1、第一章作業(yè)一： 1 化工過程系統(tǒng)工程的基本任務和內(nèi)容是什么？ 2 什么是化工過程？主要包括哪些過程？ 3 化工過程系統(tǒng)工程的基本內(nèi)容是什么？ 4 什么是化工過程的系統(tǒng)模擬？能解決哪些問題？如何 建立一個模擬系統(tǒng)？ 5 什么是化工過程的系統(tǒng)分析？能解決哪些問題？ 6 什么是化工過程的系統(tǒng)合成？能解決哪些問題？ 7 化工過程的系統(tǒng)合成主要包括哪些過程？ 8 什么是CIMS和CIPS？ 9 間歇過程的設計與操作優(yōu)化能解決哪些問題？ 10 學好化工系統(tǒng)工程對你解決問題能有什么幫助？,1 化工過程系統(tǒng)工程的基本任務和內(nèi)容是什么？ 基本內(nèi)容：從化工系統(tǒng)的整體目標出發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部各個組成部分的特性及其相互

2、關系，確定化工系統(tǒng)在規(guī)劃、設計、控制和管理等方面的最優(yōu)策略。 把系統(tǒng)工程的思想、方法用于解決化工過程系統(tǒng)的設計、開發(fā)、操作、控制等問題。在一定的限制條件下，根據(jù)輸入及輸出要求，尋求整體性能最優(yōu)的過程系統(tǒng)。,2 什么是化工過程？主要包括哪些過程？ 化工過程是以天然物料為原料，經(jīng)過物理或化學加工制成產(chǎn)品的過程。 包括：原料制備、化學反應、產(chǎn)品分離等過程。 3 系統(tǒng)模擬的三種基本方法 序貫模塊法；面向（聯(lián)立）方程法；聯(lián)立模塊法單元 單元模塊：對每一類化工單元設備均編制一計算機子程序，該子程序包含了相應的模型方程和模型求解程序。單元模塊對同一類設備具有通用性和單向性。,4 什么是化工過程的系統(tǒng)模擬？能

3、解決哪些問題？如何建立一個模擬系統(tǒng)？ 過程系統(tǒng)數(shù)學模擬：是指建立過程系統(tǒng)的數(shù)學模型或描述模型并在計算機上加以體現(xiàn)和試驗。 穩(wěn)態(tài)模型：過程對象主要研究的參數(shù)不隨時間的變化而變化，如物料及能量平衡模型，涉及代數(shù)方程組，應用廣泛。 解決的問題：物料衡算；熱量衡算；設備尺寸和費用計算；技術經(jīng)濟評價。 動態(tài)模型：考慮過程對象主要研究的參數(shù)隨時間的變化而變化，反映過程在外部干擾作用下，引起的不穩(wěn)定過程或者開、停車過程；或某些間歇操作過程，時間是一個主要自變量，數(shù)學上是常微分方程組問題。 模擬系統(tǒng)的組成 輸入、輸出系統(tǒng)、單元操作模塊庫、物性數(shù)據(jù)庫；數(shù)值解算模擬庫；執(zhí)行系統(tǒng)。,5 什么是化工過程的系統(tǒng)分析？能

4、解決哪些問題？ 對于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其中子系統(tǒng)均已給定的現(xiàn)有系統(tǒng)進行分析，即建立各子系統(tǒng)的數(shù)學模型，按照給定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行整個系統(tǒng)的數(shù)學模擬，預測在不同條件下系統(tǒng)的特性和行為，借以發(fā)現(xiàn)其薄弱環(huán)節(jié)并加以改進。 主要是分析過程系統(tǒng)的運行機制、影響因素、過程模型的數(shù)學描述、目標函數(shù)的建立、優(yōu)惠工況下的最佳操作參數(shù)。 什么是化工過程的系統(tǒng)合成？能解決哪些問題？ 按照規(guī)定的系統(tǒng)特性，尋求所需的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其各子系統(tǒng)的性能，并使系統(tǒng)按規(guī)定的目標進行最優(yōu)組合。,7 化工過程的系統(tǒng)合成主要包括哪些過程？ 反應路徑的合成；換熱器網(wǎng)絡的合成；分離序列的合成；反應器網(wǎng)絡的合成；全流程的合成；公用工程系統(tǒng)的合成；過程系統(tǒng)能量

