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赵风清电话：1331597336681668388(办公室，319室)81668407（绿色化工与生态材料实验室，443室)邮箱：zhaofq3366@126.com公共邮箱：hgxtgc10@126.com密码：hgxtgc化工系统工程（过程系统工程）PSE(ProcessSystemEngineering)主要参考书1.过程系统工程概论（科大翻印）2.都健.化工过程分析与综合.大连理工大学出版社，20093.杨友麒等.化工过程模拟与优化.北京:化学工业出版社,20064.RuddDF,ProcessSynthesis,19735.LinnhoffB,UserGuideonProcessIntegrationFortheEfficientUseofEnergy,1982,1994从《过程系统工程》中能学到什么?学习(或学完)一门新课时，思考一些问题我能学到什么?(开始)我有什么收获?(学习后)引言序之序(三个问题)课程名称（英文）：ProcessSystemEngineering(PSE)ChemicalSystemEngineering一、化学工程与化工系统工程化学&化工？化学工程&化学工艺？化学与化工N2+3H2—→2NH3化学工程与化学工艺？1.化学工程的发展沿革★20世纪初----20年代，化学工程学科的诞生里程碑－MIT《化工原理》的问世★20世纪30年代－60年代，化学工程学科快速发展里程碑－7个二级学科的诞生（反应工程、分离工程、传递过程、化工热力学、化工单元操作、化工系统工程）学科传统精髓：“三传一反”(?)★20世纪70年代－90年代，化学工程学科大大拓展里程碑－生物化工、材料化工、环境化工、微电子化工等交叉领域的延伸.新发展：三传一反+X★21世纪初，化学工程学科的深化（X)里程碑－时空多尺度化学工程的探索(分子尺度、微观纳米尺度、介观毫米尺度、宏观厘米尺度、设备米尺度、装置十米尺度)；节能减排、降耗；绿色化、集约化；大师语录郭慕孙(1920-2012)，男，广东省潮州市人，中国科学院院士，化工冶金研究所原所长,化学工程专业.沿革--------观念、站位、角度化学工程经过归纳、综合和与其它知识的交叉，形成了以传递和反应为主且还在不断发展的三传一反+X的学识基础.这一学识基础的应用对象已远远超出了化工起家时的化学产品，覆盖了所有物质的物理和化学加工的工艺，将化学工程提升至过程工程。-----郭慕孙引言2.PSE在化学工程与工艺专业课程体系中的地位化学工程与工艺(专业课)反应工程分离工程化工热力学化工系统工程化工工艺学reactorprocessseparationenergySimulationDesignOptimizationProcessSynthesis服务产品原料化工原理3transferOverallPrinciplesofChemicalEngineeringTobediscussedindetail…….引言二、课程特点与面临的困难1、课程特点：全局的观点（与单元操作不同）定性与定量相结合学科交叉（技术、经济、社会，数学、计算机等）；2、教材：“理论与实践”，深度、几届学生的反应及其他3、课时：较少，与其内容与重要性不匹配三、对策建议1、课堂学习---注重方法、了解思想、记好笔记（现有课本、课件为主）2、课下复习---因人而异、适当筛选(参考书：3+2本）3、突出重点、效率优先、学以致用4、关于考试（历届情况、本届的方法:闭卷考试，兼顾平时）（如何使用教材？）第1章绪论★系统★系统工程★过程系统工程★过程系统工程的有关基本术语★过程系统工程主要研究内容★过程系统工程研究的四个基本问题（具体化）★化工系统工程的主要技术手段与工具★过程系统工程的应用★过程系统工程的发展前景什么是系统?1.1系统涵义：一定条件下完成一定功能或实现一定目的，由若干互相联系、互相影响的部分要素组成的整体。如灌溉系统（水泵、管路、喷嘴）、精馏系统、计算机系统、国家、家庭……。系统（考察对象）大小的相对性：小系统、大系统。哲学观点：所谓系统就是由相互作用的要素组成的具有特定结构、功能的有机整体。系统＝f(组成要素，结构，功能）系统之特点，就是系统在整体上具有其组成部分所没有的性质，这就是系统的整体性。什么是系统工程?1.2系统工程从小时候就学习系统工程了！系统工程定义：从全局的观点出发，用定量和定性相结合的方法，从技术、经济、社会的角度，对一个系统作全面的模拟、分析、评价、优化和控制（常见）。研究内容：研究解决系统问题的方法，而不是讨论构成系统的基本单元的基本原理、规律和特性。系统工程与钱学森二战时的运筹学，1950年代MIT开设《系统工程》课程1978年9月27日钱学森等在《文汇报》发表了《组织管理的技术——系统工程》“两弹一星”钱老关于“综合集成”的思想、方法的提出，要比国外领先10年左右。综合集成技术MetasyntheticEngineering是从整体上考虑并解决问题的方法。胡锦涛：“您这个理论强调，在处理复杂问题时一定要注意从整体上加以把握，统筹考虑各方面因素，这很有创见。现在我们强调科学发展，就是注重统筹兼顾，注重全面协调可持续发展。”什么是过程系统工程?1.3过程系统工程过程系统：为达到某种物质和能量转换目的，而由过程单元按一定结构关系构成的统一体称为过程系统。是以物流为加工对象的、区别于机械加工生产“元件”的系统。（化工、冶金、水泥、合成氨、炼油、材料等）过程系统工程：是系统工程的一个分支，其研究历史晚于系统工程，把系统工程的一套研究方法、观点、思路应用到过程系统的模拟、评价、优化、合成等问题上，形成了过程系统工程学。是将化学工程、应用数学、将计算机软件、过程控制的理论与技术集成的学科。