1、化工过程分析与合成,化工过程分析与合成,课程要求,认真听课，重在应用；要求出勤率，出勤情况记入总分，占总分15%，根据点名出勤情况打分确定；平时大作业完成情况记入总分，占总分15%，根据作业完成情况打分确定；结课考试成绩占总分70%。,1 绪论2 化工过程系统稳态模拟与分析3 化工过程系统动态模拟与分析4 化工过程系统的优化5 化工生产过程操作工况调优6 间歇化工过程7 换热网络合成8 分离塔序列综合,课程主要内容,1 绪论,化工过程分析与合成过程：客观事物从一个状态到另一个状态的转移。过程工艺：对物料流进行物理或化学的加工工艺。化工（炼油，化肥）、轻工、冶金过程、医药生产过程等。制造工艺：以
2、工件为对象的加工工艺。像电视机、汽车、机械零件加工等的生产，都是制造工艺,1.1 化工过程,化工过程：以天然物料（煤、石油、盐等）为基础原料，经过物理或化学加工制成产品的过程。通常化工过程大都包括三个部分：原料制备化学反应产品分离,在多种多样的单元过程中，最重要的也是最多用的单元过程是：化学反应过程换热过程分离过程,1.1.1 化学反应过程,化学反应过程是化工过程的核心部分。主要的化学反应过程有：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物化学反应过程,1.1.2 换热过程,定义：化工过程工艺流程中被处理的物流，按各单元过程所要求的温度，通过换热器加热或冷却的过程。换热网络：满足这种换
3、热要求的热量或冷量，可以来自流程中的工艺物料流或是来自公用工程，构成换热网络。换热网络设计目标：以最大限度的节能、经济的设备投资、良好的操作适应性。实现最佳的换热网络设计，是化工过程系统合成研究的一项典型的事例，也是本课程将要重点研讨的一项内容。,1.1.3 分离过程,定义：从某种已知组成的混合物中分离出某几种目标产物的过程.化工系统综合:从可以设计出的不同流程、不同塔数的多种流程方案中选择经济的、能满足分离要求的最佳方案.分离过程选择:非均一系物料的气固相分离:采用沉降、过滤、湿法除尘、电除尘等单元操作。液固相分离:过滤、干燥、沉降等。 均一系物料的气相分离，可采用吸附、吸收、膜分离。 液相
4、分离:则可用蒸馏与精馏、蒸发、结晶、汽提、萃取、膜分离等。,化学反应过程换热过程分离过程不同的化工过程只是这三类过程的不同组合化工系统工程研究内容:这三类，其中主要是换热过程和分离过程,1.2 化工过程生产操作控制,化工过程生产操作控制：对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。化工过程生产操作控制分类 分散控制 集中控制化工过程生产操作控制对生产过程是否能正常进行影响很大，因此至关重要。,分散控制: 20世纪四五十年代的早期过程控制技术，采用基地式控制仪表实施单输入、单输出的简单回路控制，又称为分散控制，目标:保持生产工况平稳。分散控制技术的特点：各个
5、控制回路都相互独立。优点：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。缺点：控制参数较多时，需要相应设置较多的硬件。且这种分散的控制，难于实现总体优化。,集中控制：将计算机应用于化工过程控制，把各个控制回路的运算、控制、显示都集中于计算机来实现的控制手段。优点：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。由于这种缺陷的困扰，曾使计算机控制技术一度陷于难于发展的困境。20世纪70年代中期集散系统的出现，使计算机控制技术出现了灿烂的应用前景。,1.3 化工过程分析与合成,化工过程分析与合成
6、又称为化工过程系统工程，化工过程系统工程是在系统工程、化学工程、过程控制、计算数学、信息技术等学科的边缘上产生的一门综合性学科，化工过程系统工程以处理物料-能量-信息流的过程系统为研究对象。,“化工过程系统工程”作为现代化学工程的一个组成部分，是新近发展起来的一门新兴的边缘科学。简单地说，将系统工程学的理论和方法应用于化工过程就形成了化工过程系统工程，简称为化工系统工程。,一 化工过程系统工程,系统工程：以大系统为对象进行研究的跨学科的边缘性科学。起源:该学科最初发源于美国，由于二次世界大战期间，美国需要在有限的时间、空间和运力条件下安排达到最大的运送量。因此提出了如何对运力进行安排以实现最大
