化工过程分析与合成-张卫东-第一章绪论

绪绪 论论1.1 1.1 化工过程化工过程1.2 1.2 化工过程生产操作控制化工过程生产操作控制1.3 1.3 化工过程的分析与合成化工过程的分析与合成1.4 1.4 化工过程模拟系统化工过程模拟系统1.5 1.5 化工企业化工企业CIPSCIPS技术技术1.6 1.6 人工智能技术在化工过程中的应用人工智能技术在化工过程中的应用1.7 1.7 本教材的目的与内容本教材的目的与内容课程背景二战后，化工高等教育出现了两大流派和倾向。二战后，化工高等教育出现了两大流派和倾向。西西方方发发达达国国家家：随随着着化化工工热热力力学学、传传递递过过程程原原理理、反反应应工工程程与与化化工工系系统统工工程程知知识识的的系系统统化化、理理论论化化，突突出出了了化化学学工工程程科科学学分分类类知知识识的的教教育育，对对工程师面对的工程师面对的实际问题实际问题反而反而注意不够注意不够前前苏苏联联和和东东欧欧各各国国：专专业业划划分分过过细细，所所培培养养的的高级人才缺乏生命力的落后局面。高级人才缺乏生命力的落后局面。中国：中国：一方面由于受前苏联的影响，专业划分过细，一方面由于受前苏联的影响，专业划分过细，人人才适应能力差才适应能力差的问题早已暴露无遗；的问题早已暴露无遗；另一方面，化学工程专业又因循西方的模式，另一方面，化学工程专业又因循西方的模式，过过分强调学科性分强调学科性，忽视化学工程与技术问题的综合，忽视化学工程与技术问题的综合性与实践性。性与实践性。工程师的基本任务和能力就是工程师的基本任务和能力就是综合综合，工程，工程师的创造性也主要通过综合来体现。师的创造性也主要通过综合来体现。反应B+C精馏ABB反应分离CEC+DDC过过 程程客观事物从一个状态到另一个状态的客观事物从一个状态到另一个状态的转移。转移。在工艺生产上，对物料流进行物理或在工艺生产上，对物料流进行物理或化学的加工工艺称作过程工艺。化学的加工工艺称作过程工艺。z化工过程化工过程z冶金过程冶金过程z石油炼制过程石油炼制过程z医药生产过程医药生产过程以天然物料为原料经过物理或化学以天然物料为原料经过物理或化学的加工制成产品的过程。的加工制成产品的过程。v原料制备原料制备v化学反应化学反应v产品分离产品分离 化学的单元过程化学的单元过程包括包括 合成、氧化、加氢、裂解、电解质溶液反应等合成、氧化、加氢、裂解、电解质溶液反应等1.1 化工过程化工过程单元过程由被处理的物单元过程由被处理的物料流联接起来，构成化工过料流联接起来，构成化工过程生产工艺流程程生产工艺流程化学反应过程化学反应过程换热过程换热过程分离过程分离过程1.1.1 化学反应过程化学反应过程 化工过程的核心部分化工过程的核心部分催化反应过程催化反应过程热裂解反应过程热裂解反应过程电解质溶液离子反应过程电解质溶液离子反应过程生化反应过程生化反应过程.催化反应过程催化反应过程合成反应合成反应：合成氨、合成甲醇等的反应过程合成氨、合成甲醇等的反应过程；氧氧化化反反应应：萘萘氧氧化化制制苯苯酐酐、乙乙烯烯氧氧化化制制环环氧氧乙乙烯烯等的反应过程；等的反应过程；脱氢反应脱氢反应：乙苯脱氢制苯乙烯的反应过程；乙苯脱氢制苯乙烯的反应过程；裂化反应：裂化反应：重质油催化裂化制轻质油的反应过程；重质油催化裂化制轻质油的反应过程；烷烷基基化化反反应应：乙乙烯烯与与苯苯的的烷烷基基化化制制乙乙苯苯的的反反应应过过程；程；加加氢氢裂裂化化反反应应：正正庚庚烷烷加加氢氢裂裂化化制制丙丙烷烷和和丁丁烷烷的的反应过程反应过程热裂解反应过程热裂解反应过程煤干馏生成焦碳、煤焦油、焦炉煤气的反应过程；煤干馏生成焦碳、煤焦油、焦炉煤气的反应过程；轻油裂解制乙烯的反应过程轻油裂解制乙烯的反应过程电解质溶液反应过程电解质溶液反应过程各种无机盐生产以及氨碱法制碱的反应过程各种无机盐生产以及氨碱法制碱的反应过程生物化学反应过程生物化学反应过程发酵法生产氨基酸、有机醇、酮等的反应过程发酵法生产氨基酸、有机醇、酮等的反应过程1.1.2 