资源描述
单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,系统综合(系统合成),是在给定系统的,任务或目标,亦即确定了系统功能的条件下,寻求或,选择,各子系统的功能特性及其组合方式,以实现预定的系统功能和目标(,合成氨,)。,系统最优化,(也称做,运筹学,方法)是近几十年形成的,它,主要运用数学方法研究各种系统的优化途径及方案,为决策者提供科学决策的依据。,最优化方法的主要研究对象,:,各种有组织系统的,管理问题,及其,生产经营活动,。最优化方法的目的,:,对所研究的系统,求得一个合理设计工艺参数或运用人力、物力和财力的最佳方案,发挥和提高系统的效能及效益,最终达到系统的最优目标。,过程系统工程要解决的基本问题:,操作问题、设计型问题、操作优化和过程合成,(,SDOS,),-,简称,四个基本问题。,系统综合(系统合成)是在给定系统的任务或目标亦即确定,1,合成氨工艺流程,合成氨工艺流程,2,1.5,化工系统工程解决的基本问题(案例,1,),-,1.5.1,精馏单元(系统,),1.5 化工系统工程解决的基本问题(案例1)-,3,1.5.1.1,过程单元模拟分析与设计,定义:在确定过程系统的结构及其子系统的前提下,通过数学模拟的方法,推测特定系统的特性,确定各部位的信息和,/,或,总体技术经济指标的方法为,过程系统模拟分析,。,设计型?,R,,,Ntt,,,D or W,1.5.1.1 过程单元模拟分析与设计 定义:在确定过程系统,4,1.5.1.2,过程单元优化与综合,1.4.4 过程系统的优化与合成,一类是对确定过程系统的优化,通常是求取能使过程系统的目标函数极小(或极大)最佳决策变量的值,通常称为,过程系统的优化,;,J,(总费用),=,操作费用,+,折旧(设备?),(一般,简化的决策变量为,R,,,P,),综合,?,1.5.1.2 过程单元优化与综合 1.4.4 过程系统的优,5,1.,5.2,化工系统工程研究的基本问题(案例,2,),-,乙烯氧化制环氧乙烷反应,-,吸收系统,1.5.2 化工系统工程研究的基本问题(案例2)-,6,1.5.2.1,乙烯氧化法制环氧乙烷工艺流程,1.5.2.1 乙烯氧化法制环氧乙烷工艺流程,7,1.5.2.2,模拟问题获取系统的应答特性(系统分析),已知系统的输入,X0,、过程参数,u,、,4,个单元特性及系统的拓扑结构,求系统的输出状态以及系统中其他所有流股的信息。,1.5.2.2 模拟问题获取系统的应答特性(系统分析),8,1.5.2.3,设计型问题,已知系统的输入,X0,、,4,个单元特性及系统的拓扑结构,求满足某个设计规定,(SP=4%),的条件下,系统的输出、系统中其他所有流股的信息以及设计规定相对应的过程参数,u,。,1.5.2.3 设计型问题 已知系统的输入X0,9,1.5.2.4,优化问题,已知系统的输入、系统特性、系统结构,求优化目标函数极值(比如优化的目标为目的产物的利润最大)以及此时的决策变量(如反应器的温度和分割比)的数值。,1.5.2.4 优化问题 已知系统的输入、系统,10,1.5.3,合成问题(系统综合),已知输入(用什么原料)、输出(制什么产品),求为达到生产目的在某个目标函数下的最佳工艺流程。可以用下图描述过程合成系统。,Aspen-plus,Process,(,Pro-II),Micro-chess,EC,SS,过程合成的提出:,1968,,,Rudd,(美),在给定系统的,任务或目标,亦即确定了系统功能的条件下,寻求或,选择各子系统的功能特性及其组合方式,以实现预定的系统功能和目标。