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过程系统工程的发展和面临的挑战摘 要：过程系统工程是研究化工过程整体特性的一门学科。它用系统工程的观点和方法来研究化工过程的开发、设计、最优操作和最优控制，对化工技术人员具有广泛的指导意义。本文对这门学科的发展沿革做了简略回顾，然后对这门学科所做出的贡献和差距、存在的问题进行了探讨，最后指出过程系统工程在21世纪所面临的挑战及发展机遇。关键词：过程系统工程；发展历程；存在问题；发展机遇Abstract：Process systems engineering is the chemical process overall characteristic of a subject. it uses the following views and approaches to the chemical process of development, design, the operation and the control of chemicals and technical personnel have broad guidelines. this article on the subject of the development of the people made a brief review on this subject, and made contributions and disparities and problems in that process, the following in the 21st century is the challenge and development opportunities.Keywords：Process systems engineering; development history; existing problems; development opportunity前言过程系统工程（Process Systems Engineering,简称PSE）是一门正在迅速成长的现代交叉学科，它是在系统工程、化学工程、过程控制、计算数学、信息技术、管理科学等学科的基础上产生的一门综合性学科 ,它以处理物料流能量流信息流资金流的过程系统为研究对象，研究其设计、控制、运行和组织管理，目的是在总体上达到最优化。过程系统的工业背景就是化学、冶金、制药、食品饮料、造纸等流程加工的过程工业。过程系统工程在我国建设循环经济、节约型社会，改善我国能源利用，以及在我国工业企业信息化方面均起着不可替代的重要作用。目前,国内一些高等院校相继建立了系统工程学科,并为本科或研究生开设了相应的系统工程课程1。过程系统工程概论是土地资源管理专业的一门专业基础课，是以一般系统为研究对象，以现代系统理论和方法为主要内容的一门新兴的管理工程技术课程2。本文从战略的角度对过程系统工程的历史发展、现状及今后展望提出一些看法,以其对今后的学习和相关研究应用工作起到帮助和指导作用。1.过程系统工程发展现状1.1过程系统工程的贡献(1)过程系统工程向微观系统延伸,为新产品开发做贡献20世纪80到90年代化学品的市场结构发生了根本的变化，具有特殊性能的个性化专用化学品的市场份额已超过50%。许多大型跨国公司(如DuPont、BASF、ICI等)销售的产品中，聚合物、结晶体或无定型固体产品占60%以上,其利润贡献率则更高,成为主要利润来源。这类高附加值化学品功能之所以特殊，不是在于其化学成分，而是在于其微观纳米及形态学结构。这种产品开发的关注点与传统大宗化学品也不同，不是如何节能降耗使生产成本下降，而是“谁第一个投放市场”，这是由专用化学品生产的批量小、寿命短的特点决定的。这就迫使过程系统工程关注点从常规尺度的“过程系统”向微观尺度转移，从而产生“产品工程学”(又称“产品设计”)。产品工程研究的核心是结构性能关系。这种研究可粗略分为两大类3:分子产品工程。找寻复杂分子结构分子活性关系，如药物、溶剂、生物分子等，其主要工具是计算机辅助分子设计CAMD及CAMbD等。配方产品工程。找寻形态结构产品性能关系，如催化剂微孔结构/活性成分配置/反应活性的关系；结晶粒度/晶体粒度分布/涂料特性关系；缓释药片的颗粒形状尺寸/在人体中溶解速度关系等，其工具是介观模拟技术(指10到1000 nm)。此外,还有微化工系统制造技术，例如以Mi-croreactor为核心的微化工厂技术已进入商业化应用阶段，人们正在用这种微化工厂生产常规装置难以生产或生产效率很低的产品，例如，高危险(剧毒)化学品的生产。