计算机在化学化工中的应用综述

计算机在化学化工中的应用综述本章内容安排教学资源概述计算机在化学中的应用计算机在化工中的应用计算机在教学中的应用课程安排教学相关第2页,共94页，2024年2月25日，星期天1.1教学资源教学网站

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第3页,共94页，2024年2月25日，星期天1.2计算机的特点高速度高精确度智能性，主要通过软件实现软件的可继承性更新换代快第4页,共94页，2024年2月25日，星期天1.3计算机在化学中的应用文字处理图形图像处理实验数据处理插值拟合实验设计实验结果分析图形处理分子模拟药物筛选合成路径选择量子化学计算催化机理研究仪器分析其他第5页,共94页，2024年2月25日，星期天图形图像处理第6页,共94页，2024年2月25日，星期天插值与拟合第7页,共94页，2024年2月25日，星期天第8页,共94页，2024年2月25日，星期天正交实验设计第9页,共94页，2024年2月25日，星期天图形处理第10页,共94页，2024年2月25日，星期天分子模拟乙烯的轨道图像第11页,共94页，2024年2月25日，星期天第12页,共94页，2024年2月25日，星期天仪器分析红外光谱核磁共振第13页,共94页，2024年2月25日，星期天二维分子式绘制第14页,共94页，2024年2月25日，星期天三维分子结构-苯第15页,共94页，2024年2月25日，星期天三维分子绘制炭疽病毒分子结构DNA结构第16页,共94页，2024年2月25日，星期天实验流程绘制第17页,共94页，2024年2月25日，星期天1.4计算机在化工中的应用过程模拟稳态模拟动态模拟仿真实习辅助设计过程优化生产管理生产计划生产调度化工数据查询化工计算线性方程组求解非线性方程求解非线性方程组求解CFD计算ComputationalFluidDynamics反应过程传质过程传热过程第18页,共94页，2024年2月25日，星期天1.4.1化工过程模拟简介化工过程模拟(亦称流程模拟)技术是以工艺过程的机理模型为基础,采用数学方法来描述化工过程,通过应用计算机辅助计算手段,进行过程物料衡算、热量衡算、设备尺寸估算和能量分析,作出环境和经济评价。该技术使我们能够从整个系统的角度来认识、分析、预测生产中深层次的问题,进行装置调优、流程剖析和过程综合,达到优化生产、节约资源、环境友好、提高经济效益的目的。第19页,共94页，2024年2月25日，星期天过程模拟的用途新装置设计旧装置改造新工艺、新流程的开发研究生产过程调优疑难问题诊断仿真培训等第20页,共94页，2024年2月25日，星期天过程模拟的内容稳态模拟－连续化工过程的模拟。其特点是参数只随空间变化，不随时间变化。动态模拟－用于解决稳态模拟无法解决的工程问题，同时考虑空间和时间因素。开车方案持液量的计算间歇精馏过程第21页,共94页，2024年2月25日，星期天稳态模拟示例第22页,共94页，2024年2月25日，星期天稳态模拟的输出－Report第23页,共94页，2024年2月25日，星期天稳态模拟的输出－PFD第24页,共94页，2024年2月25日，星期天稳态模拟的输出－TowerProfile1第25页,共94页，2024年2月25日，星期天稳态模拟的输出－TowerProfile2第26页,共94页，2024年2月25日，星期天稳态模拟的输出－TowerProfile3第27页,共94页，2024年2月25日，星期天过程稳态模拟实例濮阳化肥厂合成氨装置模拟第28页,共94页，2024年2月25日，星期天动态模拟示例：间歇精馏第29页,共94页，2024年2月25日，星期天动态模拟示例：间歇精馏操作条件第30页,共94页，2024年2月25日，星期天动态模拟的输出结果－Report第31页,共94页，2024年2月25日，星期天动态模拟的输出结果－PFD第32页,共94页，2024年2月25日，星期天动态模拟的输出结果1第33页,共94页，2024年2月25日，星期天动态模拟的输出结果2第34页,共94页，2024年2月25日，星期天1.4.2过程仿真以仿真机为主要工具，用数学模型描述过程系统动态特性，在仿真机上再现该过程的实时特性，以代替过程系统进行实验和研究。第35页,共94页，2024年2月25日，星期天过程仿真的用途辅助培训与教育理论教学实践教学实习教学辅助设计辅助生产辅助研究计算流体力学分子模拟工艺研究第36页,共94页，2024年2月25日，星期天1.4.3计算机辅助设计CADCAMCAI第37页,共94页，2024年2月25日，星期天工艺流程图第38页,共94页，2024年2月25日，星期天设备布置图第39页,共94页，2024年2月25日，星期天第40页,共94页，2024年2月25日，星期天设备图第41页,共94页，2024年2月25日，星期天零件图第42页,共94页，2024年2月25日，星期天管道布置图第43页,共94页，2024年2月25日，星期天第44页,共94页，2024年2月25日，星期天第45页,共94页，2024年2月25日，星期天三维管道图第46页,共94页，2024年2月25日，星期天计算机辅助制造第47页,共94页，2024年2月25日，星期天计算机虚拟装配第48页,共94页，2024年2月25日，星期天计算机辅助分析和优化设计第49页,共94页，2024年2月25日，星期天第50页,共94页，2024年2月25日，星期天第51页,共94页，2024年2月25日，星期天1.4.4生产管理-生产计划生产计划是企业生产运营优化的核心。通过把集成供应链的思想引入生产计划，企业可以对供应、生产、销售、存储等各环节进行综合优化，以合理配置各种资源，充分发挥企业的生产能力，提高经济效益和社会效益。第52页,共94页，2024年2月25日，星期天中药企业生产计划的特点中药企业生产计划应是基于供应链思想的集成的生产计划由人工依靠经验编制生产计划过渡到以数学模型为基础的计算机辅助生产计划中药企业生产计划应为滚动式编制的多周期生产计划中药企业生产计划应充分考虑不确定性对生产计划的影响第53页,共94页，2024年2月25日，星期天基于确定性规划的中药企业供应链模型1.目标函数第54页,共94页，2024年2月25日，星期天2.周期内系统约束

