化工過程分析與合成緒論

化工過程分析與合成緒論第1頁/共61頁什么是“化工過程的分析與合成”?單元：由組件或零件、分組件裝配在一起，通常在各種不同的環(huán)境中能夠獨立工作的組合體。

過程：由各種不同的單元組合而成。哲學(xué)意義是指客觀事物從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的轉(zhuǎn)移。第2頁/共61頁什么是“化工過程的分析與合成”?過程的英文表述為“process”?；み^程：化工生產(chǎn)從原料開始到制出目的產(chǎn)物，要經(jīng)過眾多的化學(xué)和物理加工處理步驟?！艋瘜W(xué)反應(yīng)：氧化、還原、磺化、硝化等◆物理加工：加熱、冷凝、精餾、吸收等這些基本化學(xué)反應(yīng)和物理加工工段，也稱單元操作。第3頁/共61頁什么是“化工過程的分析與合成”?

分析分析是在思想中把事物分解為各個屬性，部分，方面

合成合成是在思想中把事物的各個屬性，部分，方面結(jié)合起來兩者彼此相反而又相互聯(lián)系，分析與合成貫穿于思維的整個過程只有對事物內(nèi)部矛盾的各個方面進行具體分析，再合成起來把握其矛盾的總體，才能真正深入到事物的本質(zhì)，把握事物發(fā)展的規(guī)律第4頁/共61頁化工過程分析與合成課程的特點綜合利用了化學(xué)工程與工藝專業(yè)的主要基礎(chǔ)課程的內(nèi)容，如《化工原理》、《化工熱力學(xué)》、《化學(xué)反應(yīng)工程》、《傳遞過程原理》、《分離工程》、《化工數(shù)學(xué)》、《系統(tǒng)最優(yōu)化》、《化工系統(tǒng)工程》等。是一門綜合性課程。與上述突出數(shù)學(xué)方法的基礎(chǔ)課程相比，更突出實踐性的典型的“案例”分析。重點在于培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實際問題的能力。第5頁/共61頁化工過程分析與合成課程的任務(wù)

培養(yǎng)高年級學(xué)生綜合運用學(xué)過的課程，以及技術(shù)經(jīng)濟、環(huán)境保護方面的基礎(chǔ)知識，并結(jié)合本課程的過程系統(tǒng)分析與合成的方法，加強學(xué)生處理化學(xué)工業(yè)實際問題的能力。第6頁/共61頁化工過程分析與合成課程的要求★掌握過程系統(tǒng)分析與合成的基本概念、基本原理與方法★掌握過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型、動態(tài)模型建立的基本原理，熟悉過程系統(tǒng)模擬與優(yōu)化的基本步驟與方法，掌握分離序列合成方法，熟練運行夾點技術(shù)進行換熱網(wǎng)絡(luò)合成★理解過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型、動態(tài)模型求解算法，明確過程系統(tǒng)操作調(diào)優(yōu)的原理、步驟和方法。明確間歇系統(tǒng)模擬、優(yōu)化與合成的特殊性★了解過程系統(tǒng)對象的特性，學(xué)科的發(fā)展，該領(lǐng)域前沿及與其它學(xué)科的關(guān)系第7頁/共61頁化工過程分析與合成課程的主要內(nèi)容緒論化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬與分析化工過程系統(tǒng)動態(tài)模擬與分析化工過程系統(tǒng)的優(yōu)化化工生產(chǎn)過程操作工況調(diào)優(yōu)間歇化工過程換熱網(wǎng)絡(luò)合成分離塔序列的合成第8頁/共61頁《化工過程分析與合成》內(nèi)容體系化工過程系統(tǒng)的分析化工過程系統(tǒng)的合成化工過程系統(tǒng)的優(yōu)化2，36，7，84，5緒論1第9頁/共61頁化工過程系統(tǒng)的分析過程系統(tǒng)的流程、回路分析模型化模型求解斷裂、收斂、矩陣CSTR、精餾、PSA、閃蒸2，3第10頁/共61頁化工過程系統(tǒng)的合成間歇操作系統(tǒng)能量的綜合利用分離序列綜合最優(yōu)時間表序列夾點技術(shù)、調(diào)優(yōu)法數(shù)學(xué)規(guī)劃法、探試法、調(diào)優(yōu)法第11頁/共61頁化工過程系統(tǒng)的優(yōu)化通常的優(yōu)化問題化工大系統(tǒng)優(yōu)化離線調(diào)優(yōu)方法LP、NLP可行路徑、不可行路徑機理模型、統(tǒng)計模型、智能模型第12頁/共61頁緒論第13頁/共61頁緒論1.1化工過程1.2化工過程生產(chǎn)操作控制1.3化工過程的分析與合成1.4化工過程模擬系統(tǒng)1.5化工企業(yè)CIPS技術(shù)1.6人工智能技術(shù)在化工過程中的應(yīng)用1.7本教材的目的與內(nèi)容第14頁/共61頁課程背景二戰(zhàn)后，化工高等教育出現(xiàn)了兩大流派和傾向?！镂鞣桨l(fā)達國家，隨著化工熱力學(xué)、傳遞過程原理、反應(yīng)工程與化工系統(tǒng)工程知識的系統(tǒng)化、理論化，突出了化學(xué)工程科學(xué)分類知識的教育，對工程師面對的實際問題反而注意不夠★在前蘇聯(lián)和東歐各國，則出現(xiàn)了專業(yè)劃分過細，所培養(yǎng)的高級人才缺乏生命力的落后局面。第15頁/共61頁課程背景★在我國，一方面由于受前蘇聯(lián)的影響，專業(yè)劃分過細，人才適應(yīng)能力差的問題早已暴露無遺；另一方面，化學(xué)工程專業(yè)又因循西方的模式，過分強調(diào)學(xué)科性，忽視化學(xué)工程與技術(shù)問題的綜合性與實踐性。工程師的基本任務(wù)和能力就是綜合，工程師的創(chuàng)造性也主要通過綜合來體現(xiàn)。第16頁/共61頁反應(yīng)B+C精餾ABB反應(yīng)分離CEC+DDC第17頁/共61頁

