化工设计 第一章 化工过程设计

1. 化工设计 第一章 化工过程设计 王静康 教授

2. 第一章 化工过程设计 本“化工设计” 教材(496页)：是高等教育‘十五’、 ‘十二.五’国家级规划教材,希望同学课下参考教材学习。 第一节. 现代过程工程/国际化学工业发展趋势 第二节. 绿色化学科学与工程准则 第三节. 化工过程设计的基本内容 第四节. 计算机辅助化工设计的发展 第五节. 工程伦理学与责任关怀准则

3. 第四节. 计算机辅助化工设计的发展 4.1.计算机硬件发展 4.2.化工过程系统工程——计算机辅助设计软件的进展 4.3.案例

4. 计算机硬件发展：从1946-51年Eckert和Mauohly研制成功第一台电子计算机（ENIAC）和第一台商用计算机系统( VNIVAC-1)以来，数字机的发展共经历了四代。 新一代计算机，它有平行处理的结构，计算速度达到10000亿次/秒以上，且装入具有IF—THEN知识基底的人工智能系统或专家系统，从而可具有机器图象，机器说话，机器理解语言等更有效的交互作用功能，为计算机辅助化工过程设计提供服务。 计算机辅助化工过程设计4.1.计算机硬件发展

5. 表1.1 适用于工程和科学的20世纪90年代前四代计算机的演变

6. 目前，科学界与工程界主要在三种计算机系统中完成他们的计算，既高功能大型计算机，计算机工作站及个人计算机系统。目前，科学界与工程界主要在三种计算机系统中完成他们的计算，既高功能大型计算机，计算机工作站及个人计算机系统。 随着超小型机的产生以及小型机微型化工作站的增多，促进了将它们联系成区域网络的发展，计算机联网已经实现，它的显著效果是不但可提高计算速度，而且可以实现内部通讯，共享不同计算软件模块库的资源，显著地提高处理能力与资源。 微型计算机的出现对CAD-化工过程设计产生巨大影响

7. 微型计算机的出现对计算机辅助化工过程设计产生巨大的影响。微型计算机的出现对计算机辅助化工过程设计产生巨大的影响。 • 微型机被用作大型机的终端，可将数据和程序传送到大型机中，还提供了分布数据处理的环境。 • 微型机对计算机辅助过程设计的影响有好、坏两个方面。好的影响:是具有图象和扩展式微型机的大量涌现，使化学工程师思考问题的方式发生了改变，使许多设计者更多地熟悉计算机的功能，且能对计算机系统的开发者提出更多的要求，随着这种要求的实现，设计工程师将更进一步认识到计算机辅助化工过程的潜力，可以说微型计算机起着计算机科学与工程设计之间的催化剂作用。

8. 图1.1 化学工程计算系统应用的分布趋势 • 坏的影响是：1）年青的工程师过多地相信计算结果，使对设计改进的预计可能会高于实际得到的效果； • 2）如果所使用的模型及计算方法过于简化，会使所得的计算结果不是最佳条件，而与专家经验的判断有出入。 • 但80年代中期以来，计算机硬件与软件快速发展，这些缺陷正在逐步被消除。

9. 我国天河一号千万亿次超级计算机系统研制成功我国天河一号千万亿次超级计算机系统研制成功 • 天河一号千万亿次超级计算机系统研制成功，峰值性能达每秒1206万亿次双精度浮点运算，国际TOP 500组织发布，它为世界超级计算机排名第五，亜洲第一。 • 为我国解决经济、科技等领域系到重大挑战性问题提供了重要手段。

10. 过程系统工程又称为化工系统工程 • 它是系统工程与化学工程结合的产物，它是工程技术与管理技术的结合，它以处理物料流——能量流——信息流的过程系统为对象，核心功能是过程系统的设计、控制和组织、计划和管理，目的是达到技术和经济上的最优化，并符合社会可持续发展的要求。 • 过程系统工程的基本方法是过程模拟，即过程的模型化与求解。经过几十年的努力，在过程模拟上已从中观系统向微观和宏观系统两头扩展并取得较大进展。

