1、Review of last lecture 系統(tǒng)系統(tǒng): 系統(tǒng)工程系統(tǒng)工程（觀點、方法、角度（觀點、方法、角度SAEOC) 過程系統(tǒng)工程過程系統(tǒng)工程: （內(nèi)容、作用及沿革）（內(nèi)容、作用及沿革）過程系統(tǒng)工程的有關(guān)基本術(shù)語過程系統(tǒng)工程的有關(guān)基本術(shù)語 系統(tǒng)系統(tǒng)/環(huán)境環(huán)境/決策變量決策變量/狀態(tài)變量狀態(tài)變量/過程模擬過程模擬/過程模擬系過程模擬系統(tǒng)統(tǒng)過程系統(tǒng)工程基本任務(wù)與內(nèi)容過程系統(tǒng)工程基本任務(wù)與內(nèi)容 基本任務(wù)基本任務(wù):化工生產(chǎn)各環(huán)節(jié)化工生產(chǎn)各環(huán)節(jié)(規(guī)劃設(shè)計、操作運行、控制管規(guī)劃設(shè)計、操作運行、控制管 理、采購與銷售理、采購與銷售)的優(yōu)化解決技術(shù)經(jīng)濟決策的優(yōu)化解決技術(shù)經(jīng)濟決策問題）問題）; 內(nèi)容內(nèi)容:

2、 ASO 系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析過程系統(tǒng)工程：把系統(tǒng)工程的一套過程系統(tǒng)工程：把系統(tǒng)工程的一套研究方法、觀點、思路應(yīng)用到過程研究方法、觀點、思路應(yīng)用到過程系統(tǒng)的模擬、評價、優(yōu)化、合成等系統(tǒng)的模擬、評價、優(yōu)化、合成等問題上，形成了過程系統(tǒng)工程學(xué)。問題上，形成了過程系統(tǒng)工程學(xué)。是將化學(xué)工程、應(yīng)用數(shù)學(xué)、將計算是將化學(xué)工程、應(yīng)用數(shù)學(xué)、將計算機軟件、過程控制的理論與技術(shù)集機軟件、過程控制的理論與技術(shù)集成的學(xué)科。成的學(xué)科。 系統(tǒng)綜合系統(tǒng)合成是在給定系統(tǒng)的任務(wù)或目標亦即確定了系統(tǒng)功能的條件下，尋求或選擇各子系統(tǒng)的功能特性及其組合方式以實現(xiàn)預(yù)定的系統(tǒng)功能和目標合成氨）。 系統(tǒng)最優(yōu)化也稱做運籌學(xué)方法是近幾十年形成的，它

3、主要運用數(shù)學(xué)方法研究各種系統(tǒng)的優(yōu)化途徑及方案，為決策者提供科學(xué)決策的依據(jù)。最優(yōu)化方法的主要研究對象:各種有組織系統(tǒng)的管理問題及其生產(chǎn)經(jīng)營活動。最優(yōu)化方法的目的:對所研究的系統(tǒng)，求得一個合理設(shè)計工藝參數(shù)或運用人力、物力和財力的最佳方案，發(fā)揮和提高系統(tǒng)的效能及效益，最終達到系統(tǒng)的最優(yōu)目標。 過程系統(tǒng)工程要解決的基本問題：操作問題、設(shè)計型問題、操作優(yōu)化和過程合成SDOS）-簡稱四個基本問題。合成氨工藝流程合成氨工藝流程1.5 化工系統(tǒng)工程解決的基本問題案例化工系統(tǒng)工程解決的基本問題案例1）-1.5.1 精餾單元系統(tǒng)) 1.5.1.1 過程單元模擬分析與設(shè)計過程單元模擬分析與設(shè)計 定義：在確定過程系統(tǒng)

4、的結(jié)構(gòu)及其子系統(tǒng)的前提下，通過數(shù)學(xué)模擬的方法，推測特定系統(tǒng)的特性，確定各部位的信息和/或總體技術(shù)經(jīng)濟指標的方法為過程系統(tǒng)模擬分析。 設(shè)計型？R，Ntt，D or W1.5.1.2 過程單元優(yōu)化與綜合過程單元優(yōu)化與綜合 1.4.4 過程系統(tǒng)的優(yōu)化與合成過程系統(tǒng)的優(yōu)化與合成一類是對確定過程系統(tǒng)的優(yōu)化，通一類是對確定過程系統(tǒng)的優(yōu)化，通常是求取能使過程系統(tǒng)的目標函數(shù)極常是求取能使過程系統(tǒng)的目標函數(shù)極小或極大最佳決策變量的值，通小或極大最佳決策變量的值，通常稱為過程系統(tǒng)的優(yōu)化；常稱為過程系統(tǒng)的優(yōu)化；J總費用）總費用）=操作費用操作費用+折舊設(shè)備折舊設(shè)備？）？）（一般，簡化的決策變量為（一般，簡化的決策變