,1.5.3 合成问题(系统综合)已知输入(用什么原,11,过程系统工程,的技术手段和工具是,?,过程系统工程的技术手段和工具是?,12,1.6,化工系统工程的主要技术手段与工具,主要内容,:,系统分析的任务在于描述或预测系统的特性,;,系统综合是指确定化工系统结构的过程,;,而系统优化是为了以最佳的方式实现系统的目标或功能,是全部工作的最终目的。(,化工系统工程的核心是最优化,),如何实现,?(,手工计算,?,计算尺,?,计算器,?Or.),1.6.1,化工流程模拟系统(或流程模拟系统),-,软件,化工过程模拟程序系统常简称为流程模拟软件,(chemical engineering simulation system),,它是一种综合性计算机程序系统,用于单元过程以及由这些单元过程所组成的整个化工过程系统的模拟计算,。,合成流程,工艺参数优化,脱除瓶颈,研究某些设计问题或操作模拟分析,进行参数灵敏度分析,PSE,的主要任务?,?,1.6 化工系统工程的主要技术手段与工具 PSE的主要任务?,13,1.6.2,历史沿革、现状与前景,1958,年,Flexible Flowsheeting,(,Kellogg,合成氨,,第一个化工模拟程序),60,年代,化工过程模拟的,初始发展期,。,PACER,(,Purdue university),CHESSMicro-CHESS(Houstn university),待 (,第一代),70,年代,化工过程模拟的成长,壮大期,。模拟软件的开发,研制走向专业化,商业化。从过去的分散在大学和各个炼油、石化公向转向由专门的化工软件公司进行。模拟计算的准确性、可靠性大大加强,应用范围不断拓宽,功能愈益丰富,使用越来越方便,并且涌现了一批著名的、影响广泛的商业化软件,。如:,Monsanto,的,Flowtran,(第二代),80,年代开始,化工模拟的深入,发展期,。是化工模拟的深入发展期;最主要的特点是从,“,离线,”,走向,“,在线,”,,从稳态模拟发展到动态模拟和实时优化,从单纯的稳态计算发展到和工业装置紧密相连。国外不少公司已将著名的软件等定为企业标淮。如美国的,Aspen,PLUS,加拿大,HYSIM,PROCESS PRO,(第三代),80,年代末,,AspenTech,公司率先推出了动态模拟软件,Speed Up,。,1.6.2 历史沿革、现状与前景,14,垄断局面正在形成,1990,年以来,以,Aspen Tech,公司为代表,形成了以,Aspen Technology Inc.,Simulation Science Inc.,Hyprotech Inc.,(新近被,Aspen,收购),Honeywell Inc.,等几大公司控制全球化工过程模拟软件市场的局面。,产品系列化和系统集成技术迅速发展产品系列化。以,Aspen Tech,公司为例,该公司共有,43,项产品,其中用于设计的,17,项,用于操作的,16,项,用于管理的有,19,项,(,有重叠,),。,通用性和专门化的流程模拟、先进控制和过程优化软件,垄断局面正在形成1990年以来,以Aspen Tech公,15,1.6.3,流程模拟软件的分类,操作状态:,稳态模拟系统,动态模拟系统,适应性:,通用模拟系统:模拟不同类型的工厂和过程,专用模拟系统:专门的过程系统,程序,结构:,固定结构:“千篇一律”,用户提供基础数据,给定计算次序,灵活结构:根据需要载入实际需要的模块,或自动生成,其他分类方法:见教材,p6-7,1.6.3 流程模拟软件的分类,16,1.6.4,流程模拟软件的组成,输入输出模块,单元模块,物性数据库,算法子程序块,单元设备估算模块,成本估算,经济评价模块,主控模块,其他(用户自编),1.6.4 流程模拟软件的组成,17,过程系统模拟的基本结构,管理系统主控模块,单元过程模块,物性数据库,热力学数据库,输入模块,输出模块,优化方法库,经济分析模块,计算方法库,过程系统模拟的基本结构管理系统主控模块单元过程模块 物性数,18,1.6.6,几种主要商业化流程模拟软件,Aspen Plus,,,Hysys,:美国,AspenTech,公司,PRO/II,:美国,SimSci-Esscor,公司,gPROMS,:英国,PSE,公司,ChemCAD,:美国,Chemstations,公司,ECSS,:青岛科技大学(国内),1.6.6 几种主要商业化流程模拟软件,19,Aspen Plus,大型通用流程模拟系统,:MIT,第三代流程模拟软件。