化工系统工程复习课1-3章.ppt

第一章作业一： 1 化工过程系统工程的基本任务和内容是什么？ 2 什么是化工过程？主要包括哪些过程？ 3 化工过程系统工程的基本内容是什么？ 4 什么是化工过程的系统模拟？能解决哪些问题？如何 建立一个模拟系统？ 5 什么是化工过程的系统分析？能解决哪些问题？ 6 什么是化工过程的系统合成？能解决哪些问题？ 7 化工过程的系统合成主要包括哪些过程？ 8 什么是CIMS和CIPS？ 9 间歇过程的设计与操作优化能解决哪些问题？ 10 学好化工系统工程对你解决问题能有什么帮助？,1 化工过程系统工程的基本任务和内容是什么？ 基本内容：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。 把系统工程的思想、方法用于解决化工过程系统的设计、开发、操作、控制等问题。在一定的限制条件下，根据输入及输出要求，寻求整体性能最优的过程系统。,2 什么是化工过程？主要包括哪些过程？ 化工过程是以天然物料为原料，经过物理或化学加工制成产品的过程。 包括：原料制备、化学反应、产品分离等过程。 3 系统模拟的三种基本方法 序贯模块法；面向（联立）方程法；联立模块法单元 单元模块：对每一类化工单元设备均编制一计算机子程序，该子程序包含了相应的模型方程和模型求解程序。单元模块对同一类设备具有通用性和单向性。,4 什么是化工过程的系统模拟？能解决哪些问题？如何建立一个模拟系统？ 过程系统数学模拟：是指建立过程系统的数学模型或描述模型并在计算机上加以体现和试验。 稳态模型：过程对象主要研究的参数不随时间的变化而变化，如物料及能量平衡模型，涉及代数方程组，应用广泛。 解决的问题：物料衡算；热量衡算；设备尺寸和费用计算；技术经济评价。 动态模型：考虑过程对象主要研究的参数随时间的变化而变化，反映过程在外部干扰作用下，引起的不稳定过程或者开、停车过程；或某些间歇操作过程，时间是一个主要自变量，数学上是常微分方程组问题。 模拟系统的组成 输入、输出系统、单元操作模块库、物性数据库；数值解算模拟库；执行系统。,5 什么是化工过程的系统分析？能解决哪些问题？ 对于系统结构及其中子系统均已给定的现有系统进行分析，即建立各子系统的数学模型，按照给定的系统结构进行整个系统的数学模拟，预测在不同条件下系统的特性和行为，借以发现其薄弱环节并加以改进。 主要是分析过程系统的运行机制、影响因素、过程模型的数学描述、目标函数的建立、优惠工况下的最佳操作参数。 什么是化工过程的系统合成？能解决哪些问题？ 按照规定的系统特性，寻求所需的系统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。,7 化工过程的系统合成主要包括哪些过程？ 反应路径的合成；换热器网络的合成；分离序列的合成；反应器网络的合成；全流程的合成；公用工程系统的合成；过程系统能量集成 什么是CIMS和CIPS？ CIMS (Computer Integrated Manufacturing System)计算机集成制造系统：通过计算机硬、软件，综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，将企业生产活动中有关的人、技术经营三要素及其信息流、物质流有机集成为实施优化运作的大系统，形成CIMS。 Computer Integrated Process System 以CIPS的概念和方法组织过程生产企业的运作环节，包括生产控制、调度、管理、经营决策、市场分析、新产品设计及研究开发，直到销售和售后服务、用户意见反馈，形成以市场为驱动、全局优化的企业系统。,9 间歇过程的设计与操作优化能解决哪些问题？ 研究内容 减小操作循环周期，提高生产率； 提高各批量生产的重复性以提高产品质量； 合理利用原料、能源和设备以降低成本； 提高适应性以应付产品规格及原料配方等的变化。,第二章、第三章,自由度、过程矩阵、事件矩阵、邻接（相邻）矩阵、环路（回路）矩阵、关联矩阵 不相关子系统的识别、单元串（通路）搜索法、邻接（相邻）矩阵法、Lee-Rudd断裂法、基哈特裂解法、双层图法,、 为加热炉；为反应器；为换热器；为蒸馏塔；为分离器；为冷凝器。,过程矩阵,单元编号 相关流股 1 1 -2 2 2 -3 3 3 8 -4 -13 4 4 7 11 -9 -5 5 5 -6 6 6 -8 -7 7 10 -11 -12 8 9 -10 过 程 矩 阵,不相关子系统的识别,（1）列出事件（关联）矩阵S,Sij=,1，变量xj存在于方程fi中 0，变量xj不存在于方程fi中,（2）找出非零元素最多的列，k=3,（3）k列元素值为零行保留；元素为1的行用布尔加法 合并,（4）重复第（2）步，找出非零元素最多的列，k=2或k=4 再重复第三步,该矩阵每列只含1个非零元素，说明此时各行间没有共同的变量，每行对应了1个不相关的子系统，即子系统：,作业二：,1用通路搜索法分隔下列流程图:,( 1 ),1 1,2,1,-(1,2) L1,2 L1,3,4,L1-(L1,3,4) L2,3 L2,5,6,7,6-L1,5,(6,7) L3,2 用相邻矩阵方法分割上述流程图,相邻矩阵:,步骤： 除掉“一步循环回路”指由一节点经其输出流股又直接回到 该 节点，也称“自身回路”（主对角线元素为1）。