過程系統(tǒng)工程-1

過程系統(tǒng)工程ProcessSystemEngineering

李亞軍87112044iyajun@主要內(nèi)容（Contents）第一章、過程系統(tǒng)工程概述第二章、化工過程模擬技術概述第三章、化工過程系統(tǒng)數(shù)學模型第四章、化工過程流程模擬基本技術

第五章、化工過程模擬技術的熱力學方法及選擇

第六章、蒸餾過程的計算

第一章：過程系統(tǒng)工程概述2023/2/73第一章、過程系統(tǒng)工程概述

1.1、過程工業(yè)

1、什么是過程工業(yè)：對物料進行物理的或化學的加工處理泛指為過程，特定的單一過程稱為過程單元。由過程單元的組合構成一個網(wǎng)絡，使原料轉變?yōu)槠谕a(chǎn)品，同時產(chǎn)生增值效應的系統(tǒng)稱為化工過程系統(tǒng)。2023/2/741.1、過程工業(yè)2、過程工業(yè)的范疇

(1）過程構成：單元操作與設備（2）過程原理：三傳一反質量傳遞熱量傳遞動量傳遞（流體流動）化學反應

因此化工、煉油、材料、鋼鐵、醫(yī)藥、造紙、食品等都屬于過程工業(yè)(ProcessIndustry)。2023/2/75化工、石化等過程工業(yè)屬物料、能量、信息流密集型行業(yè)2023/2/763、現(xiàn)代過程工業(yè)的特點

現(xiàn)代過程工業(yè)愈來愈注重于物料、能量的綜合利用，這就不可避免地使大多數(shù)現(xiàn)代過程工業(yè)，特別是化學工業(yè)，采用了多次循環(huán)的復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)，多種產(chǎn)品、多種牌號的產(chǎn)品結構。由于要根據(jù)資源情況（質和量）實現(xiàn)高經(jīng)濟效益的滿負荷操作，對設計提出了更高的要求，不再滿足于靠“相似模擬乘上安全系統(tǒng)”式的落后設計方法，以及根據(jù)定性的工藝分析，將單元過程簡單組合成完整的工藝流程，進行過程系統(tǒng)的分析設計。對設計提出高精度的理念，要求減少設計余量，優(yōu)化投資與操作費用。現(xiàn)代過程工業(yè)向高效、節(jié)能、潔凈型發(fā)展。1.1、過程工業(yè)2023/2/77第一章、過程系統(tǒng)工程概述1.2、系統(tǒng)工程概念

1、系統(tǒng)系統(tǒng)是指在一定條件下完成一定功能或實現(xiàn)一定目的的，由若干互相聯(lián)系、互相影響的部分或要素組成的一個整體。實際為研究某種問題時考察的對象，通常也是與模型對應的原型。子系統(tǒng)：組成系統(tǒng)的各個部分亦可看作系統(tǒng)，相對于原系統(tǒng)而言即稱為子系統(tǒng)。2023/2/781.2、系統(tǒng)工程概念2、系統(tǒng)工程系統(tǒng)工程可簡單地定義為：從全局的觀點出發(fā)，用定量和定性相結合的方法，從技術、經(jīng)濟、社會的角度，對一個大系統(tǒng)作全面的模擬、分析、評價、優(yōu)化和控制。系統(tǒng)工程是方法論對于復雜系統(tǒng)研究的應用，主要重點是研究解決系統(tǒng)問題的方法。2023/2/791.2、系統(tǒng)工程概念3、系統(tǒng)工程發(fā)展上世紀50年代，系統(tǒng)工程的研究方法開始受到各工業(yè)化國家的重視。

1957年美國正式出版了第一本專著———【系統(tǒng)工程】1978年，中國學者錢學森發(fā)表了中國第一篇系統(tǒng)工程的文章，標志著我國系統(tǒng)工程研究的開始。2023/2/710第一章、過程系統(tǒng)工程概述1.3、過程系統(tǒng)工程（ProcessSystemEngineering

PSE）過程系統(tǒng)工程是運用系統(tǒng)工程的觀點、方法、思路對過程系統(tǒng)進行模擬、分析、評價、優(yōu)化和控制的一門跨學科的邊緣科學。過程系統(tǒng)工程是系統(tǒng)工程的一個分支，又稱化工系統(tǒng)工程，化工系統(tǒng)模擬分析等，是系統(tǒng)工程在以化工系統(tǒng)或化工生產(chǎn)過程為代表的過程工業(yè)中的應用。2023/2/7111.3過程系統(tǒng)工程