这类微化工系统的设计方法正是过程系统工程研究的课题4。(2)过程集成(Process Integration,PI)为现有生产设备的强化、工艺流程简化及节能降耗提供理论方法及工具近30年来过程系统综合方面的重大突破应属针对能量回收系统优化的换热器网络(Heat Exchanger Network,HEN)集成的夹点分析方法及为了节约资源减少排废的系统集成方法质量交换网络(Mass Exchange Network,MEN)方法。20世纪70年代由英国的Linnhoff和日本的梅田富雄各自独立提出“夹点分析方法”后，80年代在化学工业得到广泛应用5。以BASF公司的Ludwigshafen工厂为例，从1982年起在全厂推广应用热夹点技术，到1985年产量提高了26%，而同期能耗下降了27.3%，即生产单耗下降了32%。这虽然不能完全归功于夹点技术，但至少有25%应算夹点技术的功劳6。到20世纪90年代这种方法不仅用于节能改造，而且用于节约氢气利用、减少CO2排放、战略投资规划等，获得了巨大的经济效益。20世纪90年代初成立的Linnhoff March咨询公司，到2000年已完成800多个夹点技术应用项目，其中有70个全厂集成项目。经验证明这种全厂集成研究可以节省能耗5%到20%，如果引入燃气透平实现热电联产，节能效果可达30%5。在HEN的夹点技术取得显著成功的基础上，这种方法开始向MEN推广。1989年EI-Halwagi和Manousiouthakis首次提出这个概念并用组分浓度累计交换质量坐标表示富集流股和贫流股之间质量交换。1994年Wang和Smith提出了直接计算最小新鲜水用量的目标值方法，并用这种方法找到最佳回用水方案。1999年英国的UMIST大学又将用于换热器网络分析的夹点技术转移到氢资源的优化配置上来，提出“氢夹点分析” 7。近年来更一般化的“性质夹点分析”也出现了。在MEN解决方法和工具的研究中，围绕节水减排的水网络优化最为活跃，取得的成果也最多。这是因为节水减排是一个世界性的课题，对中国这样的缺水国家尤为重要。传统的PI是基于单元操作的过程集成，经过20年左右，到20世纪90年代有了新的发展，可称之为“深度集成”，即在更加基础的层次上来构建需要的过程，把过程看成是建立在“三传一反”基础上的集成。这种思路使我们不仅可以合成新流程，而且可以创造新的效率高得多的单元操作。反应精馏就是一个很好的例子。在反应精馏过程中把有共沸特性的混合物放到适当的反应精馏塔中，不仅可使分离效率超过相平衡限制(理论板效率100%)，而且使原来一个反应器后面很长的分离塔序列的流程大大简化，设备个数减少，原料利用率提高。例如,生产醋酸甲酯，传统生产需要7个工序,而用反应精馏则变成一步完成,不但降低了投资,而且节能70%,操作性也得到改善1Doherty和他的学生提出把反应精馏问题转化到一个空间，使其看上去就像一个标准普通精馏一样。Lee和Westerberg开发了图解法解决反应精馏的设计问题8。Mehta和Kakossis提出一种新的反应器系统设计方法，它立足于通用反应器及相互连接的流股网络构成的超结构，在研究传质和传热的各种可能安排的基础上，找寻最优化的结构。这种方法的优势可用以下案例来显示:丁酸氯化时生成-一氯丁酸(MBA)和无用副产物-二氯丁酸(DBA)的反应器,目标是使MBA的转化率最大化。用常规反应器(逆流填充床、搅拌槽反应器和鼓泡塔3种)最大转化率不超过73.8%,而用网络超结构模型模拟的新反应器，转化率可达96.9%,体积也会小一些。(3)为过程工业企业的优化运营、特别是商务决策提供理论指导及工具一个企业的运营优化涉及到跨业务部门、跨地区、跨决策层次的决策过程的信息集成与协调。跨业务部门指的是采购、仓储、制造、配送、销售等；跨地区指分布在不同地理位置上的组织:分厂、供应商、市场等；跨层次指的是:战略决策、战术决策及操作决策。前二者需要空间集成，而操作决策则着重时间集成(实时优化) 9。20世纪在操作决策方面已取得了实用化的进展。通过20世纪80到90年代的计算机集成制造系统CIMS和21世纪的制造执行系统MES的推广应用，在一个制造工厂的围墙内的操作决策层面上的优化的成功案例已越来越多。这种成套技术基于以下一系列技术的集成:实时数据库数据校正先进控制(多变量预估控制MPC)基于严格模型的流程模拟大规模代数微分方程组(如10万个变量的方程组)的优化计算方法。