计算机在化学化工中的应用综述

第1讲绪论计算机在化学化工中的应用综述本章内容安排教学资源概述计算机在化学中的应用计算机在化工中的应用计算机在教学中的应用课程安排教学相关1.1教学资源教学网站讨论组课本课本随书盘其他资源1.2计算机的特点高速度高精确度智能性，主要通过软件实现软件的可继承性更新换代快1.3计算机在化学中的应用文字处理图形图像处理实验数据处理插值拟合实验设计实验结果分析图形处理分子模拟药物筛选合成路径选择量子化学计算催化机理研究仪器分析其他图形图像处理插值与拟合-202468101214161820050100150200YX024681005101520YX正交实验设计试验序号溶剂浓度液固比提取时间1040.52061.5308340104.550.341.560.360.570.384.580.310390.743100.764.5110.780.5120.7101.513144.51416315181.5161100.5图形处理分子模拟乙烯的轨道图像仪器分析红外光谱核磁共振二维分子式绘制NNNHNNH2OHOOOHPOOHOHOHOOP131498101712111516756HH1423HHHOOHHHOHHHOHOHHOH三维分子结构-苯三维分子绘制炭疽病毒分子结构DNA结构实验流程绘制1112345678911023456789110温度控制微量泵1112345678911023456789110FI转子流量计微量泵控制系统FI转子流量计水槽1.4计算机在化工中的应用过程模拟稳态模拟动态模拟仿真实习辅助设计过程优化生产管理生产计划生产调度化工数据查询化工计算线性方程组求解非线性方程求解非线性方程组求解CFD计算ComputationalFluidDynamics反应过程传质过程传热过程1.4.1化工过程模拟简介化工过程模拟(亦称流程模拟)技术是以工艺过程的机理模型为基础,采用数学方法来描述化工过程,通过应用计算机辅助计算手段,进行过程物料衡算、热量衡算、设备尺寸估算和能量分析,作出环境和经济评价。该技术使我们能够从整个系统的角度来认识、分析、预测生产中深层次的问题,进行装置调优、流程剖析和过程综合,达到优化生产、节约资源、环境友好、提高经济效益的目的。过程模拟的用途新装置设计旧装置改造新工艺、新流程的开发研究生产过程调优疑难问题诊断仿真培训等过程模拟的内容稳态模拟－连续化工过程的模拟。其特点是参数只随空间变化，不随时间变化。动态模拟－用于解决稳态模拟无法解决的工程问题，同时考虑空间和时间因素。开车方案持液量的计算间歇精馏过程稳态模拟示例稳态模拟的输出－Report稳态模拟的输出－PFD稳态模拟的输出－TowerProfile1稳态模拟的输出－TowerProfile2稳态模拟的输出－TowerProfile3过程稳态模拟实例濮阳化肥厂合成氨装置模拟动态模拟示例：间歇精馏动态模拟示例：间歇精馏操作条件动态模拟的输出结果－Report动态模拟的输出结果－PFD动态模拟的输出结果1动态模拟的输出结果21.4.2过程仿真以仿真机为主要工具，用数学模型描述过程系统动态特性，在仿真机上再现该过程的实时特性，以代替过程系统进行实验和研究。过程仿真的用途辅助培训与教育理论教学实践教学实习教学辅助设计辅助生产辅助研究计算流体力学分子模拟工艺研究1.4.3计算机辅助设计CADCAMCAI工艺流程图氨回收工艺流程图制图牛勇2004.10校核工段合成氨岗位河南大学化学化工学院2001级化工(1)班氨回收比例图号611-R001A/B分子筛干燥器03D004冷凝液罐08D001液氨罐09-K001冰机液氨闪蒸槽弛放气锅炉给水中压蒸汽冷却水冷却水去09-E001冷却水放空烟囱PLFF合成气尾气冷却水10-E00410-C00110-F00210-F00310-E002A/B10-E001A/B/C10-C00210-E00310-E005正常补水线非正常补水线10-C004液氨冷却器10-C001氨气吸收塔10-F002疏水器10-P002A/B贫液循环泵10-C003氨气吸收塔10-E002A/B水冷却器10-F001水汽分离器10-E005塔底再沸器10-E001A/B/C贫富液换热器10-P001加压泵10-C002氨气汽提塔10-E003氨气冷凝器减压阀TPF设备布置图设备图零件图管道布置图三维管道图计算机辅助制造计算机虚拟装配计算机辅助分析和优化设计1.4.4生产管理-生产计划生产计划是企业生产运营优化的核心。通过把集成供应链的思想引入生产计划，企业可以对供应、生产、销售、存储等各环节进行综合优化，以合理配置各种资源，充分发挥企业的生产能力，提高经济效益和社会效益。中药企业生产计划的特点中药企业生产计划应是基于供应链思想的集成的生产计划由人工依靠经验编制生产计划过渡到以数学模型为基础的计算机辅助生产计划中药企业生产计划应为滚动式编制的多周期生产计划中药企业生产计划应充分考虑不确定性对生产计划的影响基于确定性规划的中药企业供应链模型1.目标函数tpktpktpkttQpsPpInINOUTINxf)(maxCFCOCOTCICTCSCPCUCMOUTTAXxfNP)(ttxtxxtQvRxTaxTAX2.周期内系统约束工艺约束市场约束能力约束加工能力约束运输能力约束库存能力约束3.各周期间产品、原料、能源的平衡关系4.指标性约束5.非负约束对各周期末产品、原料、能源库存的约束对各周期可用采购资金的约束不确定条件下的中药企业生产计划模型1.中药企业生产运营中的不确定性产品需求与价格的不确定性原料供应与价格的不确定性能源供应与价格的不确定性运输的不确定性管理、操作人员决策的不确定性……2.