化工過(guò)程分析與合成-張衛(wèi)東-第一章緒論

緒論1.1化工過(guò)程1.2化工過(guò)程生產(chǎn)操作掌握1.3化工過(guò)程的分析與合成1.4化工過(guò)程模擬系統(tǒng)1.5化工企業(yè)CIPS技術(shù)1.6人工智能技術(shù)在化工過(guò)程中的應(yīng)用1.7本教材的目的與內(nèi)容課程背景二戰(zhàn)后，化工高等教育消失了兩大流派和傾向。西方興旺國(guó)家：隨著化工熱力學(xué)、傳遞過(guò)程原理、反響工程與化工系統(tǒng)工程學(xué)問(wèn)的系統(tǒng)化、理論化，突出了化學(xué)工程科學(xué)分類學(xué)問(wèn)的教育，對(duì)工程師面對(duì)的實(shí)際問(wèn)題反而留意不夠前蘇聯(lián)和東歐各國(guó)：專業(yè)劃分過(guò)細(xì)，所培育的高級(jí)人才缺乏生命力的落后局面。中國(guó)：一方面由于受前蘇聯(lián)的影響，專業(yè)劃分過(guò)細(xì)，人才適應(yīng)力量差的問(wèn)題早已暴露無(wú)遺；另一方面，化學(xué)工程專業(yè)又因循西方的模式，過(guò)分強(qiáng)調(diào)學(xué)科性，無(wú)視化學(xué)工程與技術(shù)問(wèn)題的綜合性與實(shí)踐性。工程師的根本任務(wù)和力量就是綜合，工程師的制造性也主要通過(guò)綜合來(lái)表達(dá)。反響B(tài)+C精餾ABB反響分別CEC+DDC過(guò)程客觀事物從一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移。在工藝生產(chǎn)上，對(duì)物料流進(jìn)展物理或化學(xué)的加工工藝稱作過(guò)程工藝?；み^(guò)程冶金過(guò)程石油煉制過(guò)程醫(yī)藥生產(chǎn)過(guò)程以自然物料為原料經(jīng)過(guò)物理或化學(xué)的加工制成產(chǎn)品的過(guò)程。原料制備化學(xué)反響產(chǎn)品分別化學(xué)的單元過(guò)程包括合成、氧化、加氫、裂解、電解質(zhì)溶液反響等1.1化工過(guò)程單元過(guò)程由被處理的物料流聯(lián)接起來(lái)，構(gòu)成化工過(guò)程生產(chǎn)工藝流程化學(xué)反響過(guò)程換熱過(guò)程分別過(guò)程1.1.1化學(xué)反響過(guò)程

