系统工程第1讲过程系统工程.ppt

赵风清 电话：88632239；88632098邮箱： 公共邮箱： 密码：hgxtgc 办公室(答疑):化环楼113室或105室,化工系统工程（过程系统工程） PSE (Process System Engineering),主要参考书,1.过程系统工程概论（科大翻印，前几届学生用） 2.杨冀宏等. 过程系统工程导论. 北京：烃加工出版社，1989 3.杨友麒等.化工过程模拟与优化.北京:化学工业出版社,2006 4.杨友麟. 实用化工系统工程. 北京：化学工业出版社，1989 5. Rudd D F, Process Synthesis, 1973 6. Linnhoff B, User Guide on Process Integration For the Efficient Use of Energy, 1982, 1994 7. Douglas J M, Conceptual Design of Chemical Processes, 1988,从过程系统工程中能学到什么?,学习(或学完)一门新课时，思考一些问题,我能学到什么?,我有什么收获? 未来的影响,引言,课程名称（英文）： Process System Engineering (PSE) Chemical System Engineering,一、化学工程与化工系统工程,化学&化工？,化学工程&化学工艺？,1. 化学工程的发展简史 20世纪初 - 20年代，化学工程学科的诞生 里程碑MIT化工原理的问世 20世纪30年代 60年代，化学工程学科快速发展 里程碑7个二级学科的诞生（反应工程、分离工程、 传递过程、化工热力学、化工单元操作、化工系统 工程） 学科传统精髓： “三传一反”(?) 20世纪70年代90年代，化学工程学科大大拓展 里程碑生物化工、材料化工、环境化工、微电子 化工等交叉领域的延伸. 新发展： 三传一反+X 21世纪初，化学工程学科的深化（X) 里程碑时空多尺度化学工程的探索(分子尺度、微 观纳米尺度、介观毫米尺度、宏观厘米尺度、设备 米尺度、装置十米尺度),大师语录,郭慕孙 (1920-)，男，广东省潮州市人，中国科学院院士， 化工冶金研究所 名誉所长, 化学工程专业.,化学工程经过归纳、综合和与其它知识的交叉，形成了以传递和反应为主且还在不断发展的三传一反+X的学识基础. 这一学识基础的应用对象已远远超出了化工起家时的化学产品，覆盖了所有物质的物理和化学加工的工艺， 将化学工程提升至过程工程。 -郭慕孙,引言,2.PSE在化学工程与工艺专业课程体系中的地位,化学工程与工艺(专业课),反应工程,分离工程,化工热力学,化工系统工程,化工工艺学,reactor,process,separation,energy,Simulation Design Optimization Process Synthesis,服务,产品,原料,化工原理,3 transfer,Overall,Principles of Chemical Engineering,To be discussed in detail .,引言,二、课程特点与面临的困难 1、课程特点： 全局的观点（与单元操作不同） 定性与定量相结合 学科交叉（技术、经济、社会，数学、计算机等）； 2、教材： “理论与实践” ，深度、两届学生的反应及其他 3、课时：较少，与其内容与重要性不匹配 三、对策 1、课堂学习-注重方法、了解思想、记好笔记（现有课本、课件为主） 2、课下复习-因人而异、适当筛选 (参考书：4+3本） 3、突出重点、效率优先、学以致用 4、关于考试（历届情况、本届的方法:闭卷考试分数为主，兼顾平时）,（如何使用教材？）,第1章 绪论, 系统 系统工程 过程系统工程 过程系统工程的有关基本术语 过程系统工程主要研究内容 过程系统工程研究的四个基本问题（具体化） 过程系统工程的应用 系统优化的灵敏度分析,什么是系统?,1.1 系统,涵义：一定条件下完成一定功能或实现一定目的，由若干互相联系、互相影响的部分要素组成的整体。灌溉系统（水泵、管路、喷嘴）、精馏系统、计算机系统。系统（考察对象）大小的相对性：小系统、大系统。 哲学观点：所谓系统就是由相互作用的要素组成的具有特定结构、功能的有机整体。,系统f (组成要素，结构，功能，环境）,什么是系统工程?,1.2 系统工程,系统工程是“组织、管理系统的规划、研究、制造、试验、使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的科学方法”。 -钱学森 定义：从全局的观点出发，用定量和定性相结合的方法，从技术、经济、社会的角度，对一个系统作全面的模拟、分析、评价、优化和控制（常见）。 研究内容：研究解决系统问题的方法，而不是讨论构成系统的基本单元的基本原理、规律和特性。