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1、1 系统与系统工程2 化工过程系统工程3 数学模拟的优点与限制4 流程结构的图形表示5 流程结构的矩阵表示6 流程模拟系统,化工过程系统工程概论,第一次飞跃:廿世纪20年代，从各种各样化工生产工艺中找出了组成它们的共同的基本单元，抽象出“单元操作”的概念，从而奠定了化学工程的基础；第二次飞跃:廿世纪50年代，从“单元操作”中又进一步归纳出其中共同的基本规律，进而提出了“传递过程”的概念；第三次飞跃:廿世纪50年代以后，是将各种单元操作所组成的化工系统作为一个整体进行研究。,引言：化工生产认识上的三次飞跃,新产品、新过程的开发加快与工业放大技术落后之间的矛盾尖锐化，要求将过去的相似模拟（如实验室
2、的试验）、逐级放大的方法改为通过数学模拟来指导放大与设计，以加快放大与设计的整个过程，缩短开发周期；现代工业的综合化发展，使流程结构日益复杂，在这种综合企业的合理设计时，就不能把单个装置孤立起来，而必须要整个地作为一个系统来进行研究，分析其整体特性；装置规模的日益大型化对设计提出了更高的要求，即要求做到大型系统的整体最优化设计，这样可大幅度节省投资费用和操作费用。,化工过程系统工程产生的必要性：生产的发展,化学工程：对过程的机理了解比较清楚；计算数学：复杂问题在计算机上顺利求解；运筹学及后来的系统工程学科：分析大规模系统的手段；控制论学科：从过程控制的角度，运用系统工程方法来研 究整体控制性能
3、；计算机技术：为化工过程分析和顺利而高效地进行过程设 计提供了基础；等等。,化工过程系统工程产生的可能性：临近学科的发展,将系统工程的思想和方法应用于化工过程，即称为化工过程系统工程。化工过程系统模拟与分析是化工过程系统工程的重要组成部分，是其研究的基础与主要内容。,1 系统与系统工程,系统”这一概念的来源？传统的分析方法与系统工程学的分析方法的区别？“系统工程”的对象是什么？系统工程对系统整体的协调与优化过程是一个怎样的过程？正像科学与其它领域中的每一个新的观念一样，系统的概念也有一段漫长的历史。“系统”概念，来源于人类的长期社会实践，但由于受到早年科学技术发展水平的限制，一直没有受到应有的
4、重视。直到廿世纪40年代美国才开始在工程设计中应用“系统”这一概念，到了50年代以后“系统”这一概念逐步明确化、具体化，并在工程技术系统的研究和管理中广泛应用。,系统工程学：把所研究的对象当作一个整体来研究，也即把一个研究的对象看作一个系统，从系统整体出发去研究系统内部各组成之间的有机联系和系统外部环境的相互关系。综合研究的方法，即是系统工程研究方法。,传统的分析方法：往往把一个事物分解成许多独立的部分，把问题分得很细，然后分别进行深入研究。由于这样的研究方法往往容易把事物看成是孤立的、静止的，因此得出的结论往往被限制在一个局部的条件下，如果扩大到更大的范围来考察，那么整体的结论就可能是片面的
5、、甚至是错误的。,一般系统论：美籍奥地利生物学家贝塔朗菲）创立的一门逻辑和数学领域的科学，它的主要目的是企图确立适用于系统的一般原则。它运用完整性、集中化、等级结构、终极性、逻辑同构等概念，找出适用于一切综合系统或子系统的模式、原则和规律。后来又发展成为试图包括一般系统论、控制论、自动机理论、信息论、集合论、图论、网络理论、系统数学、对策论、判定论、计算数学、模拟的理论和方法，统称为系统论。它活跃于国际学术界，已成为科学哲学流派之一。,系统工程与其它工程学不同，不限于某个领域，不限 于物质系统，被认为是一种“软科学”。作为一门工程技术，是在运筹学、控制论、计算机技术、工程设计、管理科学等学科的
6、基础上发展起来的。,系统工程对系统整体的协调与优化过程可用图表示。,系统整体的协调与优化过程,工程学的方法论，以研究大系统为对象的一门边缘学科。将自然科学和社会科学中的某些思想、理论、方法、策略和手段等根据总体协调的需要有机地联系起来，把生产、科研、经济活动等有效地组织起来。用数学方法和计算机等工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换、反馈控制等功能进行分析、设计、制造和服务。从而达到最优设计、控制、管理，使局部和整体之间的关系协调配合，以实现系统的综合最优化。,“系统工程”,化学工程学的一个分支，是将系统工程学的理论和方法应用于化工过程领域的一门新兴的边缘学科。所涉及的学科有：化学工程、系
