过程系统工程-1绪论.ppt

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1、化工过程系统工程化工过程系统工程(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年年9月月2010年年1月月学时：学时：48学时学时/3学分学分成绩评定：平时作业成绩评定：平时作业 （30分）分）课程论文课程论文 （10分）分）期末考试期末考试 （60分）分）40分60分教学安排及要求教学安排及要求参考书：参考书：1 杨友麒，杨友麒，实用化工系统工程实用化工系统工程，化学工业出版社，化学工业出版社，19892 杨冀宏，麻德贤，杨冀宏，麻德贤，过程系统工程导论过程系统工程导论，烃加工出版

2、社，烃加工出版社，19893 姚平经，姚平经，化工过程系统工程化工过程系统工程，大连理工大学出版社，第，大连理工大学出版社，第1版，版，1992 4 姚平经，姚平经，全过程系统能量优化综合全过程系统能量优化综合（大连理工大学教授学术丛书，（大连理工大学教授学术丛书，95），大连），大连 理工大学出版社，理工大学出版社，19955 化工过程模拟与分析化工过程模拟与分析6 系统能量优化综合系统能量优化综合7 数值分析数值分析8 Rudd D F,Process Synthesis,19739 Linnhoff B,User Guide on Process Integration For the

3、Efficient Use of Energy,1982,199410 Douglas J M,Conceptual Design of Chemical Processes,1988教材：教材：姚平经，姚平经，过程系统工程过程系统工程，华东理工大学出，华东理工大学出版社，第版社，第1版，版，2009年年6月月 1.1 系统与系统工程系统与系统工程 1.2 化工过程系统工程化工过程系统工程 1.2.1 化工过程系统模拟与分析化工过程系统模拟与分析 1.2.2 化工过程系统综合化工过程系统综合 1.2.3 化工过程系统的操作与控制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

4、优化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数学模拟的优点与限制 1.3.1 数学模拟的优点数学模拟的优点 1.3.2 数学模拟的限制因素数学模拟的限制因素1 绪论绪论 1.4 流程结构的图形表示流程结构的图形表示 1.4.1 信息流图（信息流图（Information flow diagram）1.4.2 信号流图（信号流图（Signal flow diagram）1.5 流程结构的矩阵表示流程结构的矩阵表示 1.5.1 过程矩阵（过程矩阵（process matrix）1.5.2 关联矩

5、阵（关联矩阵（occurrence matrix）1.5.3 邻接矩阵（邻接矩阵（adjacency matrix）1.6 化工过程系统稳态模拟方法化工过程系统稳态模拟方法 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 流程模拟系统软件流程模拟系统软件1 绪论绪论 人们对化工类型生产过程的认识在不断深化，从廿世纪人们对化工类型生产过程的认识在不断深化，从廿世纪2020年年 代至今已发生三次认识上的飞跃：代至今已发生三次认识上的飞跃：第一次飞跃第一次飞跃第一次飞跃第一次飞跃发生在廿世

6、纪发生在廿世纪2020年代，从各种各样化工生产工艺中找年代，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“单元操作单元操作单元操作单元操作”的概念，的概念，从而奠定了化学工程的基础；从而奠定了化学工程的基础；第二次飞跃第二次飞跃第二次飞跃第二次飞跃发生在廿世纪发生在廿世纪5050年代，从年代，从“单元操作单元操作”中又进一步归中又进一步归纳出其中共同的基本规律，进而提出了纳出其中共同的基本规律，进而提出了“传递过程传递过程传递过程传递过程”的概念；的概念；第三次飞跃第三次飞跃第三次飞跃第三次飞跃发生在廿世纪发生在廿世纪5050年代以后，是将

7、各种单元操作所组成年代以后，是将各种单元操作所组成的的化工系统化工系统化工系统化工系统作为一个整体进行研究。作为一个整体进行研究。引言：化工生产认识上的三次飞跃引言：化工生产认识上的三次飞跃 化工过程系统工程产生？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）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。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生产发展带来的两大矛盾 首首先先，新新产产品品、新新过过程程的的开开发

