化工系统工程
化工系统工程__化工过程系统稳态模拟与分析（可编辑）
化工系统工程__化工过程系统稳态模拟与分析2 化工过程系统稳态模拟与分析概述通过对化工工艺流程系统进行稳态模拟与分析也就是对过程系统建立模型并对模型进行求解可以解决下述三方面的问题①过程系统的分析与模拟②过程系统设计③过程系统参数优化①过程系统的分析模拟对某个给定的过程系统模型进行模拟求解可得出该系统的全部状态变量从而可以对该过程系统进行工况分析如图21所示②过程系统设计当对某个或某些系统变量提出设计规定要求时通过调整某些决策变量使模拟结果满足设计规定要求如图22所示③过程系统参数优化过程系统模型与最优化模型联解得到一组使工况目标函数最佳的决策变量优化变量从而实施最佳工况如图所示 2 化工过程系统稳态模拟与分析相关的基本概念 1 系统为了某种目标由共同的物料流或信息流联系在一起的单元组合而形成的整体称为系统 2 子系统组成系统的系统下一层次的事物简单系统子系统就是某个单元复杂系统它的子系统又可能包含有子系统基本概念 3 系统的特性由两方面构成 1系统内各个单元的特性复杂系统则是各子系统的特性 2系统流程的结构特性树结构和再循环结构的概念 4 过程拓扑将过程流程图转换为信息流程图再把信息流程图转变为过程矩阵的过程称为过程拓扑过程流程→信息流程用有向线段表示信息流用方框表示设备或节点信息流程→过程矩阵将信息流程数字化使计算机可以识别根据信息流图可以得出过程矩阵 2．1 过程系统模拟的基本方法过程系统模拟计算量大且复杂手工计算难以完成计算机和计算技术的发展为过程系统的整体研究提供了技术手段各种类型的过程系统模拟软件不断出现但就其模拟计算求解方法而言可以归纳为三类序贯模块法 Sequentia1 Modular Method 面向方程法 Equation Oriented Method 联立方程法联立模块法 Stmultaneously Modular Method 2 11过程系统模拟的序贯模块法序贯模块法按照由各种单元模块组成的过程系统的结构序贯的对各单元模块进行计算从而完成该过程系统的模拟计算的方法序贯模块法对过程系统的模拟以单元模块的模拟计算为基础依据单元模块入口的物流信息以及足够的定义单元特性的信息计算出单元出口物流的信息序贯模块法的优点与实际过程的直观联系强模拟系统软件的建立维护和扩充都很方便易于通用化计算出错时易于诊断出错位置序贯模块法的主要缺点计算效率较低尤其是解决设计和优化问题时计算效率更低序贯模块法计算效率低的原因只能根据模块的输入物流信息计算输出物流信息在进行系统模拟的过程中对有再循环物流单元模块的计算需要考虑断裂物流收敛计算使问题复杂 2 12 过程系统模拟的面向方程法面向方程法将描述整个过程系统的数学方程式联立求解从而得出模拟计算结果的方法面向方程法又称联立方程法面向方程法的优点可以根据问题的要求灵活地确定输入输出变量而不受实际物流和流程结构的影响模型中所有的方程可同时计算和同步收敛面向方程法的问题形成通用软件比较困难不能利用现有大量丰富的单元模块缺乏与实际流程的直观联系计算失败之后难于诊断错误所在对初值的要求比较苛刻计算技术难度较大等 2 13 过程系统模拟的联立模块法联立模块法将过程系统的简化模型方程与单元模块严格模型交替求解又被称作双层法 2．2 过程系统模拟的序贯模块法 2．2．1序贯模块法的基本原理单元模块依据相应过程单元的数学模型和求解算法编制而成的子程序如图28 a 中的闪蒸单元可依据闪蒸单元模型和算法编制成闪蒸单元模块单元模块的单向性结定单元模块的输入物流变量及参数可计算出相应的输出物流变量但不能由检出变量计算输入变量也不能由输入输出变量计算模块参数序贯模块法的基本思想从系统入口物流开始经过对该物流变量进入的单元模块的计算得到输出物流变量这个输出物流变量就是下一个相邻单元的输入物流变量依次逐个的计算过程系统中的各个单元最终计算出系统的输出物流计算得出过程系统中所有的物流变量值即状态变量值 2．2．2 再循环物流的断裂当涉及的系统为无再循环流的树形结构时序贯模块法的模拟计算顺序可以按过程单元的排列顺序一一顺利完成用序贯模块法处理具有再循环物流系统的模拟计算时需要用到系统分解断裂 Tearing 和收敛 Convergence 等多项技术 Step1 假定断裂物流S4的变量值然后依次计算单元模块ABC得到物流S4的变量值 Step2利用收敛单元比较S4与S4的相应变量值若不等则改变S4为新的变量值重复Step1过程直到S4与S4两个变量值相等为止问题收敛单元设置在哪个物流处既如何选择断裂物流本问题中不仅可以是物流S4处也可以设置在物流S2或S3处对于复杂系统收敛单元设置的位置不同其效果也将不同究竟设置在何处为好这要通过断裂技术去解决如何得到新的S4变量值如何保证计算收敛如何加快收敛取决于收敛算法还与断裂物流变量的特性有关 2．2．