7、统工程、运筹学、控制论、计算机科学、计算数学、人工智能等。基本内容:是从化工系统的整体目标出发，根据系统内部各个组成部分的特性及其相互关系，确定化工系统在规划、设计、控制和管理等方面的最优策略。包括:过程系统模拟与分析、过程系统综合、过程系统控制与操作、过程系统的设计与优化和人工智能技术在化工过程中的应用等。,2 化工过程系统工程,廿世纪60年代是化工过程系统工程产生和发展的理论准备时期，代表性的研究者有美国的Rudd和Watson（1968），Himmelblau和Bischoff（1968），日本的矢木荣和西村肇（1969），苏联的（1971）等，他们的论著阐述了化工过程系统工程的研究方法
8、和内容。廿世纪70年代是化工过程系统工程走上实用的时期。随着计算机应用的普及，采用化工过程系统工程方法，陆续研制出有效的工业用化工流程通用模拟系统，并对过程生产实现计算机控制，取得显著经济效益。廿世纪80年代是化工过程系统工程普及推广的时代，不仅在化工、石油、石油化工、核工业和能源工业中获得广泛应用，而且向冶金、轻工、食品等连续加工过程工业部门推广，有力地促进了这些部门生产技术的飞速发展，相应地，化工过程系统工程学科在理论、方法和内容方面也在不断完善和发展，自1982年起每隔三年一届的国际化工过程系统工程会议就是这一进步的标志之一。我国从廿世纪70年代开始介绍这门新学科。廿世纪80年代开始这一
9、学科发展很快。,化工过程系统工程的产生和发展,过程开发（又称为规划决策阶段），主要完成可行性研究，提出可行性研究报告；科研阶段，建立数学模型，描述过程对象的规律性与特点。在数学模型基础上进行流程方案的开发，用流程模拟系统和经 济评价进一步进行可行性研究；技术开发阶段，通过中试（或小试）与系统模拟相结合，寻 找装置整体操作的最优条件，缩短开发周期，同时也可以利用 中试的实验数据来修正模型；,化工过程系统工程研究的目的和任务,设计 化工过程系统工程的主要任务是CAD，即计算机辅助设计（Computer Aided Design），仍以化工过程系统模拟为基础。化工过程设计就是如何找到一个理想的过程以
10、满足给定的生产要求，长期以来是凭工程师的经验完成的，而“过程综合”则将化工流程设计由经验上升到科学，即用计算机实现最优化设计。生产投产之前研制模拟培训系统，对操作人员进行培训。投产之后对已有的化工系统进行模拟与分析，找到适宜的操作条件，与集散控制系统结合起来，指导生产操作。扩产改造对现有装置进行模拟与分析，寻找薄弱环节，提出改造方案。,一般含义上的模拟：借助于一个系统或过程的性能，对另一个系统或过程的性能作出模仿性的演示。,物理模拟：用试验水槽里的船舶模型来研究船舶的性能；用风洞中的飞机模型来研究飞机的性能。,数学模拟：把要加以研究讨论的系统或过程的性能用一 个数学模型（数学方程组）描述出来，
11、之后采取某种解 算手段去对数学模型进行求解，从而达到研究的目的。,化工过程系统模拟与分析：建立化工过程系统的数学模型或描述模型并在计算机上 加以体现、试验和分析。,2.1 化工过程系统模拟与分析,计算机模拟二次世界大战期间分子动力学模拟,数学模型或描述模型是指借助有关概念、变量、规则、逻辑关系、数学表达式、图形和表格等对系统的一般描述。把这种模型转换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，并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，重新进行运算，了解在各种不同条件下系统的行为和性能。具体地说，是
12、将系统逐级分解成一系列子系统，根据系统分解原理确定系统的解算方法及解算顺序；建立单元数学模型，进行系统的稳态模拟计算，乃至动态特性分析；计算系统的可靠性与灵敏度，进行设备设计及成本核算等。,数学模型,数学模型的基本类型,(1)按数学模型的建立方法分类,(2)按对象的时态本质分类,(3)按过程对象的数学描述方法分类,(4)按过程对象的属性分类,数学模型,理论模型,经验模型,稳态模型,动态模型,集中参数模型,分布参数模型,确定性模型,随机性模型,模糊性模型,用于化工过程系统模拟与分析的应用软件称为化工模拟系统，它是过程综合的重要手段，也是过程综合的基础。,要对化工过程系统进行模拟与分析，必须首先要