,系统工程与钱学森,二战时的运筹学，1950年代MIT开设系统工程课程 1978年9月27日钱学森等在文汇报发表了组织管理的技术系统工程 “两弹一星”,2008年9月28日,什么是过程系统工程?,1.3 过程系统工程,过程系统：为达到某种物质和能量转换目的，而由过程单元按一定 结构关系构成的统一体称为过程系统。是以物流为加工对象的、区别于机械加工生产“元件”的系统。 （化工、冶金、水泥、合成氨、炼油、材料等） 过程系统工程：是系统工程的一个分支，其研究历史晚于系统工程，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。（较教材p1上更准确） 过程系统不仅仅指传统的化工过程系统，它涵盖了整个这一类型的过程网络，如化工、冶金、材料、生化、医药的生产过程。(拓展:经营/管理和决策),过程系统工程是一个交叉学科,化学工程学 信息论 控制论 应用数学 运筹学 ,过程系统工程的核心思想,过程系统工程的核心思想,全局 优化,过程系统创新！,关键：如何通过优化的单元构筑优化的系统？,过程系统工程的产生与发展沿革 20世纪初，过程系统开发一般采用逐步放大法。从小实验开始，经过许多的中间试验才形成工业规模的生产,费时、费力、费财。 30年代：“相似”原理。借助一系列“准数”用相似模拟的方法实现过程单元的放大问题半经验方法-数学模拟放大的方法（建立在对机理了解基础上进行合理简化)而得到的数学模型，但未能达到真正实用的阶段（计算手段限制）。,1946年，随着世界上第一台电子计算机的发明以及应用数学理论、方法的发展，为数学模拟提供了良好的工具。 50年代起，非线性方程组的求解及最优化已不再成为障碍。而化学工程本身的深入发展，“三传”、“一反”的归纳，使化学工程学的理论研究达到了空前的水平，利用数学模型实现高倍数放大成为现实。 70-80年代,电子计算机技术进步,过程系统工程应运而生：着眼于对整体工艺系统的模拟、优化、设汁、控制，产生了综合运用多学科研究成果的过程系统工程学:涉及化学工程、系统工程、应用数学、过程控制论等学科的边缘科学。同时,形成了一大批化工过程模拟软件。 (范例：80年代台北的黄华南：乙烯裂解、石油炼制等几十套工艺优化 ，p6 丙烯二聚法生产异戊二烯，直接放大17000倍) 国内知名专家：成思危（原副委员长）、陈丙珍院士、扬友麒、韩方煜教授等,1.4 过程系统工程的部分常用术语,（1） 系统（system) ：一定条件下完成一定功能或实现一定目的，由若干互相联系、互相影响的部分要素组成的整体。 （2） 子系统(subsystem) （3）环境(environment)：研究某种问题时所考虑的系统以外的部分即视作环境。在进行系统模拟时，一般仅需模拟预测系统的状态和输入输出关系，而环境的状态多作为设定的条件考虑。 （4）过程、化工过程(process)：使物料发生物理的、化学的变化的一系列操作或处理步骤，或物料被加工的一段经历称为过程。 （5）过程系统(process system) 以物流为加工对象的、区别于机械加工生产“元件”的系统。例如化工、石油化工、冶金、造纸、水泥等等制造系统。过程系统的原料变化通常不仅仅是外形尺寸的变化。 （6）状态、系统状态(state) 对过程系统而言，其状态通常指温度、压力（压强）、流量、液位（界面高度）、组成、相态等宏观指标。,（7）决策变量、设计变量、状态变量 系统的决策变量及设计变量（decision variable）是指可人为选择或控制，用以改变系统状态的变量。决策变量的个数称为自由度其选择往往受到一定约束条件(热力学，动力学或过程、设备条件)的限制。状态变量（ state variable） 是当决策变量或设计变量给定后，由于过程本身的物理规律所限而被确定、无法人为改变的量。 （8）系统的输入量（input）与输出量（output） 系统数学模型中涉及许多描述系统特性的变量。变量中有些是已知的或选定的、有些是未知的或待定的。数学模拟的过程就是利用模型由选定的量计算出待定的量，或说由模型的输入量计算出模型的输出量。通常模型的输入量也对应着决策变量或设计变量，输出量也对应着状态量。,（9）过程模拟(process simulation) 用表示系统内各装置特性的数学模型(物料平衡、热量平衡、热力学平衡和设备设计方程等)以及表示各装置间结合关系的数学式，表示过程系统的特性。然后求解。 （10）过程模拟系统（Process Simulation System ） 又称工艺流程模拟系统，指的是一种计算机辅助工艺设计软件，这种软件接受有关化工流程的输入信息，进行对过程开发、设计或操作有用的系统分析计算。,1.5 过程系统工程基本任务与内容,任务：充分利用化工生产涉及的基本规律改进实际生产过程，以达到在化工生产的规划设计、操作运行、控制管理、采购与销售的各个环节合理化、最优化的目的，提高化工装置的生产效率和经济效益。 内容：主要包括系统分析、系统综合和系统优化三部分,简称ASO。 系统分析是对指定的系统结构与参数，描述或确定系统的状态与功能。通常是给定系统特性和系统输入，预测系统的状态和系统输出。 系统分析一般又含下述三