该项目称为“过程工程的先进系统”(,Advanced System for Process Engineering,,简称,ASPEN,),并于,1981,年底完成。,1982,年为了将其商品化,成立了,AspenTech,公司,并称之为,Aspen Plus,。该软件经过,20,多年来不断地改进、扩充和提高,已先后推出了十多个版本,成为举世公认的标准大型流程模拟软件,应用案例数以百万计。,Aspen Plus,20,PRO/II,大型通用流程模拟系统,:,前身,PROCESS(SIMSCI),。适用于油气加工、炼油、化工、化学、工程和建筑、聚合物、精细化工、制药等行业,主要用来模拟设计新工艺、评估改变的装置配置、改进现有装置、依据环境规则进行评估和证明、消除装置工艺瓶颈、优化和改进装置产量和效益等。,PRO/II,21,ECSS,ECSS,化工之星。青岛科技大学,国家科技进步二等奖。属信息技术在过程工业应用的高新技术成果。可广泛用于过程研究开发、过程设计、装置而模拟与优化、过程去瓶颈分析和装置扩产节能挖潜改造等,是利用信息技术改造传统过程工业的基本工具和手段。该系统具有强大的过程模拟、分析、优化、设备设计和环境瓶颈等功能,。,ECSS,22,1.7,过程系统工程的应用领域,过程开发初期:可行性研究、概念设计,新厂设计:系统模拟、优化,多快好省,老厂改造:操作寻优、提高效益,管理决策:更加科学、全面(优化排产),培训与教学,:(,在线,”,的生产培训、事故处理、开停车等不宜在实际装置上进行的培训工作;计算机辅助过程系统教育软件,CAI,可用于学校教学的辅助工具,。),(谁来完成?),1.7 过程系统工程的应用领域过程开发初期:可行性研究、概,23,1.8,系统优化的灵敏度分析,灵敏度:响应的变化除以对应的激励变化称为灵敏度,灵敏度分析的必要性,因模型本身的误差和操作条件波动的原因,“最优”目标会发生变化,“最优”不优 “设计裕量”(依据?),案例:操作弹性问题、边界利润、载重问题,化工过程系统灵敏度分析(目标函数,O,,影响因素,Ei,,,i=1.n,),灵敏度系数,:S,i,=,O/,E,i,结论:,灵敏度分析可以确定模型的可靠性、可操作性、安全系数;,其他条件相同的情况下,灵敏度较低的系统为优选,1.8 系统优化的灵敏度分析,24,过程系统工程,的发展趋势,过程系统工程的发展趋势,25,过程系统工程的发展趋势化学供应链,生产运行,分子设计,流程设计,设备设计,控制方案,流通消费,产品合成,过程系统工程的发展趋势化学供应链生产运行分子设计流程设计设,26,分子模拟,乙烯的轨道图像,分子模拟乙烯的轨道图像,27,流程模拟,流程模拟,28,本章小结,系统、系统工程、过程系统工程。(内容、作用及沿革),过程系统工程的有关基本术语,过程系统工程研究的内容,(ASO),和,4,个基本问题(,SDOS,),过程系统工程研究内容的两个案例(单元、系统,),过程系统工程的主要工具,-,过程模拟系统,(组成、分类和用途),过程系统工程的应用,系统优化的灵敏度分析,作业:,1,、过程系统工程的应用及主要工具是什么?,2,、现在的主流化工过程模拟软件有哪些?,3,、从网上下载,Aspen plus,软件,安装之。,本章小结,29,结 束!,结 束!,30,
展开阅读全文