过程系统工程 PSE (Process System Engineering)

1. 过程系统工程PSE (Process System Engineering) 张冰剑 (020)8411 3731 zhbingj@mail.sysu.edu.cn

2. 教材 “十一五”国家重点图书 过程系统工程 主编：姚平经 2009年6月 华东理工大学出版社

3. 参考书 （1）杨友麒，《实用化工系统工程》，化学工业出版社，1989 （2）杨冀宏，麻德贤，《过程系统工程导论》，烃加工出版社，1989 （3）姚平经，《化工过程系统工程》，大连理工大学出版社，1992 (第一版) （4）姚平经，《全过程系统能量优化综合》（大连理工大学教授学术丛书，95卷），大连理工大学出版社, 1995 （5）Rudd D F, Process Synthesis, 1973 （6）Linnhoff B, User Guide on Process Integration For the Efficient Use of Energy, 1982, 1994 （7）Douglas J M, Conceptual Design of Chemical Processes, 1988

4. 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? 我有什么收获? 未来的影响

5. 绪 论 过程系统工程

6. 主要内容 • 什么是过程系统工程？ • 过程系统工程层次结构和任务 • 过程系统工程的核心思想 • 过程系统工程的工具 • 过程系统工程的发展趋势 • 课程安排

7. 第一部分 什么是过程系统工程?

8. 什么是过程工业？ 过程工业(Process Industry)也称流程工业，通常是指通过物理变化和化学变化进行的生产过程，其原料和产品多为均一相（固、液或气体）的物料，而非由零部件组装成的物品。其产品质量多由纯度和各种物理、化学性质表征。化工、炼油、冶金、轻工、建材等行业均属过程工业。 过程系统(Process System)

9. 过程工业的特点 • 现代过程工业愈来愈注重于物料、能量的综合利用。多次循环复杂网络系统。过程工业向高效、节能、洁净型发展。 • 过程系统模型为具有高度非线性的代数、微分(偏、常微分)方程混合组成的数学模型，模型中包含大量的过程参数和高维状态变量，且高度交联、耦合。 • 现代过程工业操作可调、工艺灵活、产品多样、控制系统化的特点。

10. 什么是系统？ 由相互联系、相互作用的若干“构成要素”组成的具有特定功能的有机整体。 系统＝f (组成要素，结构，功能，环境）

11. 2008年9月28日 从系统工程到过程系统工程 • 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》。 • 过程系统工程: 1960年代, 单元过程的优化到系统优化, 过程系统的模拟、放大、设计与控制。

12. 什么是过程系统工程（1） “如何选择优化了的单元设备及其间的联结关系来组成一个化工过程系统，从给定的原料生产一定的产品，在最少的总费用和最小的环境污染条件下安全地生产，并在运行中采取和保持最优的操作条件”。 Westerberg, A.W., Computer-assisted process and control engineering. In Frontiers in Chemical Engineering--Research needs and opportunities. National Academy Press, Washington DC, 1988: 135

13. 什么是过程系统工程（2） -- 化 学 ----------化学工程学 ------系统科学 -- -分子--分子簇--颗粒--界面—多相系统--单元--过程--系统----- 过程系统工程 化学、化学工程学和系统科学的交叉融合 依据化学和工程原理，引入系统论、信息论、控制论，研究产品设计、过程设计和化工生产系统的规律，扩展和创新模型化理论、优化算法和控制策略。 科学问题 技术问题 揭示化工过程 和系统的规律 调控过程系统的特性

14. 过程系统工程是一个交叉学科 • 化学工程学 • 信息论 • 控制论 • 应用数学 • 运筹学 • …

15. 第二部分 过程系统工程层次结构和任务

16. 硬件技术系统 软件技术系统 管理 定常生产 集成信息系统 控制 营销 运营营销 集成ERP 运行 投资 再生产 集成设计 设计 过程系统层次结构

17. 过程系统工程的三大任务 • 过程模拟和分析 • 过程优化 • 过程综合 目前，研究的热点已经从静态的设计优化转移到动态的运行优化，或者设计－运行联合优化。

18. (1) 过程系统模拟 (Simulation) 单元模拟：如分馏、换热和闪蒸等 流程模拟：如炼油工业装置流程模拟，化工流程模拟等

19. (2) 过程系统优化 (Optimization) 参数优化：如温度、压力和流量等 结构优化：设备类型、设备更新、设备间的联结等

20. 待综合的过程系统 (3) 过程系统综合 (Synthesis) 给定的或可选择的输入 所要求的或希望的输出 过程系统综合的主要课题： （a） 反应路径的综合 （b）反应器网络综合 （c） 换热器网络综合 （d）分离序列综合 （e） 公用工程系统综合 （f） 控制系统综合 （g） 全流程系统综合 （h）过程系统能量、质量集成

21. 综合方法： (a) 直观推断法 (Heuristic) (b) 调优法 (Evolutionary) (c) 分解法 (Decomposition) (d) 结构参数法 (Structural parameter approach) (e) 人工智能 (Artificial intelligence)

22. 第三部分 过程系统工程的核心思想

23. 过程系统工程的核心思想 • 全局(系统) • 优化

24. 关键：如何通过优化的单元构筑优化的系统？ 过程系统创新！

25. 第四部分 过程系统工程的工具

26. 过程系统工程的主要工具 • 流程模拟软件 • 通用建模语言 • 求解器

27. 流程模拟和分析工具 Aspen Plus (AspenTech)、PRO/II (SIMSCI) Aspen Plus(Aspen One)，PRO/II，流程模拟软件，炼油厂流程模型化和模拟的工具，包括物性库、多种热力学模型、化工单元过程模型，如分馏、混合、传热等，能够模型炼油厂各主要生产装置。

28. Petro-SIM (KBC) Petro-SIM是基于HYSYS.Refinery的一个多功能的图解式流程模拟模型。它将KBC专有的Profimatics技术和工业化证明成熟的工艺相结合，更好地为炼油厂和石化厂建立单元优化和生产计划模型，使炼油化工厂利润达到最大化。

29. 过程系统建模和分析工具 GAMS、LINGO 过程建模和求解工具，提供可视化的模型界面，标准化的数学语言，可求解大型数学规划模型，如线性规划、混合整数规划和非线性规划。

30. PIMS (AspenTech) PIMS是基于线性规划，为炼油厂建立生产计划模型的软件，包括原油切割优化，调和优化等，使炼油化工厂利润达到最大化。

31. 第五部分 过程系统工程的发展趋势

32. 分子设计 产品合成 流程设计 设备设计 控制方案 生产运行 流通消费 过程系统工程的发展趋势－化学供应链

33. 课程内容安排 1 2 • 过程模拟与分析 • 单元过程及模型化 • 模拟方法 • 模拟工具和软件 • 最优化方法 • 线性规划 • 混合整数线性规划 • 非线性规划 3 • 过程合成 • 反应器合成 • 分离过程合成 • 换热网络合成

34. 结 束！