过程系统工程电子课本

1过程系统工程（ProcessSystemsEngineering）赵豫红[e-mail]第一章概论1.1过程系统工程学科1过程系统工程学科的产生化学工程——化工生产历史悠久，上世纪初，对化学生产工艺的研究方法还是很（1）原始的。无论是对新工艺的开发，还是对已有生产工艺的改造，都是采用逐级放大的方法进行的。即从实验室的试验开始，经过中间工厂的中试再放大到生产工厂去实现生产，从而解决设备尺寸和操作参数的确定问题。这种开发过程是很费时间的，往往要花十来年的时间才能完成。财力、人力的耗费很大，放大的倍数也是有限的，每级仅限50倍。到了上个世纪二十年代，从大量的化学工艺过程的研究实践中认识到，不管是什么产品的化学生产，差不多都是这样一个程序，即原料净化——化学反应——产品的分离提纯；而且不管是哪一种化学生产，都有一些相似的过程，都是由各种单元操作组成的。为了更深入地掌握化学生产的规律，人们开始了对这些单元操作的深入研究，进而建立了化学工程这门学科，三十年代，为了解决单元操作的放大问题，出现了相似原理，建立了相似模拟法。这种方法的概要是：首先找出过程的影响因素，用因次分析的方法整理出相似准数，然后通过实验建立这些准数的关联式，得出准数方程，应用准数方程就可以实现单元操作的放大。相似模拟法是个半经验的方法，虽然摆脱了原始的逐级放大方法，但还不能解决化学反应过程的放大问题。三十年代初期出现了另一种开发放大的方法，即数学模拟法。这个方法的概要是：以被研究对象的过程机理为依据，应用数学工具来进行描述，建立数学模型。这种数学模型通常是一组微分方程组，应用这种方法，不仅能完善地描述各种物理过程，也能描述各种化学反应过程。2对这个数学模型给出边界条件，应能求解得出答案。但是由于这些微分方程组往往是非线性的，求解很困难，所以在当时限制了这种方法的发展。五十年代初，化学工程研究开始采用电子计算机技术，又由于数值计算方法的发展，使得数学模型的求解不再是不可逾越的难关，从而使化学工程，包括反应工程的研究，得到了迅速地发展。对单元操作本身深入研究的结果，认识到它们都是热量传递、质量传递、动量传递规律支配的，从而提出了传递现象这一新的研究领域。1957年出现了化学反应工程这门化学工程学科的分支。从此，几乎所有单元操作的开发放大问题，只需要有一些最基本的实验数据，就可以利用数学模型在计算机上快速得到答案。如果某个工艺过程的基本数据齐全，甚至连小型试验都不必做，完全依靠数学模型就可以进行大装置的计算。五十年代末期，人们不再满足于在计算机上只解决个别单元操作过程的计算问题，而开始尝试对各种化工单元操作过程组成的工艺流程系统进行开发设计的研究，以期在最合理的技术经济条件下，得出工艺系统的最佳的设计、操作、控制方案。当然，这就要涉及到多方面的理论问题。六十年代初，在化学工程、系统工程、运筹学、数值计算方法、过程控制论等学科的边缘，产生了过程系统工程。在不同的国家，由于发展这门学科的人的出发点不同，产生了许多不同的名称——化工系统工程、化工过程系统工程、系统工程在化工中的应用、化学控制论、过程系统的模拟与分析、过程工程、化学过程工学、化工控制论等等。2过程系统工程学科的发展随着科学技术的进步，现代过程工业实现了综合生产，生产装置日趋大型化，产品品种精细化，要求实现整个装置的最优设计、最优控制和最优管理，并在安全、可靠、对环境污染最小的情况下运行。在这种要求下，60年代初，在系统工程、运筹学、化学工程学、过程控制及计算机技术美：RuddD.F.，WatsonC.C.,“StrategyofProcessEngineering”1968,JohnWileyandSons等学科的基础上，产生和发展起来一门新兴的技术学科——过程系统工程。过程系统工程产生和发展的理论准备时期，代表性的研究：HimmelblauD.M.,BischoffK.B.,“ProcessAnalysisandSimulation”19683日本矢木荣，西村肇苏联KaфapoB197170年代——走上实用的时期。