教 案
课程名称：化工过程分析与合成
授课章节：第一章绪论 任课教师：
学院：化工学院
一、教学目的：通过对化工过程分析与合成概念的介绍，使学生对实际化工生成过程，化工生成过程的的分析，化工过程系统的合成等概念有一个深入的了解。
二、教学重点：化工过程系统的含义，各类控制技术的优缺点
三、教学难点：如何描述化工过程系统
四、教学方法：以讲授法为主，辅以演示法。
五、教学内容：
1、化工过程系统的含义。
2、化工过程的分析与合成。
3、化工过程模拟系统。
4、化工企业CIPS技术简介。
5、人工智能技术在化工过程中的应用简介。
六、教学过程：
1、提出问题：什么是化工过程。
2、列举常见的单元过程。
3、介绍常见的化工过程控制技术。
4、介绍化工过程的分析与合成。
5、介绍化工过程的模拟系统。
6、介绍化工企业CIPS技术。
七、教学过程：提出问题：什么是化工过程。结合煤化工行业解释化工过程的含义：化工过程是以天然物料为原料经过物理或化学的加工制成产品的过程。他包括原料制备，化学反应和产品分离三个部分。介绍单元过程，及其三个重要分类：化学反应过程 换热过程 分离过程。化学反应工程包括催化反应过程 热裂解反应过程 电解质溶液离子反应过程 生化反应过程。催化反应包括合成反应：合成氨、合成甲醇等的反应过程； 氧化反应：萘氧化制苯酐、乙烯氧化制环氧乙烯等的反应过程； 脱氢反应：乙苯脱氢制苯乙烯的反应过程； 裂化反应：重质油催化裂化制轻质油的反应过程； 烷基化反应：乙烯与苯的烷基化制乙苯的反应过程； 加氢裂化反应：正庚烷加氢裂化制丙烷和丁烷的反应过程。裂解反应过程包括煤干馏生成焦碳、煤焦油、焦炉煤气的反应过程 轻油裂解制乙烯的反应过程。电解质溶液反应过程：各种无机盐生产以及氨碱法制碱的反应过程。侯氏制碱法原理：(1)NH3+H2O+CO2=NH4HCO3(首先通入氨气，然后再通入二氧化碳） (2)NH4HCO3+NaCl=NH4Cl+NaHCO3↓（NaHCO3溶解度最小，所以析出。） 加热 (3)2NaHCO3=Na2CO3+CO2↑+H2O(NaHCO3热稳定性很差，受热容易分解）生物化学反应过程：发酵法生产氨基酸、有机醇、酮等的反应过程。实例：发酵法制酒。换热过程：换热器与换热物流构成了换热网络 合理的设计，能充分回收过程系统中的热量或冷量 以最大限度的节能、经济的设备投资、良好的操作适应性为目标，实现最佳的换热网络设计，是化工过程系统综合研究的一项典型的事例。分离过程包括非均一系——气固相分离：沉降、过滤、湿法除尘、电除尘（昆山爆炸案例）；液固相分离：过滤、干燥、沉降。均一系——气相分离：吸附、吸收、膜分离；液相分离：蒸馏与精馏、蒸发、结晶、气提。 化工过程生产操作控制：化工过程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。举例由于气温愿意冷却水对反应的影响--需要对应的操作控制。早期过程控制技术简介，特点：采用基地式控制仪表实施单输入、单输出的简单回路控制 控制目标：保持生产工况平稳 出现了单元组合式控制仪表，从简单控制回路发展了串级、前馈补偿等控制系统。优点：特点为各个控制回路都是相互独立的 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系统的可靠性易于得到保障。缺点：
对于规模范围较大被控参数较多的对象来说，较多的控制回路需要相应设置较多的硬件。 分散控制，难于实现总体优化的控制方案。化工过程向着大型化、连续化发展 要求检测、控制的生产操作参数数量很多，并需要更优良的控制质量 计算机应用迅速的渗入各个领域，过程控制也开始了应用计算机的尝试。优点：