2 再循环物流的断裂 1 断裂的基本概念首先考察方程组的断裂假设有一个由四个方程四个未知变量组成的方程组也可以由另外的方式进行求解例如假设x2的猜值则 f1解出x3 f2解出x4 f3解出x1 最后利用f4来检验最初没定的猜值x2 是否正确如果f4为零则可认为得到了方程组的解若此处的f4 不为零则需修正x2的值再重新进行迭代计算这样可将四维求解问题降阶成了四个一维问题通过迭代计算把高级方程组降阶为低级方程组的办法称为断裂考察过程系统中的不可分隔子系统如图211断裂物流可以选为S10当然也可以选为S11选择不同的断裂物流则其相应的迭代序列也不一样从表面上看上列的两种计算序列似乎没有什么很大的区别但由于系统中各物流及其变量特性的不同在收敛计算上常是有很大差异的如变量个数的多少方程求解的难易程度等如何选择断裂物流确定迭代序列是实施序贯模块法进行过程系统模拟计算过程中必须要解决的问题 2 断裂方法的研究早在20世纪60年代初就有人提出了断裂的思想此后随着流程模拟技术的不断发展有关研究断裂的文章不断出现他们提出判断最佳断裂的准则分为四类 1 断裂的物流数最少 2 断裂物流的变量数最少 3 断裂物流的权重因子之和最少 4 断裂回路的总次数最少另一种归纳 1断裂的流股数目最少 2断裂流股包含的变量数目最少 3对每一流股选定一个权因子该权因子数值反映了断裂该流股时迭代计算的困难程度应当使所有的断裂流股权因子数值总和最小4选择一组断裂流股使直接代入法具有最好的收敛特性四条准则是一般性的原则 3 回路矩阵过程系统中的简单回路可以用回路矩阵 1oop／stream Matrix 表示矩阵中的行代表回路列代表物流若某回路i中包括有物流J则相应的矩阵元素aij＝1否则为空白或零不独立的列 f 1 与 f 值较大的列相比较若某列中的非零元素与 f 值较大列的非零元素同行则该列相对于 f 值大的列不独立如S2的f 值较大与其余小于它的列相比较会发现S2的非零元素为C行和A行而S1列C行非零 S3A行非零其余列中无与S2同行的非零的元素则判别出 S1 S3相对于S2不独立表示为 S1 S3 S2 S5 S6 S4 流股断裂方法一L - R 分解法 L – R分解法遵循的原则断裂流股数目最少且将所有循环路打开例现有一个为最大循环网的不可分割子系统其信息流图如下1 42 53 S4 S3 S2 S1 S6 S5 S7 S8 4流股断裂方法分析在这个信息流程图中有 8个流股S1S2 S8 五个节点12345构成了ABCD四个环路 1 4 2 5 3 S4 S3 S2 S1 S6 S5 S7 S8 A D C B在Lee – Rudd 法中首先分析信息流图再用环路矩阵表示出来 A B C D 环路S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 01 1 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 1 1 1 1 01 0 0 0 0 0 0 0 11 1 1 0 流股 f R 1 42 53 S4 S3 S2 S1 S6 S5 S7 S8A C DB 矩阵做法Si 流股若在 A 环中出现则标 1若不出现则标 0例如 A 环由S2S3 两流股构成其余为零矩阵中还有加和行用f 表示它由每一列中的非零元素加和构成加和列R它将每一行非零元素加和构成 f 称为环路频率代表某流股出现在所有环路中的次数R 称为环路的秩代表某环路中包含的流股总数经运算可得出加和 f 和R值环路矩阵成为下面样子 A B C D S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 0 1 1 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 10 R 2 2 3 4 f 1 2 1 2 1 1 2 1 不独立的列 A B C D S1 S2 S3 S4 S5S6 S7 S8 0 1 1 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 11 1 1 0 1 0 0 0 00 0 0 1 1 1 1 0 R 2 2 34 f 1 2 1 2 1 1 2 1 不独立的列基本概念工艺流程图过程流程过程拓扑举例信息流图-13 序贯模块法的基础是单元模块子程序通常单元模块与过程单元是一一对应的过程单元的输入物流变量即为单元模块的输入单元模块的输出即为过程单元的输出物流变量如 A B H G F E C D 系统分解对复杂系统将所有模型方程全部联立求解很困难直接用序贯法又存在相互影响这时可将该系统分成几个相对独立的部分各自联解再序贯求解将大的复杂系统分解为若干个小的子系统的过程称为大系统的分解目的是识别出不可分割子系统 AB H G F ECD 不可分割子系统不相关子系统 A B H G FE C D A B C A B CG F E D 流股断裂 Tearing 一般对于大系统分解得到的子系统已是不可分隔的如ABC构成的当这样的子系统仍很复杂时联立求解仍困难若断开某一个流股则可采用序贯法求解而断开的流股变量则作为迭代变量选择断裂流股是该技术的关键 A B H G F E C D 断裂物流迭代计算步骤如下该方程组可以通过联立求解得到它的解图210 描述了断裂的过程其中流股x2称为断裂流股该流股只有一个变量x2 称为迭代变量流股的收敛性指的就是其中变量x2 的收敛性能问题如果不选择流股x2是否可达到简化的目的。