13、有工作平台，即性能可靠的系统模拟软件，该软件中要包含许多过程单元操作的数学模型，开发这样的系统软件的工作量很大，也是过程模拟与分析的基本和中心工作，其基本步骤见图。,化工模拟系统,化工过程系统模拟与分析步骤,考虑模拟对象所要求的特性与时间的关系,过程模拟,稳态模拟,动态模拟,在化工过程系统工程中，化工过程系统模拟与分析是基础，而且实用化程度最高，无论从学科发展还是从对国民经济发展的作用角度上看，该专题都占有中心地位。,化工过程系统工程,化工过程系统 模拟与分析,（1）稳态过程系统模拟稳态模拟是化工过程流程模拟研究中开发最早、应用最普遍的重要技术，包括物料与能量衡算、设备尺寸与费用计算、过程的技
14、术经济评价等。稳态流程模拟系统分为专用系统和通用系统两大类。专用流程模拟系统是针对某一具体过程开发的，模拟计算效率高，结果准确。通用流程模拟系统具有柔性结构，可用于各种工艺过程。一般商品化的流程模拟系统由以下几部分组成：输入、输出系统；单元操作模块库；物性数据库；数值解算模块库；执行系统。目前，国际上最有名的通用流程模拟软件是麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)开发的ASPEN软件:Advanced System for Process Engineering国内模拟软件：青岛化工学院的ECSS（重点是分离过程）；兰州石化研究院、大连理工大
15、学、华东理工大学联合研制的合成氨流程专用模拟系统：Micro SAPROSS,（2）动态过程系统模拟 比稳态过程系统模拟晚10年左右。了解装置经受动态负荷变化的能力及可操作性；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的 设计提供依据；通过仿真计算，在多种控制方案中进行优选；用动态模型代替实际装置对操作作出动态响应，开发达到训练目的的 操作人员培训器；用计算机动态模拟手段代替教学实验设备，培养学生实验研究能力。,2.2 化工过程系统综合,多目标最优组合问题，是化工过程系统工程学科的核心内容。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的性能，并使系统按规定的目标进行最
16、优组合。研究的主要课题有：（1）反应路径的综合；（2）换热器网络的综合；（3）分离序列的综合；（4）反应器网络的综合；（5）全流程的综合；（6）公用工程系统的综合；（7）全过程系统能量优化综合。,2.3 化工过程系统的操作与控制,化工过程系统的操作与控制研究的课题主要有：（1）数据的筛选与校正；（2）过程操作最优化；（3）过程监控与故障诊断；（4）操作模拟仿真培训系统。,2.4 间歇化工过程系统的设计与操作优化,英帝国化学公司在1983年组建了专门的研究组，推出了间歇过程设计与操作优化软件 Batch MASTER和Beyond MASTER，可帮助工程师迅速将实验室中的“配方”放大为工厂设备
17、序列及操作时间表。我国的研究工作始于廿世纪80年代，天津大学等单位在单产品间歇过程最优设计及多产品间歇过程最优操作时间表方面做了大量研究工作。,2.5 人工智能技术在化工系统中的应用,人工智能的基本问题：知识的获取、知识的表达和知识的处理。其中专家系统取得的进展最大、应用最广，它是一种基于知识的、用来解决过程综合和过程开发问题的计算机软件，对所面临的复杂问题作出专家水平的结论，也可称为“计算机辅助过程综合系统”。专家系统主要用于推理而不是计算，并具备学习功能。主要解决这样一类的问题：例如在特定的条件下选择什么样的过程系统结构和过程单元，以构造满足要求的过程系统等。,专家系统结构示意图,推理机主
18、要利用推理规则实现推理过程；数据库用于存储事实（指的是广泛共有的知识）以及通过与用户对话得到的信息；知识库存储专家的经验（即探试性知识或推理规则）。,人工神经网络大规模、并行、分布式的处理系统，具有很强的自适应性和自学习功能。按其网络的拓扑结构可分为两大类：无反馈神经网络（典型的为BP网络）和反馈神经网络（典型的为Hopfield网络）。两类网络对应两种算法：BP算法（误差回传算法）和Hop-field算法。人工神经网络模型是以现场数据或过程模拟计算结果为学习样本，通过培训（即训练）而建立起来的。目前，人工神经网络模型在化工中的应用很多，例如：过程模拟、成分分析、控制算法、模式识别、故障诊断、
