过程系统工程开发概论.docx
- 文档编号:6951731
- 上传时间:2023-01-13
- 格式:DOCX
- 页数:8
- 大小:88.12KB
过程系统工程开发概论.docx
《过程系统工程开发概论.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《过程系统工程开发概论.docx(8页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
过程系统工程开发概论
学号:
20075053044
学年论文
系(院)化学化工学院
专业化学工程与工艺
年级2007级
姓名
论文题目过程系统工程的发展与展望
成绩
2010年6月10日
目录
摘要………………………………………………………………………………1
关键词………………………………………………………………………………1
Abstract………………………………………………………………………………1
KeyWords…………………………………………………………………………1
前言………………………………………………………………………………2
1.过程系统工程的发展2
1.11968年一l979年初创时期2
1.21979年—2000年成长时期2
1.32000年至今的扩展时期3
2.过程系统工程的展望4
2.1 过程工业及过程工程系统的发展动向4
2.2按统一标准规格大宗产品制造模式向大批量个性化订制模式转变5
2.3 单一产品刚性制造系统向多产品柔性制造系统转变 5
3 具有环境意识的过程系统工程 6
3.1 当前的发展现状6
3.2 当前存在的问题及今后发展方向 6
3.3 多目标优化算法问题 6
4 动态过程系统工程及批处理过程系统工程研究明显加强7
4.1 动态模拟与优化7
4.2 批处理过程系统工程7
5结束语 8
参考文献…………………………………………………………………………9
过程系统工程的发展与展望
姓名:
学号:
20075053044
院系:
化学化工学院专业:
化学工程与工艺
指导老师:
余永生职称:
导师
摘要:
准确地描述了过程系统工程的定义、研究范围和在工业上的重要意义,系统回顾了过程系统工程学科的创立和发展历史,对于该领域的研究成果进行了全面总结.同时着重分析了过程系统工程学科的发展现状,肯定了过程系统工程对于新产品开发、节能降耗、企业商务决策、提高企业竞争力和可持续发展方面的贡献,指出了存在的问题和差距.提出了绿色过程系统工程的概念,并从环保、企业信息化、原料多元化、产品创新和供应链等5个方面论述了过程系统工程在今后面临的挑战和机遇.
关键词:
过程系统工程;发展历史;发展现状;绿色;机遇和挑战
Abstract:
Accuratelydescribestheprocessdefinitionofsystemengineeringandresearchscopeandtheimportantsignificanceoftheindustrialsystem,reviewstheprocesssystemengineeringdisciplineestablishmentanddevelopmenthistory,theresearchresultsaboutthecomprehensivesummary.Analyzestheprocessofsystemdevelopmentsituationofengineering,processfornewproductdevelopmentsystemengineering,energyconsumptionandbusinessdecisions,enhancethecompetitivenessofenterprisesandsustainabledevelopment,pointsouttheexistingproblems,andputsforwardthegreenprocess.Theconceptofsystemengineeringandenvironmentalprotection,theenterpriseinformatization,fromrawmaterialsupplydiversified,productinnovationandfiveaspectsdiscussestheprocesssystemengineeringinfuturechallengesandopportunities.
KeyWords:
Processsystemengineering,thedevelopmenthistory;Developmentpresentsituation,Green;Opportunitiesandchallenges
前言
过程系统工程(process systems engineering,PSE) 是一门综合性的边缘学科,它以处理物料,能量.资金.信息流的过程系统为研究对象,其核心功能是过程系统的组织、计划、协调、设计、控制和管理,它广泛地用于化学、冶金、制药、建材和食品等过程工业中,目的是 在总体上达成技术上及经济上的最优化,以符合可持 续发展的要求.
1.过程系统工程的发展
过程系统工程是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.这门年轻的学科从上世纪60年代开始酝酿,至今已经历了3个时期.
1.11968年一l979年初创时期
其标志是1968年Rudd和Watson出版“StrategyofProcessEngineering”[1]次年1969年,木荣和西村肇也出版“化学过程工学”[2].到20世纪70年代,一些著名的大学都纷纷在化工系开设“化工过程的模拟与分析”、“过程设计”、“过程控制”等课程.这个时期的活动主要在学术界,是学术酝酿期.这期间奠定了过程系统工程学科的理论基础及研究方法,明确了学科范畴为过程系统的分析、过程综合和过程控制.