過程就是客觀事物從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的轉(zhuǎn)移。在工藝生產(chǎn)上，對物料流進行物理或化學(xué)的加工工藝，稱作過程工藝；以汽車、輪船等工件為對象的加工工藝，稱為制造工藝。常見的過程工藝：化工過程冶金過程石油煉制過程醫(yī)藥生產(chǎn)過程第18頁/共61頁化工過程是以天然物料為原料經(jīng)過物理或化學(xué)的加工制成產(chǎn)品的過程。通?；み^程包括三個部分：原料制備化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)品分離1.1化工過程第19頁/共61頁

各種單元過程由被處理的物料流聯(lián)接起來，構(gòu)成化工過程生產(chǎn)工藝流程。最重要的單元過程：化學(xué)反應(yīng)過程換熱過程分離過程第20頁/共61頁化學(xué)反應(yīng)過程

──化工過程的核心部分催化反應(yīng)過程熱裂解反應(yīng)過程電解質(zhì)溶液離子反應(yīng)過程生化反應(yīng)過程…...第21頁/共61頁催化反應(yīng)過程合成反應(yīng)：合成氨、合成甲醇等的反應(yīng)過程；第22頁/共61頁催化反應(yīng)過程氧化反應(yīng)：萘氧化制苯酐、乙烯氧化制環(huán)氧乙烯等的反應(yīng)過程；第23頁/共61頁催化反應(yīng)過程脫氫反應(yīng)：乙苯脫氫制苯乙烯的反應(yīng)過程；第24頁/共61頁催化反應(yīng)過程裂化反應(yīng)：重質(zhì)油催化裂化制輕質(zhì)油的反應(yīng)過程；第25頁/共61頁催化反應(yīng)過程烷基化反應(yīng)：乙烯與苯的烷基化制乙苯的反應(yīng)過程；第26頁/共61頁熱裂解反應(yīng)過程煤干餾生成焦碳、煤焦油、焦爐煤氣的反應(yīng)過程；輕油裂解制乙烯的反應(yīng)過程；第27頁/共61頁電解質(zhì)溶液離子反應(yīng)過程各種無機鹽生產(chǎn)以及氨堿法制堿的反應(yīng)過程；第28頁/共61頁生物化學(xué)反應(yīng)過程發(fā)酵法生產(chǎn)氨基酸、有機醇、酮等的反應(yīng)過程第29頁/共61頁換熱過程★使被處理的物流，按要求的溫度進入各個單元過程。這一過程是由換熱器與換熱物流所構(gòu)成的換熱網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的?！锖侠淼脑O(shè)計，能充分回收過程系統(tǒng)中的熱量或冷量。★以最大限度的節(jié)能、經(jīng)濟的設(shè)備投資、良好的操作適應(yīng)性為目標，實現(xiàn)最佳的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，是化工過程系統(tǒng)綜合研究的一項典型的事例。第30頁/共61頁分離過程非均一系氣固相分離：沉降、過濾、濕法除塵、電除塵液固相分離：過濾、干燥、沉降均一系氣相分離：吸附、吸收、膜分離液相分離：蒸餾與精餾、蒸發(fā)、結(jié)晶、氣提、萃取、膜分離等