──化工過(guò)程的核心局部催化反響過(guò)程熱裂解反響過(guò)程電解質(zhì)溶液離子反響過(guò)程生化反響過(guò)程…...催化反響過(guò)程合成反響：合成氨、合成甲醇等的反響過(guò)程；氧化反響：萘氧化制苯酐、乙烯氧化制環(huán)氧乙烯等的反響過(guò)程；脫氫反響：乙苯脫氫制苯乙烯的反響過(guò)程；裂化反響：重質(zhì)油催化裂化制輕質(zhì)油的反響過(guò)程；烷基化反響：乙烯與苯的烷基化制乙苯的反響過(guò)程；加氫裂化反響：正庚烷加氫裂化制丙烷和丁烷的反響過(guò)程熱裂解反響過(guò)程煤干餾生成焦碳、煤焦油、焦?fàn)t煤氣的反響過(guò)程；輕油裂解制乙烯的反響過(guò)程電解質(zhì)溶液反響過(guò)程各種無(wú)機(jī)鹽生產(chǎn)以及氨堿法制堿的反響過(guò)程生物化學(xué)反響過(guò)程發(fā)酵法生產(chǎn)氨基酸、有機(jī)醇、酮等的反響過(guò)程1.1.2換熱過(guò)程換熱器與換熱物流構(gòu)成了換熱網(wǎng)絡(luò)合理的設(shè)計(jì)，能充分回收過(guò)程系統(tǒng)中的熱量或冷量以最大限度的節(jié)能、經(jīng)濟(jì)的設(shè)備投資、良好的操作適應(yīng)性為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)最正確的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，是化工過(guò)程系統(tǒng)綜合爭(zhēng)論的一項(xiàng)典型的事例。1.1.3分別過(guò)程非均一系氣固相分別：沉降、過(guò)濾、濕法除塵、電除塵液固相分別：過(guò)濾、枯燥、沉降均一系氣相分別：吸附、吸取、膜分別液相分別：蒸餾與精餾、蒸發(fā)、結(jié)晶、氣提、萃取、膜分別等1.2化工過(guò)程生產(chǎn)操作掌握化工過(guò)程生產(chǎn)操作工況的調(diào)整，主要是對(duì)物料流溫度、壓力、流量、液位、組成等操作參數(shù)的調(diào)整早期過(guò)程掌握技術(shù)〔40-50年月〕特點(diǎn)：承受基地式掌握儀表實(shí)施單輸入、單輸出的簡(jiǎn)潔回路掌握掌握目標(biāo)：保持生產(chǎn)工況平穩(wěn)消失了單元組合式掌握儀表，從簡(jiǎn)潔掌握回路進(jìn)展了串級(jí)、前饋補(bǔ)償?shù)日莆障到y(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：特點(diǎn)為各個(gè)掌握回路都是相互獨(dú)立的當(dāng)某一掌握回路消失故障時(shí)，不致影響其他回路的正常工作，系統(tǒng)的牢靠性易于得到保障缺點(diǎn)：對(duì)于規(guī)典范圍較大被控參數(shù)較多的對(duì)象來(lái)說(shuō)，較多的掌握回路需要相應(yīng)設(shè)置較多的硬件。分散掌握，難于實(shí)現(xiàn)總體優(yōu)化的掌握方案。60年月化工過(guò)程向著大型化、連續(xù)化進(jìn)展要求檢測(cè)、掌握的生產(chǎn)操作參數(shù)數(shù)量很多，并需要更優(yōu)良的掌握質(zhì)量計(jì)算機(jī)應(yīng)用快速的滲入各個(gè)領(lǐng)域，過(guò)程掌握也開(kāi)頭了應(yīng)用計(jì)算機(jī)的嘗試優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算機(jī)用于化工過(guò)程掌握，可以把各個(gè)掌握回路的運(yùn)算、掌握、顯示都集中于計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)這種集中掌握可以大大的節(jié)省硬件本錢(qián)，便于同時(shí)分析各個(gè)掌握回路的信息，為實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的優(yōu)化掌握供給了條件缺點(diǎn)：一旦發(fā)生計(jì)算機(jī)故障則將消失全掌握系統(tǒng)癱瘓的危急70年月--DistributedControlSystem隨著化工裝置規(guī)模的增大，被控對(duì)象參數(shù)，掌握回路的增多，為了滿足對(duì)工業(yè)掌握計(jì)算機(jī)應(yīng)具備高度牢靠性和敏捷性的要求把計(jì)算機(jī)技術(shù)、掌握技術(shù)、通訊技術(shù)、圖像顯示技術(shù)等集成為一體化的計(jì)算機(jī)掌握系統(tǒng)集散系統(tǒng)吸取了分散系統(tǒng)和集中系統(tǒng)兩者的優(yōu)點(diǎn)集散系統(tǒng)〔DCS〕的優(yōu)點(diǎn)集：治理、操作、CRT三方面的集中散：功能分散、負(fù)荷分散和危急分散抑制了分散系統(tǒng)難于實(shí)現(xiàn)全局系統(tǒng)掌握的缺點(diǎn)抑制了集中系統(tǒng)的危急集中DCS的產(chǎn)品美國(guó)Honeywell公司的TDC-3000Foxboro公司的SPECTRUMFisher公司的PROVOXBailey公司的NETWORK90Taylor公司的MOD-300日本橫河公司的CENTUMDCS的進(jìn)展前景向擴(kuò)大應(yīng)用掩蓋面方向進(jìn)展向管控一體化方向進(jìn)展產(chǎn)品向開(kāi)放化和標(biāo)準(zhǔn)化方向進(jìn)展向現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)進(jìn)展1.3化工過(guò)程的分析與合成60年月初，在化學(xué)工程、系統(tǒng)工程、運(yùn)籌學(xué)、數(shù)值計(jì)算方法、過(guò)程掌握論等學(xué)科邊緣，產(chǎn)生了過(guò)程系統(tǒng)工程，也稱化工過(guò)程系統(tǒng)工程任務(wù):以系統(tǒng)工程的思想、方法，解決化工過(guò)程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、操作、掌握等問(wèn)題，