5、量為R，P）綜合綜合? 1.5.2 化工系統(tǒng)工程研究的基本問題案例化工系統(tǒng)工程研究的基本問題案例2）-乙烯氧化制環(huán)氧乙烷反應(yīng)乙烯氧化制環(huán)氧乙烷反應(yīng)- -吸收系統(tǒng)吸收系統(tǒng) 1.5.2.1 乙烯氧化法制環(huán)氧乙烷工藝流程乙烯氧化法制環(huán)氧乙烷工藝流程 混合器反應(yīng)器分離器分割器X1X0X2X3X5X6X4uSPSP-設(shè)計規(guī)定 u-分割比1.5.2.2 模擬問題獲取系統(tǒng)的應(yīng)答特性系統(tǒng)分析）模擬問題獲取系統(tǒng)的應(yīng)答特性系統(tǒng)分析）混合器反應(yīng)器分離器分割器X1X0X2X3X5X6X4u 已知系統(tǒng)的輸入X0、過程參數(shù)u、4個單元特性及系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，求系統(tǒng)的輸出狀態(tài)以及系統(tǒng)中其他所有流股的信息。1.5.2.3 設(shè)計

6、型問題設(shè)計型問題混合器反應(yīng)器分離器分割器X1X0X2X3X5X6X4uSP 已知系統(tǒng)的輸入X0、4個單元特性及系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，求滿足某個設(shè)計規(guī)定(SP=4%)的條件下，系統(tǒng)的輸出、系統(tǒng)中其他所有流股的信息以及設(shè)計規(guī)定相對應(yīng)的過程參數(shù)u。1.5.2.4 優(yōu)化問題優(yōu)化問題混合器反應(yīng)器T分離器分割器X1X0X2X3X5X6X4u 已知系統(tǒng)的輸入、系統(tǒng)特性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，求優(yōu)化目標函數(shù)極值已知系統(tǒng)的輸入、系統(tǒng)特性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，求優(yōu)化目標函數(shù)極值比如優(yōu)化的目標為目的產(chǎn)物的利潤最大以及此時的決策變量如反比如優(yōu)化的目標為目的產(chǎn)物的利潤最大以及此時的決策變量如反應(yīng)器的溫度和分割比的數(shù)值。應(yīng)器的溫度和分割比的數(shù)值。1

7、.5.3 合成問題系統(tǒng)綜合）合成問題系統(tǒng)綜合） 已知輸入用什么原料）、輸出制什么產(chǎn)品），求為達到生產(chǎn)目的在某個目標函數(shù)下的最佳工藝流程。可以用下圖描述過程合成系統(tǒng)。原料產(chǎn)品?原料？?？產(chǎn)品?Aspen-plus ,ProcessPro-II), Micro-chess, ECSS 過程合成的提出：1968，Rudd美）在給定系統(tǒng)的任務(wù)或目標亦在給定系統(tǒng)的任務(wù)或目標亦即確定了系統(tǒng)功能的條件下，即確定了系統(tǒng)功能的條件下，尋求或選擇各子系統(tǒng)的功能尋求或選擇各子系統(tǒng)的功能特性及其組合方式以實現(xiàn)預(yù)特性及其組合方式以實現(xiàn)預(yù)定的系統(tǒng)功能和目標。定的系統(tǒng)功能和目標。過程系統(tǒng)工程的技術(shù)手段和工具是過程系統(tǒng)工程的