8、发加加快快与与工工业业放放大大技技术术落落后后之之间间的的矛矛盾盾尖尖锐锐化化，要要求求将将过过去去的的相相似似模模拟拟（如如实实验验室室的的试试验验）、逐逐级级放放大大的的方方法法改改为为通通过过数数学学模模拟拟来来指指导导放放大大与与设设计计，以以加加快快放大与设计的整个过程，缩短开发周期；放大与设计的整个过程，缩短开发周期；现现代代工工业业的的综综合合化化发发展展，使使流流程程结结构构日日益益复复杂杂，在在这这种种综综合合企企业业的的合合理理设设计计时时，就就不不能能把把单单个个装装置置孤孤立立起起来来，而而必必须须要要整整个个地地作作为为一一个个系系统统来来进进行行研研究究，分分析析其

9、其整整体体特特性性；装装置置规规模模的的日日益益大大型型化化对对设设计计提提出出了了更更高高的的要要求求，即即要要求求做做到到大大型型系系统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。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。其其次次，化化学学工工程程本本身身的的发发展展，使使人人们们对对过过程程的的机机理理了了解解比比较较清清楚楚；计计计计算算算算数数数数学学学学的的发发展展，为为复复杂杂问问题题在在计计算算机机上上顺顺利利求求解解提提供供了了有有效效的的方方法法；运运运运筹筹筹筹学学学学及及后后来来的的系系系系统统统统工工工工程程程程学学学学科科科科的的发发展展提提

10、供供了了分分析析大大规规模模系系统统的的手手段段；控控控控制制制制论论论论学学学学科科科科的的的的发发展展，使使人人们们能能从从过过程程控控制制的的角角度度，运运用用系系统统工工程程方方法法来来研研究究整整体体控控制制性性能能；计计计计算算算算机机机机技技技技术术术术的的快快速速发发展展，为为化化工工过过程程分分析析和和顺顺利利而而高高效效地地进进行行过过程程设设计计提提供了基础，等等。供了基础，等等。临临 近近 学学 科科 的的 发发 展展 将将将将系系系系统统统统工工工工程程程程的的的的思思思思想想想想和和和和方方方方法法法法应应应应用用用用于于于于化化化化工工工工过过过过程程程程，即即即

11、即称为称为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工程化工过程系统工程。化化化化工工工工过过过过程程程程系系系系统统统统模模模模拟拟拟拟与与与与分分分分析析析析是是化化工工过过程程系系统统工工程程的重要组成部分，是其研究的基础与主要内容。的重要组成部分，是其研究的基础与主要内容。“系系系系统统统统”这这一一概概念念，来来源源于于人人类类的的长长期期社社会会实实践践，但但由由于于受受到到早早年年科科学学技技术术发发展展水水平平的的限限制制，一一直直没没有有受受到到应应有有的的重重视视。直直到到廿廿世世纪纪4040年年代代美美国国才才开开始始在在工工程程设设计计中中应应用用“系系统统”

12、这这一一概概念念，到到了了5050年年代代以以后后才才把把“系系统统”这这一一概概念念逐逐步步明明确确化化、具具体体化，并在工程技术系统的研究和管理中广泛应用。化，并在工程技术系统的研究和管理中广泛应用。1.1 系统与系统工程系统与系统工程v系统系统”这一概念这一概念的的来源来源？v传统的分析方法与系统工程学的分析方法的区别？传统的分析方法与系统工程学的分析方法的区别？v“系统工程系统工程”的对象是什么？的对象是什么？v系统工程对系统整体的协调与优化过程是一个怎样的系统工程对系统整体的协调与优化过程是一个怎样的过程过程？正正像像科学与其它领域中的科学与其它领域中的每一个新的观念每一个新的观念一

13、样，系统的概念也一样，系统的概念也有一段漫长的历史有一段漫长的历史。系系系系统统统统工工工工程程程程学学学学认认为为，把把所所研研究究的的对对象象当当作作一一个个整整体体来来研研究究，也也即即把把一一个个研研究究的的对对象象看看作作一一个个系系统统，从从系系统统整整体体出出发发去去研研究究系系统统内部各内部各组组成之成之间间的有机的有机联联系和系系和系统统外部外部环环境的相互关系。境的相互关系。综综合研究的方法，即是系合研究的方法，即是系统统工程研究方法工程研究方法。传传传传统统统统的的的的分分分分析析析析方方方方法法法法，往往往往把把一一个个事事物物分分解解成成许许多多独独立立的的部部分分，