换热过程换热过程换热器与换热物流构成了换热网络换热器与换热物流构成了换热网络合理的设计，能充分回收过程系统中的热量或合理的设计，能充分回收过程系统中的热量或冷量冷量以以最大限度的节能、经济的设备投资、最大限度的节能、经济的设备投资、良好的操作适应性为目标，实现最佳的良好的操作适应性为目标，实现最佳的换热网络设计换热网络设计，是化工过程系统综合研，是化工过程系统综合研究的一项典型的事例。究的一项典型的事例。1.1.3 分离过程分离过程非均一系非均一系 气固相分离：沉降、过滤、湿法除尘、电除尘气固相分离：沉降、过滤、湿法除尘、电除尘 液固相分离：过滤、干燥、沉降液固相分离：过滤、干燥、沉降均一系均一系 气相分离：吸附、吸收、膜分离气相分离：吸附、吸收、膜分离 液相分离：蒸馏与精馏、蒸发、结晶、气提、液相分离：蒸馏与精馏、蒸发、结晶、气提、萃取、膜分离等萃取、膜分离等1.2 1.2 化工过程生产操作控制化工过程生产操作控制化工过程生产操作工况的调节，主要是化工过程生产操作工况的调节，主要是对物料流对物料流温度、压力、流量、液位、组成温度、压力、流量、液位、组成等操作参数的调节等操作参数的调节早期过程控制技术早期过程控制技术（40-5040-50年代）年代）特点：特点：采用基地式控制仪表实施单输入、采用基地式控制仪表实施单输入、单输出的简单回路控制单输出的简单回路控制控制目标：控制目标：保持生产工况平稳保持生产工况平稳出现了单元组合式控制仪表，从简单控出现了单元组合式控制仪表，从简单控制回路发展了串级、前馈补偿等控制系制回路发展了串级、前馈补偿等控制系统统 优点：优点：特点为各个控制回特点为各个控制回路都是相互独立的路都是相互独立的当某一控制回路出当某一控制回路出现故障时，不致影现故障时，不致影响其他回路的正常响其他回路的正常工作，系统的可靠工作，系统的可靠性易于得到保障性易于得到保障 缺点：缺点：对于规模范围较大对于规模范围较大被控参数较多的对被控参数较多的对象来说，较多的控象来说，较多的控制回路需要相应设制回路需要相应设置较多的硬件。置较多的硬件。分散控制，难于实分散控制，难于实现总体优化的控制现总体优化的控制方案。方案。6060年代年代化工过程向着大型化、连续化发展化工过程向着大型化、连续化发展要求检测、控制的生产操作参数数量很要求检测、控制的生产操作参数数量很多，并需要更优良的控制质量多，并需要更优良的控制质量计算机应用迅速的渗入各个领域，过程计算机应用迅速的渗入各个领域，过程控制也开始了应用计算机的尝试控制也开始了应用计算机的尝试 优点：优点：计算机用于化工过程控计算机用于化工过程控制，可以把各个控制回制，可以把各个控制回路的运算、控制、显示路的运算、控制、显示都集中于计算机来实现都集中于计算机来实现这种集中控制可以大大这种集中控制可以大大的节省硬件成本，便于的节省硬件成本，便于同时分析各个控制回路同时分析各个控制回路的信息，为实现全系统的信息，为实现全系统的优化控制提供了条件的优化控制提供了条件 缺点：缺点：一旦发生计算机故障则将一旦发生计算机故障则将出现全控制系统瘫痪的危出现全控制系统瘫痪的危险险7070年代年代-Distributed Control