化工系统工程课件-化工过程分析与合成
流程模拟与优化
利用流程模拟软件对化工过程 进行模拟，通过优化算法对过 程进行优化。
效果评估
对改进措施的实施效果进行评 估，总结经验教训。
02
化工过程建模与仿真
化工过程建模
总结词
化工过程建模是化工系统工程的基础，它通过建立数学模型来描述化工过程的 动态行为和性能。
详细描述
化工过程建模的主要目的是将实际的化工过程转化为数学模型，以便进行仿真、 优化和控制。建模过程中需要考虑各种因素，如化学反应动力学、热力学、流 体动力学等，以及各种设备的特性。
生物化工过程分析与合成应用案例
以某生物化工厂为例，通过对其生产过程中的多个单元操 作进行优化，实现了降低能耗、提高产品质量和减少环境 污染的目标。同时，该案例还展示了化工系统工程在解决 实际问题中的重要性和优势。
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案例一：石油化工过程分析与合成
石油化工过程分析与合成概述
石油化工是以石油为原料，通过化学反应和分离过程将石油转化为各种化学品、燃料和材 料的过程。在化工过程中，分析和合成是关键环节，对于提高产品质量、降低能耗和减少 环境污染具有重要意义。
石油化工过程分析与合成技术
石油化工过程涉及多种化学反应和分离技术，如蒸馏、萃取、吸附、结晶等。通过对这些 技术的分析和优化，可以确能耗和物耗。
化工系统工程课件-化工过程 分析与合成
目录
• 化工过程分析与合成概述 • 化工过程建模与仿真 • 化工过程操作与控制 • 化工系统工程应用案例
01
化工过程分析与合成概述
定义与目标
定义
化工过程分析与合成是一门研究化工 生产过程中物质和能量转换、传递和 平衡的学科。它通过对化工过程的系 统分析，实现过程优化、节能减排和 提高经济效益的目标。
《化工系统工程》PPT课件
在工程上，许多选择问题均属于优化问题。例如连续操作与间歇
操作的选择，流程、操作条件、设备型式、设备结构尺寸与结构材料
的选择等等。此外，还有流程设计、设备工艺参数的确定等也属于优
化问题。
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4
当存在以下情况时，我们都可以进行优化设计：
(1)销售受到产量的限制 如果市场销路没有问题，设法改变设计参 数提高产量是很有吸引力的。
(5)产品质量超过设计规定 如果产品质量明显优于用户要求这样会 造成生产费用和装置能力的浪费，设法使产品质量靠近用户要求，便 能使成本下降。
(6)有较多的有用组分通过废水、废气排出 例如通过调节空气与燃 料的比例，以减少加热炉的燃料损失，从而降低燃料的消耗。减少废 水、废气中有用组分的含量还能降低环境保护装置的费用。
(7)人工费用高 对于需要人工劳动较多的过程，例如间歇操作，减
少人工费用扰能阵低生产成本。减轻劳动强度，也能使生产成本下降。
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2.2 优化问题的数学描述
各种优化问题在数学上具有相同的结构，抽象成数学问题后就有其共 性。因此优化问题的数学描述是解决优化问题的关键步骤。优化问题的数 学描述包括：目标函数(经济指标)；系统模型(约束方程)。
化工系统工程
化工系统的优化及实例分析
班级：研05-3班 姓名：高善彬 学号：S0503190
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1
化工系统的优化是化工系统工程的核心。例如， 当我们在设计一个设备或一个工厂时，总是希望得
到的产品成本最低或获利最大，这就是最优设计问
题。对于现有设备或工厂我们总是设法对其工况加
以调节和控制，使产量最高或获利最大。这就是最
性规划问题。求解线性规划问题的优化方法已相当成熟，通常采用单
化工系统工程讲义___概述说明以及解释
化工系统工程讲义概述说明以及解释1. 引言1.1 概述在化工工程中，化工系统工程是一个重要而综合性的学科领域。
它集成了化学工艺、传质传热、流体力学等多个学科的知识，旨在研究和优化各种化工过程的设计和操作。
本讲义旨在介绍化工系统工程的基础知识和方法，帮助读者全面理解和应用这一领域的核心概念。
1.2 文章结构本文共分为五个部分：引言、正文、章节一、章节二以及结论。
引言部分将对文章进行总览性介绍，正文将深入探讨化工系统工程的相关内容，而章节一和章节二则是对具体主题进行详细阐述。
