化工系统工程绪论.pptx

化工系统工程(Chemical Process Systems Engineering)主讲教师: 都健 王瑶1、教学安排及要求〔1〕学时： 32h 2学分〔2〕成绩评定：课程论文： 20分期末考试：80分2、教材 〔1〕过程系统工程〔华东理工大学出版社，2021年6月〕 姚平经 主编〔2〕化工过程分析与综合〔大连理工大学出版社，2021年1月〕 都健 主编 姚平经 主审第1章 绪论1.1 过程系统工程的开展历史和研究内容 过程系统工程的开展历史 〔1〕化工过程 化工过程是指用适当的原料经过一系列物理单元操作和化学反响的单元过程而转化为符合需要的产品的过程。〔2〕过程系统工程〔PSE〕 以处理物料-能量-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、方案、协调、设计、控制和管理。目的是在总体上达成技术及经济上的最优化，以符合可持续开展的要求。〔1961年AIChE讨论会论文集上第一次用到PSE, Process Systems Engineering)〔3〕开展历史 20世纪60年代初，产生和开展时期。产生的根底是化学工程、系统工程、运筹学、数值计算方法、过程控制论及计算机技术等学科。 20世纪60年代末至70年代末，产生和开展的理论准备时期，是学术酝酿期。明确了学科范畴为过程系统的分析、过程综合和过程控制。20世纪80年代末至90年代末，成长时期。一方面计算机应用的普及，研制出化工流程通用模拟系统。另一方面，石油危机，节能降耗。 学术理论走向工业应用。 新世纪开始至现在，扩展时期，研究范围和研究内容都在扩大。20世纪90年代，环境问题的突出，“绿色过程系统工程〞。过程系统工程的研究内容〔1〕根底局部 过程稳态模拟 过程系统优化 过程系统综合与集成 过程动态分析与控制〔2〕扩充局部 面向过程工业的经营管理系统工程，如： 方案与调度 计算机集成加工系统 供给链管理1.2 根本概念 〔1〕过程系统 (Process system) 过程系统是对原料进行物理的或化学的加工处理的系统，它由一些特定功能的过程单元按着一定的方式相互联结而组成，它的功能在于实现工业生产中的物质和能量的转换。 “过程系统〞的含义已不局限于生产工艺过程，而逐步延伸到经营管理业务和决策过程—供给链的优化〔Supply chain optimization)。 给定的过程系统 〔2〕过程系统模拟分析〔Analysis)指定的输入待求的输出 从传统的过程系统扩展到联合装置，整个企业，甚至于一个地区的工业生态系统，向巨型系统开展。 为了研究过程机理和产品设计，微观尺度的原子/分子模拟用来洞察分子结构与宏观性能之间的定量关系 。过程系统模拟的一般步骤有： 〔a〕需要立足于坚实工程实践根底上的创造性思维，明确研究目标和预期结果； 〔b〕建立数学模型：根据问题定义，写出相关衡算方程和过程机理关联式，作出可行的假定，进行必要的实验室实验和获得有关工程数据； 〔c〕选择计算方法和策略或计算机软件； 〔d〕对模拟结果合理性的评价：模拟结果是否已恰当的表达了实际过程并进行正确的解释，研究各种备选方案，提出修改，更新和完善措施。 〔3〕过程系统优化〔Optimization) 过程系统优化是实现过程系统优化设计、优化操作、优化控制和优化管理的数学手段。 最具代表性的方法是数学规划法。数学规划法把过程系统优化问题表征为目标函数和一系列等式、不等式约束的多变量数学模型，然后采用适宜的算法获得问题的最优解或近优解。 大规模的非线性规划和混合整数非线性规划问题。 算法主要有两类，一是基于梯度寻优确实定性算法，另一是进化算法〔智能算法〕，如遗传算法等。多目标优化： 经济、环境和可操作性等 多目标优化问题极少存在绝对最优解，而是存在一个非劣解集〔pareto 解集〕，即其中每一个解在不牺牲其它子目标性能的前提下已无法再改进单个子目标性能。 对于多目标优化问题，首先寻求非劣解集，然后由决策者按着各目标的重要性或优先程度选择最正确折衷解。 待综合的过程系统〔4〕过程系统综合(Synthesis)与集成〔Integration)给定的或可选择的输入所要求的或希望的输出 过程系统综合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；是过程系统设计中最具创造性的步骤。 包括两种决策：一是由相互作用的单元/子系统之间的拓扑和特性而规定的各种结构替换方案的选择，另一是组成该系统的各个单元/子系统的替换方案的设计。 从数学上讲，第一个决策可表示为整数规划问题，第二个决策是非线性规划问题。 过程系统综合的主要课题：〔a〕 反响路径的综合 〔b〕反响器网络综合〔c〕 换热器网络综合