1.21979年—2000年成长时期
一方面,由于计算机技术的长足进步,为系统工程的发展提供了有力手段;另一方面,由于20世纪70年代石油危机的挑战,需要大幅度地节能降耗;石油化工装置的大型化、综合化需求,迫切需要开发新的手段来分析、设计和控制这些复杂的化工系统,这些动因就促成了过程系统工程的大展.这时期的标志是:
从1979年开始这方面的国际会议空前活跃[3],例如1979年DavidRipping教授在瑞士主持的“计算机辅助过程工程会议”,1980年在美国由RichardMash和WarrenSeider主持的第一届“计算机辅助过程设计基础FOCAPD”及1982年在日本京都由Takamatsu教授主持的第一届国际过程系统工程会议.20世纪80年代我国也在高等院校纷纷开设化工系统工程课程,清华大学和天津大学等成立了化工系统工程教研室,并于1991年在著名的系统工程专家钱学森及其他一些有识之士推动下,成立中国系统工程学会过程系统工程专业委员会,成思危当选为第一届主任委员.在这个时期过程系统工程已经由学术理论走向工业应用,并实现了不少重大技术突破,特别值得称道的有:
DaveCutler创造DynamicMatrixControl(DMC)方法[4],实现了模型预估控制(modelpredictivecontrol,MPC),这种软件包已在世界各地的石油化工装置上安装应用,达到几千套,创造了可观的经济效益.1988年DuPont公司做过评估,由于采用了先进控制和实时优化,每年可以增加净利润2亿~5亿美元[5];以LawrenceEvans为代表的流程模拟技术软件开发取得明显效果。
AspenPlus、HYSYS和PRO/II等已在世界设计科研和工厂企业广泛应用,成为工程师手中必不可少的工具[6];以GeorgeStephanopoulos为代表的人工智能应用也取得很好成果[7];以BodoLinnhof为代表的过程集成研究[8-9],获得工业部门的普遍重视,他提出的“夹点技术”在节能降耗上效果显著,有的学校甚至成立过程集成系。
1.32000年至今的扩展时期
这一时期的发展表现在从研究范围和研究内容两方面都在扩大[10-11]。
传统的PSE研究范畴对象规模通常在l0~~10m(即颗粒、薄膜、气泡到制造车间、工厂),现正向两极扩大:
微观方面向分子模拟、产品设计扩充(纳米级);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。
在研究内容方面,过去“过程”是指物理-化学制造过程,现在则已扩大到管理业务过程,也就是说,由研究工程决策延伸到研究商务决策.由于现在进入了可持续发展时代,过程优化的判别指标也正在变化,除了传统的经济效益外,要增加健康、安全和环境影响、可控制性和可维护性等,将来还会增加更多的社会因素,如气候影响、生命周期影响和风险最小化等.这样一来,最优化也就成了多目标优化.总之,过程系统工程正在一方面迎接全球性竞争的挑战,另一方面迎接可持续发展的挑战.
2.过程系统工程的展望
2.1 过程工业及过程工程系统的发展动向
过程工业企业是制造类企业中的一种类型,其 发展方向既有与一般制造类企业共性的一面,也有 自己特性的一面,可归纳为以下发展趋势.[12]
2.1.1 由于信息技术的高度发展和经济全球化趋势。
过程工业企业正在向数字化、网络化发展。
以制造 过程自动化为核心的CIMS向着全价值链自动化和
优化的方向发展
21世纪的制造企业要生存,就不可能全方位地去竞争,只能保持并发挥自己的核心竞争力。
所 谓 “核心竞争力”指的是:
企业获取、配置资源, 形成并能保持竞争优势的能力。
这包括两个方面:
一 ,企业获取各种资源或技术,并将其集成、转化 为企业的技能或产品的能力;二是企业组织并协调 各生产要素,进行从原材料采购、供应、运输、仓 储、生产、配送、市场开发、销售及守候服务等各 种活动,使各个环节均处于优化组合、高效运转的 能力。
电子业务是网络经济的核心,它将各种生产要 素都变成信息,并使它们在网络上流动,即用信息 流代替了人员流、物质流、能量流、资金流、知识流等在网上综合集成起来,进行 “拟实的” (virtua1)生产、流通及交换等经济活动,从而指挥 各种实际的生产要素进行组合并运行。
其目标是创 造性地、智能性地响应和满足市场动态需求。
要达 到这个目标,一方面要优化一个公司的内部业务过 程;另一方面也要涉及在一个供应链的上游公司和 下游公司之间的业务过程。
其前提是改进信息基础 设施和实现业务过程重组(BPR),以消除信息流通 和共享的障碍,也就是实现企业的数字化和网络化。
2.1.2 可持续发展要求是21世纪的突出主题。
这将 促使过程工业企业由单纯追求利润最大化。
转向节 约资源利用、开发环境友好的过程及产品和经济效
益兼顾的多目标追求.