最后的结论将对整篇文章进行总结，并提供一些相关推荐资料以供进一步学习。
1.3 目的本讲义的目标旨在让读者全面了解化工系统工程这一领域，并具备初步应用其原理和方法解决实际问题的能力。
通过深入理解和掌握相关内容，读者能够更好地进行化工过程设计与优化，在实践中提高生产效率并降低成本。
同时，通过本讲义的学习，读者也能够为深入从事化工系统工程研究奠定坚实的理论基础。
对于化工领域的学生和从业人员来说，本文将是一份宝贵的参考资料。
2. 正文正文部分将对于化工系统工程的基本概念、原理和应用进行详细的介绍。
在化工系统工程中，系统指的是由多个组成部分相互作用而形成的整体。
这些组成部分可以是设备、仪表、管道等，它们通过物质、能量或信息的传递与转化实现协同工作。
化工系统工程旨在设计、优化和管理这些复杂的系统，以提高生产效率、资源利用率和产品品质。
主要内容如下：2.1 化工系统工程的基本原理2.1.1 质量守恒原理：介绍了质量守恒方程的推导及其在化工过程中的应用；2.1.2 能量守恒原理：讲解了能量守恒方程的建立方法，并探讨了能量平衡计算；2.1.3 动量守恒原理：详细介绍了动量平衡方程以及相关参数计算；2.1.4 物料平衡原理：阐述了物料平衡方程推导和应用方法，并举例说明。
2.2 化工系统模型2.2.1 建模方法：介绍各种不同建模方法，如质量守恒模型、动力学模型等；2.2.2 模型求解：讲解系统模型求解的基本原理和常用方法，如数值方法、优化算法等；2.2.3 模型验证与优化：探讨系统模型验证和优化的方法，包括参数调整、灵敏度分析等。
化工过程系统工程概论
化工过程系统工程产生的必要性：生产的发展
化工过程系统工程产生的可能性：临近学科的发展
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； 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。
局部利益 整体利益
系统综合 最优化
协调 配合
最优设计 控制 管理
生产 科研 经济活动
构 成 系 统
功能
利益
系统思想、理论、方法、策略、手段
系统整体的协调与优化过程
“系统工程”
——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。
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，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。
设计
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。
生产
对现有装置进行模拟与分析，寻找薄弱环节，提出改造方案。
扩产改造
化工系统工程稳态模拟
通过模拟实验代替实际实验，可以大大缩短新产品的研发 周期，降低研发成本。
02
化工系统稳态模拟基础
化工系统简介
01
02
03
化工系统
指由多个化学反应和物理 过程组成的复杂系统，包 括原料的输入、反应过程、 产物的输出等。
化工系统的特点
具有高度的复杂性、非线 性、时变性和不确定性， 涉及大量的物质、能量和 信息流动。
背景
随着化工行业的快速发展，生产过程越来越复杂，对生产过程的控制和优化要 求也越来越高。稳态模拟作为化工系统工程中的重要技术手段，能够为实际生 产提供理论支持和指导。
稳态模拟的定义和重要性
定义
稳态模拟是指对化工生产过程中的物料平衡、能量平衡和 化学反应等进行的数学建模和计算机模拟。在稳态模拟中 ，系统的状态参数（如温度、压力、流量等）不随时间变 化。
06
结论与展望
结论
稳态模拟是化工系统工程中的重要手段，通过模拟可以预测实际生产过程中可能出 现的各种情况，为优化生产和提高经济效益提供有力支持。
稳态模拟技术在化工生产中得到了广泛应用，不仅提高了生产效率，还降低了能耗 和环境污染，为可持续发展做出了贡献。
稳态模拟技术在实际应用中仍存在一些挑战和限制，如模型精度、计算效率和数据 可靠性等方面的问题，需要进一步研究和改进。
重要性
稳态模拟的重要性主要体现在以下几个方面
1. 优化工艺参数
通过模拟不同工艺参数下的系统性能，可以找到最优的工 艺参数组合，提高产品质量和生效率。
2. 降低能耗
通过模拟不同操作条件下的能耗情况，可以找出最优的能 源利用方案，降低生产成本。
3. 提高安全性
通过模拟潜在的危险操作和事故情况，可以预测系统的安 全性能，及时发现和解决潜在的安全隐患。
第1章 化工系统工程概述
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1.3系统的结构与功能
输 入
（物质、能量、信息）
处理和转换
输 出
（产品、人才、成果、 服务等）