分離產(chǎn)物、副產(chǎn)物、廢物以及未反應(yīng)的原料，最終得到一定純度的產(chǎn)物第31頁/共61頁

化工過程生產(chǎn)操作工況的調(diào)節(jié)，主要是對物料流溫度、壓力、流量、液位、組成等操作參數(shù)的調(diào)節(jié)。1.2化工過程生產(chǎn)操作控制第32頁/共61頁基地式控制技術(shù)（40-50年代）特點：采用基地式控制儀表實施單輸入、單輸出的簡單回路控制控制目標：保持生產(chǎn)工況平穩(wěn)出現(xiàn)了單元組合式控制儀表，從簡單控制回路發(fā)展了串級、前饋補償?shù)瓤刂葡到y(tǒng)第33頁/共61頁

優(yōu)點：特點為各個控制回路都是相互獨立的當某一控制回路出現(xiàn)故障時，不致影響其他回路的正常工作，系統(tǒng)的可靠性易于得到保障

缺點：對于規(guī)模范圍較大被控參數(shù)較多的對象來說，較多的控制回路需要相應(yīng)設(shè)置較多的硬件。分散控制，難于實現(xiàn)總體優(yōu)化的控制方案。第34頁/共61頁計算機集中式控制技術(shù)（60年代）化工過程向著大型化、連續(xù)化發(fā)展要求檢測、控制的生產(chǎn)操作參數(shù)數(shù)量很多，并需要更優(yōu)良的控制質(zhì)量計算機應(yīng)用迅速的滲入各個領(lǐng)域，過程控制也開始了應(yīng)用計算機的嘗試第35頁/共61頁

優(yōu)點：計算機用于化工過程控制，可以把各個控制回路的運算、控制、顯示都集中于計算機來實現(xiàn)這種集中控制可以大大的節(jié)省硬件成本，便于同時分析各個控制回路的信息，為實現(xiàn)全系統(tǒng)的優(yōu)化控制提供了條件

缺點：一旦發(fā)生計算機故障則將出現(xiàn)全控制系統(tǒng)癱瘓的危險第36頁/共61頁DistributedControlSystem（70年代）隨著化工裝置規(guī)模的增大，被控對象參數(shù)，控制回路的增多，為了滿足對工業(yè)控制計算機應(yīng)具備高度可靠性和靈活性的要求把計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)、圖像顯示技術(shù)等集成為一體化的計算機控制系統(tǒng)，這就是分布式控制系統(tǒng)，又稱集散系統(tǒng)。集散系統(tǒng)吸取了分散系統(tǒng)和集中系統(tǒng)兩者的優(yōu)點第37頁/共61頁優(yōu)點集：管理、操作、控制三方面的集中散：功能分散、負荷分散和危險分散克服了分散系統(tǒng)難于實現(xiàn)全局系統(tǒng)控制的缺點克服了集中系統(tǒng)的危險集中第38頁/共61頁DCS的產(chǎn)品美國Honeywell公司的TDC-3000Foxboro公司的SPECTRUMFisher公司的PROVOXBailey公司的NETWORK90Taylor公司的MOD-300日本橫河公司的CENTUM第39頁/共61頁DCS的發(fā)展前景向擴大應(yīng)用覆蓋面方向發(fā)展向管控一體化方向發(fā)展產(chǎn)品向開放化和標準化方向發(fā)展向現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展第40頁/共61頁DCS的先進控制與優(yōu)化控制