5、集成 什么是CIMS和CIPS？ CIMS (Computer Integrated Manufacturing System)計算機集成制造系統(tǒng)：通過計算機硬、軟件，綜合運用現(xiàn)代管理技術、制造技術、信息技術、自動化技術、系統(tǒng)工程技術，將企業(yè)生產(chǎn)活動中有關的人、技術經(jīng)營三要素及其信息流、物質(zhì)流有機集成為實施優(yōu)化運作的大系統(tǒng)，形成CIMS。 Computer Integrated Process System 以CIPS的概念和方法組織過程生產(chǎn)企業(yè)的運作環(huán)節(jié)，包括生產(chǎn)控制、調(diào)度、管理、經(jīng)營決策、市場分析、新產(chǎn)品設計及研究開發(fā)，直到銷售和售后服務、用戶意見反饋，形成以市場為驅(qū)動、全局優(yōu)化的企業(yè)系統(tǒng)

6、。,9 間歇過程的設計與操作優(yōu)化能解決哪些問題？ 研究內(nèi)容 減小操作循環(huán)周期，提高生產(chǎn)率； 提高各批量生產(chǎn)的重復性以提高產(chǎn)品質(zhì)量； 合理利用原料、能源和設備以降低成本； 提高適應性以應付產(chǎn)品規(guī)格及原料配方等的變化。,第二章、第三章,自由度、過程矩陣、事件矩陣、鄰接（相鄰）矩陣、環(huán)路（回路）矩陣、關聯(lián)矩陣 不相關子系統(tǒng)的識別、單元串（通路）搜索法、鄰接（相鄰）矩陣法、Lee-Rudd斷裂法、基哈特裂解法、雙層圖法,、 為加熱爐；為反應器；為換熱器；為蒸餾塔；為分離器；為冷凝器。,過程矩陣,單元編號 相關流股 1 1 -2 2 2 -3 3 3 8 -4 -13 4 4 7 11 -9 -5 5

7、5 -6 6 6 -8 -7 7 10 -11 -12 8 9 -10 過 程 矩 陣,不相關子系統(tǒng)的識別,（1）列出事件（關聯(lián)）矩陣S,Sij=,1，變量xj存在于方程fi中 0，變量xj不存在于方程fi中,（2）找出非零元素最多的列，k=3,（3）k列元素值為零行保留；元素為1的行用布爾加法 合并,（4）重復第（2）步，找出非零元素最多的列，k=2或k=4 再重復第三步,該矩陣每列只含1個非零元素，說明此時各行間沒有共同的變量，每行對應了1個不相關的子系統(tǒng)，即子系統(tǒng)：,作業(yè)二：,1用通路搜索法分隔下列流程圖:,( 1 ),1 1,2,1,-(1,2) L1,2 L1,3,4,L1-(L1,

8、3,4) L2,3 L2,5,6,7,6-L1,5,(6,7) L3,2 用相鄰矩陣方法分割上述流程圖,相鄰矩陣:,步驟： 除掉“一步循環(huán)回路”指由一節(jié)點經(jīng)其輸出流股又直接回到 該 節(jié)點，也稱“自身回路”（主對角線元素為1）。該例中沒有“一步循環(huán)回路”。 除掉沒有輸入流股的節(jié)點。鄰接矩陣中只含零元素的列（第8 列),把該節(jié)點排在計算順序表中的最前面。（除掉對應的列和行，把節(jié)點8由系統(tǒng)中除去）,(12) 3 4 5 (67),12 3 4 5 67,R=,0 1 0 0 0,0 0 1 0 0,1 0 0 1 0,0 0 0 0 1,0 0 0 0 0,除掉沒有輸出流股的節(jié)點。鄰接矩陣中只含零元

9、素的行（第67 列), 把該節(jié)點排在計算順序表中的最后面。（除掉對應的行和列，把節(jié)點（67）由系統(tǒng)中除去），除去節(jié)點5，排在（67）前,(12) 3 4,12 3 4,R=,0 1 0,0 0 1,1 0 0,(12) 3 4,R3=,1 0 0,0 1 0,0 0 1,1 1,2,3,4,2-1,(2,3,4) L1,2 1,L1,5,6,L1-1,(L1,5,6) L2,3 1,L2,7,相鄰矩陣:,1 2 3 4 5 6 7,0 0 0 0 0 0 0,除去1列1行，節(jié)點1列順序表中最前面，除去7行7列，節(jié)點7列順序表中最后面。,2 3 4 5 6,2 3 4 5 6,R3=,1 0 0

