化工系统工程第一章概论1.

化工系统工程－化工过程分析与优化南京工业大学化学化工学院吕效平第一章概论第一节系统工程的基本概念1.1.1系统工程系统工程是一门处于发展中的技术科学。系统工程的概念源于实践。在小规模生产的条件下,系统的概念并不重要；而现代化的大生产是一种大规模的社会活动，所设计的内容和规模,科研和设计,组织和管理等问题，以及所要达到的目标都发生了根本的变化。因此，对整个系统进行综合的、定量的研究就成为人们面临的新课题。•系统工程的研究始于1930年代,最初应用于电工系统，美国雷德无线电公司提出电视广播的“系统”及“系统规模”的思想。•40年代，Bell电话公司在研究微波通信网络的传输效率时提出“系统工程”的概念。第二次世界大战期间,系统工程（运筹学）的方法在盟军解决防空火力网的配置、军运与后勤供给等军事问题中得到了实际的应用。•1950年代前后,系统工程方法开始引起工业化国家的重视。54年美国MIT首先开设“系统工程”课程，57年美国出版第一本“系统工程”专著。•60年代后,系统工程的方法开始推广一直到工业,农业,交通运输,规划,宇航技术等各个领域,用来解决:技术,经济发展的预测;系统的最优设计和最优控制;系统的组织和管理等一系列问题。•系统工程开始发展成为一门科学技术是近40年的事。第二次世界大战期间，由于军事上的需要，产生了运筹学，美国与前苏联发展了系统工程。此后，随着生产的发展，各种类型的部门都在不同程度上感到整体观念的重要性。无论是新武器系统的研制，资源的开发利用，工业、农业和交通运输的发展都必须把其组成部门看成是一个彼此有机联系在一起的系统。从整个系统的角度，周密考虑系统内各个组成部门相互间的制约关系，才能使整个系统有效的，协调的工作。于20世纪50年代形成独立学科。•70年代学者华罗庚在我国推广运筹学，78年钱学森在文汇报发表中国第一篇系统工程文章，标志我国系统工程研究进入新阶段。系统工程学：以系统（大系统）为研究对象的一门跨学科的边缘科学。系统工程：从全局的观点出发，用定性与定量相结合的方法，从技术、经济、社会的角度，对一个大系统作全面的模拟、分析、评价、优化、控制和管理。重点：在于研究解决系统问题的方法，而非讨论构成系统的单元的基本原理、规律和特性。这也是与其它基础科学的区别。•系统工程学学科根据总体协调的需要，将自然科学和社会科学中的某些思想、理论、方法、策略和手段从横向、有效地组织起来应用于人类实践中，是应用现代数学和电子计算机等工具对系统的构成要素、组织结构、信息交换和自动控制等功能进行分析研究，以达到最优设计、最优控制和最优管理的目标。•系统工程是一种工程学的方法论。它是方法论对于复杂系统的研究应用。系统工程不同于基础学科，它属于方法学。其重点在于研究系统问题的方法上，而不在探讨基本原理上。系统工程的主要研究方法是模型方法，用数学模型，即数学方程来描述过程的特性。通过模型方程在不同条件下求解，研究单元设备的结构参数和操作参数与整体特点之间的关系。通过过程的整体优化，确定各个单元参数的最优数值，使过程的整体性能达到最优。•系统工程学是以系统(特别是大系统)作为对象的一门跨学科的边缘学科。它是根据总体协调的需要，把自然科学和社会科学中的某些思想、理论、策略、方法和手段等从横向方面有效的组织起来应用于人类实践中，是应用现代数学和电子计算机等工具对系统的构成要素、组织结构、信息交换和自动控制等功能进行分析研究，而达到最优设计，最优控制和最优管理的目标，是为更加合理的研制和运用系统而采取的各种组织管理技术的总称。归根结底它是一种工程学的方法论。1.1.2过程系统工程－化工系统工程•过程系统工程亦称化工系统工程或化工过程系统工程。它是随着系统工程的发展而形成的，是系统工程的方法在化工过程中的应用。过程系统涉及化工、石油化工、冶金、材料、核能、生化、食品、轻工、医药、环保等生产过程。与机械加工等不连续系统不同。化工系统工程就是用系统整体观点和系统工程方法来研究化工过程的开发、设计、最优操作和最优控制。