中国是一个公认的能源短缺而又贫水的国家, 其石油资源的人均占有量仅为世界人均占有量的 11%,天然气仅为5%,淡水仅为25%,节能与节 水的问题就更加突出。
中国是一个高能耗、高污染的国家,是世界平均单位产值能耗的5倍。
以化 工、石化行业为例,中国化学工业每吨标煤创造产值2 300元/吨,而德国、日本则达到 1 500~1 600 美元/吨。
中国加工每吨原油耗水量平均为 2.37 m /t,而国际水平为0.5 m3/t,也高了5倍左右。
中国每年排放的s()2量高居世界第一,排放CO 量8亿吨/年,仅次于美国,居世界第二,造成酸 雨污染范围不断扩大,目前每年平均降水pH值低 于5.6的地区已占40%左右 。
[13]
造成这种势态,包括化工、冶金、造纸等工业 在内的过程工业部门无疑有重大责任。
因此,节 能、节水和减少污染物排放无疑是刻不容缓的任务。
20世纪90年代出现的绿色化学、绿色化工正 是希望把化学类型的产业推向节约资源、对环境友好的方向发展.
2.2按统一标准规格大宗产品制造模式向大批量 个性化订制模式转变 [14]
以化学工业为代表的过程工业企业发展到 1985--2000年是重组、合理化和优化时期。
由于 不少大宗合成产品已生产能力过剩,边际利润已下 降到5%~10%,所以要维持生存、赢得竞争,就 必须外靠兼并重组,内靠信息化技术优化生产经 营,实现低成本生产。
进入21世纪后,当这种重组、改造、优化的 潜力逐步耗尽之时,企业只能面临3种选择:
一是 仍然保留大宗产品生产,不断采用最新的工艺及信 息技术改造,使其生产成本在同行业中最低;二是 转向高附加值特种化学品(如医药、助剂、生物化 工等)或可满足客户特定要求的大宗化学品(如特种 纤维、特种工程塑料等);三是放弃化工、石化业务。
第一种选择要求开发新工艺,进行信息化改 造,特别是实现集成化的企业优化;第二种选择要求根据市场需求开发新产品,这种产品寿命不长但 要求上市快,能够适应 “按客户订单要求生产”。
这里适应的规律不再是 “大鱼吃小鱼”,而是 “快 鱼吃慢鱼”。
2.3 单一产品刚性制造系统向多产品柔性制造系统转变
21世纪要求创造速度加快,产品的生命周期 缩短。
这种形势意味着未来的化学工程师不能只懂得制造过程(process engineering),而且应懂得如何开发有市场前景的新产品(product engineering);而且面向新产品的公司所采用的制造模式往往是柔性制造系统(通常是间歇生产或半连续生产)。
这种制造系统应当以最快的速度、最高的效率随时组织 现有的系统资源生产出合格的新产品。
3 具有环境意识的过程系统工程
可持续发展的要求对过程系统工程提出了全面 的挑战,要求从设计、操作、优化控制乃至教学等 各个方面都要考虑环境友好性。
可以预料,2l世 纪初期必然是具有环境意识的过程系统工程(或可简称为 “绿色过程系统工程”)大发展的年代。
3.1 当前的发展现状15
系统分析边界在不断扩大。
最初步的层次是将 废物的回收、再循环和再利用纳入到过程综合范围 之中;其次,把不同工艺过程之间的能量及物质集 成统一考虑,也就是全厂集成;最高层次是要考虑 产品生命周期中的经济与环境效应。
这种产品生命 周期分析法LCA在20世纪80年代还是学术研究, 但到 90年代有的过程工业企业已正式采用(如 Chiba专用化学品公司)。
在评价及控制指标方面,由限制管端排放浓度 转变为环境影响最小化的评价体系。
20年来,已 开发出一批环境性能指标,由开始的单介质发展到 多介质考虑;由只考虑废物量发展到考虑对人体毒 性和环境危害,进一步再综合考虑各种环境影响的 区别。
有两种不同层次的评价指标:
一种是考虑化合物的环境归宿及相关效应而不涉及流程;一种是 供过程综合时筛选各种流程替代方案的指标。
3.2 当前存在的问题及今后发展方向
①至今缺乏一套完整成熟的、可提供常规设应用的公认方法16 。
②缺乏成熟的工具软件计算环境影响。
③缺乏公认一致的环境影响评价体系17 ④绿色反应路径综合要大大加强。
现有一 些成熟的工艺路线,无论从环境保护方面,还是从 经济成本均不是最合理的。