11. 过程系统工程的基本方法是过程模拟，即过程的模型化与求解。过程系统工程的基本方法是过程模拟，即过程的模型化与求解。 在过程系统的模拟方面，自在1958年M. W. Kellogg开发出了第一个过程模拟软件，现在已是第三代流程模拟系统，如Process-II、Aspen Plus、CIMS等，目前已在中国各大化工设计院广泛应用。 4.2.化工过程系统工程——计算机辅助设计软件的进展

12. 由于化工过程所包括单元操作的多样性与传热、传质的复杂性，应指出至今尚没有全部清晰的物理模型，即使是灰箱模型也存在很多偏微分方程与非线性关系，找不到分析解，这些特点皆赋与化工应用软件独有的复杂性，只能在一定简化条件下求取近似解。由于化工过程所包括单元操作的多样性与传热、传质的复杂性，应指出至今尚没有全部清晰的物理模型，即使是灰箱模型也存在很多偏微分方程与非线性关系，找不到分析解，这些特点皆赋与化工应用软件独有的复杂性，只能在一定简化条件下求取近似解。 所以计算机辅助化工过程设计的另一个发展动向是人工智能和专家系统的优化应用软件进一步开发。 化工过程系统工程——计算机辅助设计软件的研发进展

13. 在过程单元模拟方面，对那些只处理流体的过程单元如吸收、简单精馏、液液萃取等模拟技术已基本成熟，早在20世纪50年代完成了闪蒸和精馏的计算机辅助计算，随后又应用FORTRAN语言进行不同单元操作的计算。在过程单元模拟方面，对那些只处理流体的过程单元如吸收、简单精馏、液液萃取等模拟技术已基本成熟，早在20世纪50年代完成了闪蒸和精馏的计算机辅助计算，随后又应用FORTRAN语言进行不同单元操作的计算。 • 目前除了传统的平衡级的模型外，已出现了直接利用速率方程及传递物性的非平衡模型，如Aspen Tech 1990推出的RATEFRAC软件等。此外，由于计算流体力学的进展，许多过去要用冷模研究解决的问题，现在应用计算机模拟技术即可解决，如在反应单元，基于反应动力学的均相与非均相反应器的模拟也趋向成熟，例如乙烯工业裂解炉（KTI公司的SPYRO软件）和炼油工业的催化裂化和加氢反应器等。 • 90年代在复杂的聚合反应器模拟上也取得了较好的进展，如Aspen Tech的POLYMER PLUS

14. 表1.2给出了近年来化工单元操作模块与物性数据模块进展情况。对于那些处理固体或固体-流体的单元，由于多相传质传热复杂性较高，尚有许多问题有待解决，例如晶体粒子集合体的表征，固液或固液汽体系的流变性能、相平衡和反应平衡等。至于生物化工过程单元的模型化与模拟技术还很不成熟，它将成为今后研究开发的重点之一。表1.2给出了近年来化工单元操作模块与物性数据模块进展情况。对于那些处理固体或固体-流体的单元，由于多相传质传热复杂性较高，尚有许多问题有待解决，例如晶体粒子集合体的表征，固液或固液汽体系的流变性能、相平衡和反应平衡等。至于生物化工过程单元的模型化与模拟技术还很不成熟，它将成为今后研究开发的重点之一。 • 在过程系统的模拟方面，使用序贯模块法的模拟系统已经历了三代发展。 1958年M. W. Kellogg开发出了第一个过程模拟软件，即Flexible Flow Sheet，同时期一些大公司如Union Carbide Co.和Stamdard Oil Co.也推出了序贯连续法的过程模拟程序。60年代中叶开始出现了软件公司，专门从事软件开发，如Simulation Sciences and Chem Share等。60年代末期，在一些大型企业中试厂将控制计算机用于石油化工、炼钢等方面；相应也产生了一些过程控制软件。