System随随着着化化工工装装置置规规模模的的增增大大，被被控控对对象象参参数数，控控制制回回路路的的增增多多，为为了了满满足足对对工工业业控控制制计计算算机机应应具备高度可靠性和灵活性的要求具备高度可靠性和灵活性的要求把把计计算算机机技技术术、控控制制技技术术、通通讯讯技技术术、图图像像显显示技术示技术等集成为一体化的等集成为一体化的计算机控制系统计算机控制系统集集散散系系统统吸吸取取了了分分散散系系统统和和集集中中系系统统两两者者的的优优点点集散系统（集散系统（DCS）的优点）的优点集：集：管理、操作、管理、操作、CRT三方面的集中三方面的集中散散：功能分散、负荷分散和危险分散功能分散、负荷分散和危险分散克服了分散系统难于实现全局系统控制克服了分散系统难于实现全局系统控制的缺点的缺点克服了集中系统的危险集中克服了集中系统的危险集中DCSDCS的产品的产品的产品的产品美国美国Honeywell公司的公司的TDC-3000Foxboro公司的公司的SPECTRUMFisher公司的公司的PROVOXBailey公司的公司的NETWORK90Taylor公司的公司的MOD-300日本横河公司的日本横河公司的CENTUMDCSDCS的发展前景的发展前景的发展前景的发展前景向扩大应用覆盖面方向发展向扩大应用覆盖面方向发展向管控一体化方向发展向管控一体化方向发展产品向开放化和标准化方向发展产品向开放化和标准化方向发展向现场总线技术发展向现场总线技术发展1.3 化工化工过程的分析与合成过程的分析与合成60年代初，在年代初，在化学工程、系统工程、运筹学、数化学工程、系统工程、运筹学、数值计算方法、过程控制论值计算方法、过程控制论等学科边缘，产生等学科边缘，产生了过程系统工程，也称化工过程系统工程了过程系统工程，也称化工过程系统工程任务任务:以系统工程的思想、方法，解决化工过程系以系统工程的思想、方法，解决化工过程系统的设计、开发、操作、控制等问题，统的设计、开发、操作、控制等问题，系统工程的分析与合成系统工程的分析与合成实实施施化化工工过过程程分分析析、合合成成的的手手段段是是运运算算描描述述过过程程系系统统的的数数学学模模型型，这这种种模模型型的的运运算算称称作作化化工工过程系统模拟过程系统模拟 分析分析分析是在思想中把事物分析是在思想中把事物分解为各个属性，部分，分解为各个属性，部分，方面方面 合成合成综合是在思想中把事物的综合是在思想中把事物的各个属性，部分，方面结各个属性，部分，方面结合起来合起来两者彼此相反而又相互联系两者彼此相反而又相互联系分析与综合贯穿于思维的整个过程分析与综合贯穿于思维的整个过程只有对事物内部矛盾的各个方面进行具体分析，只有对事物内部矛盾的各个方面进行具体分析，再综合起来把握其矛盾的总体，才能真正深再综合起来把握其矛盾的总体，才能真正深入到事物的本质，把握事物发展的规律入到事物的本质，把握事物发展的规律1.3.1 1.3.1 化工化工化工化工过程系统的分析过程系统的分析过程系统的分析过程系统的分析主主要要是是分分析析过过程程系系统统的的运运行行机机制制、影影响响因因素素、过过程程模模型型的的数数学学描描述述、目目标标函函数数的的建建立、优惠工况下的最佳操作参数立、优惠工况下的最佳操作参数目目标标是是使使决决择择方方案案，技技术术上上先先进进、可可行行，经济上优越、合理经济上优越、合理对对于于操操作作工工况况的的分分析析也也就就是是通通常常说说的的生生产产操作调优操作调优1.3.2 1.3.2 