系统工程过程系统工程1课件.pptx

1、主要参考书1.1.过程系统工程概论（科大翻印，前几届学生用）过程系统工程概论（科大翻印，前几届学生用）2.2.杨冀宏等杨冀宏等.过程系统工程导论过程系统工程导论.北京：烃加工出版社，北京：烃加工出版社，1989 1989 3.3.杨友麒等杨友麒等.化工过程模拟与优化化工过程模拟与优化.北京北京:化学工业出版社化学工业出版社,2006,20064.4.杨友麟杨友麟.实用化工系统工程实用化工系统工程.北京：化学工业出版社，北京：化学工业出版社，198919895.Rudd D F,Process Synthesis,19736.Linnhoff B,User Guide on Process In

2、tegration For the Efficient Use of Energy,1982,19947.Douglas J M,Conceptual Design of Chemical Processes,1988从过程系统工程中能学到什么?学习学习(或学完或学完)一门新课时，思考一些问题一门新课时，思考一些问题我有什么收获?未来的影响引言引言课程名称（英文）：课程名称（英文）：Process System Engineering(PSE)Process System Engineering(PSE)Chemical System Engineering Chemical System E

3、ngineering 一、化学工程与化工系统工程一、化学工程与化工系统工程化学化学&化工？化工？化学工程化学工程&化学化学工艺？工艺？1.1.化学工程的发展简史化学工程的发展简史 2020世纪初世纪初 -20-20年代，化学工程学科的诞生年代，化学工程学科的诞生 里程碑里程碑MITMIT化工原理化工原理的问世的问世 2020世纪世纪3030年代年代 6060年代，化学工程学科快速发展年代，化学工程学科快速发展 里程碑里程碑7 7个二级学科的诞生（反应工程、分离工程、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、化工系统传递过程、化工热力学、化工单元操作、化工系统 工

4、程）工程）学科传统精髓：学科传统精髓：“三传一反三传一反”(?)20 20世纪世纪7070年代年代9090年代，化学工程学科大大拓展年代，化学工程学科大大拓展 里程碑里程碑生物化工、材料化工、环境化工、微电子生物化工、材料化工、环境化工、微电子 化工等交叉领域的延伸化工等交叉领域的延伸.新发展：新发展：三传一反三传一反+X 21 21世纪初，化学工程学科的深化（世纪初，化学工程学科的深化（X)里程碑里程碑时空多尺度化学工程的探索时空多尺度化学工程的探索(分子尺度、微分子尺度、微 观纳米尺度、介观毫米尺度、宏观厘米尺度、设备观纳米尺度、介观毫米尺度、宏观厘米尺度、设备 米尺度、装置十米尺度米尺度

5、、装置十米尺度)大师语录大师语录郭慕孙郭慕孙(1920-)，男，广东省潮州市人，中国科学院院士，男，广东省潮州市人，中国科学院院士，化工冶金研究所化工冶金研究所 名誉所长名誉所长,化学工程专业化学工程专业.化学工程经过归纳、综合和与其它知识的交叉，形成了以化学工程经过归纳、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传递和反应为主且还在不断发展的三传一反三传一反+X+X的学识基础的学识基础.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，产品，覆盖了所有物质的物理和化学加工的工艺，

6、将将化化学工程提升至过程工程学工程提升至过程工程。-郭慕孙郭慕孙引言引言2.PSE2.PSE在在化学工程与工艺化学工程与工艺专业课程体系中的地位专业课程体系中的地位 化学化学工程与工艺工程与工艺(专业课专业课)反应工程反应工程分离工程分离工程化工热力学化工热力学化工系统工程化工系统工程化工工艺学化工工艺学reactorprocessseparationenergySimulationDesignOptimizationProcess Synthesis 服务服务产品产品原料原料化工原理化工原理3 transferOverallPrinciples of Chemical Engineering

7、 To be discussed in detail.引言引言二、课程特点与面临的困难二、课程特点与面临的困难 1、课程特点：、课程特点：全局的观点（与单元操作不同）全局的观点（与单元操作不同）定性与定量相结合定性与定量相结合 学科交叉（技术、经济、社会，数学、计算机等）；学科交叉（技术、经济、社会，数学、计算机等）；2、教材：、教材：“理论与实践理论与实践”，深度、两届学生的反应及其他，深度、两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、课时：较少，与其内容与重要性不匹配三、对策三、对策 1、课堂学习、课堂学习-注重方法、了解思想、记好笔记（现有课本、课件为主）注重方法、了解

