1.4計算機輔助化工設(shè)計的發(fā)展

化工設(shè)計第一章化工過程設(shè)計1全文共69頁，當(dāng)前為第1頁。第一節(jié).現(xiàn)代過程工程/國際化學(xué)工業(yè)發(fā)展趨勢第二節(jié).綠色化學(xué)科學(xué)與工程準則第三節(jié).化工過程設(shè)計的基本內(nèi)容第四節(jié).計算機輔助化工設(shè)計的發(fā)展第五節(jié).工程倫理學(xué)與責(zé)任關(guān)懷準則第一章化工過程設(shè)計本“化工設(shè)計”教材(496頁)：是高等教育‘十五’、‘十二.五’國家級規(guī)劃教材,希望同學(xué)課下參考教材學(xué)習(xí)。1全文共69頁，當(dāng)前為第2頁。第四節(jié).計算機輔助化工設(shè)計的發(fā)展

4.1.計算機硬件發(fā)展4.2.化工過程系統(tǒng)工程——計算機輔助設(shè)計軟件的進展4.3.案例1全文共69頁，當(dāng)前為第3頁。計算機輔助化工過程設(shè)計

4.1.計算機硬件發(fā)展

計算機硬件發(fā)展：從1946-51年Eckert和Mauohly研制成功第一臺電子計算機（ENIAC）和第一臺商用計算機系統(tǒng)(VNIVAC-1)以來，數(shù)字機的發(fā)展共經(jīng)歷了四代。

新一代計算機，它有平行處理的結(jié)構(gòu)，計算速度達到10000億次/秒以上，且裝入具有IF—THEN知識基底的人工智能系統(tǒng)或?qū)＜蚁到y(tǒng)，從而可具有機器圖象，機器說話，機器理解語言等更有效的交互作用功能，為計算機輔助化工過程設(shè)計提供服務(wù)。1全文共69頁，當(dāng)前為第4頁。表1.1適用于工程和科學(xué)的20世紀90年代

前四代計算機的演變

型號IBM代時間電路類型主貯存容量WordsCPU循環(huán)時間,微秒相對功能相對運算費用特點70111953電子管40961211批處理，比UNIVAC快70411955電子管3276812

FORTRAN編輯，自動處理子程序709021960晶體管327682.2200.13生產(chǎn)者的操作系統(tǒng)，維修大大減少360-7531960混合集成電路2621440.081080.04大大增加內(nèi)存，分時操作既可用于商業(yè)又可用于科學(xué)計算370-16841973整體集成電路20971520.0544050.02CACHE高速貯存，多環(huán)節(jié)錯誤檢查和校正3033U41978大規(guī)模集成電路62914560.0578380.008雙處理器，入診斷系統(tǒng)3031K41981大規(guī)模集成電路83886080.02616980.0076四處理器，可靠性大大增加，虛擬貯存1全文共69頁，當(dāng)前為第5頁。微型計算機的出現(xiàn)對CAD-化工過程設(shè)計

產(chǎn)生巨大影響

目前，科學(xué)界與工程界主要在三種計算機系統(tǒng)中完成他們的計算，既高功能大型計算機，計算機工作站及個人計算機系統(tǒng)。隨著超小型機的產(chǎn)生以及小型機微型化工作站的增多，促進了將它們聯(lián)系成區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，計算機聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)實現(xiàn)，它的顯著效果是不但可提高計算速度，而且可以實現(xiàn)內(nèi)部通訊，共享不同計算軟件模塊庫的資源，顯著地提高處理能力與資源。1全文共69頁，當(dāng)前為第6頁。

微型機被用作大型機的終端，可將數(shù)據(jù)和程序傳送到大型機中，還提供了分布數(shù)據(jù)處理的環(huán)境。

微型機對計算機輔助過程設(shè)計的影響有好、壞兩個方面。

好的影響:是具有圖象和擴展式微型機的大量涌現(xiàn)，使化學(xué)工程師思考問題的方式發(fā)生了改變，使許多設(shè)計者更多地熟悉計算機的功能，且能對計算機系統(tǒng)的開發(fā)者提出更多的要求，隨著這種要求的實現(xiàn)，設(shè)計工程師將更進一步認識到計算機輔助化工過程的潛力，可以說微型計算機起著計算機科學(xué)與工程設(shè)計之間的催化劑作用。微型計算機的出現(xiàn)對計算機輔助化工過程設(shè)計產(chǎn)生巨大的影響。1全文共69頁，當(dāng)前為第7頁。壞的影響是：1）年青的工程師過多地相信計算結(jié)果，使對設(shè)計改進的預(yù)計可能會高于實際得到的效果；2）如果所使用的模型及計算方法過于簡化，會使所得的計算結(jié)果不是最佳條件，而與專家經(jīng)驗的判斷有出入。但80年代中期以來，計算機硬件與軟件快速發(fā)展，這些缺陷正在逐步被消除。圖1.1化學(xué)工程計算系統(tǒng)應(yīng)用的分布趨勢1全文共69頁，當(dāng)前為第8頁。我國天河一號千萬億次超級計算機

系統(tǒng)研制成功

天河一號千萬億次超級計算機系統(tǒng)研制成功，峰值性能達每秒1206萬億次雙精度浮點運算，國際TOP500組織發(fā)布，它為世界超級計算機排名第五，亜洲第一。

為我國解決經(jīng)濟、科技等領(lǐng)域面對的系列重大挑戰(zhàn)性問題提供了重要手段。1全文共69頁，當(dāng)前為第9頁。過程系統(tǒng)工程應(yīng)用到化工方面

稱為化工系統(tǒng)工程它是系統(tǒng)工程與化學(xué)工程結(jié)合的產(chǎn)物，它是工程技術(shù)與管理技術(shù)的結(jié)合，它以處理

