化工系统工程-大作业-2016

目录过程系统工程发展概述 (2)一、过程系统工程的概念及发展历史 (2)1.1 过程系统工程的概念 (2)1.2 过程系统工程的发展历程 (2)1.2.1 起步阶段 (2)1.2.2 发展阶段 (2)1.2.3 拓展阶段 (3)二、过程系统工程的主要研究内容 (3)2.1 过程系统工程的基本内容简介 (3)2.1.1 过程系统的模拟 (3)2.1.2 过程系统的分析 (3)2.1.3 过程系统的综合 (4)2.1.4 过程系统的优化 (4)2.2 过程系统模拟的基本方法 (4)2.2.1 序贯模块法 (4)2.2.2 联立方程法 (4)2.2.3 联立模块法 (5)2.3 过程系统的综合 (5)2.3.1过程系统综合及其研究领域 (5)2.3.2过程系统综合的策略与方法 (5)2.3.3换热网络综合 (7)2.3.4换热网络综合的启发式经验规则法 (7)过程系统工程发展概述一、过程系统工程的概念及发展历史1.1 过程系统工程的概念过程系统工程（Poreess systems engineering，SPE）是一门综合性的边缘学科，它以处理物料一能量一资金—信息流的过程系统为研究对象，其核心功能是过程系统的组织、计划、协调、设计、控制和管理，它广泛地用于化学、冶金、制药、建材和食品等过程工业中，目的是在总体上达成技术上及经济上的最优化，以符合可持续发展的要求。

自从过程系统工程在20世纪60年代形成一门独立学科以来，随着系统工程、信息技术和化学工程的发展，过程系统工程在深度和广度方面都有了较大的扩展，在1982年开始每3年召开一次的国际过程系统工程学术会议，以及自1988年开始每3年召开一次的艾斯本世界用户会议上，都有数百篇论文发表，基本上反映了这一学科的进展情况。

过程系统工程在我国的研究和应用是从1973年开始起步的，许多高等院校和化工设计及研究院所在这方面做了不少工作，出版了一些专著，在国内外发表了不少论文，过程系统工程在化工工厂中的应用也取得了一些成果。

在各有关方面的努力下，1991年成立了中国系统工程学会过程系统工程专业委员会，推动了国内的学术交流，也加强了与国际学术界的联系。

从总体上看来，我国过程系统工程的理论研究水平与国际水平较为接近，但在成果的应用和商业化方面则相差较远，至今还没有出现达到国际先进水平的商业化软件及国际知名的从事过程系统工程研究开发及推广应用的企业。

近年来，随着社会、经济和科学技术的发展，过程系统工程也面临着新的挑战。

其中主要包括日益严格的环保及节能要求、降低产品成本的压力、原料来源多样化的适应、客户需求个性化的满足、企业经营绩效的提高、供应链的组合与优化等。

1.2 过程系统工程的发展历程1.2.1 起步阶段1961年美国出版了Williams所著的“Systems Engineering for the Process Industries”；1968年Rudd和Watson出版“Strategy of Process Engineering”；次年日本的矢木荣和西村肇也出版《化学过程工学》。

20世纪70年代一些著名的大学都纷纷在化工系开设“化工过程的模拟与分析”、“过程设计”、“过程控制”等课程。

这个时期的活动主要在学术界，是学术酝酿期。

这期间奠定了过程系统工程学科的理论基础及研究方法，明确了学科范畴为过程系统的分析、过程综合和过程控制。

1.2.2 发展阶段到20世纪70年代，一方面，由于石油危机的挑战，需要大幅度的节能降耗；石油化工装置的大型化、综合化迫切需要开发新的手段来分析、设计和控制这些复杂的化工系统，这些动因就促成了过程系统工程的大发展。

另一方面，计算机技术的长足发展为系统工程的发展提供了有力手段。

20世纪80年代，一系列国际会议的召开也宣告PSE 作为独立学科已成熟起来，例如，1980第一届计算机辅助过程设计会议（Foundation of CAPD）在美国波士顿召开，1982首届国际PSE会议在日本京都召开。

20世纪70—80年代我国早期老一辈PSE专家学者出版专著，编写教材，办学习班，开展大量启蒙工作。

20世纪80年代高等院校纷纷开设“化工系统工程”课程，清华大学、天津大学等成立了化工系统工程教研室；1991年在著名的系统工程专家钱学森及其他有识之士推动下，成立中国系统工程学会过程系统工程专业委员会，成思危当选为第一届主任委员。

当时过程系统工程专业委员会横跨化工、冶金、石油、医药卫生、轻工、建材、有色、核工业、防化等11个部委。

在这个时期过程系统工程已经由学术理论走向工业应用，并实现了不少重大技术突破，特别值得称道的有:Dave Cutler创造Dynamic Matrix Control（DMC）方法实现了模型预估控制（model perdictive control，MPC），这种软件包已在世界各地的石油化工装置上安装应用，达到几千套，创造了可观的经济效益。

1988年Du Pont公司做过评估，由于采用了先进控制和实时优化，每年可以增加净利润2亿一5亿美元；以Lawrence Evans为代表的流程模拟技术软件开发取得明显效果，Aspenplus、HYSYS和PRO/II等已在世界设计科研和工厂企业广泛应用，成为工程师手中必不可少的工具；以George Stephanopoulos为代表的人工智能应用也取得很好成果；以Bodo Linnhoff为代表的过程集成研究。

