系統(tǒng)工程第2講過程系統(tǒng)工程

1、Review of last lecture 系統(tǒng): 系統(tǒng)工程 （觀點(diǎn)、方法、角度SAEOC) 過程系統(tǒng)工程: （內(nèi)容、作用及沿革） 過程系統(tǒng)工程的有關(guān)基本術(shù)語 系統(tǒng)/環(huán)境/決策變量/狀態(tài)變量/過程模擬/過程模擬系統(tǒng) 過程系統(tǒng)工程基本任務(wù)與內(nèi)容 基本任務(wù):化工生產(chǎn)各環(huán)節(jié)(規(guī)劃設(shè)計、操作運(yùn)行、控制管 理、采購與銷售)的優(yōu)化（解決技術(shù)經(jīng)濟(jì)決策問題）; 內(nèi)容: ASO 系統(tǒng)分析,過程系統(tǒng)工程：把系統(tǒng)工程的一套研究方法、觀點(diǎn)、思路應(yīng)用到過程系統(tǒng)的模擬、評價、優(yōu)化、合成等問題上，形成了過程系統(tǒng)工程學(xué)。是將化學(xué)工程、應(yīng)用數(shù)學(xué)、將計算機(jī)軟件、過程控制的理論與技術(shù)集成的學(xué)科。,系統(tǒng)綜合（系統(tǒng)合成）是在給定系統(tǒng)

2、的任務(wù)或目標(biāo)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(yù)定的系統(tǒng)功能和目標(biāo)（合成氨）。 系統(tǒng)最優(yōu)化（也稱做運(yùn)籌學(xué)方法）是近幾十年形成的，它主要運(yùn)用數(shù)學(xué)方法研究各種系統(tǒng)的優(yōu)化途徑及方案，為決策者提供科學(xué)決策的依據(jù)。最優(yōu)化方法的主要研究對象:各種有組織系統(tǒng)的管理問題及其生產(chǎn)經(jīng)營活動。最優(yōu)化方法的目的:對所研究的系統(tǒng)，求得一個合理設(shè)計工藝參數(shù)或運(yùn)用人力、物力和財力的最佳方案，發(fā)揮和提高系統(tǒng)的效能及效益，最終達(dá)到系統(tǒng)的最優(yōu)目標(biāo)。 過程系統(tǒng)工程要解決的基本問題：操作問題、設(shè)計型問題、操作優(yōu)化和過程合成（SDOS）-簡稱四個基本問題。,合成氨工藝流程,1.5 化工系統(tǒng)工程解

3、決的基本問題（案例1）,-1.5.1 精餾單元（系統(tǒng)),1.5.1.1 過程單元模擬分析與設(shè)計,定義：在確定過程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其子系統(tǒng)的前提下，通過數(shù)學(xué)模擬的方法，推測特定系統(tǒng)的特性，確定各部位的信息和/或總體技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的方法為過程系統(tǒng)模擬分析。 設(shè)計型？,R，Ntt， D or W,1.5.1.2 過程單元優(yōu)化與綜合,1.4.4 過程系統(tǒng)的優(yōu)化與合成 一類是對確定過程系統(tǒng)的優(yōu)化，通常是求取能使過程系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)極?。ɑ驑O大）最佳決策變量的值，通常稱為過程系統(tǒng)的優(yōu)化； J（總費(fèi)用）=操作費(fèi)用+折舊（設(shè)備？） （一般，簡化的決策變量為R，P） 綜合?,1.5.2 化工系統(tǒng)工程研究的基本問題（案例

4、2）,-乙烯氧化制環(huán)氧乙烷反應(yīng)-吸收系統(tǒng),1.5.2.1 乙烯氧化法制環(huán)氧乙烷工藝流程,1.5.2.2 模擬問題獲取系統(tǒng)的應(yīng)答特性（系統(tǒng)分析）,已知系統(tǒng)的輸入X0、過程參數(shù)u、4個單元特性及系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，求系統(tǒng)的輸出狀態(tài)以及系統(tǒng)中其他所有流股的信息。,1.5.2.3 設(shè)計型問題,已知系統(tǒng)的輸入X0、4個單元特性及系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，求滿足某個設(shè)計規(guī)定(SP=4%)的條件下，系統(tǒng)的輸出、系統(tǒng)中其他所有流股的信息以及設(shè)計規(guī)定相對應(yīng)的過程參數(shù)u。,1.5.2.4 優(yōu)化問題,已知系統(tǒng)的輸入、系統(tǒng)特性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，求優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)極值（比如優(yōu)化的目標(biāo)為目的產(chǎn)物的利潤最大）以及此時的決策變量（如反應(yīng)器的溫度和分