──系統(tǒng)工程的分析與合成實(shí)施化工過(guò)程分析、合成的手段是運(yùn)算描述過(guò)程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，這種模型的運(yùn)算稱作化工過(guò)程系統(tǒng)模擬分析分析是在思想中把事物分解為各個(gè)屬性，局部，方面合成綜合是在思想中把事物的各個(gè)屬性，局部，方面結(jié)合起來(lái)兩者彼此相反而又相互聯(lián)系分析與綜合貫穿于思維的整個(gè)過(guò)程只有對(duì)事物內(nèi)部沖突的各個(gè)方面進(jìn)展具體分析，再綜合起來(lái)把握其沖突的總體，才能真正深入到事物的本質(zhì)，把握事物進(jìn)展的規(guī)律1.3.1化工過(guò)程系統(tǒng)的分析主要是分析過(guò)程系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制、影響因素、過(guò)程模型的數(shù)學(xué)描述、目標(biāo)函數(shù)的建立、優(yōu)待工況下的最正確操作參數(shù)目標(biāo)是使決擇方案，技術(shù)上先進(jìn)、可行，經(jīng)濟(jì)上優(yōu)越、合理對(duì)于操作工況的分析也就是通常說(shuō)的生產(chǎn)操作調(diào)優(yōu)1.3.2化工過(guò)程系統(tǒng)的合成包括：反響路徑合成；換熱網(wǎng)絡(luò)合成；分別序列合成；過(guò)程掌握系統(tǒng)合成；解決由各個(gè)單元過(guò)程合成總體過(guò)程系統(tǒng)的任務(wù)由于化工過(guò)程系統(tǒng)的簡(jiǎn)單性，這類優(yōu)化問(wèn)題常是具有非線性、奇異、有約束、多極值等現(xiàn)象，近年來(lái)消失的模擬退火法和進(jìn)化算法1.4化工過(guò)程模擬系統(tǒng)本世紀(jì)初期，由試驗(yàn)室到中間廠逐級(jí)放大的閱歷方法30年月，以相像論為根底得出準(zhǔn)數(shù)方程的方法。建立數(shù)學(xué)模型的模擬放大法50年月后期，數(shù)學(xué)模擬。根本上解決了大局部單元過(guò)程的開(kāi)發(fā)放大問(wèn)題化工流程穩(wěn)態(tài)模擬系統(tǒng)特點(diǎn)：模型中不包括時(shí)間參數(shù)，即把過(guò)程中的各種因素都看成是不隨時(shí)間而變化的在大規(guī)模連續(xù)化的工藝流程中，穩(wěn)態(tài)是不存在的穩(wěn)態(tài)模擬是對(duì)動(dòng)態(tài)過(guò)程到達(dá)平穩(wěn)狀態(tài)的一種簡(jiǎn)化處理，這種處理是很必要的穩(wěn)態(tài)模擬系統(tǒng)的進(jìn)展第一代〔50--60年月〕美國(guó)Kellogg公司的FLEXIBLEFLOWSHEET，美國(guó)Houston大學(xué)開(kāi)發(fā)的CHESS〔ChemicalEngineeringSimulationSystem〕其次代〔70年月〕美國(guó)Monsanto公司開(kāi)發(fā)的FLOWTRAN美國(guó)Braun公司開(kāi)發(fā)的PF10〔ProcessFlow〕日本千代田工程公司開(kāi)發(fā)的CAPES〔ComputerAidedProcessEngineeringSystem〕第三代〔1981〕ASPEN(AdvancedSystemofProcessEngineering)化工流程動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)很多的動(dòng)態(tài)過(guò)程不允許簡(jiǎn)化處理為穩(wěn)態(tài)過(guò)程間歇過(guò)程：裝料、開(kāi)車、反響、停車、卸料連續(xù)過(guò)程：開(kāi)車、停車、事故處理動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)的進(jìn)展第一代〔70年月〕1969年加拿大McMaster大學(xué)開(kāi)發(fā)的DYNSYS美國(guó)杜邦公司開(kāi)發(fā)的DYFLO美國(guó)Michigan大學(xué)開(kāi)發(fā)了DYSCO日本千代田化工建設(shè)公司開(kāi)發(fā)了DOPL其次代〔70--80年月〕美國(guó)的魯姆斯公司將動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)用于進(jìn)展系統(tǒng)可行性分析、先進(jìn)掌握系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)日本的一些大型化工建設(shè)工程公司將動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)用于進(jìn)展新建大型化工廠工藝及掌握系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第三代〔1981〕由動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)衍生出用于培訓(xùn)工人的模擬培訓(xùn)器〔SimulationControlCo.,AutodynamicsCo.,AtlanticSimulationInc〕1.5化工企業(yè)CIPS技術(shù)化工過(guò)程分析與合成的任務(wù)是以高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗為目標(biāo)，尋求工藝生產(chǎn)中的設(shè)備、流程的合理配置方案以及最優(yōu)生產(chǎn)工況的操作在生產(chǎn)實(shí)踐中人們生疏到，尋求化工過(guò)程優(yōu)待工況依據(jù)不僅來(lái)自工藝過(guò)程本身，而必需遵循的根本性依據(jù)是企業(yè)的經(jīng)營(yíng)決策為實(shí)現(xiàn)企業(yè)最正確經(jīng)營(yíng)、生產(chǎn)決策的手段是當(dāng)代的CIMS技術(shù)Computer