從數(shù)學角度看，化學加工是個典型的嚴重非線性的過程，小系統(tǒng)與大系統(tǒng)的運行規(guī)律可能有很大差異，設計條件或操作條件的局部較小變動可能導致系統(tǒng)整體狀態(tài)的較大變化。有時生產(chǎn)專家的判斷和預測往往不甚可靠，控制系統(tǒng)的粗略或失誤也容易造成重大損失。如何在現(xiàn)有基礎上對化工生產(chǎn)系統(tǒng)進行持續(xù)不斷地改進甚至探索重大變革就成為迫切的任務。

過程系統(tǒng)工程方法為傳統(tǒng)的化工生產(chǎn)的技術進步提供了有力的手段，過程系統(tǒng)工程最適合處理解決非線性的復雜大系統(tǒng)問題。2023/2/712第一章、過程系統(tǒng)工程概述

1.3過程系統(tǒng)工程（ProcessSystemEngineering

PSE）化工系統(tǒng)工程是研究化工生產(chǎn)在規(guī)劃設計、操作運行、控制管理諸環(huán)節(jié)中，如何提高工作效率、降低投資費用和維護運行費用、提高系統(tǒng)可靠性安全性、強化環(huán)境友好、增加總經(jīng)濟效益的一門技術科學。被認為是繼上世紀20年代單元操作、60年代傳遞現(xiàn)象研究之后，是化學工程的第三次突破。2023/2/713第一章、過程系統(tǒng)工程概述

1.3過程系統(tǒng)工程（ProcessSystemEngineering

PSE）

Westeberg：“如何選擇優(yōu)化了的單元設備及其間的聯(lián)結關系來組成一個化工過程系統(tǒng)，從給定的原料生產(chǎn)一定的產(chǎn)品，在最小的總費用和最小的環(huán)境污染條件下安全地生產(chǎn)，并在運行中采取和保持最優(yōu)的操作條件”。2023/2/714第一章、過程系統(tǒng)工程概述

1.4過程系統(tǒng)工程基本任務與內(nèi)容

化工系統(tǒng)工程是一門技術性、應用性、綜合性較強的學科，是促進過程工業(yè)技術進步的有力工具。化工系統(tǒng)工程學科的主要任務不是揭示化工生產(chǎn)涉及的基本規(guī)律，而是充分利用這些規(guī)律改進實際生產(chǎn)過程，以達到在化工生產(chǎn)的規(guī)劃設計、操作運行、控制管理、采購與銷售的各個環(huán)節(jié)合理化、最優(yōu)化的目的，即從減少投資、降低消耗、節(jié)約能源、減少污染、提高產(chǎn)量質量、減輕勞動強度、保障安全等方面進行工作，從而提高化工裝置的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。2023/2/715主要技術內(nèi)容有系統(tǒng)的分析與模擬、系統(tǒng)的合成與優(yōu)化等該學科的直接目的就是在綜合運用其他學科成果的基礎上完成改造自然、控制自然、創(chuàng)造物質財富的任務。是一門交叉科學，涉及系統(tǒng)工程、化學工程、應用數(shù)學、控制理論、計算機科學、信息科學、經(jīng)濟、環(huán)境等學科。該學科的主要手段為數(shù)學模擬，即建立描述過程特征的數(shù)學模型并求解計算，實現(xiàn)對系統(tǒng)規(guī)律和行為的預測。主要應用于設計、改造、擴產(chǎn)、消除瓶頸等層次。1.4過程系統(tǒng)工程基本任務與內(nèi)容2023/2/7161、系統(tǒng)分析是對指定的系統(tǒng)結構與參數(shù)，進行描述或確定系統(tǒng)的狀態(tài)與功能。通常是給定系統(tǒng)的特性和系統(tǒng)輸入，預測系統(tǒng)的狀態(tài)和系統(tǒng)的輸出。系統(tǒng)分析包括三方面內(nèi)容：（1）系統(tǒng)分解：將復雜大系統(tǒng)分解為若干較簡單的子系統(tǒng)；（2）系統(tǒng)模型：建立描述各子系統(tǒng)輸入輸出關系的模型，一般為數(shù)學表達式。模型一般分為過程單元模型、系統(tǒng)結構模型和技術經(jīng)濟模型等幾類。（3）系統(tǒng)模擬：根據(jù)系統(tǒng)分解的結果，按照系統(tǒng)的結構將諸子系統(tǒng)連接，進行計算，模擬或預測整個系統(tǒng)的狀態(tài)與功能。1.4過程系統(tǒng)工程基本任務與內(nèi)容2023/2/717