物料流——能量流——信息流的過程系統(tǒng)為對象，核心功能是過程系統(tǒng)的設(shè)計、控制和組織、計劃和管理，目的是達到

技術(shù)和經(jīng)濟上的最優(yōu)化，并符合社會可持續(xù)發(fā)展的要求。

過程系統(tǒng)工程的基本方法是過程模擬，即過程的模型化與求解。經(jīng)過幾十年的努力，在過程模擬上

已從

中觀系統(tǒng)向微觀和宏觀系統(tǒng)兩頭擴展并已取得較大進展。1全文共69頁，當(dāng)前為第10頁。4.2.化工過程系統(tǒng)工程——計算機輔助設(shè)計軟件的進展過程系統(tǒng)工程的基本方法是過程模擬，即過程的模型化與求解。在過程系統(tǒng)的模擬方面，自在1958年M.W.Kellogg開發(fā)出了第一個過程模擬軟件，現(xiàn)在已是第三代流程模擬系統(tǒng)，如Process-II、AspenPlus、CIMS等，目前已在中國各大化工設(shè)計院廣泛應(yīng)用。1全文共69頁，當(dāng)前為第11頁。化工過程系統(tǒng)工程——計算機輔助設(shè)計

軟件的研發(fā)進展由于化工過程所包括單元操作的多樣性與傳熱、傳質(zhì)的復(fù)雜性，應(yīng)指出至今尚沒有全部清晰的物理模型，即使是灰箱模型也存在很多偏微分方程與非線性關(guān)系，找不到分析解，這些特點皆賦與化工應(yīng)用軟件獨有的復(fù)雜性，只能在一定簡化條件下求取近似解。

所以計算機輔助化工過程設(shè)計的另一個發(fā)展動向是人工智能和專家系統(tǒng)的優(yōu)化應(yīng)用軟件進一步開發(fā)。1全文共69頁，當(dāng)前為第12頁。

在過程單元模擬方面，對那些只處理流體的過程單元如吸收、簡單精餾、液液萃取等模擬技術(shù)已基本成熟，早在20世紀50年代完成了閃蒸和精餾的計算機輔助計算，隨后又應(yīng)用FORTRAN語言進行不同單元操作的計算。

目前除了傳統(tǒng)的平衡級的模型外，已出現(xiàn)了直接利用速率方程及傳遞物性的非平衡模型，如AspenTech1990推出的RATEFRAC軟件等。此外，由于計算流體力學(xué)的進展，許多過去要用冷模研究解決的問題，現(xiàn)在應(yīng)用計算機模擬技術(shù)即可解決，如在反應(yīng)單元，基于反應(yīng)動力學(xué)的均相與非均相反應(yīng)器的模擬也趨向成熟，例如乙烯工業(yè)裂解爐（KTI公司的SPYRO軟件）和煉油工業(yè)的催化裂化和加氫反應(yīng)器等。90年代在復(fù)雜的聚合反應(yīng)器模擬上也取得了較好的進展，如AspenTech的POLYMERPLUS1全文共69頁，當(dāng)前為第13頁。

表1.2給出了近年來化工單元操作模塊與物性數(shù)據(jù)模塊進展情況。對于那些處理固體或固體-流體的單元，由于多相傳質(zhì)傳熱復(fù)雜性較高，尚有許多問題有待解決，例如晶體粒子集合體的表征，固液或固液汽體系的流變性能、相平衡和反應(yīng)平衡等。至于生物化工過程單元的模型化與模擬技術(shù)還很不成熟，它將成為今后研究開發(fā)的重點之一。

在過程系統(tǒng)的模擬方面，使用序貫?zāi)K法的模擬系統(tǒng)已經(jīng)歷了三代發(fā)展。

1958年M.W.Kellogg開發(fā)出了第一個過程模擬軟件，即FlexibleFlowSheet，同時期一些大公司如UnionCarbideCo.和StamdardOilCo.也推出了序貫連續(xù)法的過程模擬程序。60年代中葉開始出現(xiàn)了軟件公司，專門從事軟件開發(fā)，如SimulationSciencesandChemShare等。60年代末期，在一些大型企業(yè)中試廠將控制計算機用于石油化工、煉鋼等方面；相應(yīng)也產(chǎn)生了一些過程控制軟件。1全文共69頁，當(dāng)前為第14頁。

70年代后期以及八十年代，計算機輔助化工設(shè)計應(yīng)用軟件的開發(fā)和應(yīng)用發(fā)展極為迅速，新的軟件公司不斷涌現(xiàn)，并產(chǎn)生了大量的新模擬系統(tǒng):例如美國Chemshare公司的DESIGN/2000，美國MIT（麻省理工學(xué)院）開發(fā)的ASPENPlus，模擬科學(xué)公司的PROCESS，Profimatics公司的用于熱交換及其網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的HEXNET/HEXTOP，傳熱研究公司的HTRI，Cincinnati大學(xué)的UCAN-Ⅱ，英國帝國化學(xué)公司（ICI）的ELOWPARCK-Ⅱ，牛津大學(xué)CAD研究中心的CONCEPT，帝國大學(xué)的SPEEDUP，匈牙利科學(xué)院的SIMUL等，至今已日趨成熟。1全文共69頁，當(dāng)前為第15頁。表1.3列出了化工模擬軟件發(fā)展的三代流程模擬系統(tǒng)的特征。

計算機輔助化工設(shè)計軟件主要包括物性數(shù)據(jù)庫，穩(wěn)態(tài)過程模擬軟件，動態(tài)過程模擬軟件，經(jīng)濟分析與評價軟件，繪圖（各種工程圖，如流程、設(shè)備、施工管道圖等）軟件等。但隨著過程的系統(tǒng)的增大、循環(huán)回路的增多以及非線性化特征的增強，采用聯(lián)立方程法的過程模擬系統(tǒng)發(fā)展迅速，例如動態(tài)模擬軟件ASCAND（美國大學(xué)）、SPEEDUP（英國理工學(xué)院和ICI公司，后為Aspen-Tech收購改為CustomerModeler）和Star公司的HYSYS等已被工業(yè)界應(yīng)用。九十年代以來，已出現(xiàn)將穩(wěn)態(tài)模擬與動態(tài)模擬結(jié)合的趨勢。如Hyprotech公司開發(fā)的HYSYS軟件已被工業(yè)界應(yīng)用于在線優(yōu)化操作。1全文共69頁，當(dāng)前為第16頁。

