化工过程分析与合成绪论

化工过程分析与合成绪论第1页/共61页什么是“化工过程的分析与合成”?单元：由组件或零件、分组件装配在一起，通常在各种不同的环境中能够独立工作的组合体。

过程：由各种不同的单元组合而成。哲学意义是指客观事物从一个状态到另一个状态的转移。第2页/共61页什么是“化工过程的分析与合成”?过程的英文表述为“process”。化工过程：化工生产从原料开始到制出目的产物，要经过众多的化学和物理加工处理步骤。◆化学反应：氧化、还原、磺化、硝化等◆物理加工：加热、冷凝、精馏、吸收等这些基本化学反应和物理加工工段，也称单元操作。第3页/共61页什么是“化工过程的分析与合成”?

分析分析是在思想中把事物分解为各个属性，部分，方面

合成合成是在思想中把事物的各个属性，部分，方面结合起来两者彼此相反而又相互联系，分析与合成贯穿于思维的整个过程只有对事物内部矛盾的各个方面进行具体分析，再合成起来把握其矛盾的总体，才能真正深入到事物的本质，把握事物发展的规律第4页/共61页化工过程分析与合成课程的特点综合利用了化学工程与工艺专业的主要基础课程的内容，如《化工原理》、《化工热力学》、《化学反应工程》、《传递过程原理》、《分离工程》、《化工数学》、《系统最优化》、《化工系统工程》等。是一门综合性课程。与上述突出数学方法的基础课程相比，更突出实践性的典型的“案例”分析。重点在于培养学生分析和解决实际问题的能力。第5页/共61页化工过程分析与合成课程的任务

培养高年级学生综合运用学过的课程，以及技术经济、环境保护方面的基础知识，并结合本课程的过程系统分析与合成的方法，加强学生处理化学工业实际问题的能力。第6页/共61页化工过程分析与合成课程的要求★掌握过程系统分析与合成的基本概念、基本原理与方法★掌握过程系统稳态模型、动态模型建立的基本原理，熟悉过程系统模拟与优化的基本步骤与方法，掌握分离序列合成方法，熟练运行夹点技术进行换热网络合成★理解过程系统稳态模型、动态模型求解算法，明确过程系统操作调优的原理、步骤和方法。明确间歇系统模拟、优化与合成的特殊性★了解过程系统对象的特性，学科的发展，该领域前沿及与其它学科的关系第7页/共61页化工过程分析与合成课程的主要内容绪论化工过程系统稳态模拟与分析化工过程系统动态模拟与分析化工过程系统的优化化工生产过程操作工况调优间歇化工过程换热网络合成分离塔序列的合成第8页/共61页《化工过程分析与合成》内容体系化工过程系统的分析化工过程系统的合成化工过程系统的优化2，36，7，84，5绪论1第9页/共61页化工过程系统的分析过程系统的流程、回路分析模型化模型求解断裂、收敛、矩阵CSTR、精馏、PSA、闪蒸2，3第10页/共61页化工过程系统的合成间歇操作系统能量的综合利用分离序列综合最优时间表序列夹点技术、调优法数学规划法、探试法、调优法第11页/共61页化工过程系统的优化通常的优化问题化工大系统优化离线调优方法LP、NLP可行路径、不可行路径机理模型、统计模型、智能模型第12页/共61页绪论第13页/共61页绪论1.1化工过程1.2化工过程生产操作控制1.3化工过程的分析与合成1.4化工过程模拟系统1.5化工企业CIPS技术1.6人工智能技术在化工过程中的应用1.7本教材的目的与内容第14页/共61页课程背景二战后，化工高等教育出现了两大流派和倾向。★西方发达国家，随着化工热力学、传递过程原理、反应工程与化工系统工程知识的系统化、理论化，突出了化学工程科学分类知识的教育，对工程师面对的实际问题反而注意不够★在前苏联和东欧各国，则出现了专业划分过细，所培养的高级人才缺乏生命力的落后局面。第15页/共61页课程背景★在我国，一方面由于受前苏联的影响，专业划分过细，人才适应能力差的问题早已暴露无遗；另一方面，化学工程专业又因循西方的模式，过分强调学科性，忽视化学工程与技术问题的综合性与实践性。工程师的基本任务和能力就是综合，工程师的创造性也主要通过综合来体现。第16页/共61页反应B+C精馏ABB反应分离CEC+DDC第17页/共61页

过程就是客观事物从一个状态到另一个状态的转移。在工艺生产上，对物料流进行物理或化学的加工工艺，称作过程工艺；以汽车、轮船等工件为对象的加工工艺，称为制造工艺。常见的过程工艺：化工过程冶金过程石油炼制过程医药生产过程第18页/共61页化工过程是以天然物料为原料经过物理或化学的加工制成产品的过程。通常化工过程包括三个部分：原料制备化学反应产品分离1.1化工过程第19页/共61页

