化工系统工程课件 第一章 绪论.ppt

1、化学过程分析与合成化学过程设计、化学过程分析与合成的系统方法，总课时：32小时。讲师：教学联系电话：课程要求，认真听讲，注重应用；要求的出勤率和出勤率都记录在总分中，占总分的15%，这是根据出勤率的高低来确定的；平时，重大操作的完成情况记入总分，占总分的15%，这是根据操作的完成情况确定的；期末考试成绩占总成绩的70%。1引言2化学过程系统的稳态模拟与分析3化学过程系统的动态模拟与分析4化学过程系统的优化5化学生产过程操作条件的优化6间歇化学过程7热交换网络合成8分离塔顺序合成，课程的主要内容，1引言，化学过程分析与合成过程：客观事物从一种状态到另一种状态的转移。工艺技术：物流的物理或化学加工

2、技术。化学工业(炼油、化肥)、轻工业、冶金过程、制药生产过程等。制造技术：以工件为对象的加工技术。电视机、汽车、机械零件等的生产。都是制造过程。1.1化学过程，化学过程：用天然材料(煤、油、盐等)制造产品的过程。)通过物理或化学处理。一般来说，化学过程包括三个部分：原料制备、化学反应产物分离，在各种单元过程中，最重要和最常用的单元过程是：化学反应过程、热交换过程、分离过程、1.1.1化学反应过程，它是化学过程的核心部分。主要的化学反应过程包括：催化反应过程、热裂解反应过程、电解质溶液离子反应过程、生化反应过程和1.1.2热交换过程，热交换过程被定义为化学过程中根据每个单元过程所需的温度加热或冷

3、却被处理物料流的过程。热交换网络：满足这种热交换要求的热或冷可以来自过程中的过程物流或来自公共工程，形成热交换网络。换热网络的设计目标是最大限度的节能、经济的设备投资和良好的运行适应性。实现最佳换热网络设计是化工过程系统综合研究的典型实例，也是本课程的重要内容。1.1.3分离过程，定义：从已知成分的混合物中分离某些目标产品的过程。化学系统合成3360从不同工艺和不同塔数的各种工艺方案中选择最经济且能满足分离要求的方案。分离工艺选择：非均质物料气固相分离，采用沉降、过滤、湿式除尘、电动除尘等单元操作。液固相分离：过滤、干燥、沉降等。均相物料的气相分离可以采用吸附、吸收和膜分离。液相分离：可用于蒸

4、馏和精馏、蒸发、结晶、汽提、萃取、膜分离等。化学反应过程，热交换过程，分离过程，不同的化学过程只是这三种过程的不同组合，包括热交换过程和分离过程，1.2化学过程的生产操作控制：生产操作条件的调整。主要是调节操作参数，如温度、压力、流量、液位和物料流量的组成。化工过程生产运行控制的分类、分散控制和集中控制对生产过程的正常运行有很大影响，因此非常重要。分散控制： 20世纪40年代和50年代的早期过程控制技术采用基于基础的控制仪器来实现单输入单输出的简单回路控制，也称为分散控制。目标：保持生产条件稳定。分布式控制技术的特点：每个控制回路相互独立。优点：当一个控制电路出现故障时，不会影响其他c的正常运

5、行集中控制：计算机应用于化工过程控制，各控制回路的操作、控制和显示都集中在计算机上。优点：可大大节约硬件成本，同时便于分析各控制回路的信息，为实现整个系统的最优控制提供条件。缺点：一旦电脑出现故障，整个控制系统将会瘫痪。由于这一缺陷，计算机控制技术一度处于难以发展的境地。20世纪70年代中期分布式系统的出现使计算机控制技术有了广阔的应用前景。1.3化学过程分析与合成，又称化学过程系统工程，是在系统工程、化学工程、过程控制、计算数学、信息技术等学科边缘产生的一门综合性学科。化学过程系统工程的研究对象是处理物质-能量-信息流的过程系统。作为现代化学工程的一部分，“化学过程系统工程”是一门新兴的边缘