在它的上方应当与计划/调度优化系统集成起来,但这方面实时技术尚不够成熟，还处于研究阶段。根据IT供应厂商提供的数据，这个层面上的实时优化的效益是很高的:一个45万t/a的乙烯厂或一个600万t/a的炼油厂的实时优化的效益可达2 000万到4 500万元/a10。据报道,一个企业仅由先进控制/实时优化，每天可获收益达20万美元。(4)为企业全球化的供应链管理优化,提高企业竞争力做贡献11众所周知，到20世纪末由于全球化的发展，企业之间竞争已转化为供应链之间的竞争。因此，要使自己的企业在竞争中取胜，就必须优化供应链管理，使对客户需求的响应更快，物流及资金流周转更快，在供应链中将不增加价值的环节减至最少，操作成本降到最低。例如像陶氏(DOW)化学公司在全球生产70 000种化学品，有1 000万雇员，22 000亿美元的年销售额,要是没有强有力的供应链管理系统作支撑，从运行层计划层战略层进行分层次管理,这个庞大的企业是难以运行的。PSE的贡献在于为大型石油化工、钢铁、制药等企业的大批量客户化(Mass customization)生产提供理论指导，为其3个层次上的优化决策提供模型化的定量依据。其中比较成熟的是生产计划及调度优化技术，例如中国石化股份公司采用AspenTech公司的工具软件Aspen PIMS和Aspen MIMI，对全公司的供应链进行了4个方面的优化:原料石油的采购优化；原料油的配送优化；成品油的配送优化；总公司及各地区分公司生产计划的优化。总部建立的多厂计划优化MPIMS模型涉及66种原料、20个炼油厂、46个市场地区(20个省市)，由于每年加工原油的采购金额达300亿美元以上，如果优化结果节省1%,效益就十分巨大12。又如Procter&Gamble公司的北美供应链项目，采用整数规划、网络优化、地理信息系统GIS等先进工具来提升美国地区的制造及配送运营效率,其供应链网络包括50个产品线、60个工厂、10个配送中心、几百个客户群地区，经过计算表明:80%的生产厂根本可以不用进入P&G的配送网络,应该直接供应客户，这样每年可以节省2亿美元。英荷壳牌公司SHELL和i 2公司合作开发了GMOS/NetSim(Global Manufacturing and Optimization System/Network Analysis and Supply Chain Optimization System)针对天然气、炼油和化工三大业务,从横向和纵向2个方向集成供应链管理。这个工具包曾用于公司的全球树脂供应链,模型包括8个市场需求地区、12个制造现场(包括35条生产线)，120种树脂品牌，有1 500个约束和每时间周期5 000个变量13。(5)绿色过程系统工程为过程工业企业的环境保护、责任关怀及可持续发展做贡献自从1992年联合国环境与发展大会签署了“关于环境与发展的里约热内卢宣言”之后，过程工业面临的一系列可持续发展的挑战就提上日程，它们是:防止环境污染,实现清洁生产；发展循环经济，节约资源利用；“绿色壁垒”与国际竞争；责任关怀，改善企业形象。PSE正在从以下几个方面做出贡献14:绿色过程系统的模拟与分析。包括微观层次的绿色产品开发和反应路径的综合(原子经济反应)；介观层次的绿色制造流程模拟及宏观层次的生态经济系统热力学分析。绿色过程的评价指标体系。不同的学术团体/科学家从不同的角度提出各种环境评价指标，形成各种不同的评价体系。在宏观评价时用的是环境性能指标,而对制造过程评价时用的是过程筛选指数,现在还没有统一的公认体系可循。绿色过程系统的集成(设计)。现在要求在概念设计阶段就考虑环境影响,因为如果在概念设计阶段解决某个环境问题花费1元钱，在详细设计阶段时就得花10元,到制造施工时再解决就得花100元，到工厂建成投产后再解决就可能需要1000元。多目标优化算法。传统的优化目标是单一的经济效益，而可持续发展要求考虑的目标至少是二元的(如经济效益最大,排废量最小)，有时甚至是多元的目标函数，这就要求发展多目标优化算法。过去的多目标优化算法总是用各种办法将多目标转化成单目标，直到20世纪90年代各种多目标遗传算法才陆续开发出来15。1.2存在的问题(1)在微观领域方面虽然CAMD基于量子力学有了很好的进展，但针对配方产品设计的方法和工具就差了很多，研究形态结构产品性能关系的方法和工具成为薄弱环节。至于将分子尺度与介观尺度的微观集成设计则更没有解决。虽然纳米电子元件加工及以微反应器为核心的微化工厂技术已经实用化，甚至步入商品化的阶段，但这种微过程加工系统的设计和集成的方法及理论尚落后于实践，缺乏一套系统的理论方法。