近年來，化工過程系統(tǒng)工程發(fā)展較快，為化工過程設(shè)計的集成與優(yōu)化提供了新的思路與應(yīng)用軟件。在過程合成領(lǐng)域中，目前已有能量網(wǎng)絡(luò)集成（如夾點技術(shù)等），質(zhì)量交換網(wǎng)絡(luò)集成（如節(jié)水減排網(wǎng)絡(luò)，氫夾點技術(shù)等）在國外過程設(shè)計中廣泛應(yīng)用，已取得較大幅度節(jié)能降耗的效果。

值得注意的是20世紀末期發(fā)展起來的大系統(tǒng)計算機集成制造系統(tǒng)CIMS，能形成一個過程控制與管理一體化的高柔性的智能系統(tǒng)，它由三大模塊組成：過程控制，管理信息系統(tǒng)MIS及

決策支持系統(tǒng)DSS，和介于兩者之間的計算機輔助工廠運行系統(tǒng)CAPO。

在21世紀國際制造業(yè)中應(yīng)用效果證明：它的合理應(yīng)用可以在不同程度上達到提高產(chǎn)品質(zhì)、增進企業(yè)對市場變化響應(yīng)靈敏度、降低成本、提高生產(chǎn)安全性以及市場競爭力的目的。1全文共69頁，當(dāng)前為第17頁。

在化工過程系統(tǒng)工程用于過程設(shè)計方面，應(yīng)繼續(xù)進一步開發(fā)與提高的軟件內(nèi)容是：高精確度的全流程大系統(tǒng)集成與整體模擬的方法；熱物理性質(zhì)模型；包括大系統(tǒng)過程控制與管理在內(nèi)的過程合成；過程設(shè)計中的可操作性與安全性分析；綠色過程集成分析評價方法；專家系統(tǒng)與大系統(tǒng)的優(yōu)化等等。

因為21世紀化學(xué)工程已進入了過程工程與產(chǎn)品工程并重的階段，批處理過程將持續(xù)與連續(xù)過程同時發(fā)展，所以還應(yīng)特別重視過程工程與產(chǎn)品工程結(jié)合的模擬、分析與評估；多產(chǎn)品、多目的批處理工廠的設(shè)計優(yōu)化策略等問題。1全文共69頁，當(dāng)前為第18頁。

由于化工過程所包括單元操作的多樣性與傳熱、傳質(zhì)的復(fù)雜性。應(yīng)指出至今尚沒有全部清晰的物理模型，即使是灰箱模型也存在很多偏微分方程與非線性關(guān)系，找不到分析解，這些特點皆賦予化工應(yīng)用軟件獨有的復(fù)雜性，只能在一定簡化條件下求取近似解。所以計算機輔助化工過程設(shè)計的另一個發(fā)展動向是人工智能和專家系統(tǒng)的優(yōu)化應(yīng)用軟件進一步開發(fā)。1全文共69頁，當(dāng)前為第19頁。在過程設(shè)計中，常常不能從有效的方法中選擇最好的數(shù)值方法及模型，而專家系統(tǒng)能很好地完成這個任務(wù)。一種新的程序化技術(shù)，它可將人類的經(jīng)驗變成有效的機器碼，起著專家咨詢的作用，這種碼或程序稱為專家系統(tǒng)。最早的專家系統(tǒng)曾被用作棋類比賽，后來在醫(yī)藥和化學(xué)中得到應(yīng)用?，F(xiàn)有的專家系統(tǒng)大致可分成兩類：1）分析系統(tǒng)，它以儀表所接受的數(shù)據(jù)作為輸入，并產(chǎn)生一個解釋，再以對此數(shù)據(jù)的診斷結(jié)果作為輸出；2）合成系統(tǒng)，它為滿足某一目標而創(chuàng)造一個計劃和設(shè)計，它比前一類系統(tǒng)的開發(fā)又要難一些。1全文共69頁，當(dāng)前為第20頁。表1.2三代流程模擬系統(tǒng)

第一代第二代第三代年代1958~19651966~19751976~至今開發(fā)成本，美元~20萬~100萬＞600萬規(guī)模(條FORTRAN語句)1~520~60120處理最大流股數(shù)數(shù)千（1~5）萬＞20萬最多模塊數(shù)＜50＜100依機器容量而定最多組分數(shù)＜20＜50依機器容量而定物性數(shù)據(jù)≤20＜30依機器容量而定流股類型無數(shù)據(jù)庫180~500種化合物物性700種化合物物性典型代表氣、液氣、液氣、液、固及電解質(zhì)

GIFSFLOWTRANASPEN

PACERCONCEPTDESIGN/2000

SP-05PROCESSPROCESS（新版）1全文共69頁，當(dāng)前為第21頁。開發(fā)程序一是否達應(yīng)用水平單元操作模塊

1．包括反應(yīng)的多相平衡是2．精餾

理想是三相是反應(yīng)是帶反應(yīng)的三相否多塔是非均相共沸否間歇是反應(yīng)速度否

3．含固定操作是4．電解系統(tǒng)是5．聚合系統(tǒng)是6．生化系統(tǒng)否7．設(shè)備尺寸集成及速率否8．反應(yīng)模型庫是物理性質(zhì)模塊

1．狀態(tài)方程是2．高極性系統(tǒng)狀態(tài)方程否3．嚴密的電解熱力學(xué)是4．模型床否5．特殊性質(zhì)模型庫否6．物理性質(zhì)集成模塊是表1.2近年來化工工程軟件模塊進展1全文共69頁，當(dāng)前為第22頁。曙光5000服務(wù)結(jié)點4個（2路4核的AMDOpteron238016G內(nèi)存）GPU計算節(jié)點28臺兩路四核IntelCPU5520、12G內(nèi)存

56塊ATIRadeonHD5870GPU通用計算節(jié)點20臺四路四核的AMDOpteron8380處理器、32G內(nèi)存高速互連Infiniband20GB高速網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)千兆網(wǎng)交換機二套操作系統(tǒng)CentOS5.4存儲空間全光纖存儲5TB計算能力曙光4000A服務(wù)結(jié)點4個二路單核服務(wù)節(jié)點（AMD248CPU，4GBMEM）計算結(jié)點29個四路單核節(jié)點（AMD848，8GB內(nèi)存）

