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1、绪绪 论论1.1 1.1 化工过程化工过程1.2 1.2 化工过程生产操作限制化工过程生产操作限制1.3 1.3 化工过程的分析与合成化工过程的分析与合成1.4 1.4 化工过程模拟系统化工过程模拟系统1.5 1.5 化工企业化工企业CIPSCIPS技术技术1.6 1.6 人工智能技术在化工过程中的应用人工智能技术在化工过程中的应用1.7 1.7 本教材的目的与内容本教材的目的与内容课程背景二战后，化工高等教化出现了两大流派和倾向。二战后，化工高等教化出现了两大流派和倾向。西西方方发发达达国国家家：随随着着化化工工热热力力学学、传传递递过过程程原原理理、反反应应工工程程与与化化工工系系统统工工
2、程程学学问问的的系系统统化化、理理论论化化，突突出出了了化化学学工工程程科科学学分分类类学学问问的的教教化化，对对工工程程师师面对的实际问题反而留意不够面对的实际问题反而留意不够前前苏苏联联和和东东欧欧各各国国：专专业业划划分分过过细细，所所培培育育的的高高级人才缺乏生命力的落后局面。级人才缺乏生命力的落后局面。中国：中国：一方面由于受前苏联的影响，专业划分过细，人一方面由于受前苏联的影响，专业划分过细，人才适应实力差的问题早已暴露无遗；才适应实力差的问题早已暴露无遗；另一方面，化学工程专业又因循西方的模式，过另一方面，化学工程专业又因循西方的模式，过分强调学科性，忽视化学工程与技术问题的综合
3、分强调学科性，忽视化学工程与技术问题的综合性与实践性。性与实践性。工程师的基本任务和实力就是综合，工程师的创工程师的基本任务和实力就是综合，工程师的创建性也主要通过综合来体现。建性也主要通过综合来体现。反应B+C精馏ABB反应分别CEC+DDC过过 程程客观事物从一个状态到另一个状态的客观事物从一个状态到另一个状态的转移。转移。在工艺生产上，对物料流进行物理或在工艺生产上，对物料流进行物理或化学的加工工艺称作过程工艺。化学的加工工艺称作过程工艺。z化工过程化工过程z冶金过程冶金过程z石油炼制过程石油炼制过程z医药生产过程医药生产过程以自然物料以自然物料为为原料原料经过经过物理或化学物理或化学的
4、加工制成的加工制成产产品的品的过过程。程。v原料制备原料制备v化学反应化学反应v产品分别产品分别v 化学的单元过程包括化学的单元过程包括v 合成、氧化、加氢、裂解、电解质溶合成、氧化、加氢、裂解、电解质溶液反应等液反应等1.1 化工过程化工过程单元过程由被处理的物单元过程由被处理的物料流联接起来，构成化工过料流联接起来，构成化工过程生产工艺流程程生产工艺流程化学反应过程化学反应过程换热过程换热过程分别过程分别过程1.1.1 化学反应过程化学反应过程 化工过程的核心部分化工过程的核心部分催化反应过程催化反应过程热裂解反应过程热裂解反应过程电解质溶液离子反应过程电解质溶液离子反应过程生化反应过程生
5、化反应过程.催化反催化反应过应过程程合成反应合成反应：合成氨、合成甲醇等的反合成氨、合成甲醇等的反应过应过程程；氧氧化化反反应应：萘萘氧氧化化制制苯苯酐酐、乙乙烯烯氧氧化化制制环环氧氧乙乙烯烯等的反等的反应过应过程；程；脱氢反应脱氢反应：乙苯脱乙苯脱氢氢制苯乙制苯乙烯烯的反的反应过应过程；程；裂化反应：裂化反应：重重质质油催化裂化制油催化裂化制轻质轻质油的反油的反应过应过程；程；烷烷基基化化反反应应：乙乙烯烯与与苯苯的的烷烷基基化化制制乙乙苯苯的的反反应应过过程；程；加加氢氢裂裂化化反反应应：正正庚庚烷烷加加氢氢裂裂化化制制丙丙烷烷和和丁丁烷烷的的反反应过应过程程热热裂解反裂解反应过应过程程煤
