化工过程分析与合成第六章

化工过程系统工程目录第一章绪论第二章化工过程系统稳态模拟与分析第三章化工过程系统动态模拟与分析第四章化工过程系统的优化第五章换热网络的合成第六章分离塔序列的综合第七章化工生产过程操作工况调优第八章间歇化工过程主要参考书马德贤等主编,化工过程的分析与合成,化工出版社,2003姚平经编著,化工系统工程,大连理工出版社，1992清华大学编著,化工系统工程,1985高维平等著,换热网络优化节能技术,石化出版社,2004姚平经编著,过程系统分析与综合,大连理工出版社，2004第一章绪论1.系统的定义系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成的具有特定功能的有机整体。这个系统可以由许多小的子系统组成，而它本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分。2.系统工程学系统工程学是以系统（特别是大系统）为对象的一门跨学科的边缘科学，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、策略和手段等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，而达到最优设计、最优控制和最优管理的目标，是为更加合理地研制和运用系统而采取的各种组织管理技术的总称。2.1系统工程的形成与发展40年代以后，运筹学进入管理领域，50年代后期，电子计算机投入使用，运筹学扩大了计算机的应用范围，为系统分析提供了方法，从而产生了“系统工程”的概念。1957年H.Goode和R.E.Machol出版了第一本以“系统工程”命名的书，但当时由于受到计算手段和方法的限制，没有能被人们所普遍接受。系统工程学在1960年左右开始形成了体系，也可以说它是20世纪后半叶产生的新学科。2.2基本内容从系统整体的观念出发，周密考虑系统内各个组成部分相互间的制约关系，讨论系统整体的最优策略。2.3主要理论基础运筹学、系统理论及现代控制论。2.4主要技术手段现代数学、电子计算机。3.化学工程学以化学、物理和数学原理为基础，研究物料在工业规模条件下，所发生物理或化学状态变化的工业过程及这类过程所用装置的设计和操作的一门技术科学。过程:哲学意义是客观事物从一个状态到另一个状态的转移。过程工艺：在工艺生产上，对物料流进行物理或化学的加工工艺。4.化工系统工程将系统工程学的理论和方法应用于化工过程领域的一门新兴的边缘学科，是化学工程学的一个分支。是化学工程、系统工程、运筹学、数值计算方法、过程控制论等的边缘学科。4.1化工过程系统工程的产生和发展20世纪20~30年代：建立在“单元操作”的概念基础上，研究的是化工参数间简单的定量关系。50年代，单元操作的理论有了发展，用可靠的数学形式加以表达；60年代，由于计算机的迅速发展，在化工中也开始应用计算机，但主要还是用于单元操作的计算，在系统分析方面的工作还是十分有限的—产生和发展的理论准备时期。70时年代，计算机的进一步发展，可以把几十个单元放在一起考虑，走上实用的时期，研制出有效的工业用化工流程通用模拟系统，对过程生产实现计算机控制。80年代—普及推广。90年代—完善、提高。4.2化工过程系统工程的基本内容：从化工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。4.3任务：把系统工程的思想、方法用于解决化工过程系统的设计、开发、操作、控制等问题。在一定的限制条件下，根据输入及输出要求，寻求整体性能最优的过程系统。