14、把把问问题题分分得得很很细细，然然后后分分别别进进行行深深入入研研究究。由由于于这这样样的的研研究究方方法法往往往往容容易易把把事事物物看看成成是是孤孤立立的的、静静止止的的，因因此此得得出出的的结结论论往往往往被被限限制制在在一一个个局局部部的的条条件件下下，如如果果扩扩大大到到更更大大的的范范围围来来考考察察，那那么么整整体体的的结结论论就可能是片面的、甚至是就可能是片面的、甚至是错误错误的。的。一般系一般系统论统论是美籍奥地利生物学家是美籍奥地利生物学家贝贝塔朗菲塔朗菲L.V.Bertalanffy）创创立的一立的一门逻辑门逻辑和数学和数学领领域的科学域的科学，它的主要目的是企，它的主要

15、目的是企图图确立确立适用于系适用于系统统的一般原的一般原则则。它运用完整性、集中化、等。它运用完整性、集中化、等级结级结构、构、终终极性、极性、逻辑逻辑同构等概念，找出适用于一切同构等概念，找出适用于一切综综合系合系统统或子系或子系统统的模式、原的模式、原则则和和规规律。律。后后后后来来来来又又又又发发发发展展展展成成成成为为为为试试试试图图图图包包包包括括括括一一一一般般般般系系系系统统统统论论论论、控控控控制制制制论论论论、自自自自动动动动机机机机理理理理论论论论、信信信信息息息息论论论论、集集集集合合合合论论论论、图图图图论论论论、网网网网络络络络理理理理论论论论、系系系系统统统统数数数

16、数学学学学、对对对对策策策策论论论论、判判判判定定定定论论论论、计计计计算算算算数数数数学学学学、模模模模拟拟拟拟的的的的理理理理论论论论和和和和方方方方法法法法，统统统统称称称称为为为为系系系系统统统统论论论论。它它它它活活活活跃跃跃跃于国于国于国于国际际际际学学学学术术术术界，已成界，已成界，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。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。以研究大系统为对象的一门新兴的边缘学科。它它将将自自然然科科学学和和社社会会科科学学中中的的某某些些思思想想、理理论论、方方法法、策策略略和和手手段段等等根根据据总总体体

17、协协调调的的需需要要有有机机地地联联系系起起来来，将将人人们们的的生生产产、科科研研、经经济济活活动动等等有有效效地地组组织织起起来来，用用数数学学方方法法和和计计算算机机等等工工具具，对对系系统统的的构构成成要要素素、组组织织结结构构、信信息息交交换换、反反馈馈控控制制等等功功能能进进行行分分析析、设设计计、制制造造和和服服务务，从从而而达达到到最最优优设设计计、控控制制、管管理理，使使局局部部和和整整体体之之间间的的关关系系协协调调配配合合，以以实实现现系系统统的的综综合合最优化。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，不限系统工程与其它工程学不同，不限于某个

18、领域，不限 于物质系统，被认为是一种于物质系统，被认为是一种“软科学软科学”。系统工程作为一门工程技术，是在系统工程作为一门工程技术，是在运筹学运筹学、控制论控制论、计算计算 机技术机技术、工程设计工程设计、管理科学管理科学等等学科的基础上发展起来学科的基础上发展起来 的。的。系系统统工程工程对对系系统统整体的整体的协调协调与与优优化化过过程可用程可用图图图图1.11.1表示。表示。电子计算机电子计算机分析分析 制造制造设计设计 服务服务构成要素构成要素组织结构组织结构信息交换信息交换反馈控制反馈控制局部利益局部利益整体利益整体利益系统综合系统综合 最最优优化化 协调协调 配合配合最优设计最优

19、设计控制控制 管理管理 生产生产科研科研经济经济活活动动构构 成成 系系 统统功能功能利益利益系系统统思思想想、理理论论、方法、策略、手段方法、策略、手段图图图图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 化化工工过过程程系系统统工工程程是是化化学学工工程程学学的的一一个个分分支支，是是将将系系统统工工程程学学的的理理论论和和方方法法应应用用于于化化工工过过程程领领域域的的一一门门新新兴兴的的边边缘缘学学科科，所所涉涉及及的的学学科科有有：化化学学工工程程、系系统统工工程程、运运筹筹学学、控控制制论论、计计算算机机科科学学、