6、干馏生成焦碳、煤焦油、焦炉煤气的反应过程；煤干馏生成焦碳、煤焦油、焦炉煤气的反应过程；轻油裂解制乙烯的反应过程轻油裂解制乙烯的反应过程电电解解质质溶液反溶液反应过应过程程各种无机盐生产以及氨碱法制碱的反应过程各种无机盐生产以及氨碱法制碱的反应过程生物化学反生物化学反应过应过程程发酵法生产氨基酸、有机醇、酮等的反应过程发酵法生产氨基酸、有机醇、酮等的反应过程1.1.2 换热过程换热过程换热器与换热物流构成了换热网络换热器与换热物流构成了换热网络合理的设计，能充分回收过程系统中的热量或合理的设计，能充分回收过程系统中的热量或冷量冷量以最大限度的节能、经济的设备投资、良好的以最大限度的节能、经济的设
7、备投资、良好的操作适应性为目标，实现最佳的换热网络设计，操作适应性为目标，实现最佳的换热网络设计，是化工过程系统综合探讨的一项典型的事例。是化工过程系统综合探讨的一项典型的事例。1.1.3 分别过程分别过程非均一系非均一系 气固相分别：沉降、过滤、湿法除尘、电除尘气固相分别：沉降、过滤、湿法除尘、电除尘 液固相分别：过滤、干燥、沉降液固相分别：过滤、干燥、沉降均一系均一系 气相分别：吸附、吸取、膜分别气相分别：吸附、吸取、膜分别 液相分别：蒸馏与精馏、蒸发、结晶、气提、液相分别：蒸馏与精馏、蒸发、结晶、气提、萃取、膜分别等萃取、膜分别等1.2 1.2 化工过程生产操作限制化工过程生产操作限制化
8、工过程生产操作工况的调整，主要是化工过程生产操作工况的调整，主要是对物料流对物料流温度、压力、流量、液位、组成温度、压力、流量、液位、组成等操作参数的调整等操作参数的调整早期过程限制技术（早期过程限制技术（40-50年年头）头）特点：接受基地式限制仪表实施单输入、特点：接受基地式限制仪表实施单输入、单输出的简洁回路限制单输出的简洁回路限制限制目标：保持生产工况平稳限制目标：保持生产工况平稳出现了单元组合式限制仪表，从简洁限出现了单元组合式限制仪表，从简洁限制回路发展了串级、前馈补偿等限制系制回路发展了串级、前馈补偿等限制系统统 优点：优点：特点为各个限制特点为各个限制回路都是相互独回路都是相互
9、独立的立的当某一限制回路当某一限制回路出现故障时，不出现故障时，不致影响其他回路致影响其他回路的正常工作，系的正常工作，系统的牢靠性易于统的牢靠性易于得到保障得到保障 缺点：缺点：对于规模范围较对于规模范围较大被控参数较多大被控参数较多的对象来说，较的对象来说，较多的限制回路须多的限制回路须要相应设置较多要相应设置较多的硬件。的硬件。分散限制，难于分散限制，难于实现总体优化的实现总体优化的限制方案。限制方案。60年年头头化工化工过过程向着大型化、程向着大型化、连续连续化化发发展展要求要求检测检测、限制的生、限制的生产产操作参数数量很操作参数数量很多，并多，并须须要更要更优优良的限制良的限制质质
10、量量计计算机算机应应用快速的渗入各个用快速的渗入各个领领域，域，过过程程限制也起先了限制也起先了应应用用计计算机的算机的尝试尝试 优点：优点：计算机用于化工计算机用于化工过程限制，可以过程限制，可以把各个限制回路把各个限制回路的运算、限制、的运算、限制、显示都集中于计显示都集中于计算机来实现算机来实现这种集中限制可这种集中限制可以大大的节约硬以大大的节约硬件成本，便于同件成本，便于同时分析各个限制时分析各个限制回路的信息，为回路的信息，为实现全系统的优实现全系统的优化限制供应了条化限制供应了条件件 缺点：缺点：一旦发生计算机故一旦发生计算机故障则将出现全限制障则将出现全限制系统瘫痪的危急系统瘫