8、思想、记好笔记（现有课本、课件为主）2、课下复习、课下复习-因人而异、适当筛选因人而异、适当筛选(参考书：参考书：4+3本）本）3、突出重点、效率优先、学以致用、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、关于考试（历届情况、本届的方法:闭卷考试分数为主，兼顾平时）闭卷考试分数为主，兼顾平时）（如何使用教材？）（如何使用教材？）第第1 1章章 绪论绪论 系统系统 系统工程系统工程 过程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主要研究内容 过程系统工程研究的四个基本问题（具体化）过程系统工程研究的四个基

9、本问题（具体化）过程系统工程的应用过程系统工程的应用 系统优化的灵敏度分析系统优化的灵敏度分析什么是系统?1.1 系统系统 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、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。灌溉系统（水泵、管路、喷嘴）、互相影响的部分要素组成的整体。灌溉系统（水泵、管路、喷嘴）、精馏系统、计算机系统。系统（考察对象）大小的相对性：小系统、精馏系统、计算机系统。系统（考察对象）大小的相对性：小系统、大系统。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、功哲学观点：所谓系统就是由相互作用的要素组

10、成的具有特定结构、功能的有机整体。能的有机整体。系统系统f f(组成要素，结构，功能，环境）组成要素，结构，功能，环境）什么是系统工程?1.2 系统工程系统工程 系统工程是系统工程是“组织、管理系统的规划、研究、制造、试验、使组织、管理系统的规划、研究、制造、试验、使用的科学方法，是一种对用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义所有系统都具有普遍意义的科学方法的科学方法”。-钱学森钱学森定义定义：从全局的观点出发，用定量和定性相结合的方法，从技术、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、优化经济、社会的角度，对一个系统作全面

11、的模拟、分析、评价、优化和控制（常见）和控制（常见）。研究内容研究内容：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、规律和特性基本单元的基本原理、规律和特性。l二战时的运筹学，二战时的运筹学，19501950年年代代MITMIT开设开设系统工程系统工程课程课程l19781978年年9 9月月2727日钱学森等日钱学森等在在文汇报文汇报发表了发表了组组织管理的技术织管理的技术系统工系统工程程 l“两弹一星两弹一星”2008年9月28日什么是过程系统工程?1.3 过程系统工程过程系统工程 过程系统过程系统：为达到某种：为达到某种物质和

12、能量转换目的物质和能量转换目的，而由过程单元按一定，而由过程单元按一定 结构关结构关系构成的统一体称为过程系统。是系构成的统一体称为过程系统。是以物流为加工对象的、区别于机械加工以物流为加工对象的、区别于机械加工生产生产“元件元件”的系统。的系统。（化工、冶金、（化工、冶金、水泥、合成氨、炼油、水泥、合成氨、炼油、材料等）材料等）过程系统工程：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，是系统工程的一个分支，其研究历史晚于系统工程，把系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

13、上，形成了过程系统工程学。是将化学工程、应用数学、将、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计算机软件、过程控制的理论与技术集成的学科。（较教材。（较教材p1p1上更准确）上更准确）过程系统过程系统不仅仅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。程网络，如化工、冶金、材料、生化、医药的生产过程。(拓展拓展:经营经营/管理管理和决策和决策)过程系统工程是一个交叉学科o 化学工程学o 信息论o 控制论o 应用数学o 运筹学o 过

14、程系统工程的核心思想过程系统工程的核心思想o 全局o 优化过程系统创新！过程系统创新！关键：如何通过优化的单元构筑优化的系统？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过程系统工程的产生与发展沿革 2020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多的中间试验才形成工业规模的生产,费时、费力、费财。费时、费力、费财。3030年代：年代：“相似相似”原理。借助一系列原理。借助一系列“准数准数”用相似模拟的方法实现过用相似模拟的方法实现过程单元的放大问题半经验方法

15、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）。（计算手段限制）。19461946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。的发展，为数学模拟提供了良好的工具。5050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