获得工业部门的普遍重视，他提出的“夹点技术”在节能降耗上效果显著，有的学校甚至成立过程集成系。

1.2.3 拓展阶段这一时期的发展表现在从研究范围和研究内容两方面都在扩大。

传统的PSE研究范畴对象规模通常在10-4-102m（即颗粒、薄膜、气泡到制造车间、工厂），现正向两极扩大：微观方面向分子模拟、产品设计扩充（纳米级）；宏观方面向整个公司、整个供应链、一个工业园区乃至全球气候变化扩充。

在研究内容方面，过去“过程”是指物理一化学制造过程，现在则已扩大到管理业务过程，也就是说，由研究工程决策延伸到研究商务决策。

由于现在进人了可持续发展时代，过程优化的判别指标也正在变化，除了传统的经济效益外，要增加健康、安全和环境影响、可控制性和可维护性等，将来还会增加更多的社会因素，如气候影响、生命周期影响和风险最小化等。

这样一来，最优化也就成了多目标优化。

总之，过程系统工程正在一方面迎接全球性竞争的挑战，另一方面迎接可持续发展的挑战。

二、过程系统工程的主要研究内容2.1 过程系统工程的基本内容简介2.1.1 过程系统的模拟在实际化工生产过程中，一套化工生产装置的合理设计或实际化工生产装置的优化操作、生产故障的分析诊断，以及生产装置生产能力的预测或评价等均离不开过程系统模拟，所谓模拟，就是采用一个能反映研究对象本质和内在联系，与原型具有客观的一致性，且可再现原型发生的本质过程和特性的模型，来进行研究和设计原型过程的方法这里所指的模型可以是小型或微型实验装置，也可以是一个描述原型的数学方程组。

2.1.2 过程系统的分析过程系统分析，或过程分析，是指：对于系统结构及其中各个单元或子系统均已给定的现有过程进行分析，即建立各单元或子系统的数学模型，按着给定的系统结构进行整个系统的数学模拟，预测在不同条件下系统的特性和行为，借以发现其薄弱环节并给以改进。

过程系统分析的概念，就是对于已知的过程系统，给定其输入参数，求解其输出参数。

具体点说，大致包括过程系统的物料、热量衡算，确定设备负荷、费用，以及对过程系统进行技术、经济和环境影响等多目标评价。

化工过程模拟系统是过程系统分析的主要工具。

2.1.3 过程系统的综合过程系统综合或过程综合，是过程系统工程的核心内容，是指：按着规定的系统特性，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优组合。

过程系统综合的概念，就是，当给定过程系统的输入参数及规定其输出参数后，确定出满足性能的过程系统，包括选择所采用的特定设备及其间的联络关系，并提供某些变量的初值。

在设计新建装置时，过程综合用于从众多备选方案中选择最优流程。

过程综合需要以过程分析为基础，同时过程综合又对过程分析提出新的要求，过程系统设计是综合与分析交替过程的整体。

过程综合是一个极为复杂的大系统多目标最优组合问题，是过程系统工程学的一个前沿领域。

过程系统综合研究的主要课题有：1.反应路径的综合；2.反应器网络综合；3.换热器网络综合；4.分离序列综合；5.公用工程系统综合；6.控制系统综合；7.全流程系统；8.过程系统能量、质量集成。

常用的方法有四种分解法、直观推判法、调优法、结构参数法。

2.1.4 过程系统的优化过程系统优化或系统优化可分为参数优化和结构优化。

参数优化是指：在一已确定的系统流程中对其中的操作参数（如，温度、压力和流量等）进行优选，以满足某些指标（如，费用、能耗和环境影响等）达到最优；如果改变过程系统中的设备类型或相互间的联结，以优化过程系统，则称为结构优化。

现场生产装置由于原料、负荷以及产品质量要求等发生变化，与原设计不符合，或个别设备已更新（如，更换了新催化剂）或老化（催化剂老化，换热设备结垢等），因而使过程系统操作条件不协调，并非处于最佳操作状态，针对这种情况，需要采用过程系统优化技术以实施过程离线或在线操作优化。

2.2 过程系统模拟的基本方法化工过程系统的数学模型通常采用一大型的非线性方程组表示，由于化工过程系统的多变量非线性导致数学模型的复杂性和特殊性。

采用数学上通用的大型非线性的方程组求解方法并不一定有效，为此必须建立适合化工系统特点的算法。

针对化工过程系统分析、设计及优化或系统的具体情况应采用不同的方法，此方法分为三大类，即序贯模块法、联立方程法和联立模块法。

2.2.1 序贯模块法序贯模块法是开发最早、应用最广泛的方法。

目前绝大多数通用软件多采用该方法。

序贯模块法，是以过程系统的单元设备数学模型为基本模块，该模块的基本功能是，只要给定全部输入流股相关变量和设备主要结构尺寸，即可求得所有输出流股的全部信息。

同时，该信息提供后续单元设备模块的输入。

根据过程系统流程拓扑的信息流图，按照流股方向依次调用单元设备模块，逐个求解全系统的各个单元设备，获取全系统的所有输出信息。

可见，序贯模块法也就是逐个单元模块依次序贯计算求解系统模型的一种方法。

2.2.2 联立方程法联立方程法是为克服序贯模块法的不足而提出的。

其基本思想是将描述过程系统的所有方程组织起来，形成一个大型非线性方程组，进行联立求解。

这些方程与序贯模块法一样，也来自各单元过程的描述及生产工艺要求、过程系统设计约束条件等。

与序贯模块不同的是，序贯模块法是按单元过程模块求解，而联立方程法是将所有方程放在一起联立求解，从而打破单元模块间的界限，可根据计算任务的需要确定输入变量及输出变量。