(2)现代过程工业企业的集成及强化进展缓慢除了信息技术的应用,使工厂在自动化、信息化方面面貌一新外，过程工厂从流程到设备面貌变化不大。有一些过程设备已沿用了几十年、甚至整个世纪并没有根本变化。我们如果审视一下制造工业部门,就会发现石油化工、冶金、造纸等行业的生产面貌变化不仅赶不上电子行业，比起汽车制造行业也差了许多，可以说是生产面貌变化得最缓慢的制造部门之一。(3)在制造过程层面上的优化技术尚满足不了生产需要目前的实时优化实用技术是基于稳态模拟模型的，但工厂操作经常处于各种干扰之下，而动态模拟的实时优化尚处于科研阶段；在多时间尺度优化集成方面,长期战略(按年度)优化中期计划/调度(按月、周)优化短期控制(时、秒)优化还需要解决协调问题；如何解决不确定性对优化解的影响还有待进一步研究；虽然间歇过程在特种化学品、精细化工中越来越多地应用，但我们对其规律性的理解远远不如对大宗化学品的连续过程，间歇过程系统工程发展相对滞后。(4)过程工业的供应链效率比起其他制造业(例如汽车)明显偏低从以下几个数据可看出这一点,整个供应链上仓储货量通常为年需求量的30%到90%,经常有4到24周的最终产品价值压在链途上；供应链的循环周期为1000到8000 h,其中只有0.3%到5.0%涉及增值操作；原料利用率很低，只有少量原料真正进入产品(在精细化工和制药工业中只有1% 到10%)。因此，过程工业企业的供应链管理应该有很大的提升空间11。(5)过程工业信息化急需过程系统工程的理论指导过程系统工程长期以来集中于“制造过程”，把“过程”扩展到“管理过程”是近些年的事，但随着信息化的快速进步，这就使企业管理越来越要求快速响应、实时化,信息技术本身完全可以支撑这种要求，但PSE提供不了相应的方法及工具，成为薄弱环节。过程系统工程原来应当是过程工业信息化的指导理论，但由于这方面的滞后影响了该作用的发挥。(6)可持续发展的要求呼唤着绿色过程系统工程在绿色过程系统工程这方面还处于起步阶段,还没有提出新的、为工业部门普遍接受的绿色过程系统设计方法,以满足新厂建设和老厂改造的需要。当前只是有一些顶级的跨国公司各自采用了一些自己认为合理的方法,作为公司规范来推广应用。坚持不懈地开展PSE技术的研究与应用,是中国石化可持续发展的内在要求与必然选择16。2.过程系统工程面临的挑战和机遇在新世纪开始之际，人类社会即将进入以知识经济为主要社会经济形态的知识社会。知识经济是以知识为基础的经济，它直接依赖于知识的生产、分配和应用。从经济角度看来，知识经济有以下4个特征17:以知识为基础的产业在产业结构中占主体地位；知识在经济增长中起主导作用；知识对生产力的构成有关键性的影响；与知识有关的项目在成本中占有很大比重。近年来迅速发展的经济全球化也将为促进知识的扩散及应用创造有利的条件。在这种形势下，过程系统工程的发展面临着以下一些重大的挑战和发展机遇。2.1日益严格的环保和节能要求为了争取实现人类社会的可持续发展，对保护环境和节约能源的要求日益严格。化工、钢铁、有色冶金、建材等过程工业既是主要的环境污染源，又是耗能大户，在环保和节能两方面都受到巨大的社会压力。这就要求过程系统工程不仅在技术和经济上实现优化，还要在环保和节能方面实现优化。从我国当前的情况看来，大气、水系及土壤的污染情况都相当严重，我国对温室效应、臭氧层破坏及荒漠化等全球环境问题也负有义不容辞的责任。我国每万元的GDP能耗远高于发达国家，为此我国政府在“十一五”规划中提出了将每万元GDP能耗降低20%的目标。我国人均水资源的拥有量不足世界平均值的1/4，而且分布很不均衡。因此我国过程系统工程的研究应当与循环经济相结合，分类处理，循环利用，包括实现废物资源化及逆向生产系统(Reverse Production Systems)，逐步实现“零排放”；在节能及节水方面应进一步研究用夹点技术、数学规划及热力学分析等方法来优化能量交换网络和水网络，开发出实用的技术。笔者在2003年就提出发展绿色过程系统工程,这几年已有了一些进展18，正在绿色化学化工、工业生态学、生态工程、环境科学与工程及过程系统工程的交集上形成新的学科分支。事实上，已经有人试图将过程系统工程的技术及方法用于公用工程的运营及控制。2.2过程系统工程需要从科学理论上进行指导随着经济全球化的发展，企业面临着国内和国际的竞争，必须努力提高其经营绩效,过程系统工程的研究目标也从技术优化向经济优化发展，管理和控制的结合日益紧密，过程系统工程的研究对象也逐渐由生产过程系统扩大到整个企业，即不仅包括生产过程，还包括采购、运输、仓储、生产、包装、配送、销售等环节，以及财务、人事、研究与开发等管理职能。