各种单元过程由被处理的物料流联接起来，构成化工过程生产工艺流程。最重要的单元过程：化学反应过程换热过程分离过程第20页/共61页化学反应过程

──化工过程的核心部分催化反应过程热裂解反应过程电解质溶液离子反应过程生化反应过程…...第21页/共61页催化反应过程合成反应：合成氨、合成甲醇等的反应过程；第22页/共61页催化反应过程氧化反应：萘氧化制苯酐、乙烯氧化制环氧乙烯等的反应过程；第23页/共61页催化反应过程脱氢反应：乙苯脱氢制苯乙烯的反应过程；第24页/共61页催化反应过程裂化反应：重质油催化裂化制轻质油的反应过程；第25页/共61页催化反应过程烷基化反应：乙烯与苯的烷基化制乙苯的反应过程；第26页/共61页热裂解反应过程煤干馏生成焦碳、煤焦油、焦炉煤气的反应过程；轻油裂解制乙烯的反应过程；第27页/共61页电解质溶液离子反应过程各种无机盐生产以及氨碱法制碱的反应过程；第28页/共61页生物化学反应过程发酵法生产氨基酸、有机醇、酮等的反应过程第29页/共61页换热过程★使被处理的物流，按要求的温度进入各个单元过程。这一过程是由换热器与换热物流所构成的换热网络实现的。★合理的设计，能充分回收过程系统中的热量或冷量。★以最大限度的节能、经济的设备投资、良好的操作适应性为目标，实现最佳的换热网络设计，是化工过程系统综合研究的一项典型的事例。第30页/共61页分离过程非均一系气固相分离：沉降、过滤、湿法除尘、电除尘液固相分离：过滤、干燥、沉降均一系气相分离：吸附、吸收、膜分离液相分离：蒸馏与精馏、蒸发、结晶、气提、萃取、膜分离等

分离产物、副产物、废物以及未反应的原料，最终得到一定纯度的产物第31页/共61页

化工过程生产操作工况的调节，主要是对物料流温度、压力、流量、液位、组成等操作参数的调节。1.2化工过程生产操作控制第32页/共61页基地式控制技术（40-50年代）特点：采用基地式控制仪表实施单输入、单输出的简单回路控制控制目标：保持生产工况平稳出现了单元组合式控制仪表，从简单控制回路发展了串级、前馈补偿等控制系统第33页/共61页

优点：特点为各个控制回路都是相互独立的当某一控制回路出现故障时，不致影响其他回路的正常工作，系统的可靠性易于得到保障

缺点：对于规模范围较大被控参数较多的对象来说，较多的控制回路需要相应设置较多的硬件。分散控制，难于实现总体优化的控制方案。第34页/共61页计算机集中式控制技术（60年代）化工过程向着大型化、连续化发展要求检测、控制的生产操作参数数量很多，并需要更优良的控制质量计算机应用迅速的渗入各个领域，过程控制也开始了应用计算机的尝试第35页/共61页

优点：计算机用于化工过程控制，可以把各个控制回路的运算、控制、显示都集中于计算机来实现这种集中控制可以大大的节省硬件成本，便于同时分析各个控制回路的信息，为实现全系统的优化控制提供了条件

缺点：一旦发生计算机故障则将出现全控制系统瘫痪的危险第36页/共61页DistributedControlSystem（70年代）随着化工装置规模的增大，被控对象参数，控制回路的增多，为了满足对工业控制计算机应具备高度可靠性和灵活性的要求把计算机技术、控制技术、通讯技术、图像显示技术等集成为一体化的计算机控制系统，这就是分布式控制系统，又称集散系统。集散系统吸取了分散系统和集中系统两者的优点第37页/共61页优点集：管理、操作、控制三方面的集中散：功能分散、负荷分散和危险分散克服了分散系统难于实现全局系统控制的缺点克服了集中系统的危险集中第38页/共61页DCS的产品美国Honeywell公司的TDC-3000Foxboro公司的SPECTRUMFisher公司的PROVOXBailey公司的NETWORK90Taylor公司的MOD-300日本横河公司的CENTUM第39页/共61页DCS的发展前景向扩大应用覆盖面方向发展向管控一体化方向发展产品向开放化和标准化方向发展向现场总线技术发展第40页/共61页DCS的先进控制与优化控制

目前DCS大多采用PID控制模式，——把收集到的数据和一个参考值进行比较，产生的差别用于计算新的输入值，这个新的输入值可以让系统的数据达到或保持参考值。先进控制：自适应、预估值、模糊、智能控制等。优化控制：在DCS上安装运行某化工过程的数学模型，按既定的目标函数进行优化计算，从而实现优化控制。第41页/共61页1.3化工过程的分析与合成60年代初，在化学工程、系统工程、运筹学、数值计算方法、过程控制论等学科边缘，产生了过程系统工程，也称化工过程系统工程。任务:以系统工程的思想、方法，解决化工过程系统的设计、开发、操作、控制等问题，──系统工程的分析与合成