20、计算数学、人工智能等。计算数学、人工智能等。基基基基本本本本内内内内容容容容:是是从从化化工工系系统统的的整整体体目目标标出出发发，根根据据系系统统内内部部各各个个组组成成部部分分的的特特性性及及其其相相互互关关系系，确确定定化化工工系系统统在在规规划划、设设计计、控控制制和和管理等方面的最优策略。管理等方面的最优策略。包包括括:过过程程系系统统模模拟拟与与分分析析、过过程程系系统统综综合合、过过程程系系统统的的控控制制与与操操作作、过过程程系系统统的的设设计计与与优优化化和和人人工工智智能能技技术术在在化化工工过过程程中中的的应应用用等。等。1.2 化工过程系统工程化工过程系统工程 廿世纪廿

21、世纪廿世纪廿世纪6060年代年代年代年代是化工过程系统工程产生和发展的是化工过程系统工程产生和发展的理论准备时期理论准备时期，代表性的研，代表性的研究者有美国的究者有美国的Rudd和和Watson（1968），），Himmelblau和和Bischoff（1968），），日日本的矢木荣和西村肇（本的矢木荣和西村肇（1969），苏联的），苏联的（1971）等，他们的论著阐等，他们的论著阐述了化工过程系统工程的研究方法和内容。述了化工过程系统工程的研究方法和内容。廿世纪廿世纪廿世纪廿世纪7070年代年代年代年代是化工过程系统工程走上是化工过程系统工程走上实用的时期实用的时期。随着计算机应用的普及，

22、。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。统，并对过程生产实现计算机控制，取得显著经济效益。廿世纪廿世纪廿世纪廿世纪8080年代年代年代年代是化工过程系统工程是化工过程系统工程普及推广的时代普及推广的时代，不仅在化工、石油、石，不仅在化工、石油、石油化工、核工业和能源工业中获得广泛应用，而且向冶金、轻工、食品等连油化工、核工业和能源工业中获得广泛应用，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

23、速发展，相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，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。之一。我国从廿世纪我国从廿世纪70年代开始介绍这门新学科。廿世纪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年代开始这一学科发展很快。很快。化工过程系统工程的产生和发展化工过程系统工程的产生和发展v 在过程开发阶段在过程开发阶段（又称为规划

24、决策阶段），主要完成可行性研（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；究，提出可行性研究报告；v 在科研阶段在科研阶段，建立数学模型，描述过程对象的规律性与特点。，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；济评价进一步进行可行性研究；v 在技术开发阶段在技术开发阶段，通过中试（或小试）与系统模拟相结合，寻，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，同时也可以利用找装置整体操作的最优条件，缩短开发周

25、期，同时也可以利用 中试的实验数据来修正模型；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化工过程系统工程研究的目的和任务 v在设计阶段在设计阶段 化工过程系统工程的主要任务是化工过程系统工程的主要任务是CAD，即计算机辅助设计即计算机辅助设计（Computer Aided Design），），仍以化工过程系统模拟为基础。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，而要求，长期以来是凭工程师的经验完成的，而“过程综合过程综合”则将则将化工流程设计由经验

26、上升到科学，即用计算机实现最优化设计。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，与集散控制系统结合起来，指导散控制系统结合起来，指导生产操作生产操作。v在扩产改造阶段在扩产改造阶段 对现有装置进行模拟与分析，寻找薄弱环节，提出对现有装置进行模拟与分析，寻找薄弱环节，提出改造方案改造方案。v 一般含义上的模拟是指：借助于一个系统或过程的性能，一般

27、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。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。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，从而达到研究的目种解算手段去对数学模型进行求解，从而

28、达到研究的目 的。的。vv化工过程系统模拟与分析化工过程系统模拟与分析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：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。以体现、试验和分析。1.2.1 化工过程系统模拟与分析化工过程系统模拟与分析 计算机模拟计算机模拟二次世界大战期间二次世界大战期间分子动力学模拟分子动力学模拟 数数数数学学学学模模模模型型型型或或或或描描描描述述述述模模模模型型型型是是是是指指指指借借借借助助助助有有有有关关关关概概概概念念念念、变变变变量量量量、规规规规则则则则、逻逻逻逻辑辑辑