19、过程优化等。,（1）经济：相对于各种规模的试验装置来说，采用数学模型在计算机上进行试验，显然投资要少得多，而且更迅速。（2）适用性广：可以模拟各种条件，可以在各种条件下进行模拟计算，以获得过程的性能信息。（3）互换性强：可以将各种新的因素（包括新的单元操作）加在系统中，替换旧的因素，加以模拟考核，提供方案的比较，或验证某些假设可否成立。（4）信息详尽：可以最大限度地将生产过程的有关基础资料和数据关联起来，加工出这一系统的完备的技术资料。（5）加大放大倍数：可以缩短放大试验的进程，减少中间环节，大大缩减新产品、新工艺投产的放大周期（平均由8年以上降为3年左右）。如果放大倍数小，则需要放大的级数增
20、多，用于过程研究的时间就长，开发周期也长。,3 数学模拟的优点与限制,3.1 数学模拟的优点,利用数学模拟的手段能够最大限度地利用大量的理论研究成果来分析复杂的实际过程系统。例如，甲苯歧化反应器由实验室数据直接放大到生产设备，放大倍数达到6000倍；丙烯二聚反应器的放大倍数达到17000倍。兰州石化设计院、大连理工大学化工学院与华东理工大学共同开发完成了合成氨流程专用模拟系统：Micro SAPROSS I、II版，其中有的已达到国际先进水平。大连理工大学化工学院以 Micro SAPROSS II 中所开发的RPS为系统分析平台，研制开发了两项关于低温甲醇洗工艺的专利技术，经与兰州石化设计院
21、合作，现已完成了专利技术工艺软件包与低温甲醇洗工艺扩产10%工艺软件包的研制任务。此外，我国某有机合成厂于廿世纪70年代引进了西德年产10万吨乙烯水合乙醇装置，在技术消化、吸收的基础上，进行了不少改进，取得了明显效果，但能耗仍然很高，大连理工大学化工学院就此装置应用全系统“能量集成策略”，实现了生产装置的能量优化综合。,（1）数学模型的适用范围：不能将数学模型推广应用到模型建立时的假设前提之外，或是超出变量允许的适用范围。（2）数据的准确性：建立数学模型过程中经常遇到的难题是：如何比较准确地确定模型公式中的各种参数，如组分之间的交互作用系数、化学动力学常数、塔板效率、传质系数等等。这些数据的可
22、靠性如何在很大程度上决定了所建数学模型能否真实反应实际工艺过程。（3）数学模型的解算手段：数学问题在计算机上求解能否得以实现，显然取决于两个因素：数学方法和计算机本身。（4）理论发展：无论是人们对一些过程机理方面的认识深度，还是化工系统工程有关理论研究的进展程度，都势必对数学模拟这种方法的应用范围及应用效果有决定性的影响。,3.2 数学模拟的限制因素,4 流程结构的图形表示 4.1 信息流图（Information flow diagram）,工艺流程示意图,信息流图，又称为信息流程图、结构单元图，重点表示模拟分析中单元之间的信息联系。用方块表示单元，实质上单元起信息转换作用。,信息流图,信息
23、流（程）图与工艺流程图的区别：信息流图用方块图表示，不强调设备外型；流程图中没有的设备在信息流图中有时也需要画出来，如分配（割）器、混合器等；流程图中有的设备有时可以在信息流图中不画出来，如在进行物料衡算时，冷却器不需要画出来；模拟时需要作流股断裂（假定初值），相当于加一个模块，即收敛框（块）。收敛框的作用是比较计算值与假设值，并按一定的原则调整假设值。,4.2 信号流图（Signal flow diagram）,上游节点：输入信号下游节点：输出信号 公用工程物流有时可以不关心。,着眼于信号之间的联系。,5 流程结构的矩阵表示 有了信息流之后，各单元设备及各流股已经数字化，就能用一定形式的矩阵
24、来表示流程的结构。,5.1 过程矩阵（process matrix）在过程矩阵中，行代表单元，列代表流股，元素代表进出单元的流股号，规定输入为“+”，输出为“-”。有关流股的先后次序是任意的。,过程矩阵 在过程矩阵中只出现一次的流股必为系统总输入或总输出流股，例题中的“1”，“-8”分别代表流程的输入与输出流股。,A 1 10-2 B 2-3 C 3-4 D 4-5 E 5-6-7 F 7-8-9 G 9-10,5.2 关联矩阵（occurrence matrix）关联矩阵同样是表示单元与流股之间的关联情况。在矩阵中，行表示单元，列表示流股号。元素表示单元与流股的关联情况，输入为“1”，输出为