之所以现在还在大规模 使用,主要是工程上成熟,利用现有知识完全可以找到既经济、又对环境友好的工艺路线将它取代。
⑤减少用水,使废水最小化这在20世纪没有很大 突破进展,需要新的突破 4 。
⑥鉴于环境影响 的效果及评价指标的计算均具有不确定性,所以要求处理不确定性数据,开发在不确定条件下模拟及 优化的方法。
3.3 多目标优化算法问题
如前所述,具有环境意识的过程系统工程本质 上是一种多目标优化问题。
在 20世纪 80年代以前,实际上化学工程中都只用常规单目标优化。
但 是,不仅环境保护问题需要用多目标优化,而且安 全性、可靠性、控制特性及化学反应工程中许多问 题均要求不只是优化一个目标函数。
几年前还采用“标量化”(scalarizotion)把几个目标函数合并为一个,也即是用人为的权重放在每个目标函数的前 面,从而把多个目标函数合并成单个目标函数。
这 种处理方法的缺点,不仅结果可能对权重取值的灵 敏度很高,而且还有可能丢失真正的最优解。
真正意义上的多目标优化在20世纪80年代才展开,90年代涌现愈来愈多的研究成果。
此外,模拟退火方法可避免陷入局部优化 的陷阱,搜索到全局最优,有一定优势。
无论哪一 种方法均还没有达到成熟、实用化的程度,这无疑仍是新世纪要解决的课题。
4 动态过程系统工程及批处理过程系统工程研究明显加强
20世纪无论是模拟分析,还是实时优化都是基于稳态为主。
虽然这些技术基本上满足了20世纪过程工业发展的要求,但到21世纪就难以满足。
这是因为:
一方面,过程工业企业正在向数字化、实时化发展,管理一控制一体化并实时化以后,不 能指望装置中所有过程永远是稳态操作,许多时候 有的装置处于变化的过渡过程之中,必须也能够处理;另一方面,刚性制造系统向柔性制造系统发展,而柔性制造系统往往是批处理操作或半连续操 作,这类操作均违背稳态连续生产的规律。
4.1 动态模拟与优化
20世纪基于稳态过程模拟与实时优化的技术已发展得比较成熟,而且已经商品化。
一些著名的 软件供应商,如AspenTech,Honeywell Hi—Spec, MDC等都宣称已有几套至十几套的实施经验。
但 是由于实际化工、炼油、冶金等工艺过程均有管理过程滞后时间、混合的动态学特征及经常受到外来干扰、传统的以稳态过程为基础的模拟和实时优化 已不能满足实践需要等问题。
动态流程模拟的发展比动态数据校正要成熟得 多,已有 一些 可供 选用 的商 品化 软件,如 Hyprotech公司的 HYSYS,AspenTech公司的 Dynamics等。
当前研究工作课题是应用动态模拟解决装置发 生事故的紧急排放动力学和与自动控制策略的集成 应用。
表4 基于稳态模型的动态实时优化与基于动态实时优化对比
4.2 批处理过程系统工程 18-20
批处理过程由于具有以下优越性,所以21世纪不是越来越少用,而是相反:
①投资少,上马快;②过程放大(特别是反应器放大)相对容易; ③柔性好,便于多产品、多牌号生产;④改造更新 也比较容易。
所以特别适应批量小、产值高、品种 多、变化快、上市快的生产,例如特种化学品、生物化学制品及按客户订单定制的非大批量产品。
新世纪由于产品个性化Et益加强,间歇过程应 用将上升,然而这个领域在过程系统工程中相对薄弱,比稳态连续生产的研究落后了近 20年。
如果说20世纪80年代研究热点是间歇过程控制,则当 今的研究热点则转向间歇生产的业务管理和管理一 控制一体化集成。
20世纪已开发出一批处理间歇过程的模拟软件,如MIT开发的Batch Design— Kit,英国帝国理工的 gBSS,Aspen Tech公司As pe n BATCH Plus, Advanced Process Combinatories Inc.VitECS Design等这些软件已在制药、特种化学品及聚合物生产中发挥了作用。
国际上形成了几个著名的研究中心,如美国的Purdue大学、英国Imperial College,美国的麻省理工学院、卡内基一梅隆大学等。
但中国只有浙江大 学、天津大学做过一些比较深入的研究工作。
5结束语
过程系统工程是一门只和人造的过程系统相联系的 “人为”科学。
它虽然偶尔也像自然科学一样采用实验实证的方法,但绝大多数情况都只采用由 数学模型构成的虚拟系统进行研究。
