化工系统工程的学习综述

化工系统工程的学习综述

综述

化工系统工程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，是化学工程学的一个分支，是化学工程、系统工程、运筹学、数值计算方法、过程控制论等的边缘学科。主要是面向典型的化工过程系统，培养我们综合运用化工系统工程、化工工艺、化工反应工程和传递和分离工程知识处理实际问题的能力

一、化工过程系统工程的产生和发展

20世纪20~30年代：建立在“单元操作”的概念基础上，研究的是化工参数间简单的定量关系。

50年代，单元操作的理论有了发展，用可靠的数学形式加以表达；

60年代，由于计算机的迅速发展，在化工中也开始应用计算机，但主要还是用于单元操作的计算，在系统分析方面的工作还是十分有限的—产生和发展的理论准备时期。

70时年代，计算机的进一步发展，可以把几十个单元放在一起考虑，走上实用的时期，研制出有效的工业用化工流程通用模拟系统，对过程生产实现计算机控制。

80年代—普及推广。

90年代—完善、提高。

二、化工过程系统工程的基本内容

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。

三、化工过程系统工程任务

A. 从工程实际中抽象出系统模拟、优化、合成问题的能力；

B. 学会评价和选择解决实际过程系统问题的方法和途径；

C. 培养我们用现代应用数学的方法实现对系统模拟、优化、合成等过程

系统工程问题的能力；

D. 了解有关过程系统工程研究领域和方法的最新进展。

四、感兴趣的内容

1．化工过程系统的优化

1.1目的意义：解决工程设计、生产技术、科学试验、计划管理等问题，获

得最优的方案。

1.2优化

1.2.1基本概念：在过程系统性能、特点所给定的约束条件下，找出使过程系统的性能指标（目标函数）达到最小（or最大）的设备参数或工艺变量。

1.2.2分类

优化分为结构优化、参数优化、管理和求解方法的最优化。目的是最小的投入和日常消耗获得最大的收益。

（1）结构优化：流程方案优化，在多种可行方案中找出费用最小的流程结构，同时保证该方案满足安全、环保、易操作等要求。过程系统合成

参数优化：流程结构确定，对过程系统参数优化。包括设计参数优化（定性）和操作参数优化（定量）。

（2）设计参数优化：通过最优化方法应用于过程系统模型，寻求一组使目标函数达到最优，同时又满足各项设计规定要求的设计变量。可计算单元设备尺寸。

（3）操作参数优化（操作工况调优）：根据环境和条件的变化来调节操作变量，使整个系统处于最佳状态。其基本思想是综合考虑系统能力和经营决策，在经营目标之下，充分发挥系统潜力，提高应变能力，获得全局经济效益。

1）在线（实时）操作优化：操作参数与生产装置的测试系统连接在一起，随时根据检测仪表送来的信息进行优化计算，然后将计算结果送往控制系统。

①开环：计算结果在显示器上显示，提请操作人员作出决策，是否以此计算结

果进行调控。

②闭环：优化计算结果直接送到控制系统执行。

2)离线操作优化：操作参数优化计算定期进行，计算结果指导生产操作。管理优化：

①资源的合理分配

②时序问题（Scheduling）

③多产品生产过程的排产计划

1.3.过程优化一般步骤

1）分析问题

2）建模

3)模型分解简化

4)选择适当优化方法

5)求解

6)结果分析

7)优化结果验证

①确定变量

②确定目标函数

③确定约束条件

1.4建模方法

1）机理模型：对过程机理清楚的问题。计算精确，形式复杂，大型稀疏性，需特殊最优化方法。

2）黑箱模型：过程机理不清楚，或机理复杂，难以建立数学方程组或求解困难。

A)统计优化模型：以小型实验、中间试验或生产装置实测数据为依据，着眼于输入——输出关系，不考虑过程本质，对数据进行数理统计分析得到过程各参数之间的函数关系。

优点：模型关系式简单，不需要特殊最优化算法。

缺点：外延性差。

B）多层神经网络模型：基于实际生产数据或实验数据。

优点：适用于任何生产系统，寻优速度快，具备自学习、自适应能力，多目标寻优。

缺点：需要大量样本数据，存在局部极值。

2．化工过程生产操作控制

化工过程生产操作工况的调节：对物料流温度、压力、流量、液位、组成等操作参数的调节。

2.1 分散控制

简单回路控制：基地式仪表，单输入、单输出，控制目标是保持生产工况平稳。

单元组合式控制仪表：串级、前馈补偿控制系统

分散控制的特点：各个控制回路都是相互独立的

优点：系统可靠

缺点：硬件设计较多；难于实现总体优化控制方案。

2.2 集中控制

计算机用于化工过程控制，可以把各个控制回路的运算、控制、显示都集中于计算机来实现。

优点：节省硬件成本，便于同时分析各个控制回路的信息，为实现全系统的优化控制提供了条件。

缺点：一旦发生计算机故障则将出现全控制系统瘫痪。

2.3 集散系统(DCS)

分布式控制系统(Distributed Control System)：把计算机技术、控制技术、通讯技术、图像显示技术等集成为一体化的计算机控制系统。

集：管理、操作、控制(CRT)的集中

散：功能分散、负荷分散、危险分散。

发展前景：向扩大应用覆盖面；管控一体化；开放化和标准化；现场在线技术方向发展。

先进的控制规律：自适应控制、预估值控制、模糊控制、智能控制。3．人工智能技术在化工过程中的应用

3.1 人工智能技术

(1) 人工智能是指研究怎样让计算机做一些通常认为需要智能才能做的事