8、技術(shù)手段和工具是？1.6 化工系統(tǒng)工程的主要技術(shù)手段與工具化工系統(tǒng)工程的主要技術(shù)手段與工具 主要內(nèi)容主要內(nèi)容:系統(tǒng)分析的任務(wù)在于描述或預(yù)測系統(tǒng)的特性系統(tǒng)分析的任務(wù)在于描述或預(yù)測系統(tǒng)的特性;系統(tǒng)綜合系統(tǒng)綜合是指確定化工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的過程是指確定化工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的過程;而系統(tǒng)優(yōu)化是為了以最佳的方式實而系統(tǒng)優(yōu)化是為了以最佳的方式實現(xiàn)系統(tǒng)的目標或功能，是全部工作的最終目的。（化工系統(tǒng)工程現(xiàn)系統(tǒng)的目標或功能，是全部工作的最終目的。（化工系統(tǒng)工程的核心是最優(yōu)化）的核心是最優(yōu)化） 如何實現(xiàn)如何實現(xiàn)?(手工計算手工計算?計算尺計算尺?計算器計算器? Or.)1.6.1化工流程模擬系統(tǒng)或流程模擬系統(tǒng)）化工流程模擬系統(tǒng)或

9、流程模擬系統(tǒng)）-軟件軟件 化工過程模擬程序系統(tǒng)常簡稱為流程模擬軟件化工過程模擬程序系統(tǒng)常簡稱為流程模擬軟件(chemical engineering simulation system )，它是一種綜合性計算機程序，它是一種綜合性計算機程序系統(tǒng)，用于單元過程以及由這些單元過程所組成的整個化工過程系統(tǒng)，用于單元過程以及由這些單元過程所組成的整個化工過程系統(tǒng)的模擬計算。系統(tǒng)的模擬計算。合成流程合成流程 工藝參數(shù)優(yōu)化工藝參數(shù)優(yōu)化 脫除瓶頸脫除瓶頸研究某些設(shè)計問題或操作模擬分析研究某些設(shè)計問題或操作模擬分析 進行參數(shù)靈敏度分析進行參數(shù)靈敏度分析 PSE的主要任務(wù)？的主要任務(wù)？1.6.2 1.6.2 歷

10、史沿革、現(xiàn)狀與前景歷史沿革、現(xiàn)狀與前景 19581958年年,Flexible Flowsheeting,Flexible FlowsheetingKellogg,Kellogg,合成氨，第一個合成氨，第一個化工模擬程序）化工模擬程序） 6060年代，化工過程模擬的初始發(fā)展期。年代，化工過程模擬的初始發(fā)展期。PACERPACERPurdue Purdue university)university) CHESSMicro-CHESS (Houstn university) CHESSMicro-CHESS (Houstn university)待待 （第一代）（第一代） 7070年代，化工過程

11、模擬的成長壯大期。模擬軟件的開發(fā)，研年代，化工過程模擬的成長壯大期。模擬軟件的開發(fā)，研制走向?qū)I(yè)化，商業(yè)化。從過去的分散在大學(xué)和各個煉油、石化制走向?qū)I(yè)化，商業(yè)化。從過去的分散在大學(xué)和各個煉油、石化公向轉(zhuǎn)向由專門的化工軟件公司進行。模擬計算的準確性、可靠公向轉(zhuǎn)向由專門的化工軟件公司進行。模擬計算的準確性、可靠性大大加強，應(yīng)用范圍不斷拓寬，功能愈益豐富，使用越來越方性大大加強，應(yīng)用范圍不斷拓寬，功能愈益豐富，使用越來越方便，并且涌現(xiàn)了一批著名的、影響廣泛的商業(yè)化軟件。如：便，并且涌現(xiàn)了一批著名的、影響廣泛的商業(yè)化軟件。如：MonsantoMonsanto的的FlowtranFlowtran第二代

12、）第二代） 8080年代開始，化工模擬的深入發(fā)展期。是化工模擬的深入發(fā)年代開始，化工模擬的深入發(fā)展期。是化工模擬的深入發(fā)展期；最主要的特點是從展期；最主要的特點是從“離線走向離線走向“在線在線”，從穩(wěn)態(tài)模擬發(fā)，從穩(wěn)態(tài)模擬發(fā)展到動態(tài)模擬和實時優(yōu)化，從單純的穩(wěn)態(tài)計算發(fā)展到和工業(yè)裝置展到動態(tài)模擬和實時優(yōu)化，從單純的穩(wěn)態(tài)計算發(fā)展到和工業(yè)裝置緊密相連。國外不少公司已將著名的軟件等定為企業(yè)標淮。如美緊密相連。國外不少公司已將著名的軟件等定為企業(yè)標淮。如美國的國的Aspen PLUS, Aspen PLUS, 加拿大加拿大HYSIM,PROCESS PROHYSIM,PROCESS PRO （第三代）（第三