3個四路雙核節(jié)點（AMD875雙核CPU，8GB內(nèi)存）高速互連Myrinet2000網(wǎng)絡(luò)1000Mbps+100Mbps操作系統(tǒng)CentOS4.3編程語言C/C++、Fortran、Java并行環(huán)境MPI、PVM、HPF、OpenMP存儲空間3.6TB分布局域硬盤、3TBSCSI盤陣

DELLPowerEdge服務(wù)結(jié)點二路四核服務(wù)節(jié)點（AMDOpteron2350，8GBMEM）計算結(jié)點4臺四路4核節(jié)點（AMDOpteron8350，32GB內(nèi)存）網(wǎng)絡(luò)四個1000Mbps操作系統(tǒng)CentOS5.3編程語言C/C++、Fortran、Java并行環(huán)境序號軟件名稱描述1SimSciPRO/II化工流程模擬軟件2AspenPlus化工流程模擬軟件3UniSim化工流程模擬仿真4gPROMS化工過程建模系統(tǒng)5ANSYSCFX流體力學(xué)計算軟件6ANSYSFluent流體力學(xué)計算軟件7ANSYSPolyFlow粘彈性流體力學(xué)計算軟件8AutoDeskMoldflow模塑仿真分析軟件9Gaussian09計算化學(xué)軟件10MaterialStudio材料科學(xué)模擬計算軟件11DiscoveryStudio生物醫(yī)藥分子模擬軟件12VASP從頭計算量子化學(xué)計算軟件13Matlab計算數(shù)學(xué)軟件14ComsolMultiphysics多物理場耦合模擬軟件15ADF密度泛函計算化學(xué)軟件己應(yīng)用于化工系統(tǒng)工程設(shè)計軟件如下：1全文共69頁，當(dāng)前為第23頁。序號 軟件名稱 描述16 ZENCRACK 高級三維裂紋擴展行為分析軟件17 ABINIT 電子結(jié)構(gòu)密度泛函程序18 NWChem 大規(guī)模計算化學(xué)程序19 SIESTA 線性標度密度泛函計算程序20 CPMD 平面波電子結(jié)構(gòu)軟件21 Quantum-ESPRESSO 基于密度泛函的分子動力學(xué)軟件22 LmtART 完全勢LMTO法計算程序23 NAMD 分子動力學(xué)計算軟件24 GROMACS 分子動力學(xué)計算軟件25 LAMMPS 分子動力學(xué)計算軟件26 EGO 非平衡態(tài)分子動力學(xué)模擬軟件27 TheRate 化學(xué)反應(yīng)理論計算程序28 DOCK 高通量藥物篩選軟件29 BLAST 基因序列比對程序30 SciLab 科學(xué)計算軟件包31 OpenFOAM 開源流體動力學(xué)模擬軟件包己應(yīng)用于化工設(shè)計軟件如下：1全文共69頁，當(dāng)前為第24頁。計算機輔助設(shè)計軟件——

化工過程系統(tǒng)工程進一步研發(fā)目標：在化工過程系統(tǒng)工程用于過程設(shè)計方面，應(yīng)繼續(xù)進一步開發(fā)與提高的軟件內(nèi)容是：1.高精確度的全流程大系統(tǒng)集成與整體模擬的方法；熱物理性質(zhì)模型；包括大系統(tǒng)過程控制與管理在內(nèi)的過程合成；

2.過程設(shè)計中的可操作性與安全性分析；

3.過程集成分析評價方法以及多產(chǎn)品、多目的批處理工廠的設(shè)計優(yōu)化策略等問題。

因為化工過程設(shè)計的主要目標之一：是維護生產(chǎn)過程安全性，及實現(xiàn)環(huán)境保護的責(zé)任

。1全文共69頁，當(dāng)前為第25頁。為了加速實現(xiàn)綠色化學(xué)與化工研發(fā)目標,必須向多尺度集成研究(時間及空間尺度)發(fā)展WithCFDtool(savingprocessdevelopmenttime)WithoutCFDtoolImprovedcashflowCashflowTimeShorterpaybacktimeReducedtimetomarketReducedprocessdevelopmenttime縮短開發(fā)周期減少投資環(huán)境友好改善產(chǎn)品質(zhì)量迅速搶占市場1全文共69頁，當(dāng)前為第26頁。生態(tài)工業(yè)園區(qū)是綠色過程系統(tǒng)工程的研究范疇綠色過程系統(tǒng)工程的的研究對象是和過程系統(tǒng)工程是相同的。它區(qū)別于工業(yè)生態(tài)學(xué)在于它將過程系統(tǒng)本身為主要研究對象，研究它對生態(tài)系統(tǒng)的影響，目的是發(fā)展過程系統(tǒng)時，使它與環(huán)境相容。特別著重研究這些人為系統(tǒng)與自然系統(tǒng)的交互作用與協(xié)調(diào)發(fā)展的規(guī)律。研究方法是建立系統(tǒng)模型，進行模擬與分析。在時空的層面上，大致分為三個層次的摸擬、分析與優(yōu)化：

1.微觀層次系統(tǒng)：如分子-納米層次，產(chǎn)品分子設(shè)計等。

2.介觀層次系統(tǒng)：如基于流程的，基予夾點分析的，基于熱力學(xué)分析的等。

3.宏觀層次系統(tǒng)：如生態(tài)工業(yè)園區(qū)(Eco-industrialParks,EIPs)等。1全文共69頁，當(dāng)前為第27頁。自1985年國內(nèi)第一次化工系統(tǒng)工程學(xué)術(shù)會議以來。不但在我國各大設(shè)計院“ASPEN”與“PROCESS”等應(yīng)用軟件亦已應(yīng)用于計算機輔助化工過程設(shè)計。近年來在大型石化一體化的“中石化”產(chǎn)業(yè)中，近年來新創(chuàng)制的計算機集成制造系統(tǒng)CIMS-也被廣泛應(yīng)用；并已獨立開發(fā)成功一批穩(wěn)態(tài)與動態(tài)化工過程模擬軟件以及化工過程與供應(yīng)鏈管理軟件等，并取得了工業(yè)有效利用的效果。計算機輔助控制及管理系統(tǒng)，在國內(nèi)亦已被企業(yè)界重視與應(yīng)用，如中石化及醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)界等。

