搜索
绪论1.1化工过程1.2化工过程生产操作控制1.3化工过程的分析与合成1.4化工过程模拟系统1.5化工企业CIPS技术1.6人工智能技术在化工过程中的应用1.7本教材的目的与内容课程背景•二战后，化工高等教育出现了两大流派和倾向。•西方发达国家，随着化工热力学、传递过程原理、反应工程与化工系统工程知识的系统化、理论化，突出了化学工程科学分类知识的教育，对工程师面对的实际问题反而注意不够•在前苏联和东欧各国，则出现了专业划分过细，所培养的高级人才缺乏生命力的落后局面。•在我国，一方面由于受前苏联的影响，专业划分过细，人才适应能力差的问题早已暴露无遗；•另一方面，化学工程专业又因循西方的模式，过分强调学科性，忽视化学工程与技术问题的综合性与实践性。•工程师的基本任务和能力就是综合，工程师的创造性也主要通过综合来体现。反应B+C精馏ABB反应分离CEC+DDC•实际工业过程与假想过程的差异由乙烯直接水合连续生产乙醇：由于原料中的杂质以及所发生的副反应等，实际工业过程往往比假想过程复杂很多。假想过程实际过程过程客观事物从一个状态到另一个状态的转移。在工艺生产上，对物料流进行物理或化学的加工工艺称作过程工艺。化工过程冶金过程石油炼制过程医药生产过程化工过程是以天然物料为原料经过物理或化学的加工制成产品的过程。原料制备化学反应产品分离化学的单元过程包括合成、氧化、加氢、裂解、电解质溶液反应等单元过程由被处理的物料流联接起来，构成化工过程生产工艺流程•化学反应过程•换热过程•分离过程化学反应过程──化工过程的核心部分•催化反应过程•热裂解反应过程•电解质溶液离子反应过程•生化反应过程•…...催化反应过程•合成反应：合成氨、合成甲醇等的反应过程；•氧化反应：萘氧化制苯酐、乙烯氧化制环氧乙烯等的反应过程；•脱氢反应：乙苯脱氢制苯乙烯的反应过程；•裂化反应：重质油催化裂化制轻质油的反应过程；•烷基化反应：乙烯与苯的烷基化制乙苯的反应过程；•加氢裂化反应：正庚烷加氢裂化制丙烷和丁烷的反应过程热裂解反应过程•煤干馏生成焦碳、煤焦油、焦炉煤气的反应过程；•轻油裂解制乙烯的反应过程电解质溶液反应过程各种无机盐生产以及氨碱法制碱的反应过程生物化学反应过程发酵法生产氨基酸、有机醇、酮等的反应过程换热过程•换热器与换热物流构成了换热网络•合理的设计，能充分回收过程系统中的热量或冷量•以最大限度的节能、经济的设备投资、良好的操作适应性为目标，实现最佳的换热网络设计，是化工过程系统综合研究的一项典型的事例。分离过程•非均一系气固相分离：沉降、过滤、湿法除尘、电除尘液固相分离：过滤、干燥、沉降•均一系气相分离：吸附、吸收、膜分离液相分离：蒸馏与精馏、蒸发、结晶、气提、萃取、膜分离等化工过程生产操作控制•化工过程生产操作工况的调节，主要是对物料流温度、压力、流量、液位、组成等操作参数的调节早期过程控制技术（40-50年代）•特点：采用基地式控制仪表实施单输入、单输出的简单回路控制•控制目标：保持生产工况平稳•出现了单元组合式控制仪表，从简单控制回路发展了串级、前馈补偿等控制系统优点：特点为各个控制回路都是相互独立的当某一控制回路出现故障时，不致影响其他回路的正常工作，系统的可靠性易于得到保障缺点：对于规模范围较大被控参数较多的对象来说，较多的控制回路需要相应设置较多的硬件。分散控制，难于实现总体优化的控制方案。60年代化工过程向着大型化、连续化发展要求检测、控制的生产操作参数数量很多，并需要更优良的控制质量计算机应用迅速的渗入各个领域，过程控制也开始了应用计算机的尝试优点：计算机用于化工过程控制，可以把各个控制回路的运算、控制、显示都集中于计算机来实现这种集中控制可以大大的节省硬件成本，便于同时分析各个控制回路的信息，为实现全系统的优化控制提供了条件缺点：一旦发生计算机故障则将出现全控制系统瘫痪的危险70年代--DistributedControlSystem随着化工装置规模的增大，被控对象参数，控制回路的增多，