化工系统工程

第一章概论

化工过程系统是将原料进行物理和化学加工变化，使低价值的原料变成高价值产品，为了完成这一任务，就需确定合理工艺流程，安排工段、车间，组成一个工厂，进行生产。必要时集合许多工厂组成一个公司，来共同协调生产等工作。这就一级一级的形成一个化工过程系统。例如：尿素生产，包括：造气车间、净化（脱硫、变换、脱碳、铜洗或甲烷化）、合成氨、尿素合成，另外还有制冷车间等。公司系统工厂系统工艺过程系统单元过程及设备化工过程系统：《化工过程系统工程》既然是化工过程系统添加一个工程就是怎样才能保证这个化工过程系统最优化。一、化工过程系统工程：定义：它是将系统工程的原理和方法应用于化工过程领域的一门新兴边缘学科，它是化学工程学的一个分支。60年代初发展起来，尚不成熟的学科，但随着科学技术的发展，尤其计算机技术和化学工程的发展，这门学科趋于成熟；▲系统工程的理论基础：是运筹学、系统理论及现代控制论；技术手段：是计算机和现代数学；当把系统工程方法应用于各种不同科学领域，就逐步形成具有各种不同特点的系统工程学，如化工系统工程、环境系统工程等。▲化工系统工程：定义：是以复杂化工系统的规划、研究、设计、生产的最优化为核心的“工程技术”。它应用化学工程与系统工程的基本原理，在建立化工系统数学模型和进行化工过程计算机摸拟的基础上，采用系统最优化和系统分析与综合的方法，对化工过程进行工艺设计计算与技术经济分析，最终实现“最优设计”、“最优操作”，“最优控制”和“最优管理”的目的。1、化工过程系统的特点：归纳起来就是单元过程的特点与系统结构上的特点这两部分。a)单元过程的特点:如在设备中发生的过程无外乎是化学反应、质量传递、热量传递和动量传递——“三传一反”；这样的单元过程可分为：反应过程、传质过程、传热过程和输送过程，其相应的特点是：反应过程是以原子为处理对象；传质过程以是分子为处理对象；传热过程和输送过程是以热流和物流为处理对象。明确这些特点然后建立这些单元过程的数学模型。二、化工过程系统工程的任务及其主要内容：b)化工过程系统结构上的特点：它是由各个单元过程按一定关系组成一个再循环系统。AB混合反应A+BA+C+D精馏(I)A精馏(II)C+DCD2、化工过程系统工程的任务：在一定限制条件下，根据输入和输出条件及输出要求，寻找整体性能的最优系统。即最小的投入（人力、物力、财力）、最大的产出（利润、安全性、可操作性、管理性）。3、化工系统工程主要内容：

为了完成上述任务，大致包括三个方面的工作：（1）对于系统结构及各个子系统均已给定的现有系统进行分析，即研究反映各个子系统特性的数学模型，并按系统结构的特点推测系统的特性——系统分析。（2）对于有待设计的系统进行系统的综合，即按预定的系统特性，寻找为实现该特性所需要的系统结构及各子系统性能，并使系统最优——系统综合。（3）实现过程系统的最优操作控制。具体内容：1、过程系统的摸拟：

2、过程系统的综合：3、过程系统的操作与控制：4、间歇过程的设计与操作优化；5、人工智能技术在化工中的应用；1、过程系统的摸拟：过程系统的摸拟是指建立过程系统的数学模型或描述模型，并在计算机上加以体现和实现。三、化工系统工程学科具体内容、意义：过程系统模型是指借助有关概念、变量、规则、逻辑关系、数学表达形式、图形和表格等对系统的一般描述。把这种模型转化成计算机上可执行的程序，并给出系统参数，初始状态和环境条件等输入数据后，便在计算机上进行运算，得出结果，提供各种直观形式的输出，还可根据对结果的分析，改变有关参数或系统模型的部分结构，重新运算，了解在各种不同条件下系统的行为和性能，这就是过程系统模拟。过程系统模拟分又为：稳态模拟和动态模拟。稳态模拟是指过程变量不随时间变化的过程模拟，如正常生产条件下的模拟，稳态模拟是化工过程流程模拟研究中开发最早和应用最为普遍的一种重要技术，它包括：物料和能量衡算，设备尺寸和费用计算，以及过程技术经济评价，而这些模拟过程肯定是在一定设计能力、正常生产情况下计算。流程模拟系统分为：专用和通用两大类：专用是针对于某一具体过程开发，通用具有柔性结构，可用于模拟各种工艺过程。从数学上看：化工过程稳态模拟的实质就是求解一非线性方程组，这些方程是由：单元模块方程、流程联结方程和规定方程构成。求解方程组的方法有：序贯模块法、联立方程法和联立模块法。动态过程系统模拟：作用：（1）了解装置经受动态变化能力和可操作性；（2）分析开停车及外部干扰作用下的动态性能，为装置及其控制系统设计提供依据；（3）通过仿真计算，在多种控制方案中进行优选；（4）用动态模拟系统训练操作人员和学生仿真实习；动态模拟系统分为：设计型通用动态模拟系统和培训型动态模拟系统。有关培训型动态模拟系统60年代开始用于化工厂操作培训，70年代商品化，80年代提到广泛采用。80年代我国引进10套几种类型的工厂模拟培训系统，每套耗资50-80万美元，同时清华大学也研制开发火力发电以及化工部和石化总公司开发大型合成氨等模拟培训系统。2、过程系统的综合：◆过程系统综合：是过程系统工程学科的核心内容，它是指：按照规定的系统特性，寻求所需的系统结构及其各子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。与系统综合相对的概念是系统分析。◆过程系统分析：指的是对于系统结构及其子系统均已给定的现有系统进行分析，即建立各子系统的数学模型，按照给定的系统结构进行整个系统的摸拟，预测在不同条件下系统的特性和行为，借以发现其薄弱环节并给以改进。◆两者关系：系统分析是系统综合的基础，同时系统综合过程又可对系统分析提出新的要求。有关系统综合种类有：◆（1）反应路径的综合：通常满足同一产品要求的反应路径很多，从中进行优选就是反应路径的综合。◆（2）换热器网络的综合：化工生产过程中，一些物流需加热，一些物流需冷却，人们总希望合理地把这些物流匹配在一起，充分利用热物流去加热冷物流，提高系统的热回收，以便尽可能地减少公用工程加热与公用工程冷却负荷，这就存在着如何确定物流间匹配换热的结构以及相应的换热负荷分配的问题，使换热网络具有最小的设备投资费用和操作费用。◆（3）分离序列的综合：给定一进料流股，已知它的状态，系统化的设计出能从进料中分离出所要求产品的过程，并使总费用最小。所需求解问题是：一是要找出最优的分离序列和每一分离器性能；二是对每一分离器找出其最优的设计变量值。◆（4）反应器网络的综合：为了制造所要求的产品，对于给定的化学反应路径以及主副反应速率数据进行分析，确定一个反应器最优结构和操作条件，以使在给定产率下总生产成本为最小。◆（5）全流程的综合:寻求把给定原料转变成要求产品的最经济、合理的流程结构；以往基本是靠设计人员的经验，现采用混合整数规划法来进行。