化工化工化工化工过程系统的合成过程系统的合成过程系统的合成过程系统的合成包包括括：反反应应路路径径合合成成；换换热热网网络络合合成成；分分离序列合成；过程控制系统合成；离序列合成；过程控制系统合成；解解决决由由各各个个单单元元过过程程合合成成总总体体过过程程系系统统的的任务任务由由于于化化工工过过程程系系统统的的复复杂杂性性，这这类类优优化化问问题题常常是是具具有有非非线线性性、奇奇异异、有有约约束束、多多极极值值等等现现象象，近近年年来来出出现现的的模模拟拟退退火火法法和和进进化算法化算法1.4 化工化工过程模拟系统过程模拟系统本世纪初期，由实验室到中间厂逐级放大的经本世纪初期，由实验室到中间厂逐级放大的经验办法验办法30年年代代，以以相相似似论论为为基基础础得得出出准准数数方方程程的的办办法法。建立数学模型的模拟放大法建立数学模型的模拟放大法50年年代代后后期期，数数学学模模拟拟。基基本本上上解解决决了了大大部部分分单元过程的开发放大问题单元过程的开发放大问题1.4.11.4.1化工化工化工化工流程稳态模拟系统流程稳态模拟系统流程稳态模拟系统流程稳态模拟系统特点：模型中不包括时间参数，即把过程中的各特点：模型中不包括时间参数，即把过程中的各种因素都看成是不随时间而变化的种因素都看成是不随时间而变化的在大规模连续化的工艺流程中，稳态是不存在的在大规模连续化的工艺流程中，稳态是不存在的稳稳态态模模拟拟是是对对动动态态过过程程到到达达平平稳稳状状态态的的一一种种简简化化处理，这种处理是很必要的处理，这种处理是很必要的稳态模拟系统的发展稳态模拟系统的发展稳态模拟系统的发展稳态模拟系统的发展第一代（第一代（50-60年代）年代）美国美国KelloggKellogg公司的公司的FLEXIBLEFLEXIBLEFLOWSHEETFLOWSHEET，美国美国HoustonHouston大学开发的大学开发的CHESSCHESS（Chemical Engineering Simulation Chemical Engineering Simulation System System）第二代（第二代（70年代）年代）美国美国Monsanto公司开发的公司开发的FLOWTRAN美国美国Braun公司开发的公司开发的PF10（Process Flow）日日 本本 千千 代代 田田 工工 程程 公公 司司 开开 发发 的的 CAPES（Computer Aided Process Engineering System）第三代（第三代（1981）ASPEN(Advanced System of Process Engineering)1.4.21.4.2化工化工化工化工流程动态模拟系统流程动态模拟系统流程动态模拟系统流程动态模拟系统许多的动态过程不允许简化处理为稳态过程许多的动态过程不允许简化处理为稳态过程间歇过程：间歇过程：间歇过程：间歇过程：装料、开车、反应、停车、卸料装料、开车、反应、停车、卸料连续过程：连续过程：连续过程：连续过程：开车、停车、事故处理开车、停车、事故处理动态模拟系统的发展动态模拟系统的发展动态模拟系统的发展动态模拟系统的发展第一代（第一代（70年代）年代）1969年加拿大年加拿大McMaster大学开发的大学开发的DYNSYS美国杜邦公司开发的美国杜邦公司开发的DYFLO美国美国Michigan大学开发了大学开发了DYSCO日本千代田化工建设公司开发了日本千代田化工建设公司开发了DOPL第二代（第二代（70-80年代）年代）美美国国的的鲁鲁姆姆斯斯公公司司将将动动态态模模拟拟技技术术用用于于进进行行系系统统可可行行性性分分析析、先先进进控控制制系统方案设计系统方案设计日日本本的的一一些些大大型型化化工工建建设设工工程程公公司司将将动动态态模模拟拟技技术术用用于于进进行行新新建建大大型型化化工厂工艺及控制系统的设计工厂工艺及控制系统的设计第三代（第三代（1981）由由动动态态模模拟拟技技术术衍衍生生出出用用于于培培训训工工人人的的模模拟拟培培训训器器（Simulation