化工系统工程-第一章 绪论.pptVIP

发展历史 第二次世界大战期间，由于军事上的需要产生了运筹学。 新武器系统的研制，资源的开发利用，工业、农业和交通运输的发展都必需把其组成部门看成是一个彼此有机联系在一起的“系统”。 从整个系统的角度周密考虑系统内各个组成部门相互间的制约关系才能使整个系统有效地、协调地工作。 70年代，随着计算机的进一步发展，可以把几十个单元放在一起考虑，同时由于化学工程基础理论的成熟和数学模型化方法的普遍应用，化工系统工程才有了较大的发展。 现在，化工系统工程虽然还不成熟，但这门学科在化工过程的开发和设计，现有工厂的技术改造等方面所起的作用已经愈来愈大了。 系统模拟已成功地用子若干需大量重复建造的大型化工装置，如合成氨、乙烯等装置。 1.1 化工过程系统的基本概念 化工过程：是将原料进行一系列化学和物理的处理，生产出预期的产品，并获得了附加价值的过程。 系统：是由相互联系、相互作用的若干组成部分结合成的具有特定功能的总机体。 化工系统：化工生产过程的各个部分是相互影响密切联系在一起的。按一定目的组织起来的化工单元过程所构成的化工生产过程整体就称为化工过程系统，简称化工系统。 化工系统的性质 （1）化工系统的阶层性和相对性 化工系统是一个庞大、复杂的系统。主要表现在系统的变量数很多，描述这些变量之间关系的方程组庞大；变量之间的相互交联强，且大多为非线性关系。例如由四个精馏塔、一个吸收塔和一个反应器组成的轻烃回收装置，描述该系统的非线性方程有2000多个。 为了更好地丁解化工系统的复杂性，可分析一下组成化工系统的基本单元的特性以及各单元之间连接关系(即系统结构)的特性。 基本单元特性 化工系统结构特性 系统结构是指组成系统的各子系统(或基本单元)的连接方式。 它和基本单元的特性一起决定了整个系统的特性。 化工系统的复杂性还在于系统具有许多不确定因素。 例如原料成分的变化，催化剂活性随时间的变化，换热器中的传热系数的变化以及冷却水进口温度的变化等等。 任何系统无论怎样复杂，五种结构形式 1.2 化工系统工程的主要内容 化工系统工程是应用系统工程的方法来解决化工系统的最优规划、最优设计和最优操作问题 (1)对于现有系统(系统结构及单元设备均已知)进行系统分析； (2)对有待设计的系统进行系统的合成； (3)实现过程系统的最优操作。 1.2.2 化工系统分析 在系统已经给定的情况下根据系统的结构及各子系统的特性，通过过程模拟来推测整个系统的特性，分析各单元过程的设备结构参数和操作参数对系统整体的影响，考察系统在不同条件下的技术经济性能。 1.2.2 化工系统合成 系统合成是在系统特性已经给定的条件下，确定能够实现这特性的全部子系统的特性以及它们之间的连结方式。 1.2.3 灵敏度分析 通过系统合成得到的化工最优系统带有各种不确定性。模型中各参数的不确定性，操作参数的不确定性，乃至模型本身的误差等等。 所有这些不确定性都可能使得原来求出的“最优”变得不再是最优的了。 变化程度如何？ 影响多大? 为了补偿这种影响，可以采取什么措施？ 1.2.4 化工系统的最优操作 由于原料的变动、价格的变动、产品需要的变动和过程特性的变动等因素，化工系统不可能始终保持在原来的最优设计状态下操作。必须根据实际情况，通过调节操作变量，使系统处于最优操作状态。 采用最优管理和最优控制手段。 最优管理包括生产规划和生产管理两方面内容。 1.3 数学模拟方法 (1) 模拟法：通过研究一种类型的系统(或过程)，达到探索另一种类型的系统(或过程)规律的目的称为模拟法。它不是对过程直接进行研究，而是用另一种相似的过程作为媒介，是一种间接的方法。 这种相似的过程在模拟法里称之为模型。 模拟法是对模型进行实验而去寻找原型过程的规律。 各种化工系统虽然各不相同，但其基本单元是反应器、精馏塔、吸收塔、萃取器、混合器、换热器等单元设备。 化学反应、传质、传热和动量传递等过程。 这些过程同时发生相互交联，描述这些过程的数学模型大多是非线性的。 化工系统 局部最优：子系统必须在系统约束条件下进行自身优化，称为。 整体最优:整个系统的优化 子系统的局部最优的简单加和不等于整体的最优 整体最优时，其组成的各子系统必定是最优的。 （3） 化工系统的整体性 参数测定存在着实验误差。 在装置的运行过程中，参数会发生一定的变化。比如，原料组成的改变，俏化剂失活造成的反应速率常数的变化。 在化工单元和化工系统的设计中，为了补偿各种不确定性的影响，往往不得不将单元设备及装置的生产能力留出“设计裕量”，也就是通常所说的给设计计算的结果乘以一定的“安全系数” 。 设计人员由于对设计对象性能的掌握缺乏信心而不得不选取过大的安全系数从而不可避免地造成投资费及操作费的浪费。 参数的不确定