一个简单的化工系统---常减压流程E1234567891011121T101P301H101E223456789101112131415161718192021221T1021234CQT11234CQT21234CQT3H201E3F1123456789101112131415T1P1S2CRUDSTMS5A11WD-T101A2A3A4A5T3T1T2V1V2V3STM1C0C1C2C3W1C5CC1STM2CC2STM3CC3JFEEDS4S3S1J0JZJ1J2J3J4JT1JT2JT3JWDS6一个带控制点的工艺流程图T-204E-213JHV-2055.化工过程化工过程是以天然物料为原料，经过物理或化学加工制成产品的过程。包括：原料制备、化学反应、产品分离等过程。5.1化学反应过程5.1.1催化反应过程5.1.2热裂解反应过程5.1.3电解质溶液离子反应过程5.1.4生物化学反应过程5.2换热过程5.3分离过程化工过程生产操作工况的调节：对物料流温度、压力、流量、液位、组成等操作参数的调节。6.1分散控制简单回路控制：基地式仪表，单输入、单输出，控制目标是保持生产工况平稳。单元组合式控制仪表：串级、前馈补偿控制系统分散控制的特点：各个控制回路都是相互独立的优点：系统可靠缺点：硬件设计较多；难于实现总体优化控制方案。6化工过程生产操作控制6.2集中控制计算机用于化工过程控制，可以把各个控制回路的运算、控制、显示都集中于计算机来实现。优点：节省硬件成本，便于同时分析各个控制回路的信息，为实现全系统的优化控制提供了条件。缺点：一旦发生计算机故障则将出现全控制系统瘫痪。6.3集散系统(DCS)分布式控制系统(DistributedControlSystem)：把计算机技术、控制技术、通讯技术、图像显示技术等集成为一体化的计算机控制系统。集：管理、操作、控制(CRT)的集中散：功能分散、负荷分散、危险分散。发展前景：向扩大应用覆盖面；管控一体化；开放化和标准化；现场在线技术方向发展。先进的控制规律：自适应控制、预估值控制、模糊控制、智能控制。7化工过程的分析与合成7.1什么是过程系统分析对于系统结构及其中子系统均已给定的现有系统进行分析，即建立各子系统的数学模型，按照给定的系统结构进行整个系统的数学模拟，预测在不同条件下系统的特性和行为，借以发现其薄弱环节并加以改进。主要是分析过程系统的运行机制、影响因素、过程模型的数学描述、目标函数的建立、优惠工况下的最佳操作参数。分析的目的：使所选方案在技术上先进、可行，在经济上优越、合理。7.1什么是过程系统合成(综合)按照规定的系统特性，寻求所需的系统结构及其各子系统的性能，并使系统按规定的目标进行最优组合。寻优方法：模拟退火法、进化算法、遗传算法等。7.3过程系统合成研究的主要课题(1)反应路径的合成在给定的原料和规定的产品之间的反应步骤称作反就路径，优选反应路径是反应路径合成的任务。(2)换热器网络的合成确定出具有最小的设备投资费和操作费，并满足把每一过程物流由初始温度达到指定温度的换热网络。(3)分离序列的合成给定一进料流股，已知它的状态，系统化的设计出能从进料中分离出所要求产品的过程，并使费用最小。应用分离序列合成完成的实际项目吉化炼油厂气分装置获吉林省科技进步二等奖经济效益2320万元/年吉林石化公司年加工5万吨有机硅混合单体分离装置获吉林省科技进步一等奖换热网络合成吉化炼油厂第一常减压换热网络装置获吉林省科技进步三等奖经济效益736万元/年吉化炼油厂第二常减压换热网络装置获中国石油天然气集团公司科技进步三等奖经济效益788万元/年(4)反应器网络的合成为制造所要求的产品，对于给定的化学反应路径以及主、副反应的速率数据，确定一个反应器的最优结构和操作条件，以使在给定的产率下总生产成本最小。(5)全流程的合成寻求把给定原料转变成所要求产品的最经济、合理的流程结构。(6)公用工程系统的合成满足公用工程要求的前提下确定系统的流程结构和操作条件，使系统总费用最小。(7)过程系统能量集成采用更节能的操作单元，从全过程系统的能量供求关系上分析，把反应、分离、换热和公用工程一同考虑，综合利用能量。8化工过程模拟系统20世纪初，采用由实验室到中间厂逐级放大的经验方法。