Control Co.,Autodynamics Co.,Atlantic Simulation Inc）1.5 化工化工企业企业CIPS技术技术化工过程分析与合成的任务是以高产、优质、低化工过程分析与合成的任务是以高产、优质、低耗为目标，寻求工艺生产中的设备、流程的耗为目标，寻求工艺生产中的设备、流程的合理配置方案以及最优生产工况的操作合理配置方案以及最优生产工况的操作在在生生产产实实践践中中人人们们认认识识到到，寻寻求求化化工工过过程程优优惠惠工工况况依依据据不不仅仅来来自自工工艺艺过过程程本本身身，而而必必须须遵遵循循的根本性依据是企业的经营决策的根本性依据是企业的经营决策为为实实现现企企业业最最佳佳经经营营、生生产产决决策策的的手手段段是是当当代代的的CIMS技术技术1.5.1 Computeromputer Integratedntegrated Manufacturinganufacturing Systemystem1974年年 美美 国国 Joseph Harrington博博 士士 在在Computer Integrated Manufacturing一书中首次提出一书中首次提出通通过过计计算算机机硬硬、软软件件综综合合运运用用现现代代管管理理技技术术、制制造造技技术术、信信息息技技术术、自自动动化化技技术术、系系统统工工程程技技术术，将将企企业业生生产产中中有有关关的的人人、技技术术、经经营营管管理理三三要要素素及及其其信信息息流流、物物质流有机集成为实施优化运作的大系统质流有机集成为实施优化运作的大系统1.5.2 Computer omputer Integrated ntegrated Process rocess Systemystem化化工工、石石化化企企业业,特特别别是是一一些些特特种种化化学学品品、精精细细化化工工产产品品的的生生产产企企业业，要要求求新新产产品品开开发发周周期期短短、上上市市快快;并并要要求求生生产产工工艺艺装装备备是是具具有有适适应应多多种种产产品品的的柔柔性系统性系统以以CIPSCIPS的的概概念念和和方方法法组组织织过过程程生生产产企企业业的的运运作作环环节节，包包括括生生产产控控制制、调调度度、管管理理、经经营营决决策策、市市场场分分析析、新新产产品品设设计计及及研研究究开开发发，直直到到销销售售和和售售后后服服务务、用用户户意意见见反反馈馈等等，形形成成以以市市场场驱驱动动、全全局局优优化的企业系统，收到了显著的经济效益化的企业系统，收到了显著的经济效益CIPS的应用的应用日本三井石油化学公司实施日本三井石油化学公司实施CIPSCIPS，预计库存量可减少，预计库存量可减少30%30%，生产周期可缩短，生产周期可缩短30%30%，成品油产量可增加，成品油产量可增加10%10%，管理效率可提高，管理效率可提高20%20%当当前前发发达达国国家家的的大大型型化化工工、石石化化公公司司几几乎乎都都处处在在对对CIPSCIPS的实施、研究阶段的实施、研究阶段国国内内的的一一些些企企业业联联合合着着高高校校和和科科学学院院所所正正在在积积极极开开展展CIPSCIPS的的建建设设，如如齐齐鲁鲁石石化化胜胜利利炼炼油油厂厂、沧沧州州大大化化集团、大庆石化总厂等集团、大庆石化总厂等1.6 人工人工技术在化工过程中的应用技术在化工过程中的应用各种化工过程系统基本上都可用数学模型描述。各种化工过程系统基本上都可用数学模型描述。