（较教材p1上更准确）过程系统不仅仅指传统的化工过程系统，它涵盖了整个这一类型的过程网络，如化工、冶金、材料、生化、医药的生产过程。(拓展:经营/管理和决策)过程系统工程与其它学科的关系化工原理、化工热力学物理化学、传递过程分离工程、反应工程运筹学数值计算与应用数学计算机科学过程控制技术基本数学模型模型求解手段系统优化工具软硬件支持在线优化保证化工系统工程过程系统工程的核心思想过程系统工程的核心思想全局优化优化的单元设备优化的系统反应器分离塔器加热炉机泵+优化的过程系统？操作费用环境影响？经济效益过程系统创新！关键：如何通过优化的单元构筑优化的系统？过程系统工程的产生与发展沿革●20世纪初，过程系统开发一般采用逐步放大法。从小实验开始，经过许多的中间试验才形成工业规模的生产,费时、费力、费财。●30年代：“相似”原理。借助一系列“准数”用相似模拟的方法实现过程单元的放大问题．半经验方法-数学模拟放大的方法（建立在对机理了解基础上进行合理简化)而得到的数学模型，但未能达到真正实用的阶段（计算手段限制）。●1946年，随着世界上第一台电子计算机的发明以及应用数学理论、方法的发展，为数学模拟提供了良好的工具。●50年代起，非线性方程组的求解及最优化已不再成为障碍。而化学工程本身的深入发展，“三传一反”的归纳，使化学工程学的理论研究达到了空前的水平，利用数学模型实现高倍数放大成为现实。●70-80年代,电子计算机技术进步,过程系统工程应运而生：着眼于对整体工艺系统的模拟、优化、设汁、控制，产生了综合运用多学科研究成果的过程系统工程学:涉及化学工程、系统工程、应用数学、过程控制论等学科的边缘科学。同时,形成了一大批化工过程模拟软件。(范例：80年代台北的黄华南：乙烯裂解、石油炼制等几十套工艺优化，p6丙烯二聚法生产异戊二烯，直接放大17000倍)●国内知名专家：成思危（原副委员长）、陈丙珍院士、扬友麒、韩方煜教授等1.4过程系统工程的部分常用术语（p5）（1）系统（system)：一定条件下完成一定功能或实现一定目的，由若干互相联系、互相影响的部分要素组成的整体（前已述及）。（2）子系统(subsystem)：也是系统，相对于原系统而言是子系统。（3）环境(environment)：研究某种问题时所考虑的系统以外的部分即视作环境。（4）过程、化工过程(process)：使物料发生物理的、化学的变化的一系列操作或处理步骤，或物料被加工的一段经历称为过程。（5）过程系统(processsystem)以物流为加工对象的、区别于机械加工生产“元件”的系统。例如化工、石油化工、冶金、造纸、水泥等等制造系统。过程系统的原料变化通常不仅仅是外形尺寸的变化。（6）状态、系统状态(state)对过程系统而言，其状态通常指温度、压力（压强）、流量、液位（界面高度）、组成、相态等宏观指标。（7）决策变量、设计变量、状态变量系统的决策变量及设计变量（decisionvariable）是指可人为选择或控制，用以改变系统状态的变量。决策变量的个数称为自由度其选择往往受到一定约束条件(热力学，动力学或过程、设备条件)的限制。状态变量（statevariable）是当决策变量或设计变量给定后，由于过程本身的物理规律所限而被确定、无法人为改变的量。（8）系统的输入量（input）与输出量（output）系统数学模型中涉及许多描述系统特性的变量。变量中有些是已知的或选定的、有些是未知的或待定的。数学模拟的过程就是利用模型由选定的量计算出待定的量，或说由模型的输入量计算出模型的输出量。通常模型的输入量也对应着决策变量或设计变量，输出量也对应着状态量。（9）过程模拟(processsimulation)用表示系统内各装置特性的数学模型(物料平衡、热量平衡、热力学平衡和设备设计方程等)以及表示各装置间结合关系的数学式，表示过程系统的特性，然后求解。（10）过程模拟系统（ProcessSimulationSystem）又称工艺流程模拟系统，指的是一种计算机辅助工艺设计软件，这种软件接受有关化工流程的输入信息，进行对过程开发、设计或操作有用的系统分析计算。1.5过程系统工程基本任务与内容任务：充分利用化工生产涉及的基本规律改进实际生产过程，以达到在化工生产的规划设计、操作运行、控制管理、采购与销售的各个环节合理化、最优化的目的，提高化工装置的生产效率和经济效益。内容：主要包括系统分析、系统综合和系统优化三部分,简称ASO。系统分析是对指定的系统结构与参数，描述或确定系统的状态与功能。通常是给定系统特性和系统输入，预测系统的状态和系统输出。系统分析一般又含下述三方面内容：（1）系统分解：将复杂大系统分解为若干较简单的子系统。（2）建立模型：建立描述各子系统输入输出关系的模型，一般为数学表达式。模型一般分为过程单元模型、系统结构模型和技术经济模型等几类。（3）系统模拟：根据系统分解的结果，按照系统的结构将诸子系统联接，进行计算，模拟或预测整个系统的状态与功能。过程系统分析示意图给定的过程系统指定输入待求输出系统综合（系统合成，processsyntheses）：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）。过程系统合成示意图待综合的过程系统指定输入要求或期望的输出系统综合（系统合成，processsyntheses）系统最优化（processoptimization，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。参数优化：确定的流程，对参数进行优选，以使某些指标最优。结构优化：改变系统中设备的类型和相互间的联接，使某些指标最优。系统最优化（processoptimization）结束！