共有43项产品，其中用于设计的17项，用于操作的16项，用于管理的有19项(有重叠)。 通用性和专门化的流程模拟、先进控制和过程优化软件,1.6.3 流程模拟软件的分类 操作状态： 稳态模拟系统 动态模拟系统 适应性： 通用模拟系统：模拟不同类型的工厂和过程 专用模拟系统：专门的过程系统 程序结构： 固定结构：“千篇一律”，用户提供基础数据，给定计算次序 灵活结构：根据需要载入实际需要的模块，或自动生成,1.6.4 流程模拟软件的组成 输入输出模块 单元模块 物性数据库

10、 算法子程序块 单元设备估算模块 成本估算 经济评价模块 主控模块 其他 （用户自编）,过程系统模拟的基本结构,1.6.6 几种主要商业化流程模拟软件 Aspen Plus，Hysys：美国AspenTech公司 PRO/II：美国SimSci-Esscor公司 gPROMS：英国PSE公司 ChemCAD：美国Chemstations公司 ECSS：青岛科技大学 （国内）,Aspen Plus 大型通用流程模拟系统: MIT,第三代流程模拟软件。该项目称为“过程工程的先进系统”（Advanced System for Process Engineering，简称ASPEN），并于1981年底

11、完成。1982年为了将其商品化，成立了AspenTech公司，并称之为Aspen Plus。该软件经过20多年来不断地改进、扩充和提高，已先后推出了十多个版本，成为举世公认的标准大型流程模拟软件，应用案例数以百万计。,PRO/II 大型通用流程模拟系统:前身PROCESS (SIMSCI) 。适用于油气加工、炼油、化工、化学、工程和建筑、聚合物、精细化工、制药等行业，主要用来模拟设计新工艺、评估改变的装置配置、改进现有装置、依据环境规则进行评估和证明、消除装置工艺瓶颈、优化和改进装置产量和效益等。,ECSS ECSS化工之星。青岛科技大学，国家科技进步二等奖。属信息技术在过程工业应用的高新技术

12、成果。可广泛用于过程研究开发、过程设计、装置而模拟与优化、过程去瓶颈分析和装置扩产节能挖潜改造等，是利用信息技术改造传统过程工业的基本工具和手段。该系统具有强大的过程模拟、分析、优化、设备设计和环境瓶颈等功能。,1.7 过程系统工程的应用领域,过程开发初期：可行性研究、概念设计 新厂设计：系统模拟、优化，多快好省 老厂改造：操作寻优、提高效益 管理决策：更加科学、全面（优化排产） 培训与教学：（“在线”的生产培训、事故处理、开停车等不宜在实际装置上进行的培训工作；计算机辅助过程系统教育软件CAI可用于学校教学的辅助工具。） （谁来完成？）,1.8 系统优化的灵敏度分析 灵敏度：响应的变化除以对

13、应的激励变化称为灵敏度 灵敏度分析的必要性 因模型本身的误差和操作条件波动的原因，“最优”目标会发生变化 “最优” 不优 “设计裕量” （依据？） 案例： 操作弹性问题、边界利润、载重问题 化工过程系统灵敏度分析（目标函数O，影响因素Ei，i=1.n） 灵敏度系数:Si=O/ Ei 结论： 灵敏度分析可以确定模型的可靠性、可操作性、安全系数； 其他条件相同的情况下，灵敏度较低的系统为优选,过程系统工程的发展趋势,过程系统工程的发展趋势化学供应链,分子模拟,乙烯的轨道图像,流程模拟,本章小结 系统、系统工程、过程系统工程 。（内容、作用及沿革） 过程系统工程的有关基本术语 过程系统工程研究的内容(ASO)和4个基本问题（SDOS） 过程系统工程研究内容的两个案例（单元、系统) 过程系统工程的主要工具-过程模拟系统 （组成、分类和用途） 过程系统工程的应用 系统优化的灵敏度分析 作业： 1、过程系统工程的应用及主要工具是什么？ 2、 现在的主流化工过程模拟软件有哪些？ 3、从网上下载Aspen plus 软件，安装之。,结 束！,