化工系统工程绪论

化工系统工程(ChemicalProcessSystemsEngineering),主讲教师:都健王瑶,1、教学安排及要求（1）学时：32h2学分（2）成绩评定：,期末考试：80分,课程论文：20分,2、教材（1）过程系统工程（华东理工大学出版社，2009年6月）姚平经主编（2）化工过程分析与综合（大连理工大学出版社，2009年1月）都健主编姚平经主审,第1章绪论,1.1过程系统工程的发展历史和研究内容1.1.1过程系统工程的发展历史（1）化工过程化工过程是指用适当的原料经过一系列物理单元操作和化学反应的单元过程而转化为合乎需要的产品的过程。,（2）过程系统工程（PSE）以处理物料-能量-资金-信息流的过程系统为研究对象，其核心功能是过程系统的组织、计划、协调、设计、控制和管理。目的是在总体上达成技术及经济上的最优化，以符合可持续发展的要求。（1961年AIChE讨论会论文集上第一次用到PSE,ProcessSystemsEngineering),20世纪60年代初，产生和发展时期。产生的基础是化学工程、系统工程、运筹学、数值计算方法、过程控制论及计算机技术等学科。,（3）发展历史,20世纪60年代末至70年代末，产生和发展的理论准备时期，是学术酝酿期。明确了学科范畴为过程系统的分析、过程综合和过程控制。,20世纪80年代末至90年代末，成长时期。一方面计算机应用的普及，研制出化工流程通用模拟系统。另一方面，石油危机，节能降耗。学术理论走向工业应用。,新世纪开始至现在，扩展时期，研究范围和研究内容都在扩大。,20世纪90年代，环境问题的突出，“绿色过程系统工程”。,1.1.2过程系统工程的研究内容,（1）基础部分过程稳态模拟过程系统优化过程系统综合与集成过程动态分析与控制,（2）扩充部分面向过程工业的经营管理系统工程，如：计划与调度计算机集成加工系统供应链管理,1.2基本概念（1）过程系统(Processsystem)过程系统是对原料进行物理的或化学的加工处理的系统，它由一些特定功能的过程单元按着一定的方式相互联结而组成，它的功能在于实现工业生产中的物质和能量的转换。“过程系统”的含义已不局限于生产工艺过程，而逐步延伸到经营管理业务和决策过程供应链的优化（Supplychainoptimization)。,（2）过程系统模拟分析（Analysis),指定的输入,待求的输出,从传统的过程系统扩展到联合装置，整个企业，甚至于一个地区的工业生态系统，向巨型系统发展。,为了研究过程机理和产品设计，微观尺度的原子/分子模拟用来洞察分子结构与宏观性能之间的定量关系。,过程系统模拟的一般步骤有：,（a）需要立足于坚实工程实践基础上的创造性思维，明确研究目标和预期结果；,（b）建立数学模型：根据问题定义，写出相关衡算方程和过程机理关联式，作出可行的假定，进行必要的实验室实验和获得有关工程数据；,（c）选择计算方法和策略或计算机软件；,（d）对模拟结果合理性的评价：模拟结果是否已恰当的表达了实际过程并进行正确的解释，研究各种备选方案，提出修改，更新和完善措施。,（3）过程系统优化（Optimization),过程系统优化是实现过程系统优化设计、优化操作、优化控制和优化管理的数学手段。,最具代表性的方法是数学规划法。数学规划法把过程系统优化问题表征为目标函数和一系列等式、不等式约束的多变量数学模型，然后采用适宜的算法获得问题的最优解或近优解。大规模的非线性规划和混合整数非线性规划问题。,算法主要有两类，一是基于梯度寻优的确定性算法，另一是进化算法（智能算法），如遗传算法等。,多目标优化：经济、环境和可操作性等,多目标优化问题极少存在绝对最优解，而是存在一个非劣解集（pareto解集），即其中每一个解在不牺牲其它子目标性能的前提下已无法再改进单个子目标性能。对于多目标优化问题，首先寻求非劣解集，然后由决策者按着各目标的重要性或优先程度选择最佳折衷解。