化工過程系統(tǒng)工程——計算機輔助設(shè)計軟件1全文共69頁，當(dāng)前為第28頁。“第三次工業(yè)革命即將到來”，專家予計《第三次工業(yè)革命》，將以“制造業(yè)數(shù)字化”為核心。如果實現(xiàn)了通過互聯(lián)網(wǎng)平臺匯集社會資源、集合社會力量、推動合作創(chuàng)新，形成人機共融的制造模式，那將使全球技術(shù)要素和市場要素配置方式發(fā)生深刻變化，將給產(chǎn)業(yè)形態(tài)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)組織方式帶來深刻影響。如3D打印技術(shù)，已經(jīng)從研發(fā)轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用?？梢灶A(yù)見，隨著3D打印技術(shù)規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，傳統(tǒng)的工藝流程、生產(chǎn)線、工廠模式、產(chǎn)業(yè)鏈組合都將面臨深度調(diào)整。將推動計算機輔助化工設(shè)計呈現(xiàn)里程碑式發(fā)展，走向創(chuàng)新的新歷程?。?全文共69頁，當(dāng)前為第29頁。第一節(jié).現(xiàn)代過程工程/國際化學(xué)工業(yè)發(fā)展趨勢第二節(jié).綠色化學(xué)科學(xué)與工程準則第三節(jié).化工過程設(shè)計的基本內(nèi)容第四節(jié).計算機輔助化工設(shè)計的發(fā)展第五節(jié).工程倫理學(xué)與責(zé)任關(guān)懷準則第一章化工過程設(shè)計1全文共69頁，當(dāng)前為第30頁。第四節(jié).計算機輔助化工設(shè)計的發(fā)展

4.1.計算機硬件發(fā)展4.2.化工過程系統(tǒng)工程——計算機輔助設(shè)計軟件的進展4.3.案例1全文共69頁，當(dāng)前為第31頁。計算機輔助化工過程設(shè)計

4.1.計算機硬件發(fā)展

計算機硬件發(fā)展：從1946-51年Eckert和Mauohly研制成功第一臺電子計算機（ENIAC）和第一臺商用計算機系統(tǒng)(VNIVAC-1)以來，數(shù)字機的發(fā)展共經(jīng)歷了四代。

新一代計算機，它有平行處理的結(jié)構(gòu)，計算速度達到10000億次/秒以上，且裝入具有IF—THEN知識基底的人工智能系統(tǒng)或?qū)＜蚁到y(tǒng)，從而可具有機器圖象，機器說話，機器理解語言等更有效的交互作用功能，為計算機輔助化工過程設(shè)計提供服務(wù)。1全文共69頁，當(dāng)前為第32頁。表1.1適用于工程和科學(xué)的20世紀90年代

前四代計算機的演變

型號IBM代時間電路類型主貯存容量WordsCPU循環(huán)時間,微秒相對功能相對運算費用特點70111953電子管40961211批處理，比UNIVAC快70411955電子管3276812

FORTRAN編輯，自動處理子程序709021960晶體管327682.2200.13生產(chǎn)者的操作系統(tǒng)，維修大大減少360-7531960混合集成電路2621440.081080.04大大增加內(nèi)存，分時操作既可用于商業(yè)又可用于科學(xué)計算370-16841973整體集成電路20971520.0544050.02CACHE高速貯存，多環(huán)節(jié)錯誤檢查和校正3033U41978大規(guī)模集成電路62914560.0578380.008雙處理器，入診斷系統(tǒng)3031K41981大規(guī)模集成電路83886080.02616980.0076四處理器，可靠性大大增加，虛擬貯存1全文共69頁，當(dāng)前為第33頁。微型計算機的出現(xiàn)對CAD-化工過程設(shè)計

產(chǎn)生巨大影響

目前，科學(xué)界與工程界主要在三種計算機系統(tǒng)中完成他們的計算，既高功能大型計算機，計算機工作站及個人計算機系統(tǒng)。隨著超小型機的產(chǎn)生以及小型機微型化工作站的增多，促進了將它們聯(lián)系成區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，計算機聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)實現(xiàn)，它的顯著效果是不但可提高計算速度，而且可以實現(xiàn)內(nèi)部通訊，共享不同計算軟件模塊庫的資源，顯著地提高處理能力與資源。1全文共69頁，當(dāng)前為第34頁。

微型機被用作大型機的終端，可將數(shù)據(jù)和程序傳送到大型機中，還提供了分布數(shù)據(jù)處理的環(huán)境。

微型機對計算機輔助過程設(shè)計的影響有好、壞兩個方面。

好的影響:是具有圖象和擴展式微型機的大量涌現(xiàn)，使化學(xué)工程師思考問題的方式發(fā)生了改變，使許多設(shè)計者更多地熟悉計算機的功能，且能對計算機系統(tǒng)的開發(fā)者提出更多的要求，隨著這種要求的實現(xiàn)，設(shè)計工程師將更進一步認識到計算機輔助化工過程的潛力，可以說微型計算機起著計算機科學(xué)與工程設(shè)計之間的催化劑作用。微型計算機的出現(xiàn)對計算機輔助化工過程設(shè)計產(chǎn)生巨大的影響。1全文共69頁，當(dāng)前為第35頁。壞的影響是：1）年青的工程師過多地相信計算結(jié)果，使對設(shè)計改進的預(yù)計可能會高于實際得到的效果；2）如果所使用的模型及計算方法過于簡化，會使所得的計算結(jié)果不是最佳條件，而與專家經(jīng)驗的判斷有出入。但80年代中期以來，計算機硬件與軟件快速發(fā)展，這些缺陷正在逐步被消除。圖1.1化學(xué)工程計算系統(tǒng)應(yīng)用的分布趨勢1全文共69頁，當(dāng)前為第36頁。我國天河一號千萬億次超級計算機