与机械加工等不连续系统不同。•化工过程系统工程是将系统工程的思想、研究方法用于过程系统的模拟、分析、评价、优化、合成（综合）和控制中，形成过程系统工程学——化工系统工程学，涉及化学工程、系统工程、应用数学、管理科学、过程控制论等学科的边缘科学,是化学工程的一个分支。•基本内容——从系统的整体目标出发，根据系统内部各个组成部分的特性及其相互关系，确定化工系统在规划、设计、控制和管理等方面的最优策略。借助的数学工具是运筹学和现代控制论的一些方法，依靠的技术手段是电子计算机。•对象——过程系统工程是在系统工程、化学工程、过程控制、计算数学信息技术等学科的边缘上产生的一门综合性学科。其研究对象是化工生产过程中的某个系统（物料－能量－信息流），谋求的目标是该系统的整体优化，即合理确定和控制系统各个组成部分输入、输出状态，使得反映系统效益的某种定量函数达到最大值或最小值。这种体现系统整体目标的函数称为目标函数。如进行某个化工装置的最优设计时，通常选用投资费用和操作费用作为目标函数，以寻求总费用最小的设计方案。化工系统工程是一门发展中的学科，到目前为止，人们对这门学科的理解和定义亦不完全相同。•特性——化工系统同所有的系统一样，具有嵌套性的特点,即一个系统总是另一个更大系统的一部分,为该大系统的子系统；同时它又可能是由更小的子系统所构成。一般把单元操作和反应过程作为化工系统的基本元素，系统可看成是一系列基本元素按一定联结方式组成的网络。因此，可将化工系统的特性归结为基本元素特性和系统结构上特性两个部分。1.1.3化工系统的共同的特征1.一个化工企业是由企业组织管理系统,生产系统(包括了物流、能量、信息等子系统)，公用工程以及生产辅助,服务系统等组成的一个网络系统。系统的规模庞大,子系统多，各子系统之间的相互关系复杂，而且多数是非线性的。2.各子系统按一定的目标有机的构成了一个整体，共同完成规定的任务。在一个化工企业中，除了企业内部各个部门之间构成一个层次分明、统筹分工、相互联系的完整系统外，它还与企业外部的许多因素，如主管部门的政治、经济政策、资源的状况、供求关系等密切相关，构成一个根据外部环境条件的变化不断调整其内部特性的反馈系统。该系统并非固定不变，而是保持某种动态平衡，同时还包含不确定因素和竞争因素，所以系统的输入在时间、空间或数值上都呈现随机性。3.由于技术的发展，环境条件的变化，系统的最优化模型并不是完美无缺和固定不变的，在某些情况下，必然会出现新的系统与原有的系统之间的竞争，或者一些长期运转的系统也必然存在规模增减或改进的可能性，因此在进行系统最优设计和最优控制要考虑到这种应变的灵活性。4.化工系统的最优设计和最优控制以及最优管理要综合运用多种学科，多种专业的知识，要由多种专业人员协同工作。1.1.4化工系统工程与化学工程的关系与区别1.传统的化学工程立足于“三传一反”，孤立地研究各单元操作和设备特性；化工系统工程进行整体研究各子系统相互影响及整个系统的组合特性。即，传统化学工程研究的是单元过程的特性，研究设备结构参数和操作参数对单元操作的影响。化工系统工程研究的是化工过程整体的特性，是关于设备结构参数和操作参数对化工过程整体影响的定量研究。2.传统的化学工程主要研究定态过程特性；化工系统工程研究定态与动态特性。3.传统的化学工程定性讨论最优化问题；化工系统工程作最优化定量计算，研究灵敏度分析及可靠性与稳定性问题。4.传统的化学工程以相似论与物理模拟相结合；化工系统工程以数学模拟与物理模拟相结合，对化工系统进行最优化设计与决定最优控制方案。5.传统的化学工程的数学工具为经典数学方法；化工系统工程采用更多、更新、更深的数学知识。•现代化学工业在19世纪末形成，1870年德国建成带回收化学品（芳烃）的焦炉；20世纪石油化工兴起，出现多种管式炉和裂解气分离流程、多种合成橡胶、塑料及合成纤维，开发出多种生产有机产品新工艺，生产规模扩大，自动化程度提高，传统的单元操作、化工设计、控制及管理方法已无法满足要求。