11、痪的危急70年年头头-Distributed Control System随随着着化化工工装装置置规规模模的的增增大大，被被控控对对象象参参数数，限限制制回回路路的的增增多多，为为了了满满足足对对工工业业限限制制计计算算机机应应具备高度牢靠性和敏捷性的要求具备高度牢靠性和敏捷性的要求把把计计算算机机技技术术、限限制制技技术术、通通讯讯技技术术、图图像像显显示技术等集成为一体化的计算机限制系统示技术等集成为一体化的计算机限制系统集集散散系系统统吸吸取取了了分分散散系系统统和和集集中中系系统统两两者者的的优优点点集散系统（集散系统（DCS）的优点）的优点集：管理、操作、集：管理、操作、CRT三方面
12、的集中三方面的集中散：功能分散、负荷分散和危急分散散：功能分散、负荷分散和危急分散克服了分散系统难于实现全局系统限制克服了分散系统难于实现全局系统限制的缺点的缺点克服了集中系统的危急集中克服了集中系统的危急集中DCSDCS的产品的产品的产品的产品美国美国Honeywell公司的公司的TDC-3000Foxboro公司的公司的SPECTRUMFisher公司的公司的PROVOXBailey公司的公司的NETWORK90Taylor公司的公司的MOD-300日本横河公司的日本横河公司的CENTUMDCSDCS的发展前景的发展前景的发展前景的发展前景向扩大应用覆盖面方向发展向扩大应用覆盖面方向发展向
13、管控一体化方向发展向管控一体化方向发展产品向开放化和标准化方向发展产品向开放化和标准化方向发展向现场总线技术发展向现场总线技术发展1.3 化工过程的分析与合成化工过程的分析与合成60年头初，在化学工程、系统工程、运筹学、数年头初，在化学工程、系统工程、运筹学、数值计算方法、过程限制论等学科边缘，产生值计算方法、过程限制论等学科边缘，产生了过程系统工程，也称化工过程系统工程了过程系统工程，也称化工过程系统工程任务任务:以系统工程的思想、方法，解决化工过程系以系统工程的思想、方法，解决化工过程系统的设计、开发、操作、限制等问题，统的设计、开发、操作、限制等问题，系统工程的分析与合成系统工程的分析与
14、合成实施化工过程分析、合成的手段是运算描述过程实施化工过程分析、合成的手段是运算描述过程系统的数学模型，这种模型的运算称作化工系统的数学模型，这种模型的运算称作化工过程系统模拟过程系统模拟 分析分析分析是在思想中把事物分析是在思想中把事物分解为各个属性，部分，分解为各个属性，部分，方面方面 合成合成综合是在思想中把事物的综合是在思想中把事物的各个属性，部分，方面结各个属性，部分，方面结合起来合起来两者彼此相反而又相互联系两者彼此相反而又相互联系分析与综合贯穿于思维的整个过程分析与综合贯穿于思维的整个过程只有对事物内部冲突的各个方面进行具体分析，只有对事物内部冲突的各个方面进行具体分析，再综合起
15、来把握其冲突的总体，才能真正深再综合起来把握其冲突的总体，才能真正深化到事物的本质，把握事物发展的规律化到事物的本质，把握事物发展的规律1.3.1 1.3.1 化工过程系统的分析化工过程系统的分析化工过程系统的分析化工过程系统的分析主主要要是是分分析析过过程程系系统统的的运运行行机机制制、影影响响因因素素、过过程程模模型型的的数数学学描描述述、目目标标函函数数的的建建立、实惠工况下的最佳操作参数立、实惠工况下的最佳操作参数目目标标是是使使决决择择方方案案，技技术术上上先先进进、可可行行，经济上优越、合理经济上优越、合理对对于于操操作作工工况况的的分分析析也也就就是是通通常常说说的的生生产产操作