• 系统可以理解为是一种处理和转换机构，它把输入转变为 人们所需要的输出。 • 从上图可以看出，系统的功能包括：接受外界的输入；在 系统内进行处理和转换（加工、组装）；向外界输出。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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1.2系统的分类
1.2.2 按照系统与环境的关系进行分类
1. 孤立系统 外界没有任何物质、能量、信息的交流，即，与周围环境 没有任何相互作用的系统。 严格来说，自然界并不存在这样的系统，它是因研究需要 而提出来的一种理想模型。当系统与外界的相互作用小到可以 忽略时，可以被近似看成是孤立系统。
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1.2系统的分类
1.2.7 按照系统的综合复杂程度进行分类
宇宙 社会 人类 动物 植物 细胞 控制机械 时钟 框架 物 理 生 物 人 类 社 会 及 宇 宙
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1.2系统的分类
1.2.7按照系统的综合复杂程度进行分类
系 统
{
简单系统
{
{
小系统(几个、十几个元素或子系统)
美国rand兰德公司18系统工程的应用与展望20209389182系统工程的应用领域社会系统工程宏观经济系统工程区域规划系统工程环境生态系统工程能源系统工程水资源系统工程交通运输系统工程农业系统工程工业及企业系统工程工程项目管理系统工程航空航天系统工程智力开发系统工程人口系统工程军事系统工程信息系统工程物流系统工程2020939018系统工程的应用与展望社会系统工程组织管理社会建设的技术它的研究对象是整个社会是一个开放的巨系统具有多层次多区域多阶段的特点
化工过程系统工程
化工过程系统工程1. 引言化工过程系统工程是一门研究化工过程的整体设计、分析和优化的学科。
它涵盖了化工过程的各个方面，包括硬件设备、操作策略、自动控制系统以及与环境和可持续发展相关的因素。
通过系统化地设计和优化化工过程，化工过程系统工程可以提高生产效率、降低能耗和废物排放，同时保证产品质量和安全性。
2. 化工过程系统工程的基本原理和方法化工过程系统工程的基本原理有以下几个方面：2.1. 综合思考化工过程系统工程需要考虑各种因素之间的相互关系，并综合考虑它们对系统绩效的综合影响。
这需要运用系统思维的方法来建立全面的模型，以指导系统设计和决策。
2.2. 优化技术化工过程系统工程采用数学建模和优化技术来求解系统设计和操作问题。
通过数学模型的建立，可以准确地描述系统的行为和性能，通过优化算法的应用，可以找到最佳的系统设计和操作策略。
2.3. 自动控制系统化工过程系统工程需要设计和建立自动控制系统来实现对化工过程的自动化和智能化。
自动控制系统可以实时监测和调节化工过程的参数和变量，并实现对系统的优化和调整。
这可以提高生产效率、降低能耗和废物排放，同时提高产品质量和安全性。
2.4. 可持续发展化工过程系统工程要考虑与环境和可持续发展相关的因素。
通过减少能耗和废物排放，提高资源利用效率，化工过程系统工程可以实现可持续发展，保护环境并促进经济的可持续增长。
3. 化工过程系统工程的应用化工过程系统工程在化工工业中有着广泛的应用。
以下是化工过程系统工程的一些典型应用场景：3.1. 生产过程优化化工过程系统工程可以通过优化系统设计和操作策略，最大程度地提高生产效率和产品质量，同时降低能耗和废物排放。
通过数学建模和优化技术，可以实现对生产过程的全面优化。
3.2. 产品质量控制化工过程系统工程可以通过自动控制技术，实现对生产过程的精确控制和调节，从而保证产品的稳定性和一致性。
自动控制系统可以实时监测和调节关键的过程参数，及时纠正偏差，确保产品质量达到标准要求。
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Neural Networks)
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化工过程分析与合成 2015/9/23
人工智能技术在化工过程系统中的应用
专家系统 DENDRAL：1965，斯坦福，根据化合物分子
式及其质谱数据推断分子结构
20世纪80年代，美国大学开发的专家系统： Carnegie-Mellon： • 换热网络综合 HEATEX • 选择汽液平衡估算模型 CONPHYDE
化工过程分析与合成
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2015/9/23
课程学习内容
• 第四章 过程系统的优化
最优化方法的数学基础 无约束条件的最优化
线性规划法
非线性规划法
单元设备的优化计算
化工过程系统的优化
6
化工过程分析与合成 2015/9/23
课程学习内容
• 第五章 分离序列综合