该例中没有“一步循环回路”。 除掉没有输入流股的节点。邻接矩阵中只含零元素的列（第8 列),把该节点排在计算顺序表中的最前面。（除掉对应的列和行，把节点8由系统中除去）,(12) 3 4 5 (67),12 3 4 5 67,R=,0 1 0 0 0,0 0 1 0 0,1 0 0 1 0,0 0 0 0 1,0 0 0 0 0,除掉没有输出流股的节点。邻接矩阵中只含零元素的行（第67 列), 把该节点排在计算顺序表中的最后面。（除掉对应的行和列，把节点（67）由系统中除去），除去节点5，排在（67）前,(12) 3 4,12 3 4,R=,0 1 0,0 0 1,1 0 0,(12) 3 4,R3=,1 0 0,0 1 0,0 0 1,1 1,2,3,4,2-1,(2,3,4) L1,2 1,L1,5,6,L1-1,(L1,5,6) L2,3 1,L2,7,相邻矩阵:,1 2 3 4 5 6 7,0 0 0 0 0 0 0,除去1列1行，节点1列顺序表中最前面，除去7行7列，节点7列顺序表中最后面。,2 3 4 5 6,2 3 4 5 6,R3=,1 0 0 1 0,0 1 0 0 1,0 0 1 1 0,0 0 1 0 0,1 0 0 1 0,3 用相邻矩阵表示下列方程,并画出有向的信息流程图 f1(x1,x2,x6)=0 f2(x3,x5)=0 f3(x1,x5)=0 f4(x2,x6)=0 f5(x1,x4,x5)=0 f6(x1,x3,x6)=0,第一步: 其事件矩阵为:,第二步: 把该事件矩阵转换成相邻矩阵,首先确定每一方程的“输出变量”。所谓“输出变量”是指用该方程式及其中的其它变量可以解出的变量, 输出变量可代入有关的方程式中,达到各方程之间的联通。 确定各方程式的输出变量,要使一个方程只有一个输出变量, 而一个输出变量只对应一个方程,方法如下:,x1 x2 x3 x4 x5 x6,1 1 0 0 0 1,0 0 1 0 1 0,1 0 0 0 1 0,0 1 0 0 0 1,1 0 0 1 1 0,1 0 1 0 0 1,f1,f2,f3,f4,f5,f6,4 2 2 1 3 3,3,对本例得到的各方程的输出变量为: f1 - x1 f2 - x3 f3 - x5 f4 - x2 f5 - x4 f6 - x6,5)把每一个方程作为一个节点, 各方程的输出变量xi作为信息流,如果方程fi的输出变量xk 在方程fj中出现,则相邻矩阵中的元素rij=1;否则,rij=0。 对本例:,f1 f2 f3 f4 f5 f6,0 0 1 0 1 1,0 0 0 0 0 1,0 1 0 0 1 0,1 0 0 0 0 0,0 0 0 0 0 0,1 0 0 1 0 0,f1,f2,f3,f4,f5,f6,六个方程的有向图为:,Lee-Rudd 断裂法,目标: 断裂流股数目最少, 把一最大循环网包含的所有环路打开, 如,定义环(回)路矩阵(cycle matrix):,环路矩阵的元素定义如下: cij=1 如果物流sj在环i之内； cij=0 如果物流sj不在环i之内。 矩阵中f: 流路频率,某一流股出现在各环路的次数,数值上等于矩阵中每一列上非零元素的代数和。 矩阵中R: 环路的秩(cycle rank),某一环路的流股总数。,物流切断方法:,第一步: 除去不独立的列K,如果fjfk,并且如 果Cik=1则Cij=1,那么K列不是独立的,为j列所包含。 例如:s1,s3 s2,切断s2相当于切断s1和s3 s5,s6 s4,则除去s5,s6; s8 s7,除去s8。 根据步骤1,原环路矩阵变为:,第二步:剩下的独立列构成的环路矩阵中,再除去秩为1的行中非零元素所在列,该列即为切断流股,断裂流股s2,s7,则A,B,C,D环路皆被断裂开。从矩阵中除去s2,s7列及A,B,C,D行,因无环路留下,断裂流股的选择结束。若仍有环路存在则重复步骤一、二。,求解顺序: 假设s2, s7流股的所有变量,则计算单元次序如下:1,4,3,5,2。,作业三： 用基哈特裂解法分割下面的子系统:,计算过程表:,结论一：第一步断裂流股6，第二步断裂流股8，计算顺序：5,1,4,2,6,7,8,3,结论二：第一步断裂流股6，第二步断裂流股9，计算顺序：5,1,4,2,7,8,3,6,结论三：第一步断裂流股6，第二步断裂流股10，计算顺序：5,1,4,2,8,3,6,7,结论四：第一步断裂流股6，第二步断裂流股11，计算顺序：5,1,4,2,3,6,7,8,双层图断裂法例题,描述该过程的方程为,混合槽：,总物料衡算,组分物料衡算,反应器：,总物料衡算,组分物料衡算