为了满足对工业控制计算机应具备高度可靠性和灵活性的要求把计算机技术、控制技术、通讯技术、图像显示技术等集成为一体化的计算机控制系统集散系统吸取了分散系统和集中系统两者的优点集散系统（DCS）的优点•集：管理、操作、CRT三方面的集中•散：功能分散、负荷分散和危险分散•克服了分散系统难于实现全局系统控制的缺点•克服了集中系统的危险集中DCS的产品美国Honeywell公司的TDC-3000Foxboro公司的SPECTRUMFisher公司的PROVOXBailey公司的NETWORK90Taylor公司的MOD-300日本横河公司的CENTUMDCS的发展前景向扩大应用覆盖面方向发展向管控一体化方向发展产品向开放化和标准化方向发展向现场总线技术发展化工过程的分析与合成60年代初，在化学工程、系统工程、运筹学、数值计算方法、过程控制论等学科边缘，产生了过程系统工程，也称化工过程系统工程任务:以系统工程的思想、方法，解决化工过程系统的设计、开发、操作、控制等问题，──系统工程的分析与合成实施化工过程分析、合成的手段是运算描述过程系统的数学模型，这种模型的运算称作化工过程系统模拟分析分析是在思想中把事物分解为各个属性，部分，方面合成综合是在思想中把事物的各个属性，部分，方面结合起来两者彼此相反而又相互联系分析与综合贯穿于思维的整个过程只有对事物内部矛盾的各个方面进行具体分析，再综合起来把握其矛盾的总体，才能真正深入到事物的本质，把握事物发展的规律化工过程系统的分析主要是分析过程系统的运行机制、影响因素、过程模型的数学描述、目标函数的建立、优惠工况下的最佳操作参数目标是使决择方案，技术上先进、可行，经济上优越、合理对于操作工况的分析也就是通常说的生产操作调优化工过程系统的合成包括：反应路径合成；换热网络合成；分离序列合成；过程控制系统合成；解决由各个单元过程合成总体过程系统的任务由于化工过程系统的复杂性，这类优化问题常是具有非线性、奇异、有约束、多极值等现象，近年来出现的模拟退火法和进化算法化工过程模拟系统本世纪初期，由实验室到中间厂逐级放大的经验办法30年代，以相似论为基础得出准数方程的办法。建立数学模型的模拟放大法50年代后期，数学模拟。基本上解决了大部分单元过程的开发放大问题化工流程稳态模拟系统特点：模型中不包括时间参数，即把过程中的各种因素都看成是不随时间而变化的在大规模连续化的工艺流程中，稳态是不存在的稳态模拟是对动态过程到达平稳状态的一种简化处理，这种处理是很必要的稳态模拟系统的发展第一代（50--60年代）美国Kellogg公司的FLEXIBLEFLOWSHEET，美国Houston大学开发的CHESS（ChemicalEngineeringSimulationSystem）第二代（70年代）美国Monsanto公司开发的FLOWTRAN美国Braun公司开发的PF10（ProcessFlow）日本千代田工程公司开发的CAPES（ComputerAidedProcessEngineeringSystem）第三代（1981）ASPEN(AdvancedSystemofProcessEngineering)化工流程动态模拟系统许多的动态过程不允许简化处理为稳态过程间歇过程：装料、开车、反应、停车、卸料连续过程：开车、停车、事故处理动态模拟系统的发展第一代（70年代）1969年加拿大McMaster大学开发的DYNSYS美国杜邦公司开发的DYFLO美国Michigan大学开发了DYSCO日本千代田化工建设公司开发了DOPL第二代（70--80年代）美国的鲁姆斯公司将动态模拟技术用于进行系统可行性分析、先进控制系统方案设计日本的一些大型化工建设工程公司将动态模拟技术用于进行新建大型化工厂工艺及控制系统的设计第三代（1981）由动态模拟技术衍生出用于培训工人的模拟培训器（SimulationControlCo.,AutodynamicsCo.,AtlanticSimulationInc