6、科学。简单地说，将系统工程的理论和方法应用于化学过程，将形成化学过程系统工程，简称化学系统工程。化学过程系统工程，系统工程：一门研究大规模系统的跨学科边缘科学。起源：这个学科最初起源于美国，因为在第二次世界大战期间，美国需要在有限的时间、空间和运输能力下安排最大的运输能力。因此，本文提出了如何安排运输能力以实现运输能力最大化的问题。后来，在通信网络的设计过程中，也发现了如何安排通信网络，以最小的投资和最佳的通信效果实现通信网络的优化配置的问题。由于先驱们有不同的出发点和侧重点，他们对系统工程有不同的理解。有些人强调复杂系统的最优管理和最优控制。有些人专注于工程系统的规划和优化设计。强调复杂系统

7、的最佳管理和控制的现代管理科学。我们应该把重点放在工程规划和优化设计与优化的综合技术上。系统工程的基本思想：从系统整体的概念出发，仔细考虑系统中各组成部分之间的制约关系，讨论系统整体的优化策略。系统工程也被称为：工程方法论研究对象：不同的系统。化学过程系统工程以系统工程为基础，以社会问题为研究对象的学科称为社会系统工程。以环境问题为研究对象的学科称为环境系统工程。化学过程系统工程是以化学过程系统问题为研究对象的学科。认识上的三次飞跃首先，20世纪20年代提出了“单元操作”的概念，由此产生了化学工程。第二，“三关”的概念是在20世纪50年代提出的，由此产生了化学传递过程原理的学科。第三，20世纪

8、60年代初提出了“化学过程系统分析与模拟”的概念，由此产生了化学过程系统工程。2.化工过程系统工程产生的基本化工生产过程的综合性不断增强。化工企业正朝着多品种、跨学科的方向发展化工厂。对放大技术的要求越来越高，从小规模测试到大规模生产的周期越来越短。能源短缺，有效合理利用能源已成为人们日益关注的问题。随着产品竞争的加剧，品种的变化要求企业快速变化以适应市场的变化。环境意识的提高要求企业严格控制污染，并提出了如何减少污染、合理综合利用资源的问题。化学系统工程的综合性可以从化学系统工程的形成过程中看出，化学系统工程是一门综合性学科，涉及：化学工程、系统工程、运筹学、计算技术、过程对于要解决的未知系

9、统，应该指出如何规划、设计、操作和控制该系统。为了完成上述任务，有两个方面的内容：化学过程系统综合分析，化学过程分析：分析过程系统的运行机理、影响因素、过程模型的数学描述、目标函数的建立、优选工况下的最佳运行参数等。例：一座年产30万吨乙烯装置改建扩建为45万吨装置，建成投产后达到预期产量，但能耗超标。如何选择对策，既要分析工艺设备，同时也要分析装置、材料和能源的利用情况。1.3.1化工过程系统分析、过程系统分析与模拟：建立过程系统的数学模型并在计算机上进行模拟计算的全过程称为过程系统分析与模拟。过程系统模型：实际过程系统的描述。包括数学模型和物理模型。数学模型：建立数学表达式，并在建立过程中

10、使用逻辑关系、规则和概念。模拟计算：首先，我们要寻找一种有效的方法来求解数学模型，将模型的求解过程转化为计算程序，然后以直观的形式计算输出结果。在前一个例子中，如果年产45万吨的乙烯装置很快扩建，它将面临进一步扩建到60万吨规模的任务.在构建仿真时，我们应该借鉴上一次扩展的经验。这是一个大系统的多目标综合问题，是一个根据已建立的多目标函数进行优化的系统综合问题。过程系统综合：所需系统结构的定义：根据规定的系统特性、子系统性能和规定的目标，寻求理想的过程系统。具有最佳系统结构的理想过程系统具有最合适的子系统、寻求、寻求、1.3.2化学过程系统的合成、混合、混合、反应、分离、B、C其可能的过程流程

11、1:树形结构流程，系统结构的概念，例如，化学过程系统是由原材料和副产品产生的，其可能的过程流程2:循环结构流程、反、B、C、A、P、分离、树形结构流程循环流结构，并且对于子系统的特性有几种选择。例如，为了获得合格的分离子系统，从各种备选方案中选择并排除间歇连续蒸馏萃取板填料，构建最理想系统的过程是系统的综合过程。过程系统综合的方法，在过去：全靠工程师的经验。现在，通过对各个子系统的分析和仿真，预测系统的特性，达到综合的目的。因此，过程系统分析是过程系统综合的基础。化学过程系统综合包括：反应路径综合、换热网络综合、分离序列综合、过程控制系统综合，特别是解决从各个单元过程综合整个过程系统的任务。工