13、代） 8080年代末，年代末，AspenTechAspenTech公司率先推出了動態(tài)模擬軟件公司率先推出了動態(tài)模擬軟件Speed UpSpeed Up。壟斷局面正在形成1990年以來，以Aspen Tech公司為代表，形成了以Aspen Technology Inc., Simulation Science Inc., Hyprotech Inc.（新近被Aspen收購）, Honeywell Inc.等幾大公司控制全球化工過程模擬軟件市場的局面。 產(chǎn)品系列化和系統(tǒng)集成技術(shù)迅速發(fā)展產(chǎn)品系列化。以Aspen Tech公司為例，該公司共有43項產(chǎn)品，其中用于設(shè)計的17項，用于操作的16項，用于管理

14、的有19項(有重疊)。通用性和專門化的流程模擬、先進控制和過程優(yōu)化軟件 1.6.3 流程模擬軟件的分類流程模擬軟件的分類操作狀態(tài)：操作狀態(tài)： 穩(wěn)態(tài)模擬系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬系統(tǒng) 動態(tài)模擬系統(tǒng)動態(tài)模擬系統(tǒng)適應(yīng)性：適應(yīng)性： 通用模擬系統(tǒng)：模擬不同類型的工廠和過程通用模擬系統(tǒng)：模擬不同類型的工廠和過程 專用模擬系統(tǒng)：專門的過程系統(tǒng)專用模擬系統(tǒng)：專門的過程系統(tǒng) 程序結(jié)構(gòu)：程序結(jié)構(gòu)： 固定結(jié)構(gòu)：固定結(jié)構(gòu)：“千篇一律千篇一律”，用戶提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，給，用戶提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，給定計算次序定計算次序 靈活結(jié)構(gòu)：根據(jù)需要載入實際需要的模塊，或自動靈活結(jié)構(gòu)：根據(jù)需要載入實際需要的模塊，或自動生成生成其他分類方法：見教材其他分類方

15、法：見教材p6-7 1.6.4 流程模擬軟件的組成流程模擬軟件的組成輸入輸出模塊輸入輸出模塊單元模塊單元模塊物性數(shù)據(jù)庫物性數(shù)據(jù)庫算法子程序塊算法子程序塊單元設(shè)備估算模塊單元設(shè)備估算模塊成本估算成本估算經(jīng)濟評價模塊經(jīng)濟評價模塊主控模塊主控模塊 其他其他 （用戶自編）（用戶自編）過程系統(tǒng)模擬的基本結(jié)構(gòu)管理系統(tǒng)主控模塊單元過程模塊 物性數(shù)據(jù)庫熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫 輸入模塊 輸出模塊 優(yōu)化方法庫經(jīng)濟分析模塊 計算方法庫1.6.6 幾種主要商業(yè)化流程模擬軟件幾種主要商業(yè)化流程模擬軟件 Aspen Plus，Hysys：美國：美國AspenTech公司公司 PRO/II：美國：美國SimSci-Esscor公司公

16、司 gPROMS：英國：英國PSE公司公司 ChemCAD：美國：美國Chemstations公司公司 ECSS：青島科技大學(xué)：青島科技大學(xué) （國內(nèi)）（國內(nèi)） Aspen Plus 大型通用流程模擬系統(tǒng)大型通用流程模擬系統(tǒng): MIT,第三代流程模擬第三代流程模擬軟件。該項目稱為軟件。該項目稱為“過程工程的先進系統(tǒng)過程工程的先進系統(tǒng)”（Advanced System for Process Engineering，簡，簡稱稱ASPEN），并于），并于1981年底完成。年底完成。1982年為了年為了將其商品化，成立了將其商品化，成立了AspenTech公司，并稱之為公司，并稱之為Aspen Plu