◆(6)公用工程系统综合：一大型化工过程系统通常可认为由三个部分所组成：化学加工过程、热回收网络和公用工程系统。公用工程系统的核心是蒸汽动力系统。蒸汽动力系统的最优综合可表述为：需要一定量驱动机、泵等设备的动力，高、中、低压蒸汽及冷却水；设计的目的是在满足上述要求前提下确定系统的流程结构和操作条件，使系统的总费用最小；对于合成氨和炼油厂尤其重要。热电联合循环就是最好实例。◆(7)过程系统能量集成：

目前世界性的能源危机使石油价格大幅上涨，这使得与能源生产、研究相关的行业，尤为兴旺，相反能耗密集型化工工业（合成氨和炼油），能源与原料的总成本已占生产成本的90%左右，相对较为艰难。合理、经济了使用利用能源，降低生产成本，是整个化学工业紧迫的任务。具体措施：一是采用更省能的操作单元（如分离过程的吸附、膜分离）；二是着眼从全过程系统的能量供求关系上进行分析，即把反应、分离、换热和公用工程一同考虑，综合利用能量，这就是过程系统能量集成。如采用过程能量集成进行过程设计使合成氨吨氨能耗从60年代1千万大卡，降到80年代的0.72千万大卡。乙烯生产中吨乙烯能耗从70年代1千万大卡，降到80年代的0.5千万大卡。3、过程系统的操作与控制：因能源和原料大幅度涨价，大宗化工产品市场竟争较为激烈，因而对产品的成本及质量要求愈来愈高，提高现有生产装置的操作水平显得更为迫切。操作安全性问题已不仅是一个经济问题，往往造成社会政治问题。故对操作安全性有较高要求，但计算机技术迅速发展为解决上述问题提供了物质技术基础。目前研究的主要课题有：（1）数据的筛选与校正：一个工厂的操作状况是由测得的各种工艺数据来确定的，因此获得可靠数据至关重要，但现场测得数据有一定误差，所以要进行数据的筛选与校正；其目标为：校正测得数据，使之满足物料衡算及热量衡算；合理地推算出未测，但需要的数据；删除多余的数据；正确的选择测量点的位置。（2）过程操作优化：

现场生产装置由于负荷、原料与原设计不符合，设计裕度不合理以及流程中个别设备不合理，因而过程系统操作，并非处于最佳操作状态，需要对过程操作进行优化，萁包括：离线操作优化（预测生产条件变化对操作性能的影响，并找出最优操作条件）和在线操作优化（由计算机实时采集数据自动进行校正处理及操作条件优化计算，从而调整工艺参数）；（3）过程安全监控及事故诊断：

控制系统是维持生产过程在正常状态下平稳操作的自动化系统，可以部分取代操作员的作用，计算机辅助安全操作，则是确保操作员的生产安全，如一旦出现不正常情况时，控制系统会发出警报，操作员立即采取适当措施或控制系统自动采取一定措施，确保生产安全。（4）操作摸拟培训系统：有关操作摸拟培训系统能帮助工人掌握操作知识，训练操作技能，培训事故诊断的决策能力，这种培训可提高培训质量和学习效率，降低培训成本，缩短培训时间，可反复练习实际生产上难