目前DCS大多采用PID控制模式，——把收集到的數(shù)據(jù)和一個參考值進行比較，產(chǎn)生的差別用于計算新的輸入值，這個新的輸入值可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達到或保持參考值。先進控制：自適應(yīng)、預(yù)估值、模糊、智能控制等。優(yōu)化控制：在DCS上安裝運行某化工過程的數(shù)學(xué)模型，按既定的目標函數(shù)進行優(yōu)化計算，從而實現(xiàn)優(yōu)化控制。第41頁/共61頁1.3化工過程的分析與合成60年代初，在化學(xué)工程、系統(tǒng)工程、運籌學(xué)、數(shù)值計算方法、過程控制論等學(xué)科邊緣，產(chǎn)生了過程系統(tǒng)工程，也稱化工過程系統(tǒng)工程。任務(wù):以系統(tǒng)工程的思想、方法，解決化工過程系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)、操作、控制等問題，──系統(tǒng)工程的分析與合成

手段：運算描述過程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，這種模型的運算稱作化工過程系統(tǒng)模擬第42頁/共61頁化工過程系統(tǒng)的分析

主要是分析過程系統(tǒng)的運行機制、影響因素、過程模型的數(shù)學(xué)描述、目標函數(shù)的建立、優(yōu)惠工況下的最佳操作參數(shù)目標是使決擇方案，技術(shù)上先進、可行，經(jīng)濟上優(yōu)越、合理對于操作工況的分析也就是通常說的生產(chǎn)操作調(diào)優(yōu)，包括在線調(diào)優(yōu)和離線調(diào)優(yōu)。第43頁/共61頁化工過程系統(tǒng)的合成包括：反應(yīng)路徑合成；換熱網(wǎng)絡(luò)合成；分離序列合成；過程控制系統(tǒng)合成；解決由各個單元過程合成總體過程系統(tǒng)的任務(wù)由于化工過程系統(tǒng)的復(fù)雜性，這類優(yōu)化問題常是具有非線性、奇異、有約束、多極值等現(xiàn)象，近年來出現(xiàn)的模擬退火法和進化算法第44頁/共61頁1.4化工過程模擬系統(tǒng)

對于化工過程的開發(fā)、設(shè)計，上世紀初期，由實驗室到中間廠逐級放大的經(jīng)驗辦法；

30年代，以相似論為基礎(chǔ)得出準數(shù)方程的辦法，建立數(shù)學(xué)模型的模擬放大法；

50年代后期，采用計算機數(shù)學(xué)模擬，基本上解決了大部分單元過程的開發(fā)放大問題。第45頁/共61頁化工流程穩(wěn)態(tài)模擬系統(tǒng)特點：模型中不包括時間參數(shù)，即把過程中的各種因素都看成是不隨時間而變化的，——適用于連續(xù)過程。在大規(guī)模連續(xù)化的工藝流程中，穩(wěn)態(tài)是不存在的穩(wěn)態(tài)模擬是對動態(tài)過程到達平穩(wěn)狀態(tài)的一種簡化處理，這種處理是很必要的第46頁/共61頁穩(wěn)態(tài)模擬系統(tǒng)的發(fā)展第一代（50--60年代）美國Kellogg公司的FLEXIBLE

FLOWSHEET，美國Houston大學(xué)開發(fā)的CHESS（ChemicalEngineeringSimulationSystem）第二代（70年代）美國Monsanto公司開發(fā)的FLOWTRAN美國Braun公司開發(fā)的PF10（ProcessFlow）日本千代田工程公司開發(fā)的CAPES（ComputerAidedProcessEngineeringSystem）第三代（1981）ASPEN(AdvancedSystemofProcessEngineering)第47頁/共61頁化工流程動態(tài)模擬系統(tǒng)許多的動態(tài)過程不允許簡化處理為穩(wěn)態(tài)過程間歇過程：裝料、開車、反應(yīng)、停車、卸料連續(xù)過程：開車、停車、事故處理第48頁/共61頁動態(tài)模擬系統(tǒng)的發(fā)展第一代（70年代）1969年加拿大McMaster大學(xué)開發(fā)的DYNSYS美國杜邦公司開發(fā)的DYFLO美國Michigan大學(xué)開發(fā)了DYSCO日本千代田化工建設(shè)公司開發(fā)了DOPL第二代（70--80年代）美國的魯姆斯公司將動態(tài)模擬技術(shù)用于進行系統(tǒng)可行性分析、先進控制系統(tǒng)方案設(shè)計日本的一些大型化工建設(shè)工程公司將動態(tài)模擬技術(shù)用于進行新建大型化工廠工藝及控制系統(tǒng)的設(shè)計第三代（1981）由動態(tài)模擬技術(shù)衍生出用于培訓(xùn)工人的模擬培訓(xùn)器（SimulationControlCo.,AutodynamicsCo.,AtlanticSimulationInc）第49頁/共61頁1.5化工企業(yè)CIPS技術(shù)