2、系統(tǒng)綜合（系統(tǒng)合成）是在給定系統(tǒng)的任務或目標亦即確定了系統(tǒng)功能的條件下，尋求或選擇各子系統(tǒng)的功能特性及其組合方式以實現(xiàn)預定的系統(tǒng)功能和目標。

3、系統(tǒng)優(yōu)化由于實現(xiàn)系統(tǒng)目標的方式不是唯一的，尋找實現(xiàn)系統(tǒng)功能和目標的最佳方式、最佳途徑。系統(tǒng)優(yōu)化的主要工具為運籌學原理與方法。1.4過程系統(tǒng)工程基本任務與內(nèi)容2023/2/7181.4過程系統(tǒng)工程基本任務與內(nèi)容

過程系統(tǒng)工程主要研究內(nèi)容是如何實現(xiàn)過程系統(tǒng)的操作模擬、設計模擬、操作優(yōu)化、設計優(yōu)化以及過程系統(tǒng)的最優(yōu)合成。2023/2/719

1.5、過程系統(tǒng)工程的基本方法與技術路線化工過程系統(tǒng)工程解決實際問題的基本方法是過程模擬或流程模擬。過程模擬包括模型建立與模型求解兩部分內(nèi)容。技術路線通常為首先運用過程模擬技術建立化工流程模擬系統(tǒng)，然后利用流程模擬系統(tǒng)進行系統(tǒng)分析、系統(tǒng)綜合或系統(tǒng)優(yōu)化。第一章、過程系統(tǒng)工程概述2023/2/7201.6、過程系統(tǒng)工程與其他相關學科的關系從化工系統(tǒng)工程的角度看，化工原理、化工熱力學、物理化學、傳遞原理、反應工程等學科的作用是提供流程模擬所需的基本數(shù)學模擬；運籌學提供了系統(tǒng)優(yōu)化的數(shù)學工具；數(shù)值計算等應用數(shù)學學科提供了模型求解的數(shù)學手段。同時過程控制技術使得化工系統(tǒng)工程與實際工業(yè)生產(chǎn)緊密結合，是實施系統(tǒng)優(yōu)化的重要技術保證。第一章、過程系統(tǒng)工程概述2023/2/7211.6、過程系統(tǒng)工程與其他相關學科的關系

作為化工系統(tǒng)工程專業(yè)人員，必須具備化學工程、應用數(shù)學等相關學科的領域知識，否者，如不甚了解化工過程的一般規(guī)律，對化工系統(tǒng)工程的研究就易陷入膚淺、脫離實際；如不具備應用數(shù)學領域的扎實基本功，則易導致眼高手低、缺乏解決問題的手段。第一章、過程系統(tǒng)工程概述2023/2/7221.7、化工系統(tǒng)工程的主要技術與工具

建模和模擬是化工系統(tǒng)工程最重要、最常用的技術手段?；は到y(tǒng)工程學科技術人員的大部分工作也是力圖建立各式各樣的流程模擬系統(tǒng)，以適合不同的實際需要。

化工流程模擬系統(tǒng)（或流程模擬系統(tǒng)）是專門用于進行化工過程模擬的工具，一般均指計算機軟件系統(tǒng)。第一章、過程系統(tǒng)工程概述

第二章化工流程模擬技術概述2023/2/724

由于在石油化工實際生產(chǎn)過程中，利用傳統(tǒng)的技術很難實現(xiàn)描述單元裝置操作的靜、動態(tài)特征，如工藝過程中反應的，流體力學的，傳熱的，傳質的特征及工程技術問題，裝置的系統(tǒng)故障診斷，新產(chǎn)品研制開發(fā)中的問題等。

第二章化工流程模擬技術概述2023/2/725

化工流程模擬是一種高科技手段，它根據(jù)化工單元過程和熱力學的基本方程，應用現(xiàn)代數(shù)學方法，通過計算機模擬實際的化工生產(chǎn)過程。即在計算機上準確地“再現(xiàn)”實際生產(chǎn)過程，得到詳細、完整的物料平衡和熱量平衡數(shù)據(jù)，以便來指導實際生產(chǎn)。

2.1、什么是化工流程模擬？2023/2/7262.1、什么是化工流程模擬？

由于過程流程模擬技術能夠反映傳統(tǒng)技術難以實現(xiàn)的單元裝置的靜、動態(tài)特征，廣泛地應用于石油、化工、制藥、冶金等重要行業(yè)中，無論是在項目工程設計中，還是在生產(chǎn)中實施先進過程控制，抑或是更高層次的企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)管理（當今比較流行的ERP企業(yè)資源計劃體系）。而所有的應用都必須是建立對企業(yè)的生產(chǎn)過程有一個全面準確了解的基礎上，通過運用流程模擬技術對生產(chǎn)過程進行流程模擬來達到目的。2023/2/7272.2、化工流程模擬技術的應用主要可以解決以下工程問題：