30年代，以相似论为基础的准数方程法。50年代后期，数学模拟方法。50年代末期，工艺流程模拟。Kellogg公司1958年开发了FLEXIBLEFLOW－SHEET模拟系统，物料衡算、能量衡算及开发设计的多方案评比。在计算机上模拟化工过程工艺流程的软件，称为化工流程模拟系统。8.1几个基本概念8.1.1系统的模拟：如果一个生产系统A是比较复杂的系统，而不能预知其效果如何，则可以找另外一个比较简单的系统B，其操作特性与系统A的相同，但是比A容易进行试验或解算，因而，为了预知系统A的效果，就可以用试验系统B的性能来代替A。也就是说，利用一个更为方便、经济而性能相似的系统B来模仿A系统的性能—仿真。B是A的模型。如果系统B与系统A不仅性能相似，而且物理化学过程本质也一样，只不过规模尺寸大小不同，则这种模拟称为“物理模拟”（又称相似模拟）。8.1.2过程系统数学模拟：是指建立过程系统的数学模型或描述模型并在计算机上加以体现和试验。8.1.3数学模型：指借助有关概念、变量、逻辑关系、数学表达式、图形和表格等对系统的一般描述，它是用各种数学符号、数值来描述工程、管理、技术经济等有关因素及它们之间的数量关系，它是一种用数学来表达的算式。8.2数学模型的建立明确模型的目的和要求—问题的提出收集和处理系统的有关数据：包括物性数据、单元操作的化工数据及成本核算数据根据过程原理，形成模型，建立起变量和参数之间的关系—比较困难的一环，用“模型识别”找出最合适的模型，找出描述系统中各个部件在各时刻状态的有关变量（包括输入变量，状态变量和输出变量）中参数，确定各部件之间的相互作用和影响的规则根据收集的数据确定或估计模型中的参数，选择模型的初始状态，选择解算方法编制和调试计算机程序收集和整理计算试验结果，并作出解释模型确认1.提出任务将问题明朗化2.过程的机理研究3.化工基础数据的收集和整理4.建立数学模型5.选择解题方法6.编制或装配计算程序7.上机解算8.计算机结果的整理解释9.与已知试验结果进行核对正确结果物性数据及程序、单元过程化工数据、成本核算数据及程序单元过程模型库数学方法程序库不理想理想8.3数学模型的类型数学模型是由描述过程的数学方程及限制条件组成，构成如下：数学模型限制条件变量数学常数独立变量因变量操作变量设备变量物理常数8.3.1按模型建立的方法：机理模型与经验模型、混合模型机理模型：分析过程的物理－化学本质和机理，利用化学工程学的基本理论，根据表示过程特征的方程式进行分析，获得“理论模型”或“机理模型”；经验模型：对过程的特征无知，只有根据实验从输入和输出变量之间的关系，进行分析整理以获得数学模型，称为经验模型或黑箱模型。－新兴的热点分支，称为“数据挖掘与知识获取”，简称“数据挖掘”。混合模型：在一定的理论分析的基础上，辅以必要的实验观测，以确定其数学模型，是半理论半经验的。大多数化工过程的数学模型属于这种类型。8.3.3按过程属性分：确定模型、模糊模型和随机模型确定模型：每个变量对任意一组给定的条件取一个确定的值或一系列确定值时，这种模型称为确定模型。模糊模型：指输入、输出、状态变量具有模糊性关系的数学模型。其根本特征在于模糊集，以往的集合论中元素是“分明的”－要么属于某一集合，要么不属于，即其从属函数或取1或取零；而模糊集合中的元素的从属函数可在0~1中连续取任意值。随机模型：用来描述一些不确定性的随机过程，这些过程服从统计概率规律。从系统工程学角度：黑箱模型、白箱模型和灰色模型黑箱模型：指对某些复杂化工过程系统的内部机理完全不了解，认为该系统处于黑箱之中，只建立输入量与输出量之间的关系。白箱模型：指模型的输入与输出之间可以通过机理分析建立起确定映射关系的模型。灰色模型：信息部分明确、部分不明确的系统称为灰色系统，基于灰色系统理论的数学模型称为灰色模型。8.3.5按过程对象的数学描述方法分类：集中参数模型和分布参数模型集中参数模型：过程参数随时间位置不同的变化被忽略的情