手段：运算描述过程系统的数学模型，这种模型的运算称作化工过程系统模拟第42页/共61页化工过程系统的分析

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目标是使决择方案，技术上先进、可行，经济上优越、合理对于操作工况的分析也就是通常说的生产操作调优，包括在线调优和离线调优。第43页/共61页化工过程系统的合成包括：反应路径合成；换热网络合成；分离序列合成；过程控制系统合成；解决由各个单元过程合成总体过程系统的任务由于化工过程系统的复杂性，这类优化问题常是具有非线性、奇异、有约束、多极值等现象，近年来出现的模拟退火法和进化算法第44页/共61页1.4化工过程模拟系统

对于化工过程的开发、设计，上世纪初期，由实验室到中间厂逐级放大的经验办法；

30年代，以相似论为基础得出准数方程的办法，建立数学模型的模拟放大法；

50年代后期，采用计算机数学模拟，基本上解决了大部分单元过程的开发放大问题。第45页/共61页化工流程稳态模拟系统特点：模型中不包括时间参数，即把过程中的各种因素都看成是不随时间而变化的，——适用于连续过程。在大规模连续化的工艺流程中，稳态是不存在的稳态模拟是对动态过程到达平稳状态的一种简化处理，这种处理是很必要的第46页/共61页稳态模拟系统的发展第一代（50--60年代）美国Kellogg公司的FLEXIBLE

FLOWSHEET，美国Houston大学开发的CHESS（ChemicalEngineeringSimulationSystem）第二代（70年代）美国Monsanto公司开发的FLOWTRAN美国Braun公司开发的PF10（ProcessFlow）日本千代田工程公司开发的CAPES（ComputerAidedProcessEngineeringSystem）第三代（1981）ASPEN(AdvancedSystemofProcessEngineering)第47页/共61页化工流程动态模拟系统许多的动态过程不允许简化处理为稳态过程间歇过程：装料、开车、反应、停车、卸料连续过程：开车、停车、事故处理第48页/共61页动态模拟系统的发展第一代（70年代）1969年加拿大McMaster大学开发的DYNSYS美国杜邦公司开发的DYFLO美国Michigan大学开发了DYSCO日本千代田化工建设公司开发了DOPL第二代（70--80年代）美国的鲁姆斯公司将动态模拟技术用于进行系统可行性分析、先进控制系统方案设计日本的一些大型化工建设工程公司将动态模拟技术用于进行新建大型化工厂工艺及控制系统的设计第三代（1981）由动态模拟技术衍生出用于培训工人的模拟培训器（SimulationControlCo.,AutodynamicsCo.,AtlanticSimulationInc）第49页/共61页1.5化工企业CIPS技术

化工过程分析与合成的任务是以高产、优质、低耗为目标，寻求工艺生产中的设备、流程的合理配置方案以及最优生产工况的操作在生产实践中人们认识到，寻求化工过程优惠工况依据不仅来自工艺过程本身，而必须遵循的根本性依据是企业的经营决策为实现企业最佳经营、生产决策的手段是当代的CIMS技术第50页/共61页Computer

Integrated

Manufacturing

System1974年美国JosephHarrington博士在《ComputerIntegratedManufacturing》一书中首次提出通过计算机硬、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，将企业生产中有关的人、技术、经营管理三要素及其信息流、物质流有机集成为实施优化运作的大系统第51页/共61页EnterpriseResourcePlanning企业拥有卓越的销售人员，但生产线上的工人却无法如期交货，车间管理人员则抱怨说采购部门没有及时供应他们所需要的原料；采购部门的效率过高，仓库里囤积的某些材料10年都用不完，仓库库位饱和，资金周转很慢；ManufacturingResourcesPlanning未来两年我国ERP产品市场达一百亿元。准时生产制；精良生产制第52页/共61页ComputerIntegratedProcessSystem

化工、石化企业,特别是一些特种化学品、精细化工产品的生产企业，要求新产品开发周期短、上市快;并要求生产工艺装备是具有适应多种产品的柔性系统。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、用户意见反馈等，形成以市场驱动、全局优化的企业系统，收到了显著的经济效益。第53页/共61页CIPS的应用

日本三井石油化学公司实施CIPS，预计库存量可减少30%，生产周期可缩短30%，成品油产量可增加10%，管理效率可提高20%。当前发达国家的大型化工、石化公司几乎都处在对CIPS的实施、研究阶段。国内的一些企业联合着高校和科学院所正在积极开展CIPS的建设，如齐鲁石化胜利炼油厂、沧州大化集团、大庆石化总厂等。第54页/共61页1.6人工智能在化工过程中的应用

各种化工过程系统基本上都可用数学模型描述。但由于实际化工过程的复杂性，还有许多现象具有离散的、非数值的、模糊的、不确定的特性，对这类对象建立数学模型非常困难一般：由技术专家凭籍他们的专业技术和经验来解决。缺点：对不同的专家，解决办法可能有差异人工智能技术的引用，为解决这类问题辟出了新径第55页/共61页人工智能技术

宏观模拟从人在思维时的心理活动出发。分析、研究人是如何运用知识、逻辑而解释问题的，从而掌握人脑的逻辑思维规律运用计算机模拟这个过程，选出与人的思维过程相一致的结果，这就是专家系