过程系统综合的基本概念 分离序列综合问题的提出 分离序列综合经典方法
专用流程模拟系统：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 模拟各种工艺过程
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化工过程分析与合成
当前商品化的流程模拟系统一般由
以下五部分组成：
1. 输入、输出系统；
2. 单元操作模块库；
3. 物性数据库；
4. 数值解算模块库； 5. 执行系统。
《过程系统工程辞典》第二版，王基铭，中国石化 出版社，2011 4
化工过程分析与合成 2015/9/23
课程学习内容
• 第一章 绪论
• 第二章 过程系统模拟的基础知识及方法
非线性方程组的解 单元过程的数学模型和自由度
• 第三章 过程系统模拟
过程系统的结构模型和自由度
过程系统的分解
过程系统模拟的基本方法
的规律，对化工生产过程规律的认识提高到了新 的水平。
！No.2
化工过程分析与合成
化学工程研究发展史上的 第二个
飞跃： 传递现象
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化学工程发展史上的第三次飞跃：1960年代初，在 化学工程、系统工程、运筹学、数值计算方法、过 程控制理论等学科的边缘，产生了过程系统工程
！No.3
化工过程分析与合成
Monsanto公司：FLOWTRAN
Simulation Science公司：PROCESS
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第三代(80年代)，模拟对象涉及气-液-固三相的 过程，在系统分解技术方面有改进。如 MIT：ASPEN（发展到ASPEN PLUS）
Simulation Science公司：PRO/Ⅱ
5.人工智能技术在化工中的应用
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情，又称机器智能，是计算
机科学的一个分支。
宏观模拟：从人在思维时的心理活动出发，分
析、研究人是如何运用知识、逻辑而解释问题的，
从而掌握人脑的逻辑思维规律。运用计算机模拟这 个过程，选出与人的思维过程相一致的结果，这就
化工过程分析与合成
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1.2 动态过程系统模拟
比稳态模拟晚10年左右，用途： 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。 29
代 表 研 究 者
美国：Rudd和Watson Himmelblau和Bischoff 日本：矢木荣和西村肇 苏联：卡法罗夫
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三、化工过程系统的特性
1.化工系统的阶层性和相对性
2.化工系统的复杂性
化工系统涉及的单元过程性质各异，充满各种
化学和物理变化，描述系统的变量数多，方程
化工过程分析与合成
化学工程与工艺专业
过程系统工程 PSE Process System Engineering
教 材
•
《化工系统工程》陈胜利、杨朝合编，石大 胶印
•
《化工过程分析与综合》都健主编，姚平经 主审，大连理工大学出版社
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化工过程分析与合成
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参考书
《化工过程分析与合成》第二版，张卫东等，
子系统组合成系统 子系统协调工作，局部最优，整体最优
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第二节 过程系统工ห้องสมุดไป่ตู้的主要
研究内容和现状
基本研究内容
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
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化工过程分析与合成 2015/9/23
子计算机等工具对系统的构成要素、组织结构、信 息交换和自动控制等功能进行分析研究，而达到最优 设计、最优控制和最优管理的目标，是为更加合理
地研制和运用系统而采取的各种组织管理技术的总称。
归根结底是一种工程学的方法论
化工过程分析与合成
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4.过程系统工程
将系统工程的思想、方法用于解决过程系统 的设计、开发、操作、控制等问题，就形成了过 程系统工程。 化 学 工 业 背 景
化学工业出版社，2011