(1)可為工程設計提供基礎數(shù)據(jù)。通過工藝過程嚴格的物流和能流的平衡計算，預測物流的流率，組成和性質，預測操作條件，設備尺寸，從而減少裝置的設計時間，也可進行各種裝置的設計方案比較。2023/2/7282.2、化工過程模擬技術的應用（2）可以對生產(chǎn)過程中的故障進行模擬診斷,當生產(chǎn)過程現(xiàn)有裝置系統(tǒng)發(fā)生故障時，主要是設備問題和工藝問題，可以通過流程模擬進行工況模擬診斷，幫助盡快找出故障發(fā)生的原因和位置。（3）在新產(chǎn)品開發(fā)過程中，通過流程模擬可以為新產(chǎn)品開發(fā)研制提供極大的便利，可模擬新產(chǎn)品開發(fā)中的工藝參數(shù)，協(xié)助新工藝的開發(fā)，減少大量不必要的實驗投資。2023/2/7292.2、化工過程模擬技術的應用（4）系統(tǒng)的挖潛增效：根據(jù)系統(tǒng)整體經(jīng)濟效益最優(yōu)的目標對部分單元過程進行改造，消除流程中的瓶頸，在生產(chǎn)過程中，流程模擬可以對現(xiàn)有裝置進行生產(chǎn)能力的標定，來幫助尋找系統(tǒng)的“瓶頸”部位，確定各單元過程最優(yōu)的設備結構參數(shù)，并充分利用原有的設備，制定合理的改造方案，清除裝置的瓶頸，使整個裝置能力匹配，最大限度地發(fā)揮效益。2023/2/7302.2、化工過程模擬技術的應用（5）實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)操作：根據(jù)系統(tǒng)整體最優(yōu)的目標確定各單元過程的操作條件，包括操作方式和操作參數(shù)。在保持流程結構不變的條件下，通過改變壓力、溫度、原料配比等操作條件，尋求改善系統(tǒng)性能的途徑，使生產(chǎn)裝置的運行處于最優(yōu)操作，以節(jié)能降耗，較少的投入取得較大的經(jīng)濟效益和提高生產(chǎn)技術水平。2023/2/7312.2、化工過程模擬技術的應用(6)可進行生產(chǎn)過程的經(jīng)濟評價，進行多種工藝方案的經(jīng)濟比較，進行最優(yōu)評估?？捎糜趶谋姸喾桨钢羞x擇最佳的工藝路線，綜合設備投資、能耗、物耗、產(chǎn)品質量、操作費用、環(huán)境友好等因素，用系統(tǒng)合成的方法找出經(jīng)濟效益最大的方案，為決策提供依據(jù)。(7)能夠支持實現(xiàn)研究和開發(fā)階段的數(shù)學模擬放大，概念設計，工藝設計及工程設計，工廠開工指導及操作工仿真培訓，工藝流程改進及優(yōu)化，工廠消除瓶頸的技術改造等。

(8)可在生產(chǎn)中實施先進過程控制和企業(yè)的優(yōu)化生產(chǎn)管理。2023/2/7322.3、過程模擬技術發(fā)展情況

（1）、國外進展FlexibleFlowsheet美國M.W.Kellogg公司(1958年)PROCESS/PROⅡ美國SimulationSciences公司(60年末)AspenPlus美國AspenTech.公司(80年代末)Hysim/Hysis加拿大Hyprotech公司(80年代初)2023/2/7332.3、過程模擬技術發(fā)展情況

（2）、國內(nèi)情況HSSSP原化工部第五設計院(中石化蘭州院)(70年代中)ECSS青島化工學院(80年代末)2023/2/7342.4、化工流程模擬分類穩(wěn)態(tài)模擬(離線模擬、靜態(tài)模擬）SteadyStateSimulation

靜態(tài)模擬軟件：

Aspenplus—AspenTech.公司

Pro-Ⅱ—SimSci公司動態(tài)模擬DynamicSimulation

動態(tài)模擬軟件：

Aspendynamics—AspenTech.公司

Hysis—Hyprotech公司

Dynsim—SimSci公司2023/2/7352.4、化工流程模擬分類實時優(yōu)化RealTimeOptimization

實時優(yōu)化軟件:AspenDMOPlus—AspenTech.公司ROMEO(RigorousOn-lineModelingwithEquation-basedOptimization)—SimSci公司2023/2/7362.5、Aspen工程軟件介紹