）化工企业CIPS技术化工过程分析与合成的任务是以高产、优质、低耗为目标，寻求工艺生产中的设备、流程的合理配置方案以及最优生产工况的操作在生产实践中人们认识到，寻求化工过程优惠工况依据不仅来自工艺过程本身，而必须遵循的根本性依据是企业的经营决策为实现企业最佳经营、生产决策的手段是当代的CIMS技术ComputerIntegratedManufacturingSystem1974年美国JosephHarrington博士在《ComputerIntegratedManufacturing》一书中首次提出通过计算机硬、软件综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，将企业生产中有关的人、技术、经营管理三要素及其信息流、物质流有机集成为实施优化运作的大系统EnterpriseResourcePlanning•企业拥有卓越的销售人员，但生产线上的工人却无法如期交货，车间管理人员则抱怨说采购部门没有及时供应他们所需要的原料；•采购部门的效率过高，仓库里囤积的某些材料10年都用不完，仓库库位饱和，资金周转很慢；•ManufacturingResourcesPlanning•未来两年我国ERP产品市场达一百亿元。ComputerIntegratedProcessSystem化工、石化企业,特别是一些特种化学品、精细化工产品的生产企业，要求新产品开发周期短、上市快;并要求生产工艺装备是具有适应多种产品的柔性系统以CIPS的概念和方法组织过程生产企业的运作环节，包括生产控制、调度、管理、经营决策、市场分析、新产品设计及研究开发，直到销售和售后服务、用户意见反馈等，形成以市场驱动、全局优化的企业系统，收到了显著的经济效益CIPS的应用日本三井石油化学公司实施CIPS，预计库存量可减少30%，生产周期可缩短30%，成品油产量可增加10%，管理效率可提高20%当前发达国家的大型化工、石化公司几乎都处在对CIPS的实施、研究阶段国内的一些企业联合着高校和科学院所正在积极开展CIPS的建设，如齐鲁石化胜利炼油厂、沧州大化集团、大庆石化总厂等人工技术在化工过程中的应用各种化工过程系统基本上都可用数学模型描述。但由于实际化工过程的复杂性，还有许多现象具有离散的、非数值的、模糊的、不确定的特性，对这类对象建立数学模型非常困难一般：由技术专家凭籍他们的专业技术和经验来解决。缺点：对不同的专家，解决办法可能有差异人工智能技术的引用，为解决这类问题辟出了新径人工智能的发展和应用•基于DataMining技术，发现人所不能发现或者忽略的现象•Beer&Diaper•弹子机•ScienceFiction:终结者人工智能技术宏观模拟从人在思维时的心理活动出发。分析、研究人是如何运用知识、逻辑而解释问题的，从而掌握人脑的逻辑思维规律运用计算机模拟这个过程，选出与人的思维过程相一致的结果，这就是专家系统微观模拟是从人脑的生理结构出发，模拟人脑在思维过程中的生理活动，从而得出和人脑思维过程相一致的结果这种模拟包括建立神经元（脑细胞）模型，以及它们相互间传递信息的网络结构模型。这就是人工神经网络ExPertSystem关键组成是知识库与推理机制，适用于求解非数值的，不确定的或模糊的问题70年代中期以前多属于解释型和诊断型。70年代后期出现了设计型、规划型、控制型等其它类型的专家系统1965年美国斯坦褔大学研制出可根据化合物分子式及其质谱数据来推断分子结构的计算机程序系统DENDRAL1974年开发成功的用于诊断和治疗感染性疾病的MYCIN1976年开发成功用于找矿的PROSPECTORES在化工过程中的应用反应路径的综合：SYNCHEM换热网络综合：HEATEX过程流程综合：PIP过程控制系统综合：CASEArtificalNeuralNetworks近年来人工神经网络的应用无论在广度上还是深度上都取得了迅速发展，应用领域涉及医学、国防、运输、通讯、工业生产、电子、航空