21世纪由于虚拟世界将得到高度发展,过程系统工程也必然更加普及和广泛应用。
但应当注意避免与研究自然界的自然科学拉开距离,沉溺在 自己的虚拟世界之中。
相反,应把实际世界和虚拟世界结合起来研究,把基于实践的研究与基于系统的研究之间的沟壑填平,才能促使本学科沿着正确的道路前进。
参考文献
[1]RuddDF,WatsonCC.StrategyofProcessEngineering
[M].NewY0rk:
JohnWileyandSons,1968.
[2]华贲,周章玉,杨少华,等.21世纪流程工业的综合集
成[J].制造业自动化,1999,21(12):
299-304.HuaBen,ZhouZhangyu,YangShaohua,eta1.Metasynthe—sisofprocessindustryin21thcentury[J].Automatization
ofManufacturing,1999,21(12):
299-304(inChinese).
[3]SargentRWH.Introduction:
25yearsofprogressinprocesssystemsengineering[J].CompandChemEng
20o4,28(4):
437-439.
[4]CutlerCR,RamakerBL.Dynamicmatrixcontrol—Aeom—putercontrolalgorithm[C]∥A1ChENationalMeeting,USA,1980:
1-4.
[5]EdgarTF.Controlandoptimizations:
Whendoescontrolla—bilityequalprofitability[C]ProceedingsofPSE2003,PartA.Amsterdam:
ElsevierScience,2003:
48-61.
[6]LiQ,HuaB,PengYS.Aninvestigationoninformation
modelingandintegrationofprocessenterprise[J].Compu—tersandAppliedChemistry,2004,21
(1):
111—114.
[7]LuRD,ChenZH,WangL.Asurveyonthoughtanalogue
applyingincomplexindustrialprocessmodeling[J].InformationandControl,2002,31(4):
346-352.
[8]“JH.Exploringcomplexsystemsinchemicalengineering—themulti—scalemethodology[J].ChemengSci,2003,58(3):
521-530.
[9]LinnhofB.Usepinchanalysistoknockdowncapitalcostandemissions[J].ChemEnggr,1994,90(8):
32-57.
[10]GrossmannIE,WesterbergAW.Researchchallengesin
processsystemsengineering[J].AIChEJournal,2000,46(9):
1700—1703.
[11]JamesWei.Molecularstructureandproperty:
Productengi—neering[J].IndEngChemRes,2002,41(8):
1918—1919.
[12]张志檩.[J].当代石油石化,2001,9(4):
1~6
[13]吉田靖男.[J].化学经济(日),2000,(7):
28--35
[14]井上宗波.[J].化学经济(日),2000,(7):
36--44
15YangYQ,ShiL.[J].Comp.Chern.Eng.,2000,24:
1409~1420
16杨友麒,石磊.
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 过程 系统工程 开发 概论