系統(tǒng)研制成功

天河一號千萬億次超級計算機系統(tǒng)研制成功，峰值性能達每秒1206萬億次雙精度浮點運算，國際TOP500組織發(fā)布，它為世界超級計算機排名第五，亜洲第一。

為我國解決經(jīng)濟、科技等領(lǐng)域系列重大挑戰(zhàn)性問題提供了重要手段。1全文共69頁，當(dāng)前為第37頁。過程系統(tǒng)工程又稱為化工系統(tǒng)工程它是系統(tǒng)工程與化學(xué)工程結(jié)合的產(chǎn)物，它是工程技術(shù)與管理技術(shù)的結(jié)合，它以處理物料流——能量流——信息流的過程系統(tǒng)為對象，核心功能是過程系統(tǒng)的設(shè)計、控制和組織、計劃和管理，目的是達到技術(shù)和經(jīng)濟上的最優(yōu)化，并符合社會可持續(xù)發(fā)展的要求。過程系統(tǒng)工程的基本方法是過程模擬，即過程的模型化與求解。經(jīng)過幾十年的努力，在過程模擬上已從中觀系統(tǒng)向微觀和宏觀系統(tǒng)兩頭擴展并取得較大進展。1全文共69頁，當(dāng)前為第38頁。4.2.化工過程系統(tǒng)工程——計算機輔助設(shè)計軟件的進展過程系統(tǒng)工程的基本方法是過程模擬，即過程的模型化與求解。在過程系統(tǒng)的模擬方面，自在1958年M.W.Kellogg開發(fā)出了第一個過程模擬軟件，現(xiàn)在已是第三代流程模擬系統(tǒng)，如Process-II、AspenPlus、CIMS等，目前已在中國各大化工設(shè)計院廣泛應(yīng)用。1全文共69頁，當(dāng)前為第39頁?；み^程系統(tǒng)工程——計算機輔助設(shè)計

軟件的研發(fā)進展由于化工過程所包括單元操作的多樣性與傳熱、傳質(zhì)的復(fù)雜性，應(yīng)指出至今尚沒有全部清晰的物理模型，即使是灰箱模型也存在很多偏微分方程與非線性關(guān)系，找不到分析解，這些特點皆賦與化工應(yīng)用軟件獨有的復(fù)雜性，只能在一定簡化條件下求取近似解。

所以計算機輔助化工過程設(shè)計的另一個發(fā)展動向是人工智能和專家系統(tǒng)的優(yōu)化應(yīng)用軟件進一步開發(fā)。1全文共69頁，當(dāng)前為第40頁。

在過程單元模擬方面，對那些只處理流體的過程單元如吸收、簡單精餾、液液萃取等模擬技術(shù)已基本成熟，早在20世紀50年代完成了閃蒸和精餾的計算機輔助計算，隨后又應(yīng)用FORTRAN語言進行不同單元操作的計算。

目前除了傳統(tǒng)的平衡級的模型外，已出現(xiàn)了直接利用速率方程及傳遞物性的非平衡模型，如AspenTech1990推出的RATEFRAC軟件等。此外，由于計算流體力學(xué)的進展，許多過去要用冷模研究解決的問題，現(xiàn)在應(yīng)用計算機模擬技術(shù)即可解決，如在反應(yīng)單元，基于反應(yīng)動力學(xué)的均相與非均相反應(yīng)器的模擬也趨向成熟，例如乙烯工業(yè)裂解爐（KTI公司的SPYRO軟件）和煉油工業(yè)的催化裂化和加氫反應(yīng)器等。90年代在復(fù)雜的聚合反應(yīng)器模擬上也取得了較好的進展，如AspenTech的POLYMERPLUS1全文共69頁，當(dāng)前為第41頁。

表1.2給出了近年來化工單元操作模塊與物性數(shù)據(jù)模塊進展情況。對于那些處理固體或固體-流體的單元，由于多相傳質(zhì)傳熱復(fù)雜性較高，尚有許多問題有待解決，例如晶體粒子集合體的表征，固液或固液汽體系的流變性能、相平衡和反應(yīng)平衡等。至于生物化工過程單元的模型化與模擬技術(shù)還很不成熟，它將成為今后研究開發(fā)的重點之一。

在過程系統(tǒng)的模擬方面，使用序貫?zāi)K法的模擬系統(tǒng)已經(jīng)歷了三代發(fā)展。1958年M.W.Kellogg開發(fā)出了第一個過程模擬軟件，即FlexibleFlowSheet，同時期一些大公司如UnionCarbideCo.和StamdardOilCo.也推出了序貫連續(xù)法的過程模擬程序。60年代中葉開始出現(xiàn)了軟件公司，專門從事軟件開發(fā)，如SimulationSciencesandChemShare等。60年代末期，在一些大型企業(yè)中試廠將控制計算機用于石油化工、煉鋼等方面；相應(yīng)也產(chǎn)生了一些過程控制軟件。1全文共69頁，當(dāng)前為第42頁。

70年代后期以及八十年代，計算機輔助化工設(shè)計應(yīng)用軟件的開發(fā)和應(yīng)用發(fā)展極為迅速，新的軟件公司不斷涌現(xiàn)，并產(chǎn)生了大量的新模擬系統(tǒng):例如美國Chemshare公司的DESIGN/2000，美國MIT（麻省理工學(xué)院）開發(fā)的ASPENPlus，模擬科學(xué)公司的PROCESS，Profimatics公司的用于熱交換及其網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的HEXNET/HEXTOP，傳熱研究公司的HTRI，Cincinnati大學(xué)的UCAN-Ⅱ，英國帝國化學(xué)公司（ICI）的ELOWPARCK-Ⅱ，牛津大學(xué)CAD研究中心的CONCEPT，帝國大學(xué)的SPEEDUP，匈牙利科學(xué)院的SIMUL等，至今已日趨成熟。1全文共69頁，當(dāng)前為第43頁。表1.3列出了化工模擬軟件發(fā)展的三代流程模擬系統(tǒng)的特征。