15. 70年代后期以及八十年代，计算机辅助化工设计应用软件的开发和应用发展极为迅速，新的软件公司不断涌现，并产生了大量的新模拟系统:70年代后期以及八十年代，计算机辅助化工设计应用软件的开发和应用发展极为迅速，新的软件公司不断涌现，并产生了大量的新模拟系统: • 例如美国Chemshare公司的DESIGN/2000，美国MIT（麻省理工学院）开发的ASPEN Plus，模拟科学公司的PROCESS，Profimatics公司的用于热交换及其网络设计的HEXNET/HEXTOP，传热研究公司的HTRI，Cincinnati大学的UCAN-Ⅱ，英国帝国化学公司（ICI）的ELOWPARCK-Ⅱ，牛津大学CAD研究中心的CONCEPT，帝国大学的SPEEDUP，匈牙利科学院的SIMUL等，至今已日趋成熟。

16. 表1.3列出了化工模拟软件发展的三代流程模拟系统的特征。表1.3列出了化工模拟软件发展的三代流程模拟系统的特征。 • 计算机辅助化工设计软件主要包括物性数据库，稳态过程模拟软件，动态过程模拟软件，经济分析与评价软件，绘图（各种工程图，如流程、设备、施工管道图等）软件等。但随着过程的系统的增大、循环回路的增多以及非线性化特征的增强，采用联立方程法的过程模拟系统发展迅速，例如动态模拟软件ASCAND（美国大学）、 SPEEDUP（英国理工学院和ICI公司，后为Aspen-Tech收购改为 Customer Modeler）和Star 公司的 HYSYS 等已被工业界应用。 • 九十年代以来，已出现将稳态模拟与动态模拟结合的趋势。如Hyprotech公司开发的HYSYS 软件已被工业界应用于在线优化操作。 • 、

17. 近年来，化工过程系统工程发展较快，为化工过程设计的集成与优化提供了新的思路与应用软件。在过程合成领域中，目前已有能量网络集成（如夹点技术等），质量交换网络集成（如节水减排网络，氢夹点技术等）在国外过程设计中广泛应用，已取得较大幅度节能降耗的效果。近年来，化工过程系统工程发展较快，为化工过程设计的集成与优化提供了新的思路与应用软件。在过程合成领域中，目前已有能量网络集成（如夹点技术等），质量交换网络集成（如节水减排网络，氢夹点技术等）在国外过程设计中广泛应用，已取得较大幅度节能降耗的效果。 • 值得注意的是20世纪末期发展起来的大系统计算机集成制造系统CIMS，能形成一个过程控制与管理一体化的高柔性的智能系统，它由三大模块组成：过程控制，管理信息系统MIS及决策支持系统DSS，和介于两者之间的计算机辅助工厂运行系统CAPO。 • 在21世纪国际制造业中应用效果证明：它的合理应用可以在不同程度上达到提高产品质、增进企业对市场变化响应灵敏度、降低成本、提高生产安全性以及市场竞争力的目的。

18. 在化工过程系统工程用于过程设计方面，应继续进一步开发与提高的软件内容是：高精确度的全流程大系统集成与整体模拟的方法；热物理性质模型；包括大系统过程控制与管理在内的过程合成；过程设计中的可操作性与安全性分析；绿色过程集成分析评价方法；专家系统与大系统的优化等等。在化工过程系统工程用于过程设计方面，应继续进一步开发与提高的软件内容是：高精确度的全流程大系统集成与整体模拟的方法；热物理性质模型；包括大系统过程控制与管理在内的过程合成；过程设计中的可操作性与安全性分析；绿色过程集成分析评价方法；专家系统与大系统的优化等等。 • 因为21世纪化学工程已进入了过程工程与产品工程并重的阶段，批处理过程将持续与连续过程同时发展，所以还应特别重视过程工程与产品工程结合的模拟、分析与评估；多产品、多目的批处理工厂的设计优化策略等问题。

