过 程 工 程 (process engineering ).doc

1、1过 程 工 程 (Process Engineering )1、 前 言七 十 年 代 以 来 ， 控 制 论 、 信 息 论 、 系 统 论 的 思 想 和 方 法 渗 入 工 程 技 术 学 科 领 域 ， 在 化 学 工 程 、 系 统 工 程 、 运 筹 学 、 电 子 信 息 技 术 、 计 算 机 技 术 、 计 算 技 术 等 学 科 充 分 发 展 的 基 础 上 萌 生 出 一 门 新 兴 边 缘 学 科 过 程 工 程 。 过 程 工 程 作 为 主 要 研 究 过 程 工 业 系 统 的 设 计 、 合 成 、 建 模 、 优 化 、 管 理 和 控 制 的 技 术 和

2、 方 法 时 ， 亦 被 称 为 过 程 系 统 工 程 。 当 它 作 为 过 程 设 计 和 工 程 研 究 的 综 合 和 基 础 时 ， 常 常 包 括 了 可 行 性 研 究 、 规 划 、 概 念 设 计 、 基 础 设 计 、 前 期 开 发 和 工 程 等 内 容 。过 程 工 程 ， 是 面 向 过 程 工 业 的 一 门 工 程 应 用 技 术 。 过 程 工 业 (Process Industry) 属 物 流 加 工 (material processing) 工 业 。 相 对 应 的 是 机 械 电 子 工 业 ， 属 工 件 制 造 (manufacturing

3、) 工 业 。 过 程 工 业 主 要 有 炼 油 、 石 油 化 工 、 化 学 工 业 、 制 药 、 湿 法 冶 金 、 造 纸 、 制 浆 、 制 糖 等 。 过 程 工 业 系 统 大 多 数 为 连 续 式 物 料 反 应 和 加 工 过 程 ， 它 处 理 的 主 要 是 物 质 能 量 流 ， 涉 及 复 杂 的 化 学 反 应 和 物 理 状 态 变 化 ， 连 续 性 和 多 变 量 是 过 程 工 业 的 显 著 特 点 。 另 一 方 面 新 的 工 艺 过 程 层 出 不 穷 ， 化 工 系 统 日 趋 大 型 化 、 复 杂 化 ， 现 代 的 研 究 和 开 发

4、工 作 投 资 大 、 周 斯 短 、 风 险 大 、 竞 争 激 烈 ， 因 此 ， 现 有 的 一 些 工 程 技 术 方 法 和 经 典 计 算 技 术 在 某 些 场 合 显 得 力 不 从 心 ， 有 必 要 从 宏 观 整 体 上 对 过 程 系 统 作 出 描 述 和 把 握 。 过 程 工 程 研 究 领 域 的 出 现 和 发 展 ， 正 是 顺 应 了 过 程 工 业 发 展 的 需 要 。2. 过 程 工 程 与 化 学 工 程 化 学 工 程 的 研 究 和 开 发 不 断 深 入 ， 形 成 了 化 工 系 统 工 程 子 学 科 领 域 。 而 新 兴 产 业 的

5、兴 起 ， 工 业 行 业 界 限 的 拓 宽 ， 学 科 领 域 的 交 叉 和 扩 展 ，促 使 了 过 程 系 统 工 程 的 诞 生 。 过 程 工 程 是 在 化 学 工 程 充 分 发 展 的 基 础 上 ， 综 合 其 它 学 科 知 识 发 展 起 来 的 ， 它 们 之 间 的 相 互 关 系 为 ：1. 传 统 的 化 学 工 程 方 法 立 足 于 流 体 流 动 、 传 热 、 传 质 和 化 学 反 应 ， 研 究 各 个 单 元 操 作 和 设 备 的 特 性 ， 很 少 或 甚 至 不 考 虑 构 成 一 个 复 杂 过 程 系 统 时 各 个 单 元 过 程 或