29、辑关关关关系系系系、数数数数学学学学表表表表达达达达式式式式、图图图图形形形形和和和和表表表表格格格格等等等等对对对对系系系系统统统统的的的的一一一一般般般般描描描描述述述述。把把把把这这这这种种种种模模模模型型型型转转转转换换换换成成成成计计计计算算算算机机机机上上上上可可可可执执执执行行行行的的的的程程程程序序序序，并并并并给给给给出出出出系系系系统统统统参参参参数数数数、初初初初始始始始状状状状态态态态和和和和环环环环境境境境条条条条件件件件等等等等输输输输入入入入数数数数据据据据后后后后，便便便便在在在在计计计计算算算算机机机机上上上上进进进进行行行行运运运运算算算算，得得得得出出出出

30、结结结结果果果果，并并并并提提提提供供供供各各各各种种种种直直直直观观观观形形形形式式式式的的的的输输输输出出出出，还还还还可可可可根根根根据据据据对对对对结结结结果果果果的的的的分分分分析析析析改改改改变变变变有有有有关关关关参参参参数数数数或或或或系系系系统统统统模模模模型型型型的的的的部部部部分分分分结结结结构构构构，重重重重新新新新进进进进行行行行运运运运算算算算，了了了了解解解解在在在在各各各各种种种种不不不不同同同同条条条条件件件件下下下下系系系系统统统统的的的的行为和性能。行为和性能。行为和性能。行为和性能。具具具具体体体体地地地地说说说说，是是是是将将将将系系系系统统统统逐逐逐

31、逐级级级级分分分分解解解解成成成成一一一一系系系系列列列列子子子子系系系系统统统统，根根根根据据据据系系系系统统统统分分分分解解解解原原原原理理理理确确确确定定定定系系系系统统统统的的的的解解解解算算算算方方方方法法法法及及及及解解解解算算算算顺顺顺顺序序序序；建建建建立立立立单单单单元元元元数数数数学学学学模模模模型型型型，进进进进行行行行系系系系统统统统的的的的稳稳稳稳态态态态模模模模拟拟拟拟计计计计算算算算，乃乃乃乃至至至至动动动动态态态态特特特特性性性性分分分分析析析析；计计计计算算算算系系系系统统统统的的的的可可可可靠靠靠靠性性性性与与与与灵灵灵灵敏度，进行设备设计及成本核算等。敏度

32、，进行设备设计及成本核算等。敏度，进行设备设计及成本核算等。敏度，进行设备设计及成本核算等。数学模型数学模型数学模型的基本类型数学模型的基本类型(1)按数学模型的建立方法分按数学模型的建立方法分类类(2)按对象的时态本质分类按对象的时态本质分类(3)按过程对象的数学描述方法分类按过程对象的数学描述方法分类(4)按过程对象的属性分类按过程对象的属性分类数数学学模模型型理论模型理论模型经验模型经验模型稳态模型稳态模型动态模型动态模型集中参数模型集中参数模型 分布参数模型分布参数模型确定性模型确定性模型 随机性模型随机性模型模糊性模型模糊性模型 用用于于化化工工过过程程系系统统模模拟拟与与分分析析的

33、的应应应应用用用用软软软软件件件件称称为为化化化化工工工工模模模模拟拟拟拟系统系统系统系统，它是过程综合的重要手段，也是过程综合的基础。，它是过程综合的重要手段，也是过程综合的基础。要要对对化化工工过过程程系系统统进进行行模模拟拟与与分分析析，必必须须首首先先要要有有工工作作平平台台，即即性性能能可可靠靠的的系系统统模模拟拟软软件件，该该软软件件中中要要包包含含许许多多过过程程单单元元操操作作的的数数学学模模型型，开开发发这这样样的的系系统统软软件件的的工工作作量量很很大大，也也是是过过程程模模拟拟与与分分析析的的基基本本和和中中心心工工作作，其其基本步骤见基本步骤见图图1.2。化工模拟系统化

34、工模拟系统计算结果分析计算结果分析 与实际数据不符与实际数据不符 返返回回各各环环节节明确任务和研究对象明确任务和研究对象 对象的过程机理分析对象的过程机理分析 数据准备数据准备 模型建立模型建立 选择数值计算方法选择数值计算方法 程序编制，上机调试程序编制，上机调试 模型检验模型检验确定模型确定模型 模拟分析模拟分析 符合符合 图图1.2 化化工工过过程程系系统统模模拟拟与与分分析析步步骤骤 如如果果考考虑虑模模拟拟对对象象所所要要求求的的特特性性与与时时间间的的关关系系，过过程程模模拟拟又又可分为稳态模拟和动态模拟。可分为稳态模拟和动态模拟。过程模拟过程模拟稳态模拟稳态模拟动态模拟动态模拟