随着计算机应用的普及，采用过程系统工程方法研制工业用化工流程模拟系统，采用模拟系统对过程系统生产实现计算机控制，取得了显著的经济效益。80年代——普及推广的时期，不仅在化工、石油、石油化工、核工业和能源等过程工业中获得广泛应用，而且向冶金、轻工、食品等工业部门推广，有力地促进了这些部门生产技术的发展，相应地，过程系统工程学科在理论、方法和内容方面也在不断发展和完善。90年代——计算机技术的发展尤其迅速，使复杂大系统的分析和综合成为可能，过程系统工程得到更为深入广泛的应用。3系统工程与过程系统工程系统工程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，将自然科学和社会科学中的某些思想、理论、方法、策略和手段等从横的方面有效的组织起来应用于实践中，是应用现代数学和计算机等工具对系统的构成要素、组织机构、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过程系统工程是将系统工程学的理论和方法用于过程工业领域的一门边缘学科。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，归根结底是一种工程学的方法论。过程工业流程：过程工业：是从给定的原料，通过物理和化学操作，经济地生产附加价值更高的产品。一个完整的过程工业系统从研究开发直到操作运行的全过程：4根据市场调查和过程研究开发以及经营管理的决策等资料，可以着手生产某项产品的过程设计及设备设计，然后按照图示顺序进行设备制造，安装，调试，和投产运行，原料、能源、市场、技术等状况的变化，这一过程系统还需要不断改进，以达到相应的最优状态，其中大体上包含了过程系统的规划、设计、操作和控制等方面。过程系统工程的基本内容就是从过程系统的整体目标出发，周密考虑系统内各个组成部分的特性及其相互关系，确定在综合、操作、控制和管理等方面的最优策略。归结为设计(Design)和操作(Operation)——调度（scheduling）、计划（planning）、控制（control）(优化（optimization）)1.2过程系统工程的基本概念(1)系统与环境系统：由相互关联、相互制约、相互作用的一些部分组成的具有某种功能的有机整体。（由电器元件构成的电路、化工设备和管道等构成的生产流程等等）市场调查过程设计设备设计设备制造建设工程试运转操作运行经营管理控制环境的变化检查外协研究开发过程工业的内容5环境是在系统的外部，并且是与该系统相互作用的所有元素的集合，环境的变化会影响系统，反之，系统的作用会影响到环境。这就是说，系统是存在于环境中的，系统及其环境构成了问题的整体。系统的部分集合所组成的系统称为子系统，组成某个子系统的元素可以是其他子系统的环境元素。系统具有嵌套性，系统往往可以划分成若干个子系统，而每个子系统有可能分解成更低一级的子系统。三个主要特点：系统存在于环境中；系统的大小是相对的，边界是人为划定的；系统具有嵌套性。(2)过程与过程系统对原料进行物理的或化学的加工处理称作过程，特定的过程称作过程单元，如分离过程单元、反应过程单元、换热过程单元等等。过程系统是由一些具有特定功能的过程单元按一定的方式相互联结而组成的网络，如化工过程系统、石油加工过程系统、医药生产过程系统、冶金过程系统等。过程单元之间通过物料流和能量流相互联结。过程系统由四个过程单元组成，它们之间由管道联结（物料流），热流Q和功流W属于能流。过程系统={过程单元}+{单元间联结关系}单元间联结关系的集合称为系统结构。W换热器液相产品汽相产品原料反应器泵分离器Q过程系统示例6当各个过程单元按一定的方式相联结时，就确定了一定的系统功能，使系统的输入流股转变成系统的输出流股。总的说，过程系统的功能就是实现工业生产中物质和能量的转换。系统功能表现为系统和环境之间的相互作用，环境向系统提供输入量，同时又接受系统的输出量。