计算机用于化工过程控制，可以把各个控制回路的运算、控制、显示都集中于计算机来实现 这种集中控制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。70年代--Distributed Control System随着化工装置规模的增大，被控对象参数，控制回路的增多，为了满足对工业控制计算机应具备高度可靠性和灵活性的要求 把计算机技术、控制技术、通讯技术、图像显示技术等集成为一体化的计算机控制系统 集散系统吸取了分散系统和集中系统两者的优点。（用换热网络来说明）集散系统（DCS）的优点集：管理、操作、控制三方面的集中 散：功能分散、负荷分散和危险分散 克服了分散系统难于实现全局系统控制的缺点 克服了集中系统的危险集中。那么在我们在大型化工生产中如何运用集散系统呢？化工过程的分析与合成：60年代初，在化学工程、系统工程、运筹学、数值计算方法、过程控制论等学科边缘，产生了过程系统工程，也称化工过程系统工程。 任务:以系统工程的思想、方法，解决化工过程系统的设计、开发、操作、控制等问题，──系统工程的分析与合成。化工过程系统的分析，主要是分析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 目标是使决择方案，技术上先进、可行，经济上优越、合理 对于操作工况的分析也就是通常说的生产操作调优。实施化工过程分析、合成的手段是运算描述过程系统的数学模型，这种模型的运算称作化工过程系统模拟。化工过程系统的合成：包括：反应路径合成；换热网络合成；分离序列合成；过程控制系统合成； 解决由各个单元过程合成总体过程系统的任务 由于化工过程系统的复杂性，这类优化问题常是具有非线性、奇异、有约束、多极值等现象，近年来出现的模拟退火法和进化算法。模拟退火算法（Simulate Anneal Arithmetic，SAA）是一种通用概率演算法，用来在一个大的搜寻空间内找寻命题的最优解。模拟退火是S.Kirkpatrick, C.D.Gelatt和M.P.Vecchi在1983年所发明。模拟退火的原理也和金属退火的原理近似：将热力学的理论套用到统计学上。化工过程模拟系统：本世纪初期，由实验室到中间厂逐级放大的经验办法 30年代，以相似论为基础得出准数方程的办法。建立数学模型的模拟放大法 50年代后期，数学模拟。基本上解决了大部分单元过程的开发放大问题。化工流程稳态模拟系统：特点：模型中不包括时间参数，即把过程中的各种因素都看成是不随时间而变化的 在大规模连续化的工艺流程中，稳态是不存在的 稳态模拟是对动态过程到达平稳状态的一种简化处理，这种处理是很必要的。化工流程动态模拟系统：许多的动态过程不允许简化处理为稳态过程 间歇过程：装料、开车、反应、停车、卸料 连续过程：开车、停车、事故处理。化工企业CIPS技术：化工过程分析与合成的任务是以高产、优质、低耗为目标，寻求工艺生产中的设备、流程的合理配置方案以及最优生产工况的操作 在生产实践中人们认识到，寻求化工过程优惠工况依据不仅来自工艺过程本身，而必须遵循的根本性依据是企业的经营决策 为实现企业最佳经营、生产决策的手段是当代的CIMS技术。化工、石化企业,特别是一些特种化学品、精细化工产品的生产企业，要求新产品开发周期短、上市快;并要求生产工艺装备是具有适应多种产品的柔性系统 以CIPS的概念和方法组织过程生产企业的运作环节，包括生产控制、调度、管理、经营决策、市场分析、新产品设计及研究开发，直到销售和售后服务、用户意见反馈等，形成以市场驱动、全局优化的企业系统，收到了显著的经济效益。CIPS的应用：日本三井石油化学公司实施CIPS，预计库存量可减少30%，生产周期可缩短30%，成品油产量可增加10%，管理效率可提高20% 当前发达国家的大型化工、石化公司几乎都处在对CIPS的实施、研究阶段 国内的一些企业联合着高校和科学院所正在积极开展CIPS的建设，如齐鲁石化胜利炼油厂、沧州大化集团、大庆石化总厂等。