其研究重点是系统各个层次的组成及其组元之间的相互联系和作用，以便能够将系统进行综合集成，按照一定的目标体系实现整体优化。企业是一个由许多紧密联系并相互作用的单元所组成的、具有不同层次结构和功能结构的与外部环境有物质、能量及信息交换的、不断发展变化的系统，而有关物质、能量、资金、人员等方面的情况都可以化为信息来处理。故可以将有关企业系统各部分及其相互联系的信息综合集成起来,构成一个虚拟的企业系统，通过人机交互的方式在计算机上对其在不同条件下的运行情况进行模拟，从而得出能实现整体优化的方案。这就要求过程系统工程从只着重研究生产制造过程(硬件)转向研究经营管理过程(软科学)，甚至要熟悉金融财会，只有这样才能在21世纪通过指导企业信息化、增强企业竞争力的实践中发挥重要作用。过程系统工程与管理系统工程相结合无疑是今后的一个发展方向。2.3适应原料来源多样化的趋势发展过程系统工程随着优质化石资源储量的减少和价格的上升，低品位资源的利用和替代资源的开发已经提上日程。特别是最近石油价格的飞涨，促进了煤化工及生物能源的发展，例如煤的直接液化、间接液化(气化后再制油、甲醇、二甲醚等)、纤维素及半纤维素的发酵、生物燃料的开发等，都给过程系统工程的研究提出了新的课题。从利用化石能源转向可再生能源已成为21世纪化学和炼油工业的发展趋势，美国要求到2020年液体燃料和有机化学产品的原料中可再生原料(主要是生物质)所占比例分别达到10%和25%，我国也开始发展生物炼油厂，这无疑会给PSE带来新机遇。2.4过程系统工程向微观领域延伸及开发快速反应、机动灵活的生产系统随着客户需求的多样化发展及品牌的竞争日益重要，不仅要求精细化工产品要实现小批量、多品种灵活制造，在传统的大批量化工、冶金产品中也需要满足用户的某些特殊要求，实现大批量定制化生产。这种生产模式的转变正促使过程系统工程朝2个方面发展:一方面要求过程系统工程要关注产品创新的相关技术，如产品工程、分子设计、组合化学、微化工技术、纳米技术等,有人指出:下一代的加工制造技术将是“分子工厂”，这就导致微化工系统工程(特征尺寸为微米) 19及纳米过程系统工程的发展；另一方面还要研究实现生产过程灵活组织和调度的技术，以实现对市场的快速反应,有人提出“自适应工厂”就是这种新概念工厂。2.5 “综合集成，整体优化”是过程系统工程的新潮流过程系统的综合集成是指将过程系统硬技术系统和软技术系统结合起来，形成合理的层次结构及功能结构，使系统能适应环境而发挥最优的功能。综合集成应当包括三方面的集成20:一是系统内部的集成，二是系统与环境的集成，三是系统内外的有关信息与人的经验知识的集成。所谓整体优化是指为达到系统的整体战略目标而合理地配置系统的资源。企业系统的整体战略目标包括三类:一是企业利益目标，例如增长速度、利润、劳动生产率等;二是用户利益目标，如价格、质量、交货期、售后服务等;三是社会利益目标，如保护环境、社会服务等。这三类目标是密切联系的，而且随着社会的进步和经济的发展，后两类目标的重要性将日益增加。整体优化是系统优化的核心。这个最优化的追求，正是反映了唯物辩证法认识世界和改造世界的价值观和目的性。随着科技进步及当今世界绝大部分国家日益卷人工业化过程，人类的各种活动正在破坏其自身生存所必需的大自然平衡。由于人类有增无减地施加作用于自然界，导致了一系列全球性生态问题的出现，如人口问题、资源问题、环境问题。这就提出了把地球作为一个大系统，研究它的开发利用，对人类最有利而损失最小确保人类最优地生存下去。人类的一切活动都要服从这一整体目标。综合集成，整体优化正是这一思想的体现。挑战孕育着机遇,过程系统工程在迎接上述五方面挑战的同时,将不断扩展自身的研究领域并发展各种技术和方法,为我国过程工业的发展提供理论指导和使用工具,必将发挥更大的作用。3.结束语过程系统工程作为一门新兴的工程学科分支已经历了初创、成长的阶段，正进入扩展的时期，从研究的领域到研究的方法都还在动态发展中。我国在这个领域起步并不晚，随着可持续发展的要求和循环经济的发展，建设资源节约型社会的推动，过程系统工程必将迎来蓬勃发展的春天，发挥越来越大的作用。这个年轻的技术科学分支正期待越来越多的、有眼光有才华的青年一代来加盟，把我国的过程系统工程事业推向世界的前沿。参考文献：1 谭跃进,覃炳庆.钱学森的系统工程学科专业教育思想J.高等教育研究学报, 2007,30(2):2-42 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