19. 由于化工过程所包括单元操作的多样性与传热、传质的复杂性。应指出至今尚没有全部清晰的物理模型，即使是灰箱模型也存在很多偏微分方程与非线性关系，找不到分析解，这些特点皆赋予化工应用软件独有的复杂性，只能在一定简化条件下求取近似解。由于化工过程所包括单元操作的多样性与传热、传质的复杂性。应指出至今尚没有全部清晰的物理模型，即使是灰箱模型也存在很多偏微分方程与非线性关系，找不到分析解，这些特点皆赋予化工应用软件独有的复杂性，只能在一定简化条件下求取近似解。 • 所以计算机辅助化工过程设计的另一个发展动向是人工智能和专家系统的优化应用软件进一步开发。

20. 在过程设计中，常常不能从有效的方法中选择最好的数值方法及模型，而专家系统能很好地完成这个任务。一种新的程序化技术，它可将人类的经验变成有效的机器码，起着专家咨询的作用，这种码或程序称为专家系统。在过程设计中，常常不能从有效的方法中选择最好的数值方法及模型，而专家系统能很好地完成这个任务。一种新的程序化技术，它可将人类的经验变成有效的机器码，起着专家咨询的作用，这种码或程序称为专家系统。 • 最早的专家系统曾被用作棋类比赛，后来在医药和化学中得到应用。现有的专家系统大致可分成两类： • 1）分析系统，它以仪表所接受的数据作为输入，并产生一个解释，再以对此数据的诊断结果作为输出； • 2）合成系统，它为满足某一目标而创造一个计划和设计，它比前一类系统的开发又要难一些。

21. 表1.2 三代流程模拟系统

22. 表1.2 近年来化工工程软件模块进展

23. 28台两路四核Intel CPU 5520、12G内存56块ATI Radeon HD 5870 GPU 29个四路单核节点（AMD848，8GB内存）3个四路双核节点（AMD875双核CPU，8GB内存） 20台四路四核的AMD Opteron 8380处理器、32G内存 千兆网交换机二套 CentOS 5.4 4个（2路4核的AMD Opteron 2380 16G内存） 全光纤存储5TB Myrinet 2000 曙光4000A 4个二路单核服务节点（AMD248CPU，4GBMEM） 1000Mbps+100Mbps CentOS 4.3 Infiniband 20GB高速网络 MPI、PVM、HPF、OpenMP 3.6TB分布局域硬盘、3TB SCSI盘阵 DELL PowerEdge 二路四核服务节点（AMD Opteron2350，8GBMEM） 4台四路4核节点（AMD Opteron8350，32GB内存） 四个1000Mbps CentOS 5.3 C/C++、Fortran、Java 曙光5000 C/C++、Fortran、Java GPU计算节点 通用计算节点 存储空间 高速互连 并行环境 网　　络 计算结点 操作系统 操作系统 编程语言 并行环境 网　　络 存储空间 高速互连 服务结点 计算结点 操作系统 编程语言 服务结点 服务结点 计算能力 网　　络 己应用于化工系统工程设计软件如下：

24. 16 ZENCRACK 高级三维裂纹扩展行为分析软件 17 ABINIT 电子结构密度泛函程序 18 NWChem 大规模计算化学程序 19 SIESTA 线性标度密度泛函计算程序 20 CPMD 平面波电子结构软件 21 Quantum-ESPRESSO 基于密度泛函的分子动力学软件 22 LmtART 完全势LMTO法计算程序 23 NAMD 分子动力学计算软件 24 GROMACS 分子动力学计算软件 25 LAMMPS 分子动力学计算软件 26 EGO 非平衡态分子动力学模拟软件 27 TheRate 化学反应理论计算程序 28 DOCK 高通量药物筛选软件 29 BLAST 基因序列比对程序 30 SciLab 科学计算软件包 31 OpenFOAM 开源流体动力学模拟软件包 己应用于化工设计软件如下： 序号 软件名称 描述