《化工过程分析与综合》鄢烈祥，化学工业出
版社，2010
《化工系统工程理论与实践》王健红等，化学 工业出版社，2009 《过程系统工程》姚平经，华东理工大学出版 社，2009，研
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参考书
《过程系统工程概论》张瑞生等，科学出版社， 2001 《化工过程系统工程》王弘轼，清华大学出版社， 2006 《化工过程优化》埃德加等，化学工业出版社， 2006 《化工过程模拟与优化》杨友麒等，化学工业出版 社，2006
加拿大HyproTech公司：HYSIM
第四代(90年代)，动态模拟，HyproTech公司的 HYSYS，利用OOP( Object-Oriented Programming) 方法设计。Honeywell，UniSim Design软件
国内：由青岛化工学院开发的商品软件ECSS
（Engineering Chemical Simulation System）
• 筛选催化剂 DECADE
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Washington： • 系统结构开发 CAPS • 过程设计 KNOD Columbia：故障诊断 MODEX，MODEX2 Ohio：精馏塔设计 STILL Maryland：精馏塔控制设计 DICODE
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程的设备结构参数和操作参数对系统整体的影 响，考察系统在不同条件下的技术经济性能 基础，实用化程度最高
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1.1 稳态过程系统模拟
特点：描述过程对象的模型中不包括时间参数
内容：物料和能量衡算，设备尺寸和费用计算，
以及过程的技术经济评价
流程模拟系统软件：
• 第六章 换热网络综合
夹点及最小公用工程用量
换热器网络的调优
换热器网络的结构优化
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第一章 绪 论
• 第一节 过程系统工程的起源和特性 • 第二节 过程系统工程的主要研究内容和现状 • 第三节 过程系统工程的研究方法
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2.过程系统综合 又称合成，是综合出一个既能满足给定的输入 和输出要求而又在某种意义上讲是最优的过程 系统，也称结构优化
任务：在无穷多个过程系统中挑出一个最优方
案，是一个极为复杂的多目标最优组合问题， 主要靠工程师的经验。 1968年，美国Rudd教授提出过程合成的概念， 理论和方法
是专家系统(Expert System)，简称ES。
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微观模拟：从人脑的生理结构出发，模拟人脑 在思维过程中的生理活动，从而得出和人脑思维过 程相一致的结果。这种微观模拟包括建立神经元(脑
细胞)模型，以及它们相互间传递信息的网络结构模
型。这就是人工神经网络(简称ANN，Artificial
主要研究方向 1.过程系统模拟 2.过程系统综合 3.过程系统的控制与操作 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
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1.过程系统分析与模拟
对给定系统（单元设备及其联接方式已
知），根据系统结构及各子系统特性，通过过
程模拟来推测整个系统的特性，分析各单元过
第一节 过程系统工程的起源和特性
一、几个基本概念 1.系统
系统是由相互联系、 相互作用的若干组成部分 结合成的具有特定功能的 总机体。——钱学森
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阳光-土壤-水-树木
2.过程与过程系统
过程——对物料进行物理的或化学的加工处理 过程单元(单元过程)——特定的单一过程
组织管理系统的规划、研究、制造、试验、 使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍 意义的科学方法 郑春瑞——1984（《系统工程学概述》）
系统工程学是以系统（特别是大系统）为对象 的一门跨学科的边缘科学。
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手段—内容—目标
方法学
它是根据总体协调的需要，把自然科学和社会科学 中的某些思想、理论、方法、策略和手段等从横的方面有 效地组织起来应用于人类实践中，是应用现代数学和电