計算機輔助化工設(shè)計軟件主要包括物性數(shù)據(jù)庫，穩(wěn)態(tài)過程模擬軟件，動態(tài)過程模擬軟件，經(jīng)濟分析與評價軟件，繪圖（各種工程圖，如流程、設(shè)備、施工管道圖等）軟件等。但隨著過程的系統(tǒng)的增大、循環(huán)回路的增多以及非線性化特征的增強，采用聯(lián)立方程法的過程模擬系統(tǒng)發(fā)展迅速，例如動態(tài)模擬軟件ASCAND（美國大學(xué)）、SPEEDUP（英國理工學(xué)院和ICI公司，后為Aspen-Tech收購改為CustomerModeler）和Star公司的HYSYS等已被工業(yè)界應(yīng)用。九十年代以來，已出現(xiàn)將穩(wěn)態(tài)模擬與動態(tài)模擬結(jié)合的趨勢。如Hyprotech公司開發(fā)的HYSYS軟件已被工業(yè)界應(yīng)用于在線優(yōu)化操作。、1全文共69頁，當(dāng)前為第44頁。近年來，化工過程系統(tǒng)工程發(fā)展較快，為化工過程設(shè)計的集成與優(yōu)化提供了新的思路與應(yīng)用軟件。在過程合成領(lǐng)域中，目前已有能量網(wǎng)絡(luò)集成（如夾點技術(shù)等），質(zhì)量交換網(wǎng)絡(luò)集成（如節(jié)水減排網(wǎng)絡(luò)，氫夾點技術(shù)等）在國外過程設(shè)計中廣泛應(yīng)用，已取得較大幅度節(jié)能降耗的效果。值得注意的是20世紀末期發(fā)展起來的大系統(tǒng)計算機集成制造系統(tǒng)CIMS，能形成一個過程控制與管理一體化的高柔性的智能系統(tǒng)，它由三大模塊組成：過程控制，管理信息系統(tǒng)MIS及決策支持系統(tǒng)DSS，和介于兩者之間的計算機輔助工廠運行系統(tǒng)CAPO。在21世紀國際制造業(yè)中應(yīng)用效果證明：它的合理應(yīng)用可以在不同程度上達到提高產(chǎn)品質(zhì)量、增進企業(yè)對市場變化響應(yīng)靈敏度、降低成本、提高生產(chǎn)安全性以及市場競爭力的目的。1全文共69頁，當(dāng)前為第45頁。

在化工過程系統(tǒng)工程用于過程設(shè)計方面，應(yīng)繼續(xù)進一步開發(fā)與提高的軟件內(nèi)容是：高精確度的全流程大系統(tǒng)集成與整體模擬的方法；熱物理性質(zhì)模型；包括大系統(tǒng)過程控制與管理在內(nèi)的過程合成；過程設(shè)計中的可操作性與安全性分析；綠色過程集成分析評價方法；專家系統(tǒng)與大系統(tǒng)的優(yōu)化等等。

因為21世紀化學(xué)工程已進入了過程工程與產(chǎn)品工程并重的階段，批處理過程將持續(xù)與連續(xù)過程同時發(fā)展，所以還應(yīng)特別重視過程工程與產(chǎn)品工程結(jié)合的模擬、分析與評估；多產(chǎn)品、多目的批處理工廠的設(shè)計優(yōu)化策略等問題。1全文共69頁，當(dāng)前為第46頁。由于化工過程所包括單元操作的多樣性與傳熱、傳質(zhì)的復(fù)雜性。應(yīng)指出至今尚沒有全部清晰的物理模型，即使是灰箱模型也存在很多偏微分方程與非線性關(guān)系，找不到分析解，這些特點皆賦予化工應(yīng)用軟件獨有的復(fù)雜性，只能在一定簡化條件下求取近似解。所以計算機輔助化工過程設(shè)計的另一個發(fā)展動向是人工智能和專家系統(tǒng)的優(yōu)化應(yīng)用軟件進一步開發(fā)。1全文共69頁，當(dāng)前為第47頁。在過程設(shè)計中，常常不能從有效的方法中選擇最好的數(shù)值方法及模型，而專家系統(tǒng)能很好地完成這個任務(wù)。一種新的程序化技術(shù)，它可將人類的經(jīng)驗變成有效的機器碼，起著專家咨詢的作用，這種碼或程序稱為專家系統(tǒng)。最早的專家系統(tǒng)曾被用作棋類比賽，后來在醫(yī)藥和化學(xué)中得到應(yīng)用?，F(xiàn)有的專家系統(tǒng)大致可分成兩類：1）分析系統(tǒng)，它以儀表所接受的數(shù)據(jù)作為輸入，并產(chǎn)生一個解釋，再以對此數(shù)據(jù)的診斷結(jié)果作為輸出；2）合成系統(tǒng)，它為滿足某一目標而創(chuàng)造一個計劃和設(shè)計，它比前一類系統(tǒng)的開發(fā)又要難一些。1全文共69頁，當(dāng)前為第48頁。表1.2三代流程模擬系統(tǒng)

第一代第二代第三代年代1958~19651966~19751976~至今開發(fā)成本，美元~20萬~100萬＞600萬規(guī)模(條FORTRAN語句)1~520~60120處理最大流股數(shù)數(shù)千（1~5）萬＞20萬最多模塊數(shù)＜50＜100依機器容量而定最多組分數(shù)＜20＜50依機器容量而定物性數(shù)據(jù)≤20＜30依機器容量而定流股類型無數(shù)據(jù)庫180~500種化合物物性700種化合物物性典型代表氣、液氣、液氣、液、固及電解質(zhì)