25、“-1”。,关联矩阵 由各列元素值加和所提供的信息，可判别相应流股是系统内部流股，还是系统的输入输出流股。或根据各列元素情况判别：有两个不为“0”元素的列代表中间流股，只有一个不为“0”元素的列代表输入输出流股，如“1”为流程总输入流股，“6”，“8”为流程总输出流股。而如果某列的“+1”、“-1”两个元素排列次序为“+1”出现在“-1”之前，则表示该列流股为再循环流股，如流股“10”。,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10A 1-1 1 B 1-1 C 1-1D 1-1 E 1-1-1F 1-1-1 G 1-1,5.3 邻接矩阵（adjacency matrix）表示单元之间的关联情况，
26、即是否邻接。邻接矩阵中行、列均代表单元，所以，一个由n个单元组成的流程，其邻接矩阵是一个nn阶方阵。其中行代表物流流出单元，列代表物流流入单元。元素表示各单元之间的关联情况行单元的输出为列单元的输入时为“1”，不相联为“0”。,邻接矩阵 这种由“0”，“1”两种元素构成的矩阵称为布尔矩阵或逻辑矩阵。邻接矩阵虽然比关联矩阵简单，但它只表示了单元之间的关联情况，而没有反映系统的边界信息，即流程的总输入、总输出流股是从哪一个单元流入或流出的。,A B C D E F GA 1 B 1 C 1D 1 E 1F 1 G 1,6 流程模拟系统,第一代（19581965）的特点：专用软件，规模小（15人年，
27、几千行FORTRAN语句）。软件的使用受到限制，不能用于设计型模拟，不能增加新模块，采用直接迭代法实现再循环流股的收敛。代表软件为美国Kellogg公司开发的Flexible Flowsheet，以及McMaster大学开发的PACER。第二代（19661975）的特点：趋于通用化，规模较大（2060人年，15万行FORTRAN语句）。适应性增强,可增加模块，实现设计型模拟,采用较高级的再循环流股的收敛方法,但只能处理气液相。代表软件为美国Monsanto公司研制的FLOWTRAN。英、日也有类似的软件问世。第三代（1976）的特点：功能性强，规模大（120多人年，20多万行FORTRAN语句
28、），灵活，适应性强，可处理气液固相及电解质。代表软件为美国麻省理工学院开发的通用模拟软件ASPEN。,（1）化工过程模拟软件的相继问世,（2）流程模拟系统的基本结构,输入系统：通过输入子程序进行数据的读入、检验和存储三个输入阶段，完成输入过程模拟计算所需要的有关信息。包括过程拓扑结构、所有输入流股信息、单元的设备参数、断裂流股的初值及收敛精度等。过程拓扑是指把过程流程图转换为信息流图，再应用过程矩阵把过程拓扑转换为计算机的数据输入。输出系统：按用户要求输出有关信息，包括计算结果、错误诊断信息、中间计算结果等。输出信息通常存放在输出文件中。主执行程序：模拟系统软件的核心，具有调度、管理的功能。根
29、据系统分解方法确定计算顺序，接受输入系统来的数据，调用单元模块进行过程模拟、设计、优化及经济分析计算，并存储计算结果，通过调用输出系统，生成报告文件给用户。,单元模块库：模拟软件的重要组成部分，包含混合器、分割器、闪蒸器、换热器、压力变化单元、反应器、多级精馏塔等基本单元模块。物性数据库与热力学性质库：很大程度上决定了过程模拟软件的性能好坏，它包含有各组分及其混合物的诸多性质与关联式。这些性质如摩尔质量、沸点、饱和蒸汽压、热容等等。计算方法库：提供解算模型方程的所有数值计算方法。如求解非线性方程组的数值算法、优化算法、回归计算、断裂收敛算法等。成本数据库：存贮那些用以进行成本估算与经济分析的相关数据。如单位产品所耗原料的费用、单元设备投资的计算模型参数等。,ASPEN PLUS 的单元过程模块库,（3）国内外典型的流程模拟系统,绪论化工单元过程的模型化及其单元模块过程系统的结构分析化工过程系统模拟与分析基本方法化工系统的最优化化工过程系统的合成,课程内容,