6、 设 备 之 间 的 相 互 组 合 特 性 ； 而 过 程 工 程 则 从 过 2程 整 体 出 发 ， 既 研 究 组 成 系 统 的 各 个 子 系 统 之 间 的 相 互 影 响 ， 又 研 究 系 统 的 整 体 特 性 。2 . 传 统 的 化 学 工 程 主 要 研 究 定 态 过 程 特 性 ， 而 过 程 工 程 除 了 研 究 过 程 的 定 态 特 性 外 ， 还 研 究 过 程 的 动 态 特 性 。3 . 传 统 的 化 学 工 程 对 系 统 最 优 化 问 题 一 般 只 作 定 性 的 讨 论 ； 而 过 程 工 程 则 强 调 定 量 化 的 过 程 最 优

7、化 ， 应 用 最 优 化 原 理 ， 对 过 程 作 综 合 平 衡 ， 使 组 成 过 程 的 各 个 分 系 统 能 最 协 调 、 最 有 效 地 运 行 ， 此 外 还 要 研 究 过 程 最 优 化 的 灵 敏 度 分 析 以 及 可 靠 性 和 稳 定 性 问 题 。4 . 传 统 的 化 学 工 程 方 法 通 常 与 物 理 模 拟 技 术 相 结 合 ， 以 相 似 论 为 基 础 ， 采 用 逐 级 放 大 的 方 法 解 决 工 业 装 置 的 放 大 设 计 问 题 ； 而 过 程 工 程 则 与 数 学 模 拟 技 术 相 结 合 ， 依 据 系 统 的 化 学 和

8、 物 理 机 理 ， 建 立 数 学 模 型 ，然 后 采 用 合 适 的 计 算 技 术 转 化 为 模 拟 软 件 ， 对 过 程 进 行 最 优 化 设 计 并 确 定 最 优 控 制 方 法 。5 . 传 统 的 化 学 工 程 所 用 的 数 学 工 具 往 往 限 于 经 典 数 学 方 法 ； 而 过 程 工 程 更 多 地 处 理 多 变 量 、 时 变 和 非 线 性 系 统 以 及 有 不 确 定 因 素 和 竞 争 因 素 的 系 统 的 最 优 化 问 题 ， 因 此 涉 及 更 多 、 更 深 的 数 学 知 识 ， 包 括 线 性 代 数 、 微 分 方 程 、 数

9、 理 统 计 和 概 率 论 、 变 分 法 、 最 优 化 方 法 以 及 规 划 、 图 论 、排 队 论 、 博 奕 论 、 控 制 论 ， 乃 至 近 年 来 发 展 的 人 工 智 能 技 术 等 。3 . 过 程 工 程 的 技 术 基 础 与 基 本 研 究 方 法（ 1） 技 术 基 础过 程 工 程 作 为 一 门 在 多 学 科 充 分 发 展 的 基 础 上 萌 生 的 边 缘 学 科 ， 其 技 术 基 础 当 然 是 相 关 学 科 ， 即 化 学 工 程 、 系 统 工 程 、 运 筹 学 、 计 算 机 技 术 、 数 值 计 算 、 控 制 论 、 信 息 论

10、、 系 统 论 等 ， 在 此 基 础 上 ， 人 们 认 为 过 程 工 程 与 最 优 化 技 术 及 计 算 机 技 术 的 关 系 最 为 密 切 。 1） 最 优 化 技 术 有 人 认 为 ， 最 优 化 技 术 是 过 程 工 程 的 基 础 ， 最 优 化 思 想 是 过 程 工 程 的 核 心 思 想 ， 无 论 是 过 程 分 析 还 是 过 程 综 合 ， 都 涉 及 最 优 化 技 术 。 在 过 程 分 析 阶 段 ， 利 用 最 优 化 技 术 对 已 知 系 统 寻 求 最 优 的 系 统 参 数 ， 以 便 得 到 一 组 最 优 化 的 设 计 变 量 或 操

11、 作 控 制 变 量 。 在 过 程 综 合 阶 段 ， 则 需 用 最 优 化 技 术 寻 求 最 优 的 系 统 结 构 。2） 信 息 技 术 和 计 算 机 技 术 3数 据 采 集 问 题 。 用 手 工 进 行 过 程 单 元 的 计 算 往 往 十 分 困 难 ， 这 也 正 是 过 程 工 程 在 计 算 机 技 术 充 分 发 展 后 才 得 以 发 展 的 主 要 原 因 之 一 。计 算 机 是 过 程 工 程 研 究 的 主 要 工 具 和 手 段 ， 人 们 已 开 发 了 许 多 计 算 机 软 件 系 统 以 辅 助 技 术 人 员 解 决 大 量 的 过 程 工