GIFSFLOWTRANASPEN

PACERCONCEPTDESIGN/2000

SP-05PROCESSPROCESS（新版）1全文共69頁，當(dāng)前為第49頁。開發(fā)程序一是否達應(yīng)用水平單元操作模塊

1．包括反應(yīng)的多相平衡是2．精餾

理想是三相是反應(yīng)是帶反應(yīng)的三相否多塔是非均相共沸否間歇是反應(yīng)速度否

3．含固定操作是4．電解系統(tǒng)是5．聚合系統(tǒng)是6．生化系統(tǒng)否7．設(shè)備尺寸集成及速率否8．反應(yīng)模型庫是物理性質(zhì)模塊

1．狀態(tài)方程是2．高極性系統(tǒng)狀態(tài)方程否3．嚴密的電解熱力學(xué)是4．模型床否5．特殊性質(zhì)模型庫否6．物理性質(zhì)集成模塊是表1.2近年來化工工程軟件模塊進展1全文共69頁，當(dāng)前為第50頁。曙光5000服務(wù)結(jié)點4個（2路4核的AMDOpteron238016G內(nèi)存）GPU計算節(jié)點28臺兩路四核IntelCPU5520、12G內(nèi)存

56塊ATIRadeonHD5870GPU通用計算節(jié)點20臺四路四核的AMDOpteron8380處理器、32G內(nèi)存高速互連Infiniband20GB高速網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)千兆網(wǎng)交換機二套操作系統(tǒng)CentOS5.4存儲空間全光纖存儲5TB計算能力曙光4000A服務(wù)結(jié)點4個二路單核服務(wù)節(jié)點（AMD248CPU，4GBMEM）計算結(jié)點29個四路單核節(jié)點（AMD848，8GB內(nèi)存）

3個四路雙核節(jié)點（AMD875雙核CPU，8GB內(nèi)存）高速互連Myrinet2000網(wǎng)絡(luò)1000Mbps+100Mbps操作系統(tǒng)CentOS4.3編程語言C/C++、Fortran、Java并行環(huán)境MPI、PVM、HPF、OpenMP存儲空間3.6TB分布局域硬盤、3TBSCSI盤陣

DELLPowerEdge服務(wù)結(jié)點二路四核服務(wù)節(jié)點（AMDOpteron2350，8GBMEM）計算結(jié)點4臺四路4核節(jié)點（AMDOpteron8350，32GB內(nèi)存）網(wǎng)絡(luò)四個1000Mbps操作系統(tǒng)CentOS5.3編程語言C/C++、Fortran、Java并行環(huán)境序號軟件名稱描述1SimSciPRO/II化工流程模擬軟件2AspenPlus化工流程模擬軟件3UniSim化工流程模擬仿真4gPROMS化工過程建模系統(tǒng)5ANSYSCFX流體力學(xué)計算軟件6ANSYSFluent流體力學(xué)計算軟件7ANSYSPolyFlow粘彈性流體力學(xué)計算軟件8AutoDeskMoldflow模塑仿真分析軟件9Gaussian09計算化學(xué)軟件10MaterialStudio材料科學(xué)模擬計算軟件11DiscoveryStudio生物醫(yī)藥分子模擬軟件12VASP從頭計算量子化學(xué)計算軟件13Matlab計算數(shù)學(xué)軟件14ComsolMultiphysics多物理場耦合模擬軟件15ADF密度泛函計算化學(xué)軟件己應(yīng)用于化工系統(tǒng)工程設(shè)計軟件如下：1全文共69頁，當(dāng)前為第51頁。序號 軟件名稱 描述16 ZENCRACK 高級三維裂紋擴展行為分析軟件17 ABINIT 電子結(jié)構(gòu)密度泛函程序18 NWChem 大規(guī)模計算化學(xué)程序19 SIESTA 線性標度密度泛函計算程序20 CPMD 平面波電子結(jié)構(gòu)軟件21 Quantum-ESPRESSO 基于密度泛函的分子動力學(xué)軟件22 LmtART 完全勢LMTO法計算程序23 NAMD 分子動力學(xué)計算軟件24 GROMACS 分子動力學(xué)計算軟件25 LAMMPS 分子動力學(xué)計算軟件26 EGO 非平衡態(tài)分子動力學(xué)模擬軟件27 TheRate 化學(xué)反應(yīng)理論計算程序28 DOCK 高通量藥物篩選軟件29 BLAST 基因序列比對程序30 SciLab 科學(xué)計算軟件包31 OpenFOAM 開源流體動力學(xué)模擬軟件包己應(yīng)用于化工設(shè)計軟件如下：1全文共69頁，當(dāng)前為第52頁。計算機輔助設(shè)計軟件——

化工過程系統(tǒng)工程進一步研發(fā)目標：在化工過程系統(tǒng)工程用于過程設(shè)計方面，應(yīng)繼續(xù)進一步開發(fā)與提高的軟件內(nèi)容是：1.高精確度的全流程大系統(tǒng)集成與整體模擬的方法；熱物理性質(zhì)模型；包括大系統(tǒng)過程控制與管理在內(nèi)的過程合成；

2.過程設(shè)計中的可操作性與安全性分析；

3.過程集成分析評價方法以及多產(chǎn)品、多目的批處理工廠的設(shè)計優(yōu)化策略等問題。

因為化工過程設(shè)計的主要目標之一：是維護生產(chǎn)過程安全性，及實現(xiàn)環(huán)境保護的責(zé)任。1全文共69頁，當(dāng)前為第53頁。為了加速實現(xiàn)綠色化學(xué)與化工研發(fā)目標,必須向多尺度集成研究(時間及空間尺度)發(fā)展WithCFDtool(savingprocessdevelopmenttime)WithoutCFDtoolImprovedcashflowCashflowTimeShorterpaybacktimeReducedtimetomarketReducedprocessdevelopmenttime縮短開發(fā)周期減少投資環(huán)境友好改善產(chǎn)品質(zhì)量迅速搶占市場1全文共69頁，當(dāng)前為第54頁。生態(tài)工業(yè)園區(qū)是綠色過程系統(tǒng)工程的研究范疇綠色過程系統(tǒng)工程的的研究對象是和過程系統(tǒng)工程是相同的。它區(qū)別于工業(yè)生態(tài)學(xué)在于它將過程系統(tǒng)本身為主要研究對象，研究它對生態(tài)系統(tǒng)的影響，目