16、调优操作调优1.3.2 1.3.2 化工过程系统的合成化工过程系统的合成化工过程系统的合成化工过程系统的合成包包括括：反反应应路路径径合合成成；换换热热网网络络合合成成；分分别序列合成；过程限制系统合成；别序列合成；过程限制系统合成；解解决决由由各各个个单单元元过过程程合合成成总总体体过过程程系系统统的的任务任务由由于于化化工工过过程程系系统统的的困困难难性性，这这类类优优化化问问题题常常是是具具有有非非线线性性、奇奇异异、有有约约束束、多多极极值值等等现现象象，近近年年来来出出现现的的模模拟拟退退火火法法和和进进化算法化算法1.4 化工过程模拟系统化工过程模拟系统本世纪初期，由试验室到中间厂
17、逐级放大的阅本世纪初期，由试验室到中间厂逐级放大的阅历方法历方法30年头，以相像论为基础得出准数方程的方法。年头，以相像论为基础得出准数方程的方法。建立数学模型的模拟放大法建立数学模型的模拟放大法50年头后期，数学模拟。基本上解决了大部分年头后期，数学模拟。基本上解决了大部分单元过程的开发放大问题单元过程的开发放大问题化工流程稳态模拟系统化工流程稳态模拟系统化工流程稳态模拟系统化工流程稳态模拟系统特点：模型中不包括时间参数，即把过程中的各特点：模型中不包括时间参数，即把过程中的各种因素都看成是不随时间而变更的种因素都看成是不随时间而变更的在大规模连续化的工艺流程中，稳态是不存在的在大规模连续化
18、的工艺流程中，稳态是不存在的稳态模拟是对动态过程到达平稳状态的一种简化稳态模拟是对动态过程到达平稳状态的一种简化处理，这种处理是很必要的处理，这种处理是很必要的稳态模拟系统的发展稳态模拟系统的发展稳态模拟系统的发展稳态模拟系统的发展第一代（第一代（50-60年头）年头）美国美国Kellogg公司的公司的FLEXIBLEFLOWSHEET，美国美国Houston高校开发的高校开发的CHESS（Chemical Engineering Simulation System）其次代（其次代（70年头）年头）美国美国Monsanto公司开发的公司开发的FLOWTRAN美国美国Braun公司开发的公司开发
19、的PF10（Process Flow）日本千代田工程公司开发的日本千代田工程公司开发的CAPES（Computer Aided Process Engineering System）第三代（第三代（1981）ASPEN(Advanced System of Process Engineering)化工流程动态模拟系统化工流程动态模拟系统化工流程动态模拟系统化工流程动态模拟系统很多的动态过程不允许简化处理为稳态过程很多的动态过程不允许简化处理为稳态过程间歇过程：装料、开车、反应、停车、卸料间歇过程：装料、开车、反应、停车、卸料连续过程：开车、停车、事故处理连续过程：开车、停车、事故处理动态模拟系
20、统的发展动态模拟系统的发展动态模拟系统的发展动态模拟系统的发展第一代（第一代（70年头）年头）1969年加拿大年加拿大McMaster高校开发的高校开发的DYNSYS美国杜邦公司开发的美国杜邦公司开发的DYFLO美国美国Michigan高校开发了高校开发了DYSCO日本千代田化工建设公司开发了日本千代田化工建设公司开发了DOPL其次代（其次代（70-80年头）年头）美国的鲁姆斯公司将动态模拟技术用于进行系美国的鲁姆斯公司将动态模拟技术用于进行系统可行性分析、先进限制系统方案设计统可行性分析、先进限制系统方案设计日本的一些大型化工建设工程公司将动态模拟日本的一些大型化工建设工程公司将动态模拟技术