工艺约束市场约束能力约束

加工能力约束运输能力约束库存能力约束3.各周期间产品、原料、能源的平衡关系4.指标性约束5.非负约束对各周期末产品、原料、能源库存的约束对各周期可用采购资金的约束第55页,共94页，2024年2月25日，星期天不确定条件下的中药企业生产计划模型1.中药企业生产运营中的不确定性

产品需求与价格的不确定性原料供应与价格的不确定性能源供应与价格的不确定性运输的不确定性管理、操作人员决策的不确定性

……第56页,共94页，2024年2月25日，星期天2.不确定性的表达－三角模糊数dL

：最小值；dM：中间值；dU：最大值第57页,共94页，2024年2月25日，星期天3.不确定条件下中药企业的供应链模型考虑以下不确定性：

产品需求的不确定性 产品价格的不确定性 原料供应的不确定性 原料价格的不确定性该模型是目标函数和约束中都存在模糊数的模型，因而具有普遍意义。第58页,共94页，2024年2月25日，星期天目标函数：为第t周期产品p在销售市场k的价格，采用三角模糊数，上标L、M、U表示市场价格的悲观值、可能值、乐观值。为销售收入为原材料采购费用为第t周期从供应市场j采购原料q的价格，采用三角模糊数，上标L、M、U表示市场价格的悲观值、可能值、乐观值。第59页,共94页，2024年2月25日，星期天系统约束

工艺约束市场约束能力约束各周期间产品、原料、能源的平衡关系指标性约束非负约束第60页,共94页，2024年2月25日，星期天求解策略1.目标函数的清晰化对如下问题：定义为其他两个目标取最优值时目标的较小值。第61页,共94页，2024年2月25日，星期天各目标函数的隶属度为：新的目标函数为：第62页,共94页，2024年2月25日，星期天2.约束条件的清晰化定义α为资源隶属度，α∈[0，1]