5、割比）的數(shù)值。,1.5.3 合成問題（系統(tǒng)綜合）,已知輸入（用什么原料）、輸出（制什么產(chǎn)品），求為達(dá)到生產(chǎn)目的在某個目標(biāo)函數(shù)下的最佳工藝流程。可以用下圖描述過程合成系統(tǒng)。,Aspen-plus ,Process（Pro-II), Micro-chess, ECSS 過程合成的提出：1968，Rudd（美）,在給定系統(tǒng)的任務(wù)或目標(biāo)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(yù)定的系統(tǒng)功能和目標(biāo)。,過程系統(tǒng)工程的技術(shù)手段和工具是？,1.6 化工系統(tǒng)工程的主要技術(shù)手段與工具,主要內(nèi)容:系統(tǒng)分析的任務(wù)在于描述或預(yù)測系統(tǒng)的特性;系統(tǒng)綜合是指確定化工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的過程;而系統(tǒng)優(yōu)化

6、是為了以最佳的方式實現(xiàn)系統(tǒng)的目標(biāo)或功能，是全部工作的最終目的。（化工系統(tǒng)工程的核心是最優(yōu)化） 如何實現(xiàn)?(手工計算?計算尺?計算器? Or.) 1.6.1化工流程模擬系統(tǒng)（或流程模擬系統(tǒng)）-軟件 化工過程模擬程序系統(tǒng)常簡稱為流程模擬軟件(chemical engineering simulation system )，它是一種綜合性計算機(jī)程序系統(tǒng)，用于單元過程以及由這些單元過程所組成的整個化工過程系統(tǒng)的模擬計算。 合成流程 工藝參數(shù)優(yōu)化 脫除瓶頸 研究某些設(shè)計問題或操作模擬分析 進(jìn)行參數(shù)靈敏度分析,PSE的主要任務(wù)？,？,1.6.2 歷史沿革、現(xiàn)狀與前景 1958年,Flexible Flow

7、sheeting（Kellogg,合成氨，第一個化工模擬程序） 60年代，化工過程模擬的初始發(fā)展期。PACER（Purdue university) CHESSMicro-CHESS (Houstn university)待 （第一代） 70年代，化工過程模擬的成長壯大期。模擬軟件的開發(fā)，研制走向?qū)I(yè)化，商業(yè)化。從過去的分散在大學(xué)和各個煉油、石化公向轉(zhuǎn)向由專門的化工軟件公司進(jìn)行。模擬計算的準(zhǔn)確性、可靠性大大加強(qiáng)，應(yīng)用范圍不斷拓寬，功能愈益豐富，使用越來越方便，并且涌現(xiàn)了一批著名的、影響廣泛的商業(yè)化軟件。如：Monsanto的Flowtran（第二代） 80年代開始，化工模擬的深入發(fā)展期。是化工

8、模擬的深入發(fā)展期；最主要的特點(diǎn)是從“離線”走向“在線”，從穩(wěn)態(tài)模擬發(fā)展到動態(tài)模擬和實時優(yōu)化，從單純的穩(wěn)態(tài)計算發(fā)展到和工業(yè)裝置緊密相連。國外不少公司已將著名的軟件等定為企業(yè)標(biāo)淮。如美國的Aspen PLUS, 加拿大HYSIM,PROCESS PRO （第三代） 80年代末，AspenTech公司率先推出了動態(tài)模擬軟件Speed Up。,壟斷局面正在形成1990年以來，以Aspen Tech公司為代表，形成了以Aspen Technology Inc., Simulation Science Inc., Hyprotech Inc.（新近被Aspen收購）, Honeywell Inc.等幾大公

9、司控制全球化工過程模擬軟件市場的局面。 產(chǎn)品系列化和系統(tǒng)集成技術(shù)迅速發(fā)展產(chǎn)品系列化。以Aspen Tech公司為例，該公司共有43項產(chǎn)品，其中用于設(shè)計的17項，用于操作的16項，用于管理的有19項(有重疊)。 通用性和專門化的流程模擬、先進(jìn)控制和過程優(yōu)化軟件,1.6.3 流程模擬軟件的分類 操作狀態(tài)： 穩(wěn)態(tài)模擬系統(tǒng) 動態(tài)模擬系統(tǒng) 適應(yīng)性： 通用模擬系統(tǒng)：模擬不同類型的工廠和過程 專用模擬系統(tǒng)：專門的過程系統(tǒng) 程序結(jié)構(gòu)： 固定結(jié)構(gòu)：“千篇一律”，用戶提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，給定計算次序 靈活結(jié)構(gòu)：根據(jù)需要載入實際需要的模塊，或自動生成 其他分類方法：見教材p6-7,1.6.4 流程模擬軟件的組成 輸入輸出