,（4）过程系统综合(Synthesis)与集成（Integration),给定的或可选择的输入,所要求的或希望的输出,过程系统综合是指按着规定的系统特性，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；是过程系统设计中最具创造性的步骤。,包括两种决策：一是由相互作用的单元/子系统之间的拓扑和特性而规定的各种结构替换方案的选择，另一是组成该系统的各个单元/子系统的替换方案的设计。,从数学上讲，第一个决策可表示为整数规划问题，第二个决策是非线性规划问题。,综合方法：(a)直观推断法(Heuristic)(b)调优法(Evolutionary)(c)分解法(Decomposition)(d)结构参数法(Structuralparameterapproach)(e)人工智能(Artificialintelligence),过程系统综合的主要课题：（a）反应路径的综合（b）反应器网络综合（c）换热器网络综合（d）分离序列综合（e）公用工程系统综合（f）控制系统综合（g）全流程系统综合（h）过程系统能量、质量集成,过程系统集成是从过程系统设计的整体考虑，综合利用物质和能量，将物质流、能量流和信息流整体优化，找到理想的过程系统。,过程系统集成包括能量集成和质量集成两个主要方面，相伴随的是信息集成。,过程能量集成是以合理利用能量为目标的全过程系统综合问题，把反应、分离、热回收和公用工程子系统一体化地考虑能量的供求关系以及过程结构、操作参数的调优处理，达到全系统能量的优化综合。,质量集成考虑物质的总体分配，包括过程中物质的利用、循环、截断，流股的分割、混合等，涉及把所有物质转化为最有价值产物的路径，有效的生产理想产品，使副产物和废物最小化。,1.3本课程的研究方法和特点,特点：系统的方法论、研究对象为一个整体、优化的思想。,过程系统进行科学研究的方法：,第一步，建立过程系统的数学模型，或运用已有模拟软件，进行数学模拟；,第二步，整理计算数据，与已有的物理化学实验数据或生产数据作偏差对比，从过程机理与数值计算角度解释和分析偏差产生的各种影响因素，并给予修正，直到满足允许误差的要求。,第三步，采用已确认的数学模型进行模拟，作为过程系统的优化和综合研究的基础。,2过程系统稳态模拟,2.1基本概念目的：研究化工系统整体稳态特性。模拟(Simulation)：用一能反映研究对象本质和内在联系，与原型具有客观的一致性，且可再现原型发生的本质过程和特性的模型，来研究和设计原型过程的方法。A复杂B简单预测A（以B的行为模拟A的行为，从简单的预测复杂的。）,实验模拟：采用实验模型装置进行研究。数学模拟：采用数学模型进行研究。建立数学模型模型化求解数学模型模拟,2.1.1过程系统的数学模型1）数学模型概念把与系统有关的数量关系归纳为反映系统机理与特性的数学方程组。2）建立数学模型的要求和规则对描述对象本质的深刻理解，方程包括：物料衡算和能量衡算方程；物流局部微元的“基本”过程方程；各种过程参数间理论的、半经验的或纯经验的关联式；对过程参数的约束。,3）数学模型的分类（1）稳态模型和动态模型稳态模型不含时间变量；动态模型参数随时间而变，包括时间变量。（2）机理模型和“黑箱”模型（经验模型）机理模型根据一定的理论和方法，对过程的机理进行研究而建立的模型；“黑箱”模型根据过程输入、输出数据，采用回归分析方法确定输入与输出数据的关系而建立起来的模型。,（3）集总参数模型与分布参数模型集总参数模型过程变量不随空间坐标而改变，如理想混合反应器。分布参数模型过程变量随空间坐标而改变。（4）确定性模型和随机模型确定性模型输入与输出存在确定关系；随机模型输入与输出没有确定关系，且时间是一独立变量。,2.1.2系统的自由度分析,1）自由度分析目的：正确地确定系统应给定的独立变量数，避免方程无解。