12、艺系统合成的研究内容，反应路径的合成：给定原料指定产品的问题称为反应路径的合成。实施例：糠醛糠醇可以在高压下用气相氢化，但反应速度快，副产物少。还有低压液相加氢法，反应速度慢，副产物多。换热网络综合：适用于大型化工企业、多单元、多物流。一些设备需要热气流作为加热介质，而另一些设备需要冷却介质来提供冷量。因此，从全球的角度来看，冷热物流的发展趋势应该是合理配置，以实现冷热分配的平衡和最低消耗的最佳热交换分配。这就要求通过物流之间的合理分配来最合理地利用热(冷)。分离序列综合：以组分和均相混合物的分离为例，找出最优分离序列设计者需要解决的问题，找出最优分离序列中单个分离器的最优设计参数反应器网络的

13、合成：需要为反应产物建立反应器网络(或反应器系统)，这些反应产物只有经过多级和多级反应才能得到。如何优化系统？全过程合成：从原料和目标产物中寻找最佳工艺，包括反应、分离、热交换等。并在整个过程中实现最佳。公用系统集成公用系统的核心部分是蒸汽动力系统。蒸汽动力系统优化综合的目的是降低整个系统的能耗。1.4化学过程模拟系统，在20世纪初，化学过程的开发和设计只采用从实验室到中间工厂逐步放大的经验方法。20世纪30年代，基于相似理论获得准数方程的方法出现了。与此同时，建立数学模型的模拟放大法出现了。在20世纪50年代后期，大多数单元过程的发展和扩大是通过计算机、数值计算和数学模拟来解决的。也就是说，

14、根据单元过程最基本的实验数据，利用计算机上的数学模型解决了展开和放大的问题。例如，丙烯二聚反应从实验室数据放大到工业反应器设计，放大倍数为1700倍。甲苯歧化反应的放大倍数为6000倍。这种在计算机上模拟化学过程的软件称为化学过程模拟系统。利用化学过程模拟系统进行化学过程开发和设计的技术称为计算机辅助过程设计(CAPD)。根据被仿真系统的特点：1稳态过程系统仿真：2动态过程系统仿真：1.4.1化工过程稳态仿真系统，一般的化工过程仿真系统是稳态仿真系统。特点：(1)系统参数不随时间变化，建模简单。(2)系统不考虑或不考虑大干扰引起的波动影响。在大规模连续工艺流程中，物料在系统中以连续流动状态进行

15、加工，过程中的各种参数总是随时间而变化，因此不存在稳态。稳态模拟只是动态过程达到稳态的一个简化过程，事实上，这个过程是必要的。自20世纪60年代以来，化学过程稳态模拟系统的发展经历了三次。第一代：从20世纪50年代末到60年代。例如，美国凯洛格公司开发的flex ible flowheel和美国休斯顿大学开发的chess(化学工程模拟系统)，第二代：70年代。与第一代相比，它在功能和规模上都有了很大的进步。代表性系统有美国公司开发的FLOWTRAN、美国布朗公司开发的PFl0(工艺流程)、日本神田工程公司开发的capes(计算机辅助工艺工程系统)等。第三代是由麻省理工学院开发的Aspen(过程工程高级系统)。ASPEN的发展是基于解决以煤为原料的能源技术。然而，第二代模拟系统以气液系统为其特长，不具备处理固体材料的功能。自1976年以来，包括杜邦、埃克森、孟山都和飞马石油公司在内的50家公司已组织起来投资开发ASPEN，该项目历时5年，耗资600万美元，于1981年投入使用。ASPEN有更大更强的功能。在中国，化学过程模拟系统的发展始于20世纪70年代。一些设计院、研究所、大学和其他单位开发的模拟系统可以模拟、操作、开发和设计液化石油气分离、碱性有机合成和合成氨等工艺系统。工程化学模拟系统(ECSS)是由青岛化工学院开发的一个化学过程模拟系统，是一个引入中