35、在在化化工工过过程程系系统统工工程程中中，化化工工过过程程系系统统模模拟拟与与分分析析是是基基础础，而而且且实实用用化化程程度度最最高高，无无论论从从学学科科发发展展还还是是从从对对国国民民经经济济发发展展的的作作用用角度上看，该专题都占有中心地位。角度上看，该专题都占有中心地位。化工过程系统工程化工过程系统工程化工过程系统化工过程系统 模拟与分析模拟与分析 （1）稳态过程系统模拟）稳态过程系统模拟稳稳稳稳态态态态模模模模拟拟拟拟是是化化工工过过程程流流程程模模拟拟研研究究中中开开发发最最早早、应应用用最最普普遍遍的的重重要要技技术术，包包括括物料与能量衡算、设备尺寸与费用计算、过程的技术经济

36、评价等。物料与能量衡算、设备尺寸与费用计算、过程的技术经济评价等。稳稳态态流流程程模模拟拟系系统统分分为为专专专专用用用用系系系系统统统统和和通通通通用用用用系系系系统统统统两两大大类类。专专用用流流程程模模拟拟系系统统是是针针对对某某一一具具体体过过程程开开发发的的，模模拟拟计计算算效效率率高高，结结果果准准确确。通通用用流流程程模模拟拟系系统统具具有有柔柔性结构，可用于各种工艺过程。性结构，可用于各种工艺过程。一一般般商商品品化化的的流流程程模模拟拟系系统统由由以以下下几几部部分分组组成成：输输入入、输输出出系系统统；单单元元操操作作模模块库；物性数据库；数值解算模块库；执行系统。块库；物

37、性数据库；数值解算模块库；执行系统。目前，国际上最有名的通用流程模拟软件是麻省理工学院目前，国际上最有名的通用流程模拟软件是麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)开发的开发的ASPEN软件软件:Advanced System for Process Engineering国内也有一些模拟软件，如青岛化工学院研制的国内也有一些模拟软件，如青岛化工学院研制的ECSS（重点是分离过程）；重点是分离过程）；兰州石化研究院、大连理工大学、华东理工大学联合研制的合成氨流程专用模兰州石化研究院、大连理工大学、华东理工大学联合研制的合成氨流程专用模拟系统：拟

38、系统：Micro SAPROSS 1.0、2.0版均以通过部级鉴定。版均以通过部级鉴定。（2 2）动态过程系统模拟）动态过程系统模拟 稳态过程系统模拟是动态过程系统模拟的基础稳态过程系统模拟是动态过程系统模拟的基础，动态过程，动态过程 系统模拟的发展比稳态过程系统模拟晚系统模拟的发展比稳态过程系统模拟晚1010年左右。年左右。动态过程系统模拟的用途如下动态过程系统模拟的用途如下:了解装置经受动态负荷变化的能力及可操作性；了解装置经受动态负荷变化的能力及可操作性；分析开、停车及外部干扰作用下的动态性能，为装置及其控制系统的分析开、停车及外部干扰作用下的动态性能，为装置及其控制系统的 设计提供依据

39、；设计提供依据；通过仿真计算，在多种控制方案中进行优选；通过仿真计算，在多种控制方案中进行优选；用动态模型代替实际装置对操作作出动态响应，开发达到训练目的的用动态模型代替实际装置对操作作出动态响应，开发达到训练目的的 操作人员培训器；操作人员培训器；用计算机动态模拟手段代替教学实验设备，培养学生实验研究能力。用计算机动态模拟手段代替教学实验设备，培养学生实验研究能力。1.2.2 化工过程系统综合化工过程系统综合 是是一一个个较较为为复复杂杂的的多多目目标标最最优优组组合合问问题题，是是化化工工过过程程系系统统工工程程学学科科的的核核心心内内容容，是是指指：按按照照规规定定的的系系统统特特性性，