1968年出版的“StrategyofProcessEngineering”标志了过程系统工程学科初步形成。20世纪60年代化学工业原料路线由煤炭向石油、天然气的加速转变，及70年代后石油价格的大幅提高给过程系统工程提供了挑战与机遇，即要求在装置大型化、综合化、合理化的基础上降低原料消耗、成本及灵活控制。经多年的努力，理论研究及工业应用成果层出不穷，过程模拟技术也实现了商品化。1.1.5化工（过程）系统工程的发展•（化工）过程系统工程这门年轻的学科从上世纪60年代开始酝酿，至今已经历了3个时期。–1968年一1979年初创时期–1979年一2000年成长时期–2000年至今的扩展时期•过程系统工程在我国的研究和应用是从1973年开始起步。•1982年在日本京都召开第一届国际过程系统工程学术会议－PSE’82，标志着过程系统工程已成为国际公认的独立学科。自82年及88年开始每3年举行一次的PSE及AspenWorld(Aspen用户会议)均有数百篇论文发表，也反映了该学科的发展。可以认为过程系统工程已基本成熟，形成一门独立的学科。（杨友麒、成思危，现代过程系统工程，化学工业出版社，2003）•过程系统工程学科虽有50余年的历史，但仍无一致的定义。这是由于它是边缘学科，与系统工程、化学工程、过程控制、计算数学、信息技术、计算机技术与管理科学难以划分出明确的界限；另外也由于过程综合、人工智能、失效分析、计算机集成制造系统（CIMS）、柔性制造系统、企业资源计划、供应链管理等新内容不断出现，使过程系统工程学科仍在不断发展。•过程系统工程由工程技术（硬技术）、管理技术（软技术）组成。•过程系统工程是继20世纪20年代单元操作技术和60年代传递现象理论后，化学工程学的第三次重大发展。•过程系统工程是过程工业信息化的理论基础，作为一门学科对化学工业的两化融合发展处于十分关键的地位。•党的十六大就提出以信息化带动工业化、以工业化促进信息化，带动了过程系统工程与化学工业的“两化融合”发展。•本课着重介绍工程技术方面。即以处理化工过程中的物料－能量－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、计划、协调、设计、控制和管理，达到在总体上技术与经济上的最优化，并符合可持续发展的要求。•基本学习内容化工过程分析与综合是过程系统工程学科的核心内容，包括：–化工过程分析与模拟(稳态、动态)–化工过程优化–化工流程综合1.1.3本课程学习内容第二节化工系统工程问题的提出•1.2.1石油、化学工业的变化•传统的化学工程方法以单元操作概念为基础，化工装置的设计仅限于各个单元过程和设备计算，并不涉及如何把单元过程和设备组成一个完整系统的有关工程问题。随着技术的发展，石油、化学工业发生了深刻的变化：1.现代化的石油、化学工业实现综合生产与联合企业的生产方式；（大系统分析）2.现代化的石油化工装置日趋大型化；（最优设计、控制与管理）3.生产过程实现了连续化、自动化生产；（计算机多变量时变系统控制）4.原料、流程、产品变化快；（产品开发，过程放大）5.电子计算机普及、现代应用数学及现代控制论在化学工程的应用。（解决复杂设计计算与控制）1.2.2社会需求•社会生产和其他方面的需要,对于系统工程的兴起起了很大的促进作用。此外,近年来应用数学,现代控制论等学科的重大成果极大的充实了系统工程的理论基础。电子计算机的飞跃发展尤为系统工程提供了强有力的技术手段。所有这些技术上的进步，使它在近二三十年内得以蓬勃发展。当系统工程的方法用于各个部门时，就很自然的逐步形成了具有各自特点的系统工程。鉴于前述原因，为满足化学工业亟需技术创新的要求，促使人们在化工企业的组织管理，生产过程的开发研究，设计中采用的新的概念，即系统工程的思想和方法来解决企业组织管理、生产装置的最优设计和最优控制的问题。第三节化工系统工程的基本问题•1.3.1.化工技术发展的预测和决策•1.3.2.化工系统