Aspen工程套件(AspenEngineeringSuite?)：穩(wěn)態(tài)模擬(離線模擬、靜態(tài)模擬）SteadyStateSimulation

該套件由以下幾個著名的軟件組成：穩(wěn)態(tài)模擬AspenPlus、動態(tài)模擬AspenCustomModeler及AspenDynamics、過程綜合與集成AspenPinch（夾點技術）和AspenSplit、聚合過程模擬PolymersPlus、換熱器設計B-JAC、設計工作流集成平臺AspenZyqad等。

2023/2/7372.5、Aspen工程軟件介紹

AspenPlus是世界過程工業(yè)最大的軟件商AspenTech.公司開發(fā)的大型通用流程模擬系統(tǒng)，稱為“先進過程工程系統(tǒng)”（AdvancedSystemforProcessEngineering）簡稱Aspen。經(jīng)過20年多來不斷地改進、擴充和提高，成為舉世公認的標準大型流程模擬軟件。AspenPlus在全球各大石油化工企業(yè)中占有較大的份額，全世界最大的50家化學公司中有46家使用該軟件。2023/2/7382.5、Aspen工程軟件介紹（1）AspenPlus－AspenTech公司開發(fā)的穩(wěn)態(tài)模擬軟件?？蒲虚_發(fā)可模擬診斷生產(chǎn)裝置不正常運行工況；優(yōu)化操作參數(shù)，節(jié)能降耗，可以標定生產(chǎn)流程各部位的能力，找出“瓶頸”位置及增產(chǎn)方案?？梢钥焖俸Y選各種替代流程方案迅速確定物料及能量衡算工程設計生產(chǎn)制造可以減少中試層次減少試驗量，加速產(chǎn)品上市過程2023/2/7392023/2/7402.5、Aspen工程軟件介紹（2）AspenCustomModeler及AspenDynamicsAspenCustomModeler是一套建立在聯(lián)立微分—代數(shù)方程組求積分解基礎上的動態(tài)模擬系統(tǒng)。它使用和AspenPlus一樣的物性數(shù)據(jù)庫（PropertiesPlus），這樣可使穩(wěn)態(tài)及動態(tài)模擬計算結果保持一致性。它與一些其它工具軟件有接口：MATLAB接口：這種過程控制設計工具相聯(lián)接可以開發(fā)控制策略G2接口：可以與這種人工智能工具軟件結合開發(fā)操作工仿真培訓器及工廠診斷系統(tǒng)2023/2/7412023/2/742

通過建立的動態(tài)模型，可以對共沸塔的操作進行大量細致的優(yōu)化研究塔底供熱量塔壓塔頂取熱量塔底MTBE純度塔壓塔底供熱量塔頂取熱量塔底產(chǎn)品純度2023/2/7432.5、Aspen工程軟件介紹AspenCustomModeler常用的幾個方面：提高可操作性：包括開車方案，正常操作規(guī)程改進安全性：包括釋放系統(tǒng)，事故分析改進過程控制方案：測試可能的控制方案，研究先進控制策略開發(fā)用戶模型及優(yōu)化過程操作2023/2/744

2.5、Aspen工程軟件介紹（3）AspenPinch和SplitAspenPinch和Split是兩個相互補充的先進過程設計軟件。AspenPinch是一個基于過程綜合與集成的夾點技術的計算軟件。它應用工廠現(xiàn)場操作數(shù)據(jù)或者AspenPlus模擬計算的數(shù)據(jù)為輸入，來設計能耗最小、操作成本最低的化工廠和煉油廠過程流程。2023/2/7452023/2/746復合曲線2023/2/7472.5、Aspen工程軟件介紹AspenPinch的典型作用有以下幾個方面：老廠節(jié)能改造的過程集成方案設計老廠擴大生產(chǎn)能力的“脫瓶頸”分析能量回收系統(tǒng)（例如換熱器網(wǎng)絡）的設計分析公用工程系統(tǒng)合理布局及優(yōu)化操作（包括加熱爐、蒸汽透平、燃氣透平、制冷系統(tǒng)等模型在內(nèi)）2023/2/7482023/2/7492.5、Aspen工程軟件介紹（4）PolymersPlus是一個模擬聚合物制造過程的通用聚合過程模擬系統(tǒng)。評估不同的過程設計方案優(yōu)化工廠操作開發(fā)反應動力學的深入機理通過模擬來找尋增加生產(chǎn)能力的方案開發(fā)新牌號2023/2/7502.5、Aspen工程軟件介紹（5）B－JAC

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