。资源隶属度表示了决策者对于模糊资源所采取的冒险程度。较大的α值表示决策者倾向于更加积极的决策以获得更大的利润，较小的α值则表示决策者倾向于更加保守的决策。原市场约束转化为：第63页,共94页，2024年2月25日，星期天3.模型求解方法第64页,共94页，2024年2月25日，星期天计算结果确定性规划与模糊规划的结果比较第65页,共94页，2024年2月25日，星期天资源隶属度对计划的影响第66页,共94页，2024年2月25日，星期天生产计划第67页,共94页，2024年2月25日，星期天第68页,共94页，2024年2月25日，星期天产品销售与库存计划第69页,共94页，2024年2月25日，星期天甘草原料价格、供应、存储计划第70页,共94页，2024年2月25日，星期天生产调度第71页,共94页，2024年2月25日，星期天中药企业生产调度的定义生产调度的任务是将生产计划分解为可执行的短期作业计划，通过协调安排资源、加工顺序、时间、设备、中间储槽、劳动力、物资和能源的使用，在保证完成生产计划的前提下，达到最短生产周期、最小生产成本等目标。

第72页,共94页，2024年2月25日，星期天中药企业生产调度的特点具有多产品厂的生产特点生产特点是多品种、小批量、多批次生产切换频繁多目标问题第73页,共94页，2024年2月25日，星期天中药企业生产调度问题描述在给定生产计划中包括N种产品，各产品的生产量为Qi。每种产品均遵循相同的生产工艺，需要经过M道生产工序，产品i在工序j的加工时间tij、批加工能力Capij已知。求出这N种产品的一个加工序列，使得生产这些产品所需的总目标最小。生产调度问题应遵循以下假设：第74页,共94页，2024年2月25日，星期天生产调度问题应遵循以下假设：1.所有产品遵循相同的生产工序，区别仅在于不同产品在各工序的加工时间不同。2.所有产品采用连续加工方式。生产过程是严格顺序的，即当上一道工序完工后，才能送下一道工序。不允许跳过某一工序直接进行下一道工序的加工。3.每道工序的加工过程不允许中断。4.产品在某一工序加工完成后可以暂时存储等待下一工序的加工，允许某一工序等待下一个产品的加工。5.每道工序由一个单元操作过程或设备完成，每个单元操作过程或设备只负责一道工序的生产。6.每道工序同一时刻只能加工一种产品。7.产品i在每道工序j的加工时间tij与批加工能力Capij已知，且仅与产品加工工艺有关。设备清洗、进出料时间等包含在加工时间内。第75页,共94页，2024年2月25日，星期天第76页,共94页，2024年2月25日，星期天中药企业生产调度问题的目标分析最小化生产时间满足不同产品的生产优先级保证药品供应降低库存损失第77页,共94页，2024年2月25日，星期天中药企业生产调度问题的目标权重分析第78页,共94页，2024年2月25日，星期天中药企业生产调度问题的启发式调度规则1.评价指标

产品优先级指标ωOi

加工时间指标ωTi

需求紧迫程度指标ωSi

库存费用指标ωCi第79页,共94页，2024年2月25日，星期天2.评价指标的无因次化3.排序因子的计算以第i种产品的排序指标ωi作为调度排序依据，按ωi非增的顺序排列产品加工次序。对ωi相等的产品，依次以ωOi

、ωTi

、ωSi

、ωCi为排序依据进行排序。第80页,共94页，2024年2月25日，星期天静态调度流程第81页,共94页，2024年2月25日，星期天动态调度流程第82页,共94页，2024年2月25日，星期天计算结果第83页,共94页，2024年2月25日，星期天第84页,共94页，2024年2月25日，星期天1.4.5CFD计算流体力学