40、寻寻求求所所需需的的系系统统结结构及其各子系统的性能，并使系统按规定的目标进行最优组合。构及其各子系统的性能，并使系统按规定的目标进行最优组合。研究的主要课题有：研究的主要课题有：（1 1）反应路径的综合；）反应路径的综合；（2 2）换热器网络的综合；）换热器网络的综合；（3 3）分离序列的综合；）分离序列的综合；（4 4）反应器网络的综合；）反应器网络的综合；（5 5）全流程的综合；）全流程的综合；（6 6）公用工程系统的综合；）公用工程系统的综合；（7 7）全过程系统能量优化综合。）全过程系统能量优化综合。1.2.3 化工过程系统的操作与控制化工过程系统的操作与控制化工过程系统的操作与控制

41、研究的课题主要有：化工过程系统的操作与控制研究的课题主要有：（1 1）数据的筛选与校正；）数据的筛选与校正；（2 2）过程操作最优化；）过程操作最优化；（3 3）过程监控与故障诊断；）过程监控与故障诊断；（4）操作模拟仿真培训系统。）操作模拟仿真培训系统。1.2.4 间歇化工过程系统的设计与操作优化间歇化工过程系统的设计与操作优化英帝国化学公司在英帝国化学公司在1983年年组组建了建了专门专门的研究的研究组组，推出了，推出了间间歇歇过过程程设计设计与操作与操作优优化化软软件件 Batch MASTER和和 Beyond MASTER，可帮助工程可帮助工程师师迅速将迅速将实验实验室中的室中的“配

42、配方方”放大放大为为工厂工厂设备设备序列及操作序列及操作时间时间表。表。我国的研究工作始于廿世我国的研究工作始于廿世纪纪80年代，天津大学等年代，天津大学等单单位在位在单产单产品品间间歇歇过过程最程最优设计优设计及多及多产产品品间间歇歇过过程最程最优优操作操作时间时间表方面做了大量研究工作。表方面做了大量研究工作。1.2.5 人工智能技术在化工系统中的应用人工智能技术在化工系统中的应用人工智能在各领域中的应用研究一直是近十几年来的研究热点人工智能在各领域中的应用研究一直是近十几年来的研究热点之一。之一。人工智能的基本问题是：知识的获取、知识的表达和知识人工智能的基本问题是：知识的获取、知识的表

43、达和知识的处理。的处理。其中其中专家系统专家系统取得的进展最大、应用最广，它是一种基于取得的进展最大、应用最广，它是一种基于知识的、用来解决过程综合和过程开发问题的计算机软件，对知识的、用来解决过程综合和过程开发问题的计算机软件，对所面临的复杂问题作出专家水平的结论，也可称为所面临的复杂问题作出专家水平的结论，也可称为“计算机辅计算机辅助过程综合系统助过程综合系统”。专家系统主要用于推理而不是计算，并具。专家系统主要用于推理而不是计算，并具备学习功能。主要解决这样一类的问题：例如在特定的条件下备学习功能。主要解决这样一类的问题：例如在特定的条件下选择什么样的过程系统结构和过程单元，以构造满足要

44、求的过选择什么样的过程系统结构和过程单元，以构造满足要求的过程系统等。程系统等。专家系统的大致结构如图专家系统的大致结构如图1.3所示：所示：图图1.3 1.3 专专家系家系统结统结构示意构示意图图 用用 户户 用户接口用户接口 数据库数据库 知识库知识库 推理机推理机 o推推推推理理理理机机机机主主要要利利用用推推理理规规则则实实现推理过程；现推理过程；o 数数数数据据据据库库库库用用于于存存储储事事实实（指指的的是是广广泛泛共共有有的的知知识识）以以及及通通过过与用户对话得到的信息；与用户对话得到的信息；o 知知知知识识识识库库库库存存储储专专家家的的经经验验（即即探试性知识或推理规则）。

45、探试性知识或推理规则）。人工神经网络人工神经网络人工神经网络人工神经网络 是是一一种种大大规规模模、并并行行、分分布布式式的的处处理理系系统统，具具有有很很强强的的自自适适应应性性和和自自学学习习功功能能。按按其其网网络络的的拓拓扑扑结结构构可可分分为为两两大大类类：无无反反馈馈神神经经网网络络（典典型型的的为为BP网网络络）和和反反馈馈神神经经网网络络（典典型型的的为为Hopfield网网络络）。两两类类网网络络对对应应两两种种算算法法：BP算算法法（误误差差回回传传算法）和算法）和Hop-field算法。算法。人人工工神神经经网网络络模模型型是是以以现现场场数数据据或或过过程程模模拟拟计计