7、运送量的问题。其后，在通信网络的设计过程中，也发现存在着如何安排通信网络以达到用最小的投入，得到最优的通话效果的通信网络最优配备问题。,由于先驱者的出发点和侧重面各有不同，对系统工程的理解和认识也就各有不同.有些人强调复杂系统的最优管理和最优控制。有些人则着眼于工程系统的规划和最优设计。,当强调复杂系统的最优管理和最优控制时现代管理科学。当着眼工程的规划及最优设计寻优的综合技术。,系统工程的基本思想：从系统整体的观念出发，周密考虑系统内各个组成部分相互间的制约关系，讨论系统整体的最优策略。系统工程学又名：工程学的方法论研究对象：各个不同的系统,化工过程系统工程以系统工程学为基础，把社会问题作为
8、研究对象的学科称为社会系统工程学。把环境问题作为研究对象的学科称为环境系统工程学。把化工过程系统问题作为研究对象的学科称为化工过程系统工程学。,1 认识上的三次飞跃第一次：20年代 提出了“单元操作”的概念 产生了化学工程学第二次：50年代 提出了“三传”的概念 产生了化工传递过程原理的学科第三次：60年代初 提出了“对化工过程系统的分析和模拟”的概念 产生了化工过程系统工程学,二、 化工过程系统工程学的起源和发展,2 化工过程系统工程学产生的基础化工生产过程的综合性不断增强，化工企业朝着多品种、跨学科的方向发展化工装置日趋大型化，对放大技术的要求越来越高，小试到规模生产的周期越来越短。能源紧
9、缺，能源的有效及合理利用成为人们越来越关心的问题。产品竞争日益加剧，一个品种的改变要求跟着企业迅速改变，以适应市场的变化环境意识的提高，要求企业对污染加以严格的控制，提出了如何减少污染，合理的综合利用资源的问题。,3 化工系统工程学的综合性从化工系统工程学的形成过程可知，这是一门综合性学科，涉及：化学工程学系统工程学运筹学计算技术过程控制理论,三、化工系统工程学的基本内容,任务：在“一定的输入输出条件下，寻求一个整体最优的过程系统”。 对一个待求的未知系统应指出：该系统应如何规划、设计、操作、控制。 为完成上述任务，大致包括两个方面的工作: 化工过程系统的分析 化工过程系统的合成,化工过程分析
10、：对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等进行分析。例：某年产30万t 乙烯装置改扩建为45万t 装置，竣工投产后达到了预期的产量，但能耗超标。如何选择对策，就要对工艺装置进行分析，在对过程进行系统分析的同时，必需要对单元、物料、能量利用情况进行分析。,1.3.1 化工过程系统的分析,过程系统分析与模拟：建立过程系统的数学模型并在计算机上模拟计算的整个过程称为过程系统分析与模拟。 过程系统的模型：对实际过程系统的描述。 包括：数学模型与实物模型。,数学模型：建立数学表达式，在建立过程中运用逻辑关系、规则、概念。模拟计算：首先要寻求有效的数学
11、模型求解的方法，并将模型的求解过程转变为计算程序，然后计算得出直观形式的输出结果.,前例中：若该套扩建不久的年产45万t乙烯装置，又面临着进一步扩建为60万t规模的任务。建摸时要吸取前次扩建的经验这是一个大系统的多目标合成问题，是一个按既定多目标函数寻优的系统合成问题。,过程系统合成：所需系统结构 定义：按照规定的系统特性 子系统性能按规定的目标最优组合，寻求理想过程系统。 具有最优的系统结构理想的过程系统具有最合适的子系统,寻,求,1.3.2 化工过程系统的合成,混合,混合,反应,分离,分离,分离,+,B+C,+A+P,B,A+C,A,C,例：某化工过程系统由+为原料生产，且副产，其可能的过
12、程流程一：树结构流程,系统结构的概念,例：某化工过程系统由+为原料生产，且副产，其可能的过程流程二：再循环结构流程,混,反,B+C,+A+P,分离,+,+,分离,分离,由前例可知，过程系统的流程结构可有几种选择方案（备选方案）。树结构流程再循环流股结构,子系统的特性更有几种方案可供选择。如：想得到合格分离子系统精馏萃取板式填料间歇连续这种在多种备选方案中进行选择及排除，以构造最理想系统的过程为系统的综合过程。,过程系统合成的方法,过去：全部凭借工程师的经验。现在：借助对各种子系统的分析与模拟，预测系统特性，达到综合目的。因此：过程系统分析是过程系统综合的基础。,化工过程系统合成包括有：反应路径
13、合成换热网络合成分离序列合成过程控制系统合成 特别是要解决由各个单元过程合成总体过程系统的任务。,过程系统合成的研究内容,反应路径的综合：对给定原料规定产品的问题称为反应路径的综合。例：由糠醛糠醇可以有气相加氢法高压，但反应迅速，副产物少。也有液相加氢法低压，反应慢，副产物多。,换热网络综合：对于大型化工企业，多装置，多物流。一些装置需要热物流作为加热介质，另一些装置则需冷却介质提供冷量。因而，从全局的角度，合理配置冷热物流的走向，以达到冷热配置平衡，以最低的消耗达到最优的换热配置。这就要求：通过物流间的合理分配，使热量（冷量）利用最合理。,分离序列综合：以组元、均相混合液的分离为例找出最优的