不确定性的表达－三角模糊数uUMMUUMMLLMLLdxdxdddxddxdxddddxdxxA010)(dL：最小值；dM：中间值；dU：最大值3.不确定条件下中药企业的供应链模型考虑以下不确定性：产品需求的不确定性产品价格的不确定性原料供应的不确定性原料价格的不确定性该模型是目标函数和约束中都存在模糊数的模型，因而具有普遍意义。目标函数：为第t周期产品p在销售市场k的价格，采用三角模糊数，上标L、M、U表示市场价格的悲观值、可能值、乐观值。CFCOCOTCICTCSCPCUMCNIxfMax~~)(tkptkptkpttQpspPnINI~~~)~,~,~(~UtpkMtpkLtpktpkpPpPpPpPtqtqjtqjttQmbmPmCMC)~(~~为销售收入为原材料采购费用)~,~,~(~UtqjMtqjLtqjtqjmPmPmPmP为第t周期从供应市场j采购原料q的价格，采用三角模糊数，上标L、M、U表示市场价格的悲观值、可能值、乐观值。系统约束工艺约束市场约束MaxtpktpkpsQQps~能力约束MaxtqjtqjmbQQmb~)~,~,~(~MaxUtpkMaxMtpkMaxLtpkMaxtpkpsQpsQpsQpsQ)~,~,~(~MaxUtqjMaxMtqjMaxLtqjMaxtqjmbQmbQmbQmbQ各周期间产品、原料、能源的平衡关系指标性约束非负约束求解策略1.目标函数的清晰化对如下问题：XCZXCZXCZULM321maxmaxmaxXXCZMPIS|max1XXCZLPIS|max2XXCZUPIS|max3定义NISNISNISZZZ321、、为其他两个目标取最优值时目标的较小值。各目标函数的隶属度为：NISiPISiNISiNISiPISiNISiPISiiZXfZXfZZZZXfZXf)(0)()()(1),,min(max321新的目标函数为：2.约束条件的清晰化定义α为资源隶属度，α∈[0，1]。资源隶属度表示了决策者对于模糊资源所采取的冒险程度。较大的α值表示决策者倾向于更加积极的决策以获得更大的利润，较小的α值则表示决策者倾向于更加保守的决策。原市场约束转化为：MaxtpktpkpsQQpsMaxtqjtqjmbQQmbMaxLtpktpkMaxUtpktpkMaxtpkQpspQpsppsQ)1(MaxLtqjtqjMaxUtqjtqjMaxtqjQmbmQmbmmbQ)1(3.模型求解方法使用GlobalSolver求解NLP问题设定MINLP问题额外的目标函数约束是否可行求解MINLP问题放松MINLP问题目标函数约束输出结果确定性规划模糊规划利润(正常值)2,081,4992,031,561利润(悲观值)322,891335,583利润(乐观值)3,980,9383,875,571110.66420.2010.63630.9860.651计算结果确定性规划与模糊规划的结果比较资源隶属度对计划的影响资源隶属度0.10.30.50.70.9NISZ11,759,5911,846,7971,932,7922,021,6322,105,723PISZ11,837,4441,961,5632,081,4992,208,1972,328,267NISZ2275,617299,884317,000339,442359,647PISZ2296,193321,453346,238372,559397,224NISZ33,354,5853,513,9963,670,8983,832,9083,986,550PISZ313,520,8443,756,7693,985,4444,223,5364,451,453利润(正常值)1,813,6051,920,3082,031,5612,149,1002,251,52210.6940.6410.6640.6830.655利润（悲观值）289,205313,570335,583361,717383,67020.660.6350.6360.6730.639利润（乐观值）3,466,6023,666,2323,875,5714,096,1454,286,50930.6740.6270.6510.6740.645),,min(3210.660.6270.6360.6730.639生产计划计划生产量(kg)计划生产量(kg)产品1月2月3月4月5月6月产品1月2月3月4月5月6月甘草105013501450135015501400黄芩200450300200450400茯苓70010509508501050900金银花400300250600300350黄芪550500850700850700陈皮2504005009000400柴胡450500600550700550薏苡仁300350300400450400白芍400500700550700550川芎300350500350450300丹参350750700700900600赤芍250250350300400300当归500500550500600600蒲公英150400300350300250生地450400650500600500山药300200400350400350白术400500650500600500白花舌草250250300300350200党参450300650400400450连翘150300250200300300020004000600080001000012000140001月2月3月4月5月6月计划生产量(Kg)0100