46、算算结结果果为为学学习样本，通过培训（即训练）而建立起来的。习样本，通过培训（即训练）而建立起来的。目前，目前，人工神经网络模型在化工中的应用很多，例如：过人工神经网络模型在化工中的应用很多，例如：过程模拟、成分分析、控制算法、模式识别、故障诊断、过程优程模拟、成分分析、控制算法、模式识别、故障诊断、过程优化等。化等。（1 1）经经经经济济济济：相相对对于于各各种种规规模模的的试试验验装装置置来来说说，采采用用数数学学模模型型在在计计算算机机上上进进行行试验，显然投资要少得多，而且更迅速。试验，显然投资要少得多，而且更迅速。（2 2）适适适适用用用用性性性性广广广广：可可以以模模拟拟各各种种条

47、条件件，可可以以在在各各种种条条件件下下进进行行模模拟拟计计算算，以以获获得过程的性能信息。得过程的性能信息。（3 3）互互互互换换换换性性性性强强强强：可可以以将将各各种种新新的的因因素素（包包括括新新的的单单元元操操作作）加加在在系系统统中中，替替换旧的因素，加以模拟考核，提供方案的比较，或验证某些假设可否成立。换旧的因素，加以模拟考核，提供方案的比较，或验证某些假设可否成立。（4 4）信信信信息息息息详详详详尽尽尽尽：可可以以最最大大限限度度地地将将生生产产过过程程的的有有关关基基础础资资料料和和数数据据关关联联起起来来，加工出这一系统的完备的技术资料。加工出这一系统的完备的技术资料。（

48、5 5）加加加加大大大大放放放放大大大大倍倍倍倍数数数数：可可以以缩缩短短放放大大试试验验的的进进程程，减减少少中中间间环环节节，大大大大缩缩减减新新产产品品、新新工工艺艺投投产产的的放放大大周周期期（平平均均由由8年年以以上上降降为为3年年左左右右）。如如果果放放大大倍倍数小，则需要放大的级数增多，用于过程研究的时间就长，开发周期也长。数小，则需要放大的级数增多，用于过程研究的时间就长，开发周期也长。1.3 1.3 数学模拟的优点与限制数学模拟的优点与限制1.3.1 数学模拟的优点数学模拟的优点 利利用用数数学学模模拟拟的的手手段段能能够够最最大大限限度度地地利利用用大大量量的的理理论论研研

49、究究成成果果来来分分析析复复杂杂的的实实际际过过程程系系统统。例例如如，甲甲苯苯歧歧化化反反应应器器由由实实验验室室数数据据直直接接放放大大到到生生产产设设备备，放大倍数达到放大倍数达到60006000倍；丙烯二聚反应器的放大倍数达到倍；丙烯二聚反应器的放大倍数达到1700017000倍。倍。兰兰州州石石化化设设计计院院、大大连连理理工工大大学学化化工工学学院院与与华华东东理理工工大大学学共共同同开开发发完完成成了了合合成成氨氨流流程程专专用用模模拟拟系系统统：Micro Micro SAPROSS SAPROSS I I、IIII版版，其其中中有有的的已已达达到到国国际际先先进进水水平平。大

50、大连连理理工工大大学学化化工工学学院院以以 Micro Micro SAPROSS SAPROSS II II 中中所所开开发发的的RPSRPS为为系系统统分分析析平平台台，研研制制开开发发了了两两项项关关于于低低温温甲甲醇醇洗洗工工艺艺的的专专利利技技术术，经经与与兰兰州州石石化化设设计计院院合合作作，现现已已完完成成了了专专利利技技术术工工艺艺软软件件包包与与低低温温甲甲醇醇洗洗工工艺艺扩扩产产10%10%工工艺艺软软件件包包的的研研制制任任务务。此此外外，我我国国某某有有机机合合成成厂厂于于廿廿世世纪纪7070年年代代引引进进了了西西德德年年产产1010万万吨吨乙乙烯烯水水合合乙乙醇醇装