21、用于进行新建大型化工厂工艺及限技术用于进行新建大型化工厂工艺及限制系统的设计制系统的设计第三代（第三代（1981）由动态模拟技术衍生出用于培训工人的模拟培由动态模拟技术衍生出用于培训工人的模拟培训器（训器（Simulation Control Co.,Autodynamics Co.,Atlantic Simulation Inc）1.5 化工企业化工企业CIPS技术技术化工过程分析与合成的任务是以高产、优质、低化工过程分析与合成的任务是以高产、优质、低耗为目标，寻求工艺生产中的设备、流程的耗为目标，寻求工艺生产中的设备、流程的合理配置方案以及最优生产工况的操作合理配置方案以及最优生产工况的操
22、作在生产实践中人们相识到，寻求化工过程实惠工在生产实践中人们相识到，寻求化工过程实惠工况依据不仅来自工艺过程本身，而必需遵循况依据不仅来自工艺过程本身，而必需遵循的根本性依据是企业的经营决策的根本性依据是企业的经营决策为实现企业最佳经营、生产决策的手段是当代的为实现企业最佳经营、生产决策的手段是当代的CIMS技术技术 Computeromputer Integratedntegrated Manufacturinganufacturing Systemystem1974年年 美美 国国 Joseph Harrington博博 士士 在在Computer Integrated Manufactu
23、ring一书中首次提出一书中首次提出通通过过计计算算机机硬硬、软软件件综综合合运运用用现现代代管管理理技技术术、制制造造技技术术、信信息息技技术术、自自动动化化技技术术、系系统统工工程程技技术术，将将企企业业生生产产中中有有关关的的人人、技技术术、经经营营管管理理三三要要素素及及其其信信息息流流、物物质流有机集成为实施优化运作的大系统质流有机集成为实施优化运作的大系统 Computer omputer Integrated ntegrated Process rocess Systemystem化化工工、石石化化企企业业,特特殊殊是是一一些些特特种种化化学学品品、精精细细化化工工产产品品的的生
24、生产产企企业业，要要求求新新产产品品开开发发周周期期短短、上上市市快快;并并要要求求生生产产工工艺艺装装备备是是具具有有适适应应多多种种产产品品的的柔柔性性系系统统以以CIPS的的概概念念和和方方法法组组织织过过程程生生产产企企业业的的运运作作环环节节，包包括括生生产产限限制制、调调度度、管管理理、经经营营决决策策、市市场场分分析析、新新产产品品设设计计及及探探讨讨开开发发，直直到到销销售售和和售售后后服服务务、用用户户看看法法反反馈馈等等，形形成成以以市市场场驱驱动动、全全局局优优化的企化的企业业系系统统，收到了，收到了显显著的著的经济经济效益效益CIPS的应用的应用日本三井石油化学公司日本
25、三井石油化学公司实实施施CIPS，预预料料库库存量可削减存量可削减30%，生，生产产周期可周期可缩缩短短30%，成品油，成品油产产量可增加量可增加10%，管理效率可提高，管理效率可提高20%当前当前发发达国家的大型化工、石化公司几乎都达国家的大型化工、石化公司几乎都处处在在对对CIPS的的实实施、探施、探讨阶讨阶段段国内的一些企国内的一些企业联业联合着高校和科学院所正在主合着高校和科学院所正在主动动开展开展CIPS的建的建设设，如，如齐鲁齐鲁石化成功石化成功炼炼油厂、油厂、沧沧州大化州大化集集团团、大、大庆庆石化石化总总厂等厂等1.6 人工技术在化工过程中的应用人工技术在化工过程中的应用各种化
26、工过程系统基本上都可用数学模型描述。各种化工过程系统基本上都可用数学模型描述。但由于实际化工过程的困难性，还有很多现象具有离但由于实际化工过程的困难性，还有很多现象具有离散的、非数值的、模糊的、不确定的特性，对散的、非数值的、模糊的、不确定的特性，对这类对象建立数学模型特别困难这类对象建立数学模型特别困难一般：由技术专家凭籍他们的专业技术和阅历来解决。一般：由技术专家凭籍他们的专业技术和阅历来解决。缺点：对不同的专家，解决方法可能有差异缺点：对不同的专家，解决方法可能有差异人工智能技术的引用，为解决这类问题辟出了新径人工智能技术的引用，为解决这类问题辟出了新径人工智能的发展和应用人工智能的发展
