化工过程模拟与分析(第一章绪论)课件

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1、化工过程模拟与分析化工学院陶少辉andytau@hotmail.com第一章绪论1.1化学工程学科发展的三次飞跃第一次飞跃：“单元操作”概念的提出；第二次飞跃：“传递过程”概念的提出，Bird《传递现象》出版，“三传一反”特征确立；第三次飞跃？过程系统工程、产品工程、多尺度。过程系统工程（Processsystemengineering,PSE）一门正在成长的较新的边缘学科，它以处理物料-能量-信息流的过程系统为研究对象，研究其设计、控制、运行和组织管理，目的是在总体上达到最优化。过程（Process）对原料进行某些物理或化学变换，使其性能发生预期的变化，从而增加了附加的价

2、值，这种操作或处理称为“过程”。系统（System）为了某种目标，由共同的物质流股或信息流联系在一起的单元组合而成的整体称为系统。PSE发展简史20世纪30年代美国雷德无线电公司“系统”&“系统规模”20世纪40年代美国Bell电话公司“系统工程”二战期间盟军研究和应用系统工程方法（运筹学）20世纪50年代经济发展使得系统工程方法受到重视系统工程（Systemengineering）：方法论对于复杂系统应用的研究PSE:系统工程的方法、观点和思路应用于过程系统。PSE发展三个时期1968年—1979年初创时期标志1968年Rudd和Watson出版“Strategyofpr

3、ocessengineering”,1969年矢木荣和西村肇出版“过程工程学”，明确了学科范畴为：过程系统分析、过程综合和过程控制；1979年-2000年成长时期70年代石油危机影响，计算机技术长足发展，1982年日本京都Takamatsu教授主持第一届国际过程系统工程会议PSE‘82，PSE由理论走向应用；http://www.pse.org.cn/2000年～扩展时期范围：颗粒、薄膜、气泡到车间、工厂，向两级扩大，微观方面向分子模拟、产品设计扩充（nm级），宏观方面向整个公司、整个供应链、一个工业园区乃至全球气候变化扩充；研究内容：从物理-化学制造过程扩大到管理业务过程

4、（BusinessProcess）；最优化成了多目标优化化学产品工程（Chemicalproductengineering）化学产品分类示意图导向：产品中心研究内容：结构和性质的关系关键问题：设计和制造细化分类的各种新产品，快速、高效地生产满足客户需要产品研究领域：分子产品工程、配方产品工程、间歇生产和柔性制造技术前沿方向：分子或微观水平上的基础科学发现和工业制造及生产规划的策略相结合多目标非线性系统规划和优化多产品集成间歇生产过程排序优化产品开发与过程技术集成多尺度法（Multi-scalemethod）工艺设备放大困难原因：基于单一尺度的平均方法无法反映过程内在机理，必

5、须引进诸多可调经验参数，预测性很差。多尺度法的尺度/过程结构多尺度法基本思路（1）分尺度简化复杂系统分解为不同尺度的相对简单结构；（2）子过程分析复杂过程分解为伴随各尺度和尺度间耦联的子过程；（3）多尺度综合进一步分析不同尺度下各种子过程的相互量化关系，并于已知条件关联，构成描述复杂系统的综合模型。多尺度法基本思路示意图1.2PSE基本术语过程系统（Processsystem）使原料进行物理的乃至化学的变化，从而由低价值的原料变成高价值的产品的系统。状态变量（Statevariables）描述系统所处状态(温度、压力、浓度…)的变量，其值往往不能自由设定。决策变量（Deci

6、sionvariables）数值可以由设计者给定的变量。模拟（Simulation）用一个更为方便、经济而性能相似的系统B来模仿系统A的性能的方法，试验系统B称为系统A的模型（Model）。若模拟系统B是一台计算机，它所演算的数学方程组可以足够准确地描述过程A，则称为数学模拟。数学模型（Mathematicalmodel）物理实体的数学抽象，即关联研究对象的输入、输出以及一系列参数的数学方程式，可分为机理模型、统计模型和混合模型。参数（Parameter）代表过程或其环境的某种性质，而且可以被赋予一定数值的量称为“参数”，其中也包括方程式中的常数或系数。流程(Flowshe

7、et)又称作流程图，原指将各种单元设备等用图形符号画出，并示出其间联接关系，从而将整个化工系统的构成情况描绘出来的图形表达；现也用来一般地指一个化工系统的构成情况。过程系统模拟分析在确定过程系统的结构及其子系统特性的前提下，借助计算机和系统模型，通过数学模拟的方法，推测特定系统的特性，确定其各部位信息和总体技术经济指标的方法，简称系统模拟。过程系统优化一、对确定过程系统的优化，通常是求取使过程系统目标最优的决策变量值；二、给定输入、输出或仅给定其中之一，求取能使目标函数最优的最佳过程系统，此类优化称为过程系统合成或