25. 在化工过程系统工程用于过程设计方面，应继续进一步开发与提高的软件内容是： 1. 高精确度的全流程大系统集成与整体模拟的方法；热物理性质模型；包括大系统过程控制与管理在内的过程合成； 2. 过程设计中的可操作性与安全性分析； 3. 过程集成分析评价方法以及多产品、多目的批处理工厂的设计优化策略等问题。 因为化工过程设计的主要目标之一：是维护生产过程安全性，及实现环境保护的责任。 计算机辅助设计软件——化工过程系统工程进一步研发目标：

26. Cash flow Time With CFD tool (saving process development time) Without CFD tool 为了加速实现绿色化学与化工研发目标,必须向多尺度集成研究(时间及空间尺度)发展 • 缩短开发周期 • 减少投资 • 环境友好 • 改善产品质量 • 迅速抢占市场 Improved cash flow Reduced process development time Shorter pay back time Reduced time to market

27. 绿色过程系统工程的的研究对象是和过程系统工程是相同的。它区别于工业生态学在于它将过程系统本身为主要研究对象，研究它对生态系统的影响，目的是发展过程系统时，使它与环境相容。特别着重研究这些人为系统与自然系统的交互作用与协调发展的规律。绿色过程系统工程的的研究对象是和过程系统工程是相同的。它区别于工业生态学在于它将过程系统本身为主要研究对象，研究它对生态系统的影响，目的是发展过程系统时，使它与环境相容。特别着重研究这些人为系统与自然系统的交互作用与协调发展的规律。 研究方法是建立系统模型，进行模拟与分析。在时空的层面上，大致分为三个层次的摸拟、分析与优化： 1. 微观层次系统：如分子-纳米层次，产品分子设计等。 2. 介观层次系统：如基于流程的，基予夹点分析的，基于热力学分析的等。 3. 宏观层次系统：如生态工业园区 ( Eco-industrial Parks, EIPs)等。 生态工业园区是绿色过程系统工程的研究范畴

28. 自1985年国内第一次化工系统工程学术会议以来。不但在我国各大设计院“ASPEN”与“PROCESS”等应用软件亦已应用于计算机辅助化工过程设计。 近年来在大型石化一体化的“中石化”产业中，近年来新创制的计算机集成制造系统CIMS-也被广泛应用；并已独立开发成功一批稳态与动态化工过程模拟软件以及化工过程与供应链管理软件等，并取得了工业有效利用的效果。 计算机辅助控制及管理系统，在国内亦已被企业界重视与应用，如中石化及医药产业界等。 化工过程系统工程——计算机辅助设计软件

29. “第三次工业革命即将到来”， • 专家予计《第三次工业革命》，将以“制造业数字化”为核心。如果实现了通过互联网平台汇集社会资源、集合社会力量、推动合作创新，形成人机共融的制造模式，那将使全球技术要素和市场要素配置方式发生深刻变化，将给产业形态、产业结构、产业组织方式带来深刻影响。 • 如3D打印技术，已经从研发转向产业化应用。可以预见，随着3D打印技术规模产业化，传统的工艺流程、生产线、工厂模式、产业链组合都将面临深度调整。 • 将推动计算机辅助化工设计呈现里程碑式发展，走向创新的新历程！！

30. 请同学们提前完成作业，在习题课上进行讨论。请同学们提前完成作业，在习题课上进行讨论。 课下作业 • 1. 化工过程设计的绿色化学科学与工程准则包括那些内容？ • 2. 简述化工过程系统工程模拟软件主要发展趋势 • 参考文献： • David T. Allen, David R. Shonnard, Green Engineering: Environmentally Conscious Design of Chemical Processes, Prentice Hall PTR, Indiana,USA.,2001 • 2. Edited By: D J H CLARK, Handbook of Green Chemistry and Technology, Blackwell Publishing, Oxford, UK., 2002