但由于实际化工过程的复杂性，还有许多现象具有离但由于实际化工过程的复杂性，还有许多现象具有离散的、非数值的、模糊的、不确定的特性，对散的、非数值的、模糊的、不确定的特性，对这类对象建立数学模型非常困难这类对象建立数学模型非常困难一般：由技术专家凭籍他们的专业技术和经验来解决。一般：由技术专家凭籍他们的专业技术和经验来解决。缺点：对不同的专家，解决办法可能有差异缺点：对不同的专家，解决办法可能有差异人工智能技术人工智能技术的引用，为解决这类问题辟出了新径的引用，为解决这类问题辟出了新径人工智能的发展和应用人工智能的发展和应用基于基于Data Mining 技术，发现人所不能发现技术，发现人所不能发现或者忽略的现象或者忽略的现象Beer&Diaper弹子机弹子机Science Fiction:终结者终结者1.6.1 人工智能人工智能技术技术宏宏观观模模拟拟从人在思维时的心理活动出发。分析、研究人是如何运用知识、逻辑而解释问题的，从而掌握人脑的逻辑思维规律运用计算机模拟这个过程，选出与人的思维过程相一致的结果，这就是专家系统专家系统微微观观模模拟拟是从人脑的生理结构出发，模拟人脑在思维过程中的生理活动，从而得出和人脑思维过程相一致的结果这种模拟包括建立神经元（脑细胞）模型，以及它们相互间传递信息的网络结构模型。这就是人工神经网络人工神经网络1.6.2 Expert System关关键键组组成成是是知知识识库库与与推推理理机机制制，适适用用于于求求解解非非数数值的，不确定的或模糊的问题值的，不确定的或模糊的问题70年年代代中中期期以以前前多多属属于于解解释释型型和和诊诊断断型型。70年年代代后后期期出出现现了了设设计计型型、规规划划型型、控控制制型型等等其其它它类型的专家系统类型的专家系统19651965年年美美国国斯斯坦坦褔褔大大学学研研制制出出可可根根据据化化合合物物分分子子式式及及其其质质谱谱数数据据来推断分子结构的计算机程序系统来推断分子结构的计算机程序系统DENDRALDENDRAL19741974年开发成功的用于诊断和治疗感染性疾病的年开发成功的用于诊断和治疗感染性疾病的MYCINMYCIN19761976年开发成功用于找矿的年开发成功用于找矿的PROSPECTORPROSPECTORES在化工过程中的应用反应路径的综合：反应路径的综合：SYNCHEM换热网络综合：换热网络综合：HEATEX过程流程综合：过程流程综合：PIP过程控制系统综合：过程控制系统综合：CASE1.6.3 Artifical Neural Networks近近年年来来人人工工神神经经网网络络的的应应用用无无论论在在广广度度上上还还是是深深度度上上都都取取得得了了迅迅速速发发展展，应应用用领领域域涉涉及及医医学学、国国防防、运运输输、通通讯讯、工工业业生生产产、电电子子、航空航天以及金融管理等方面航空航天以及金融管理等方面医疗方面的心肌梗塞早期诊断、心电图分类医疗方面的心肌梗塞早期诊断、心电图分类军事方面多目标跟踪、战斗机飞行控制、声源定位军事方面多目标跟踪、战斗机飞行控制、声源定位金融管理方面的支票及票据验收、股票行情分析金融管理方面的支票及票据验收、股票行情分析思考题化工过程分析与合成是讲什么的？化工过程分析与合成是讲什么的？化工过程分析与合成与化工原理、化学反应工程、化工过程分析与合成与化工原理、化学反应工程、分离工程等课程有什么区别？有什么联系？分离工程等课程有什么区别？有什么联系？参考几本过程系统工程的书籍，比较该教材与本参考几本过程系统工程的书籍，比较该教材与本教材的区别教材的区别什么叫过程系统，与单元操作有什么关系？什么叫过程系统，与单元操作有什么关系？举例说明人工智能技术在化工中的应用。举例说明人工智能技术在化工中的应用。