10、模塊 單元模塊 物性數(shù)據(jù)庫 算法子程序塊 單元設(shè)備估算模塊 成本估算 經(jīng)濟(jì)評價模塊 主控模塊 其他 （用戶自編）,過程系統(tǒng)模擬的基本結(jié)構(gòu),1.6.6 幾種主要商業(yè)化流程模擬軟件 Aspen Plus，Hysys：美國AspenTech公司 PRO/II：美國SimSci-Esscor公司 gPROMS：英國PSE公司 ChemCAD：美國Chemstations公司 ECSS：青島科技大學(xué) （國內(nèi)）,Aspen Plus 大型通用流程模擬系統(tǒng): MIT,第三代流程模擬軟件。該項目稱為“過程工程的先進(jìn)系統(tǒng)”（Advanced System for Process Engineering，簡稱AS

11、PEN），并于1981年底完成。1982年為了將其商品化，成立了AspenTech公司，并稱之為Aspen Plus。該軟件經(jīng)過20多年來不斷地改進(jìn)、擴(kuò)充和提高，已先后推出了十多個版本，成為舉世公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)大型流程模擬軟件，應(yīng)用案例數(shù)以百萬計。,PRO/II 大型通用流程模擬系統(tǒng):前身PROCESS (SIMSCI) 。適用于油氣加工、煉油、化工、化學(xué)、工程和建筑、聚合物、精細(xì)化工、制藥等行業(yè)，主要用來模擬設(shè)計新工藝、評估改變的裝置配置、改進(jìn)現(xiàn)有裝置、依據(jù)環(huán)境規(guī)則進(jìn)行評估和證明、消除裝置工藝瓶頸、優(yōu)化和改進(jìn)裝置產(chǎn)量和效益等。,ECSS ECSS化工之星。青島科技大學(xué)，國家科技進(jìn)步二等獎。屬信息技

12、術(shù)在過程工業(yè)應(yīng)用的高新技術(shù)成果。可廣泛用于過程研究開發(fā)、過程設(shè)計、裝置而模擬與優(yōu)化、過程去瓶頸分析和裝置擴(kuò)產(chǎn)節(jié)能挖潛改造等，是利用信息技術(shù)改造傳統(tǒng)過程工業(yè)的基本工具和手段。該系統(tǒng)具有強(qiáng)大的過程模擬、分析、優(yōu)化、設(shè)備設(shè)計和環(huán)境瓶頸等功能。,1.7 過程系統(tǒng)工程的應(yīng)用領(lǐng)域,過程開發(fā)初期：可行性研究、概念設(shè)計 新廠設(shè)計：系統(tǒng)模擬、優(yōu)化，多快好省 老廠改造：操作尋優(yōu)、提高效益 管理決策：更加科學(xué)、全面（優(yōu)化排產(chǎn)） 培訓(xùn)與教學(xué)：（在線”的生產(chǎn)培訓(xùn)、事故處理、開停車等不宜在實際裝置上進(jìn)行的培訓(xùn)工作；計算機(jī)輔助過程系統(tǒng)教育軟件CAI可用于學(xué)校教學(xué)的輔助工具。） （誰來完成？）,1.8 系統(tǒng)優(yōu)化的靈敏度分析 靈敏度：響應(yīng)的變化除以對應(yīng)的激勵變化稱為靈敏度 靈敏度分析的必要性 因模型本身的誤差和操作條件波動的原因，“最優(yōu)”目標(biāo)會發(fā)生變化 “最優(yōu)” 不優(yōu) “設(shè)計裕量” （依據(jù)？） 案例： 操作彈性問題、邊界利潤、載重問題 化工過程系統(tǒng)靈敏度分析（目標(biāo)函數(shù)O，影響因素Ei，i=1.n） 靈敏度系數(shù):Si=O/ Ei 結(jié)論： 靈敏度分析可以確定模型的可靠性、可操作性、安全系數(shù)； 其他條件相同的情況下，靈敏度較低的系統(tǒng)為優(yōu)選,過程系統(tǒng)工程的發(fā)展趨勢,過程系統(tǒng)工程的發(fā)展趨勢化學(xué)供應(yīng)鏈,分子模擬,乙烯的軌道圖像,流程模擬,本章小結(jié) 系統(tǒng)、系統(tǒng)工程、過程系統(tǒng)工程 。（內(nèi)