,自由度（degreeofFreedom)：,ND0不定方程组，有无穷个解ND0过度设定，形成矛盾方程，割除冗余方程ND=0正确设定，方程组有唯一解,设计变量：预先赋值的变量（ND个）状态变量：除设计变量外的变量(NEquations个),状态方程：NEquations个方程,实例:混合器,独立方程包括,压力平衡方程:,物料衡算方程:,热量衡算方程:,F1,P1,T1,x11,x21,xc-1，1,F2,P2,T2,x12,x22,xc-1，2,F3,P3,T3,x13,x23,xc-1，3,混合器的独立方程数：,混合器的自由度：,说明：两独立流股混合过程的自由度为两个独立流股自由度之和。如果混合器有S个输入流股，则自由度为S(C+2)。,例：苯甲苯混合器,m=12n=4d=8,2）设计变量的选择（1）所选择的设计变量间是相互独立的；（2）应使模拟问题的求解尽量方便。,2.1.3过程系统稳态模拟的基本方法1）序贯模块法（SequentialModularMethod）2）联立方程法（EquationOrientedMethod）3）联立模块法（SimultaneousModularMethod）,单元模块过程模型方程求解程序物性数据库调用,输入物流变量,输出物流变量,设备结构参数操作参数,2.2过程系统模拟的序贯模块法,模块：用以描述单元操作、物性及系统其他功能的子程序。,序贯模块法：逐个单元模块依次序贯计算求解系统模型的一种方法。特点：与实际过程的直观联系强；易于诊断错误；计算效率低。,回路（环路）输入流股与后续的单元设备输出有关。,基本步骤（与实际过程的一致性）：（1）搜集相关的资料和数据操作及设计数据、设备结构尺寸；验证模型所需要的生产数据或实验数据。（2）建立过程系统的结构模型a.过程系统的拓扑获取信息流图b.信息流图表示成矩阵形式c.系统的分隔,d.断裂回路选定适宜断裂流股和初值e.模拟计算的求解顺序，管理模拟计算过程（3）建立单元设备模块（4）热力学数据及物性数据模块（5）输入模块（6）输出模块缺点：物性参数、单元模块及系统断裂流股三层嵌套迭代。设计型问题：不断调节输入参数和设备工艺结构参数。,序贯模块法的迭代层次示意图,氨合成系统反应温度：400500，压力：300kg/cm2催化反应N2+3H22NH3平衡时，氨的合成转化率为12。保持连续稳定操作的条件：新鲜原料气体的流量、组成恒定；反应器在恒温、恒压下操作；各分离器闪蒸温度、闪蒸压力恒定；排空物流的排空比率恒定。,混合组分1N22H23NH34Ar5CH4,2.2.1氨合成系统的物料衡算流程模拟,工艺流图信息流图,1）氨合成系统的数学模型混合器,混合器,反应器,高压分离器,10个方程,汽液平衡方程k1,k2,k5为PF，TF下的组分平衡常数,低压分离器,10个方程,其中，f为分割率,分流器,分子分率约束式,10个方程,共计：Ne55个方程,方程类型物料平衡方程组：无反应质量平衡（分子量平衡）有反应原子数目平衡分子分率约束式：设备约束式（描述流程结构）：,反应平衡常数分割率汽液平衡常数（高压）汽液平衡常数（低压）,变量个数,设备参数：,物流变量60个Fi,i=1,2,10 xij，i=1,2,10；j=1,2,5方程数：Ne55；变量数：Nv72设计变量d725517（个）可选设备参数12个可选进料物流变量：F1，x11，x12，x14，x15为设计变量,2)数学模型的序贯求解序贯模块法中应用的系统分解的基本思想：化整为零，按大系统特性，将各个子系统的求解有机地结合起来，实现整个系统的优化目标。,物流变量60个Fi,i=1,2,10 xij，i=1,2,10；j=1,2,5方程数：Ne55；变量数：Nv72设计变量d725517（个）可选设备参数12个可选进料物流变量：F1，x11，x12，x14，x15为设计变量,2)数学模型的序贯求解序贯模块法中应用的系统分解的基本思想：化整为零，按大系统特性，将各个子系统的求解有机地结合起来，实现整个系统的优化目标。,基本步骤不可分隔子系统