27、和应用基于基于Data Mining 技术，发觉人所不能发觉技术，发觉人所不能发觉或者忽视的现象或者忽视的现象Beer&Diaper弹子机弹子机Science Fiction:终结者终结者1.6.1 人工智能技术人工智能技术宏宏观观模模拟拟从从人人在在思思维维时时的的心心理理活活动动动动身身。分分析析、探探讨讨人人是是如如何何运运用用学学问问、逻逻辑辑而而说说明明问问题题的的，从从而而驾驾驭驭人人脑脑的的逻辑思维规律逻辑思维规律运运用用计计算算机机模模拟拟这这个个过过程程，选选出出与与人人的的思思维维过过程程相相一一样样的的结结果果，这这就就是专家系统是专家系统微微观观模模拟拟是是从从人人脑脑
28、的的生生理理结结构构动动身身，模模拟拟人人脑脑在在思思维维过过程程中中的的生生理理活活动动，从从而而得得出出和和人人脑脑思思维维过过程程相相一一样样的的结果结果这这种种模模拟拟包包括括建建立立神神经经元元（脑脑细细胞胞）模模型型，以以及及它它们们相相互互间间传传递递信信息息的的网网络络结结构构模模型型。这就是人工神经网络这就是人工神经网络 Expert System关关键键组组成成是是学学问问库库与与推推理理机机制制，适适用用于于求求解解非非数数值的，不确定的或模糊的问题值的，不确定的或模糊的问题70年年头头中中期期以以前前多多属属于于说说明明型型和和诊诊断断型型。70年年头头后后期期出出现现
29、了了设设计计型型、规规划划型型、限限制制型型等等其其它它类型的专家系统类型的专家系统1965年年美美国国斯斯坦坦褔褔高高校校研研制制出出可可依依据据化化合合物物分分子子式式及及其其质质谱谱数数据据来来推推断断分分子子结结构构的的计计算算机机程程序系统序系统DENDRAL1974年年开开发发成成功功的的用用于于诊诊断断和和治治疗疗感感染染性性疾疾病病的的MYCIN1976年开发成功用于找矿的年开发成功用于找矿的PROSPECTORES在化工过程中的应用反应路径的综合：反应路径的综合：SYNCHEM换热网络综合：换热网络综合：HEATEX过程流程综合：过程流程综合：PIP过程限制系统综合：过程限制
30、系统综合：CASE Artifical Neural Networks近近年年来来人人工工神神经经网网络络的的应应用用无无论论在在广广度度上上还还是是深深度度上上都都取取得得了了快快速速发发展展，应应用用领领域域涉涉及及医医学学、国国防防、运运输输、通通讯讯、工工业业生生产产、电电子子、航空航天以及金融管理等方面航空航天以及金融管理等方面医医疗疗方方面面的的心心肌肌梗梗塞塞早早期期诊诊断断、心心电电图图分分类类军军事事方方面面多多目目标标跟跟踪踪、战战斗斗机机飞飞行行限限制制、声源定位声源定位金金融融管管理理方方面面的的支支票票及及票票据据验验收收、股股票票行行情分析情分析思索题化工过程分析与合成是讲什么的？化工过程分析与合成是讲什么的？化工过程分析与合成与化工原理、化学反应工程、化工过程分析与合成与化工原理、化学反应工程、分别工程等课程有什么区分？有什么联系？分别工程等课程有什么区分？有什么联系？参考几本过程系统工程的书籍，比较该教材与本参考几本过程系统工程的书籍，比较该教材与本教材的区分教材的区分什么叫过程系统，与单元操作有什么关系？什么叫过程系统，与单元操作有什么关系？举例说明人工智能技术在化工中的应用。举例说明人工智能技术在化工中的应用。