10、 1 0,0 1 0 0 1,0 0 1 1 0,0 0 1 0 0,1 0 0 1 0,3 用相鄰矩陣表示下列方程,并畫出有向的信息流程圖 f1(x1,x2,x6)=0 f2(x3,x5)=0 f3(x1,x5)=0 f4(x2,x6)=0 f5(x1,x4,x5)=0 f6(x1,x3,x6)=0,第一步: 其事件矩陣為:,第二步: 把該事件矩陣轉(zhuǎn)換成相鄰矩陣,首先確定每一方程的“輸出變量”。所謂“輸出變量”是指用該方程式及其中的其它變量可以解出的變量, 輸出變量可代入有關的方程式中,達到各方程之間的聯(lián)通。 確定各方程式的輸出變量,要使一個方程只有一個輸出變量, 而一個輸出變量只對應一個方

11、程,方法如下:,x1 x2 x3 x4 x5 x6,1 1 0 0 0 1,0 0 1 0 1 0,1 0 0 0 1 0,0 1 0 0 0 1,1 0 0 1 1 0,1 0 1 0 0 1,f1,f2,f3,f4,f5,f6,4 2 2 1 3 3,3,對本例得到的各方程的輸出變量為: f1 - x1 f2 - x3 f3 - x5 f4 - x2 f5 - x4 f6 - x6,5)把每一個方程作為一個節(jié)點, 各方程的輸出變量xi作為信息流,如果方程fi的輸出變量xk 在方程fj中出現(xiàn),則相鄰矩陣中的元素rij=1;否則,rij=0。 對本例:,f1 f2 f3 f4 f5 f6,0

12、0 1 0 1 1,0 0 0 0 0 1,0 1 0 0 1 0,1 0 0 0 0 0,0 0 0 0 0 0,1 0 0 1 0 0,f1,f2,f3,f4,f5,f6,六個方程的有向圖為:,Lee-Rudd 斷裂法,目標: 斷裂流股數(shù)目最少, 把一最大循環(huán)網(wǎng)包含的所有環(huán)路打開, 如,定義環(huán)(回)路矩陣(cycle matrix):,環(huán)路矩陣的元素定義如下: cij=1 如果物流sj在環(huán)i之內(nèi)； cij=0 如果物流sj不在環(huán)i之內(nèi)。 矩陣中f: 流路頻率,某一流股出現(xiàn)在各環(huán)路的次數(shù),數(shù)值上等于矩陣中每一列上非零元素的代數(shù)和。 矩陣中R: 環(huán)路的秩(cycle rank),某一環(huán)路的流股

13、總數(shù)。,物流切斷方法:,第一步: 除去不獨立的列K,如果fjfk,并且如 果Cik=1則Cij=1,那么K列不是獨立的,為j列所包含。 例如:s1,s3 s2,切斷s2相當于切斷s1和s3 s5,s6 s4,則除去s5,s6; s8 s7,除去s8。 根據(jù)步驟1,原環(huán)路矩陣變?yōu)?,第二步:剩下的獨立列構(gòu)成的環(huán)路矩陣中,再除去秩為1的行中非零元素所在列,該列即為切斷流股,斷裂流股s2,s7,則A,B,C,D環(huán)路皆被斷裂開。從矩陣中除去s2,s7列及A,B,C,D行,因無環(huán)路留下,斷裂流股的選擇結(jié)束。若仍有環(huán)路存在則重復步驟一、二。,求解順序: 假設s2, s7流股的所有變量,則計算單元次序如下:1,4,3,5,2。,作業(yè)三： 用基哈特裂解法分割下面的子系統(tǒng):,計算過程表:,結(jié)論一：第一步斷裂流股6，第二步斷裂流股8，計算順序：5,1,4,2,6,7,8,3,結(jié)論二：第一步斷裂流股6，第二步斷裂流股9，計算順序：5,1,4,2,7,8,3,6,結(jié)論三：第一步斷裂流股6，第二步斷裂流股10，計算順序：5,1,4,2,8,3,6,7,結(jié)論四：第一步斷裂流股6，第二步斷裂流股11，計算順序：5,1,4,2,3,6,7,8,雙層圖斷裂法例題,描述該過程的方程為,混合槽：,總物料衡算,組分物料衡算,反應器：,總物料衡算,組分物料衡算