12、 程 问 题 ， 同 时 避 免 模 型 化 、 计 算 机 程 序 设 计 、 编 制 、 调 试 等 大 量 的 重 复 工 作 。 这 些 软 件 包 括 用 于 过 程 系 统 的 模 拟 分 析 、 设 计 、 参 数 优 化 、 灵 敏 度 分 析 等 的 计 算 机 辅 助 流 程 模 拟 系 统 以 及 借 助 过 程 综 合 专 家 系 统 进 行 新 的 生 产 过 程 系 统 的 开 发 和 设 计 的 计 算 机 辅 助 过 程 综 合 系 统 。（ 2） 基 本 研 究 方 法过 程 工 程 的 主 要 研 究 方 法 是 数 学 模 拟 ， 数 学 模 拟 包 括

13、模 型 化 和 模 拟 两 部 分 内 容 。所 谓 模 型 化 ， 是 对 研 究 对 象 间 接 地 进 行 理 论 或 实 际 的 处 理 ， 在 处 理 时 不 是 研 究 原 型 本 身 ， 而 是 研 究 一 种 物 质 的 或 抽 象 的 辅 助 系 统 ， 即 研 究 的 是 模 型 。 过 程 工 程 中 主 要 采 用 数 学 模 型 进 行 研 究 ， 过 程 系 统 的 模 型 化 ，就 是 把 与 系 统 有 关 的 变 量 归 纳 成 反 映 系 统 性 能 和 机 制 的 数 学 方 程 组 。 利 用 模 型 进 行 实 验 研 究 的 过 程 称 作 模 拟

14、， 数 学 模 拟 即 是 在 不 同 的 条 件 下 对 数 学 模 型 进 行 求 解 的 过 程 ， 而 数 学 模 拟 通 常 是 在 计 算 机 上 进 行 的 ， 包 括 前 述 的 计 算 机 辅 助 流 程 模 拟 系 统 、 计 算 机 辅 助 过 程 综 合 系 统 （ 专 家 系 统 ） 等 。 过 程 工 程 是 在 过 程 系 统 的 分 析 、 基 础 数 据 的 收 集 基 础 上 进 行 数 学 模 拟 ， 以 便 进 行 过 程 分 析 与 综 合 、 过 程 预 测 与 评 价 等 工 作 。 另 外 ， 必 要 时 仍 可 采 用 传 统 的 实 验 方

15、法 采 集 必 要 的 实 验 数 据 。4 . 过 程 工 程 研 究 的 基 本 问 题（ 1） 过 程 技 术 发 展 的 预 测 和 决 策应 用 过 程 工 程 的 方 法 ， 定 性 和 定 量 地 预 测 化 工 技 术 未 来 的 发 展 趋 势 ， 对 化 工 技 术 发 展 的 的 路 线 作 出 技 术 经 济 的 评 价 ， 估 计 技 术 发 展 带 来 的 经 济 效 益 、 对 于 社 会 发 展 、 能 源 、 资 源 的 利 用 、 环 境 保 护 等 带 来 的 后 果 。即 对 未 来 化 学 工 业 的 发 展 进 行 预 测 ， 并 依 此 对 化 学

16、 工 业 的 发 展 方 向 制 订 科 学 的 决 策 。（ 2 过 程 系 统 的 最 优 设 计按 照 过 程 系 统 的 要 求 ， 根 据 给 定 的 输 入 和 输 出 条 件 ， 确 定 系 统 的 结 构 ， 寻 求 在 满 足 一 定 约 束 条 件 下 ， 使 系 统 的 目 标 函 数 取 极 大 值 或 极 小 值 4时 各 个 单 元 过 程 和 设 备 的 最 优 操 作 条 件 ； 或 者 对 一 个 系 统 结 构 已 定 的 过 程 系 统 ， 根 据 给 定 的 输 入 条 件 ， 确 定 在 满 足 一 定 约 束 条 件 下 ， 使 系 统 的 目 标

