化工系统工程-第一章 绪论_精品.ppt

基本单元特性 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 * 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 * 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？ * 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。 参数的不确定性的主要原因 * 对已经完成的最优化计算结果进行灵敏度分析，考察各种参数的不确定性对目标函数的影响，并按照给定的灵敏度要求，定量地计算出应当留出的设计裕量。 根据灵敏度分析还可以对部分设备结构参数和操作参数进行调先设计出灵敏度比较低的系统，减少参数变化对系统特性的影响。 根据灵敏度分析设计出来的系统能够保证优化计算所产生的经济效益，而且具有较强的适应参数变化或环境变化的能力。 灵敏度分析的必要性 * 灵敏度是指系统特性对参数的灵敏度，当参数变化时，引起系统特性变化的大小。 如：系统特性(如利润)J，一般可以表示为状态变量X，操作变量U和参数△ξ的函数： 参数的变化为△ξ ，所引起J的变化为△J， J对参数ξ的 灵敏度S可表示为 * 灵敏度 * 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。 * 生产规划是对原料与产品的供销等情况作出预测和规划。 生产管理则是通过对生产过程系统的分析找出薄弱环节进行挖潜改造。 最优控制可分为定常最优控制和动态最优控制两种。 生产规划和生产管理 * 定常最优控制对定常系统，计算出实际条件下的最优操作条件，据此重新设定控制系统的目标值以保证系统处于真正的最优状态； 动态最优控制对非常系统，如间歇操作，连续操作的开车和停车等情况，寻求目标函数达到最优的控制即为动态最优控制。 定常最优控制和动态最优控制 * 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。 模型实验 原型 * (2)数学模拟：用数学方法来模拟一个实际系统(或过程)，研究各个参数之间的定量关系。 它包括系统数学模型的建立和模型求解两个方面。改变参变量进行计算，就可以了解到系统在不同条件下的各种行为，就好象对该系统作各种条件试