17、s。該軟件經(jīng)過。該軟件經(jīng)過20多年來不斷地改進、多年來不斷地改進、擴充和提高，已先后推出了十多個版本，成為擴充和提高，已先后推出了十多個版本，成為舉世公認的標準大型流程模擬軟件，應(yīng)用案例舉世公認的標準大型流程模擬軟件，應(yīng)用案例數(shù)以百萬計。數(shù)以百萬計。 PRO/II 大型通用流程模擬系統(tǒng)大型通用流程模擬系統(tǒng):前身前身PROCESS (SIMSCI) 。適用于油氣加工、煉油、化工、化。適用于油氣加工、煉油、化工、化學(xué)、工程和建筑、聚合物、精細化工、制藥等學(xué)、工程和建筑、聚合物、精細化工、制藥等行業(yè)，主要用來模擬設(shè)計新工藝、評估改變的行業(yè)，主要用來模擬設(shè)計新工藝、評估改變的裝置配置、改進現(xiàn)有裝置、依

18、據(jù)環(huán)境規(guī)則進行裝置配置、改進現(xiàn)有裝置、依據(jù)環(huán)境規(guī)則進行評估和證明、消除裝置工藝瓶頸、優(yōu)化和改進評估和證明、消除裝置工藝瓶頸、優(yōu)化和改進裝置產(chǎn)量和效益等。裝置產(chǎn)量和效益等。 ECSS ECSS化工之星。青島科技大學(xué)，國家科技進步化工之星。青島科技大學(xué)，國家科技進步二等獎。屬信息技術(shù)在過程工業(yè)應(yīng)用的高新技術(shù)二等獎。屬信息技術(shù)在過程工業(yè)應(yīng)用的高新技術(shù)成果?？蓮V泛用于過程研究開發(fā)、過程設(shè)計、裝成果?？蓮V泛用于過程研究開發(fā)、過程設(shè)計、裝置而模擬與優(yōu)化、過程去瓶頸分析和裝置擴產(chǎn)節(jié)置而模擬與優(yōu)化、過程去瓶頸分析和裝置擴產(chǎn)節(jié)能挖潛改造等，是利用信息技術(shù)改造傳統(tǒng)過程工能挖潛改造等，是利用信息技術(shù)改造傳統(tǒng)過程工業(yè)

19、的基本工具和手段。該系統(tǒng)具有強大的過程模業(yè)的基本工具和手段。該系統(tǒng)具有強大的過程模擬、分析、優(yōu)化、設(shè)備設(shè)計和環(huán)境瓶頸等功能。擬、分析、優(yōu)化、設(shè)備設(shè)計和環(huán)境瓶頸等功能。 1.7 過程系統(tǒng)工程的應(yīng)用領(lǐng)域過程系統(tǒng)工程的應(yīng)用領(lǐng)域過程開發(fā)初期：可行性研究、概念設(shè)計過程開發(fā)初期：可行性研究、概念設(shè)計新廠設(shè)計：系統(tǒng)模擬、優(yōu)化，多快好省新廠設(shè)計：系統(tǒng)模擬、優(yōu)化，多快好省老廠改造：操作尋優(yōu)、提高效益老廠改造：操作尋優(yōu)、提高效益管理決策：更加科學(xué)、全面優(yōu)化排產(chǎn)）管理決策：更加科學(xué)、全面優(yōu)化排產(chǎn)）培訓(xùn)與教學(xué)：（培訓(xùn)與教學(xué)：（在線的生產(chǎn)培訓(xùn)、事故處理、開停車等不宜在實際在線的生產(chǎn)培訓(xùn)、事故處理、開停車等不宜在實際裝置上進行的培訓(xùn)工作；計算機輔助過程系統(tǒng)教育軟件裝置上進行的培訓(xùn)工作；計算機輔助過程系統(tǒng)教育軟件CAI可用于學(xué)校教可用于學(xué)校教學(xué)的輔助工具。）學(xué)的輔助工具。） （誰來完成？）（誰來完成？）1.8 系統(tǒng)優(yōu)化的靈敏度分析系統(tǒng)優(yōu)化的靈敏度分析靈敏度：響應(yīng)的變化除以對應(yīng)的激勵變化稱為靈敏靈敏度：響應(yīng)的變化除以對應(yīng)的激勵變化稱為靈敏度度靈敏度分析的必要性靈敏度分析的必要性 因模型本身的誤差和操作條件波動的原因，因模型本身的誤差和操作條件波動的原因，“最最優(yōu)目標會發(fā)生變化優(yōu)目標會發(fā)生變化“最優(yōu)最優(yōu)” 不優(yōu)不優(yōu) “設(shè)計裕量設(shè)計裕量” （根據(jù)？（根據(jù)？）案例：案例： 操作彈性問題、邊界利潤、載重問