可以采用不同的过程单元和系统结构构造可达到同一系统功能的多个系统，但就满足系统功能的效果如利润、投资和原料路线等而论，这些系统是各不相同的。分类：根据不同的分类原则，有不同的分类方法：1按系统的功能分——换热系统、分离系统、混合系统、反应系统、控制系统、等，单元操作可以明确地表征系统。若系统仅仅由同类型的过程单元组成，例如仅由换热器组成，则称该系统为均质系统或同类系统，反之称为非均质系统或非同类系统。所有的实际系统都是非均质的，但在研究过程中，可以忽略系统中的非同类单元，通过相应的简化可以将实际非均质系统转化成便于研究的均质系统。2按系统结构分四种典型的联结方式：串联、并联、绕行和反馈。反馈比其他三种结构在实际处理中要困难得多。属于环形结构，而串联、并联、旁路属于树形结构。AB串联联结BACD并联联结7在实际过程系统中，上述基本结构往往是交织在一起的，下图中系统包括了串联、并联、绕行和反馈四种基本结构。无论系统多复杂，也是由若干具有基本联结结构的子系统构成的。3按输出的时间行为分——基于输出随时间的变化关系：连续系统、拟连续系统和间歇系统。在一定的时间域内，若系统输出量不随时间变化，则系统为连续系统，若系统输出量随时间显著变化，则为间歇系统；若系统输出量随时间变化十分缓慢，可用平均值表征系统，则为拟连续系统。若系统中包括多个间歇操作的单元，且操作循环周期调整到使系统的输出量几乎不BAC复杂系统DEB热量反馈联结AB物料反馈联结BAC绕行（旁路）联结A8随时间变化，则该系统是一种拟连续系统。(3)过程系统分析对于系统结构及其中各个子系统均已给定的现有系统进行分析，即建立各个子系统的数学模型，按着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。前提是系统是已知的，给定的。对于已知的过程系统，给定其输入参数，求解其输出参数。具体地说，包含三部分内容：一是过程系统的物料和能量衡算，二是确定设备的尺寸和费用，三是对过程系统进行经济技术评价。(4)过程系统综合针对给定的系统特性（包括输入、输出及系统参数），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。（希望达到某种最优的性能指标，确定最优的过程系统）给定过程的输入参数、输出参数后，确定出满足该性能的系统，包括采用的特定的设备及其间的联结关系，并提供某些变量的初值。(5)过程系统优化过程系统优化或系统优化可分为参数优化和结构优化，参数优化是指：在一已确定的系统流程中对其中的操作参数（如温度、压力等）进行优选，以满足某项指标（如费用，能耗等）达到最优。如果改变过程系统中的设备类型或其相互之间的联结，以优化过程系统，则称为结构优化。参数优化的理论研究及实际应过程系统待求输入输出过程系统综合示意图过程系统输入输出待求过程系统分析示意图9用要比结构优化更成熟。(6)过程系统设计过程系统设计或过程设计，是过程系统综合与过程系统分析交替过程的整体，包括三个主要步骤，即过程系统综合、分析与优化，相互关系如图：分析与综合是对立统一的过程，是过程设计中不可分隔的两个方面。综合可给出系统的过程单元和结构，通过分析可得到系统内部的属性，以便对综合的效果进行检验。同时，分析得到的信息和概念可用于进一步综合性能更高的系统。1.3过程系统工程的研究方法与手段最优化思想，把研究的对象系统看作一个整体，把系统中可调的部分调节到获得可能的最优性能。过程系统工程主要是采用数学模拟的方法进行研究，即建立过程系统的数学模型，描述出系统中的每一部分及总体性能，并给以评价。包括模型化和模拟（对数学模型进行求解的过程）两部分内容。采用数学模型在计算机上进行试验比在实际过程系统上作试验要经济、灵活优化初值决策变量需求综合过程系统结构优化参数优化热量、物料衡算计算设备尺寸费用经济评价最终的过程系统分析过程系统设计示意图10得多，可以减少中间放大试验，能够获得难以在实验条件下得到的性能信息，可以充分利用已有的理论成果来研究复杂过