化工過程分析與合成的任務(wù)是以高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗為目標，尋求工藝生產(chǎn)中的設(shè)備、流程的合理配置方案以及最優(yōu)生產(chǎn)工況的操作在生產(chǎn)實踐中人們認識到，尋求化工過程優(yōu)惠工況依據(jù)不僅來自工藝過程本身，而必須遵循的根本性依據(jù)是企業(yè)的經(jīng)營決策為實現(xiàn)企業(yè)最佳經(jīng)營、生產(chǎn)決策的手段是當代的CIMS技術(shù)第50頁/共61頁Computer

Integrated

Manufacturing

System1974年美國JosephHarrington博士在《ComputerIntegratedManufacturing》一書中首次提出通過計算機硬、軟件綜合運用現(xiàn)代管理技術(shù)、制造技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)，將企業(yè)生產(chǎn)中有關(guān)的人、技術(shù)、經(jīng)營管理三要素及其信息流、物質(zhì)流有機集成為實施優(yōu)化運作的大系統(tǒng)第51頁/共61頁EnterpriseResourcePlanning企業(yè)擁有卓越的銷售人員，但生產(chǎn)線上的工人卻無法如期交貨，車間管理人員則抱怨說采購部門沒有及時供應(yīng)他們所需要的原料；采購部門的效率過高，倉庫里囤積的某些材料10年都用不完，倉庫庫位飽和，資金周轉(zhuǎn)很慢；ManufacturingResourcesPlanning未來兩年我國ERP產(chǎn)品市場達一百億元。準時生產(chǎn)制；精良生產(chǎn)制第52頁/共61頁ComputerIntegratedProcessSystem

化工、石化企業(yè),特別是一些特種化學(xué)品、精細化工產(chǎn)品的生產(chǎn)企業(yè)，要求新產(chǎn)品開發(fā)周期短、上市快;并要求生產(chǎn)工藝裝備是具有適應(yīng)多種產(chǎn)品的柔性系統(tǒng)。以CIPS的概念和方法組織過程生產(chǎn)企業(yè)的運作環(huán)節(jié)，包括生產(chǎn)控制、調(diào)度、管理、經(jīng)營決策、市場分析、新產(chǎn)品設(shè)計及研究開發(fā)，直到銷售和售后服務(wù)、用戶意見反饋等，形成以市場驅(qū)動、全局優(yōu)化的企業(yè)系統(tǒng)，收到了顯著的經(jīng)濟效益。第53頁/共61頁CIPS的應(yīng)用

日本三井石油化學(xué)公司實施CIPS，預(yù)計庫存量可減少30%，生產(chǎn)周期可縮短30%，成品油產(chǎn)量可增加10%，管理效率可提高20%。當前發(fā)達國家的大型化工、石化公司幾乎都處在對CIPS的實施、研究階段。國內(nèi)的一些企業(yè)聯(lián)合著高校和科學(xué)院所正在積極開展CIPS的建設(shè)，如齊魯石化勝利煉油廠、滄州大化集團、大慶石化總廠等。第54頁/共61頁1.6人工智能在化工過程中的應(yīng)用

各種化工過程系統(tǒng)基本上都可用數(shù)學(xué)模型描述。但由于實際化工過程的復(fù)雜性，還有許多現(xiàn)象具有離散的、非數(shù)值的、模糊的、不確定的特性，對這類對象建立數(shù)學(xué)模型非常困難一般：由技術(shù)專家憑籍他們的專業(yè)技術(shù)和經(jīng)驗來解決。缺點：對不同的專家，解決辦法可能有差異人工智能技術(shù)的引用，為解決這類問題辟出了新徑第55頁/共61頁人工智能技術(shù)

宏觀模擬從人在思維時的心理活動出發(fā)。分析、研究人是如何運用知識、邏輯而解釋問題的，從而掌握人腦的邏輯思維規(guī)律運用計算機模擬這個過程，選出與人的思維過程相一致的結(jié)果，這就是專家系