14、分离序列设计者需解决的问题对最优分离序列中的单个分离器找出最优设计 参数,不同的两种分离序列方案：哪个好，需找出判别方法。,反应器网络的综合：对于需多级多次反应才可得到的反应产物需建立反应器网络（或称反应器系统）。如何使系统最优。全流程的综合：由原料目的产物寻找最优的流程，包括：反应、分离、换热等等，全流程实现最优。, 公用工程系统综合： 公用工程系统的核心部分是蒸汽动力系统。蒸汽动力系统最优综合的目的就是要降低整个系统的能耗。,1.4 化工过程模拟系统,20世纪初期，对于化工过程的开发、设计，只是采用由实验室到中间厂逐级放大的经验方法。30年代出现了相似论为基础得出准数方程的办法。同时出现了
15、建立数学模型的模拟放大法。50年代后期，应用计算机及数值计算，采用数学模拟的方法解决了大部分单元过程的开发放大问题。即根据最基本的单元过程实验数据，利用数学模型在计算机上解决开发放大问题。例如：丙烯二聚反应由实验室数据放大到工业反应器设计，放大倍数达1700倍。甲苯歧化反应过程的放大倍数为6000倍。,这种在计算机上模拟化工过程工艺流程的软件，称为化工流程模拟系统。应用化工流程模拟系统进行化工过程工艺开发设计的技术，称作计算机辅助过程设计CAPD(Computer Aided Process Design)。,按待模拟的系统特性： 1 稳态过程系统模拟： 2 动态过程系统模拟：,1.4.1化工
16、流程稳态模拟系统,一般的化工流程模拟系统是稳态模拟系统。特性：（1） 系统参数不随时间变化，建模容易。（2） 系统没有或不考虑大的干扰造成波 动的影响。在大规模连续化的工艺流程中，物料是以连续流动的状态在系统中被加工的，过程中的各种参数总是随时间不断变化的，因而稳态是不存在的。稳态模拟只不过是对动态过程到达平稳状态的一种简化处理，事实上这种处理是很必要的。,20世纪60年代以来，化工流程稳态模拟系统的发展经历了三个时代。第一代：20世纪50年代末至60年代。如美国Kellogg公司开发的FLE X IBLE FLOWSHEET、美国Houston大学开发的CHESS(Chemical Engi
17、neering Simulation System),第二代：20世纪70年代。比第一代在功能、规模方面都有很大进步。代表性的系统有：美国公司开发的FLOWTRAN、美国Braun公司开发的PFl0(Process Flow)、 日本干代田工程公司开发的CAPES(Computer Aided Process Engineering System)等。,第三代：美国麻省理工学院主持开发的ASPEN(Advanced System of Process Engineering) 。 ASPEN的开发是针对以煤为原料解决能源工艺为背景的。而第二代模拟系统以处理气液系统为其特长，不具备处理固体物料的
18、功能。ASPEN的开发工作从1976年起，组织了杜邦、埃克森、孟山都、飞马石油等50家公司投入力量，历时5年耗资600万美元，于1981年完成交付使用。 ASPEN具有更大更强的功能。,国内在20世纪70年代开始进行化工流程模拟系统的开发工作。一些设计院所、研究院所、高校等单位开发的模拟系统，可以对石油气分离、基本有机合成、合成氨等工艺系统进行工况模拟、操作、开发设计等等。国内向市场推出的商品软件ECSS(Engineering Chemical Simulation System)是青岛化工学院开发的化工流程模拟系统。,目前国内使用模拟系统多数是引进的。最早引进的模拟软件是1978年由丹麦引
19、进的Gips，这是个合成氨工艺专用的流程模拟系统。20世纪80年代又引进了ASPEN Tech公司的ASPEN PLUS，先后约有30套左右；美国Simulation Science公司的约26套；Hydrotech公司的HYSlM30套左右等。,1.4.2 动态模拟系统,在化工过程工艺生产中存在着相当多的动态过程，它们是不允许简化处理为稳态过程的。如精细化学品、染料中间体、农药生产中的间歇反应釜操作过程，正常生产操作周期中，总是包括着装料、开车、反应、停车、卸料，这些过程的工艺参数都是时间的函数。即便是连续生产过程，也有开车、停车、事故出现等动态过程。对于这些过程的分析都要进行动态模拟。,1.4.2 动态模拟系统,动态过程模拟系统主要应用于：（1）了解装置经受动态负荷变化的能力和可操作性。 （2）分析非正常操作条件下的动态性能。 （3）通过模拟仿真，寻找最优的参数及控制 。 （4）以模拟型代替实际装置培训即将上岗人员。,1.5 本教材的目的与内容,本课程的目的：在学习了化工原理、化工工艺学、化工动力学、化工热力学等课程的基础上，学会以系统工程的方法论来处理化工过程的分析与合成问题。,