17、函 数 取 极 大 值 或 极 小 值 的 输 出 条 件 。（ 3 过 程 系 统 的 最 优 控 制实 现 过 程 系 统 的 最 优 控 制 是 指 设 计 一 个 控 制 系 统 ， 以 保 证 系 统 稳 定 在 最 优 操 作 条 件 下 运 行 。 系 统 的 最 优 控 制 可 分 为 两 类 ： 对 于 状 态 随 时 间 变 化 的 动 态 系 统 ， 最 优 控 制 是 在 寻 找 使 目 标 函 数 取 极 大 或 极 小 值 的 控 制 系 统 ， 从 而 使 系 统 处 于 最 优 状 态 下 运 行 ； 对 于 系 统 的 状 态 与 时 间 无 关 的 定 态

18、系 统 ， 最 优 控 制 是 要 确 定 在 满 足 约 束 条 件 的 情 况 下 ， 使 目 标 函 数 取 极 大 值 或 极 小 值 的 最 优 操 作 条 件 。（ 4） 企 业 的 组 织 管 理 和 经 营 技 术企 业 的 组 织 管 理 系 统 和 经 营 技 术 通 常 涉 及 规 划 、 计 划 、 实 施 、 管 理 、市 场 及 经 济 行 为 的 分 析 、 决 策 等 一 系 列 问 题 ， 管 理 系 统 把 人 作 为 系 统 的 组 成 部 分 ， 因 而 是 一 个 多 层 次 、 多 目 标 、 具 有 决 策 功 能 的 大 规 模 系 统 。 应

19、用 过 程 工 程 的 方 法 ， 把 系 统 中 的 人 、 机 械 设 备 、 材 料 、 资 金 以 及 信 息 等 有 限 资 源 ， 合 理 地 组 织 、 有 效 地 利 用 ， 以 便 最 大 限 度 地 发 挥 各 自 的 作 用 ； 同 时 综 合 分 析 系 统 内 在 和 外 界 因 素 的 变 化 ， 藉 此 不 断 地 调 整 企 业 内 部 的 活 动 以 适 应 内 、 外 条 件 的 变 化 ， 甚 至 改 变 系 统 自 身 的 状 态 ， 从 而 最 优 地 完 成 预 定 的 目 标 。5 . 过 程 工 程 的 应 用过 程 开 发过 程 开 发 是 将

20、 实 验 室 研 究 成 果 实 现 工 业 化 的 必 要 步 骤 ， 近 年 提 出 “ 预 放 大 缩 小 放 大 “ 的 方 法 ， 其 关 键 是 概 念 设 计 ， 以 找 出 最 佳 的 工 艺 流 程 。过 程 设 计过 程 设 计 是 过 程 工 程 的 主 要 应 用 领 域 ， 包 括 工 艺 流 程 选 择 、 物 料 有 热 量 平 衡 、 设 备 尺 寸 计 算 、 投 资 及 成 本 估 算 等 。过 程 评 价现 有 工 业 过 程 的 评 价 ， 标 定 、 诊 断 、 瓶 颈 分 析 、 扩 产 、 技 术 改 造 、过 程 优 化5将 按 照 设 计 建

21、成 的 装 置 投 入 生 产 后 ， 仍 需 进 行 过 程 优 化 ， 生 产 过 程 的 优 化 技 术 通 常 称 为 调 优 技 术 ， 目 前 所 采 用 的 多 为 离 线 调 优 技 术 ， 主 要 有 ： 模 式 识 别 法 、 统 计 调 优 法 、 操 作 模 拟 分 析 法 及 装 置 模 拟 与 优 化 法 。过 程 管 理过 程 管 理 的 典 型 例 子 是 计 算 机 集 成 过 程 系 统 （ CIPS） ， 它 的 基 本 思 想 是 从 整 个 装 置 或 工 厂 的 总 目 标 出 发 ， 在 管 理 、 控 制 等 方 面 综 合 考 虑 如 何 实 现 总 体 目 标 的 最 优 化 。 现 代 的 过 程 工 业 都 是 一 个 大 系 统 ， 实 现 管 理 一 体 化 是 必 然 趋 势 。