Integrated

Manufacturing

System1974年美國(guó)JosephHarrington博士在《ComputerIntegratedManufacturing》一書(shū)中首次提出通過(guò)計(jì)算機(jī)硬、軟件綜合運(yùn)用現(xiàn)代治理技術(shù)、制造技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)，將企業(yè)生產(chǎn)中有關(guān)的人、技術(shù)、經(jīng)營(yíng)治理三要素及其信息流、物質(zhì)流有機(jī)集成為實(shí)施優(yōu)化運(yùn)作的大系統(tǒng)ComputerIntegratedProcessSystem化工、石化企業(yè),特殊是一些特種化學(xué)品、精細(xì)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)企業(yè)，要求新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期短、上市快;并要求生產(chǎn)工藝裝備是具有適應(yīng)多種產(chǎn)品的柔性系統(tǒng)以CIPS的概念和方法組織過(guò)程生產(chǎn)企業(yè)的運(yùn)作環(huán)節(jié)，包括生產(chǎn)掌握、調(diào)度、治理、經(jīng)營(yíng)決策、市場(chǎng)分析、新產(chǎn)品設(shè)計(jì)及爭(zhēng)論開(kāi)發(fā)，直到銷售和售后效勞、用戶意見(jiàn)反響等，形成以市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)、全局優(yōu)化的企業(yè)系統(tǒng)，收到了顯著的經(jīng)濟(jì)效益CIPS的應(yīng)用日本三井石油化學(xué)公司實(shí)施CIPS，估計(jì)庫(kù)存量可削減30%，生產(chǎn)周期可縮短30%，成品油產(chǎn)量可增加10%，治理效率可提高20%當(dāng)前興旺國(guó)家的大型化工、石化公司幾乎都處在對(duì)CIPS的實(shí)施、爭(zhēng)論階段國(guó)內(nèi)的一些企業(yè)聯(lián)合著高校和科學(xué)院所正在樂(lè)觀開(kāi)展CIPS的建設(shè)，如齊魯石化成功煉油廠、滄州大化集團(tuán)、大慶石化總廠等1.6

人工技術(shù)在化工過(guò)程中的應(yīng)用各種化工過(guò)程系統(tǒng)根本上都可用數(shù)學(xué)模型描述。但由于實(shí)際化工過(guò)程的簡(jiǎn)單性，還有很多現(xiàn)象具有離散的、非數(shù)值的、模糊的、不確定的特性，對(duì)這類對(duì)象建立數(shù)學(xué)模型特別困難一般：由技術(shù)專家憑籍他們的專業(yè)技術(shù)和閱歷來(lái)解決。缺點(diǎn)：對(duì)不同的專家，解決方法可能有差異人工智能技術(shù)的引用，為解決這類問(wèn)題辟出了新徑人工智能的進(jìn)展和應(yīng)用基于DataMining技術(shù)，覺(jué)察人所不能覺(jué)察或者無(wú)視的現(xiàn)象Beer&Diaper彈子機(jī)ScienceFiction:終結(jié)者1.6.1人工智能技術(shù)宏觀模擬從人在思維時(shí)的心理活動(dòng)動(dòng)身。分析、爭(zhēng)論人是如何運(yùn)用學(xué)問(wèn)、規(guī)律而解釋問(wèn)題的，從而把握人腦的規(guī)律思維規(guī)律運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬這個(gè)過(guò)程，選出與人的思維過(guò)程相全都的結(jié)果，這就是專家系統(tǒng)微觀模擬是從人腦的生理構(gòu)造動(dòng)身，模擬人腦在思維過(guò)程中的生理活動(dòng)，從而得出和人腦思維過(guò)程相全都的結(jié)果這種模擬包括建立神經(jīng)元〔腦細(xì)胞〕模型，以及它們相互間傳遞信息的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造模型。這就是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ExpertSystem關(guān)鍵組成是學(xué)問(wèn)庫(kù)與推理機(jī)制，適用于求解非數(shù)值的，不確定的或模糊的問(wèn)題70年月中期以前多屬于解釋型和診斷型。70年月后期消失了設(shè)計(jì)型、規(guī)劃型、掌握型等其它類型的專家系統(tǒng)1965年美國(guó)斯坦褔大學(xué)研制出可依據(jù)化合物分子式及其質(zhì)譜數(shù)據(jù)來(lái)推斷分子構(gòu)造的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)DENDRAL1974年開(kāi)發(fā)成功的用于診斷和治療感染性疾病的MYCIN1976年開(kāi)發(fā)成功用于找礦的PROSPECTORES在化工過(guò)程中的應(yīng)用反響路徑的綜合：SYNCHEM換熱網(wǎng)絡(luò)綜合：HEATEX過(guò)程流程綜合：PIP過(guò)程掌握系統(tǒng)綜合：CASEArtificalNeural

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