16、发展，本身的深入发展，“三传三传”、“一反一反”的归纳，使化学工程学的理论研究的归纳，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。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年代年代,电子计算机技术进步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、过程控制论等学涉及化学工程、系统工程、应用数学、过程控制论等学科的

17、边缘科学。同时科的边缘科学。同时,形成了一大批化工过程模拟软件。形成了一大批化工过程模拟软件。(范例：范例：8080年代年代台北的黄华南：乙烯裂解、石油炼制等几十套工艺优化台北的黄华南：乙烯裂解、石油炼制等几十套工艺优化 ，p6 p6 丙烯二聚法生产异戊二烯，直接放大丙烯二聚法生产异戊二烯，直接放大1700017000倍倍)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、韩方煜教授等教授等1.4 过程系统工程的部分常用术语过程系统工程的部分常用术语（1 1）系统（系统（system)system)：一定条件下完成一定功能或实

18、现一定目的，由若干互相：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。联系、互相影响的部分要素组成的整体。（2 2）子系统子系统(subsystem)(subsystem)（3 3）环境环境(environment)(environment)：研究某种问题时所考虑的系统以外的部分即视作环境。：研究某种问题时所考虑的系统以外的部分即视作环境。在进行系统模拟时，一般仅需模拟预测系统的状态和输入输出关系，而环境的状在进行系统模拟时，一般仅需模拟预测系统的状态和输入输出关系，而环境的状态多作为设定的条件考虑。态多作为设定的条件考虑。（4 4）过程、化工过程过程、化

19、工过程(process)(process)：使物料发生物理的、化学的变化的一系列操作：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。或处理步骤，或物料被加工的一段经历称为过程。（5 5）过程系统过程系统(process system)(process system)以物流为加工对象的、区别于机械加工生产以物流为加工对象的、区别于机械加工生产“元件元件”的系统。例如化工、石的系统。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外形尺寸形尺寸的变化。的变化。

20、（6 6）状态、系统状态状态、系统状态(state)(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。度）、组成、相态等宏观指标。（7 7）决策变量、设计变量、状态变量决策变量、设计变量、状态变量 系统的系统的决策变量决策变量及及设计变量（设计变量（decision variable）是指可人为选择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自由度其其选择选择往往受到一定约束条件往往受到一定约束条

21、件(热力学热力学，动力学动力学或或过程过程、设备设备条件条件)的限制。的限制。状状态变量（态变量（state variable）是当决策变量或设计变量给定后，由于过程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。本身的物理规律所限而被确定、无法人为改变的量。（8 8）系统的输入量（系统的输入量（inputinput）与输出量（）与输出量（outputoutput）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的或选定的、有些是

22、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。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。通常模型的通常模型的输入量也对应着决策变量或设计变量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输出量也对应着状态量量。（9 9）过程模拟过程模拟(process simulation)(process simulation)用表示用表示系统系统内各装置特性的内各装置特性的数学模型数学模型(物料平衡物料平衡、热量平衡热量平衡、热力、热力学平衡和设备设计方程等学平衡和设备设计方程等)以及表示各以及表示各装置装置间结合关系的

23、间结合关系的数学式数学式，表示，表示过程系统的特性。然后求解。过程系统的特性。然后求解。（1010）过程模拟系统（过程模拟系统（Process Simulation System Process Simulation System）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。用的系统分析计算。1.5 过程系统工程基本任务与内容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

24、本规律改进实际生产过程，以达任务：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。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内容：主要包括系统分析、系统综合和系统优化三部分,简称简称ASOASO。系统分析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

25、系统的状态和系统输出。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：系统分析一般又含下述三方面内容：（1 1）系统分解：将复杂大系统分解为若干较简单的子系统。）系统分解：将复杂大系统分解为若干较简单的子系统。（2 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）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。类。（3 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，）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。进行计算，模拟或预测整个系统的状态与功能。课后作业课后作业 2,化工系统工程与传统化学工程在研究对象上有何区别？化工系统工程与传统化学工程在研究对象上有何区别？3，化工系统工程具体技术工作内容有哪些？，化工系统工程具体技术工作内容有哪些？1，什么是系统工程？，什么是系统工程？结结 束！束！