什么是过程系统工程?

[拼音]：guocheng xitong gongcheng

[外文]：process systems engineering

系统工程在过程工业规划、设计、 *** 作和控制中的应用，又称化工系统工程。过程工业是指以改变原料的物理化学性质为目的的一大类连续加工工业，包括化学工业、冶金工业、炼油工业、能源工业、食品工业、纸浆工业等。它们的共同特点是：整个加工厂由许多单元过程设备组成，通过管道与传送带等输送手段联接成复杂的网络系统。20世纪以来，对过程工业的设计研究方法经历了三次重大的变化。第一次是把单元 *** 作从各种工艺过程中抽象出来，第二次是把传递过程从各种单元 *** 作中抽象出来，第三次是把各种单元组成的过程系统作为整体来研究，采用系统分析和系统模拟的方法。从60年代末开始逐渐形成了化工系统工程的新学科。1982年8月由日本化学工程师学会等6个学会发起，在日本京都举行了第一届国际化工系统工程会议(PSE'82)，有16个国家250名代表参加,决定每三年举行一次国际化工系统工程会议。1985年4月由英国化学工程师协会代表欧洲化学工程师联合会在英国剑桥举办了第二届国际化工系统工程会议(PSE'85)。现在化工系统工程在流程模拟、过程综合、计算机辅助 *** 作、系统可 *** 作性分析、间歇过程系统工程和计算机辅助过程设计等方面取得了大量成果。

这是化工系统工程中研究得比较成熟的领域，已有工业实用模拟软件供应。流程模拟在结构方法上有三种基本方法：

（1）序贯模块法。这是工业上实用模拟系统采用的方法。在分隔和断裂技术方面引进约翰逊算法，能快速搜索循环回路。

（2）联立模块法。又称双层法。这是继序贯模块法后出现的新方法。

（3）面向方程法。这种方法是把流程模拟与最优化结合起来。流程模拟的发展趋势是把具有分布参数的单元 *** 作模型（如反应器）也联入流程模拟系统中去，并把稳态模拟与动态模拟系统结合起来，向最优化设计的方向发展。

过程综合开始侧重在均质系统（如换热器网络）,现在出现全流程综合。主要综合方法有：

（1）换热器网络综合。采用热力学分析综合方法──挟点技术。

（2）分离序列综合。重点是带有热集成精馏塔序列的综合问题，有人用混合整数规划来设计最小能耗成本的精馏系统，并研究这种精馏系统的适应性问题。

（3）化学反应器网络综合。即对于给定的制造要求产品的化学反应路径以及主副反应的速率数据，确定反应器系统的最优拓扑结构和 *** 作条件，使在给定产率下总生产成本为最低。

（4）化学反应路径综合。要求建立专家系统生成可行化学反应路径。

（5）能量利用系统的热力学综合方法。可从全厂能量供应和要求的角度出发，考虑各种装置共同利用能量来降低能耗。

（6）全流程综合。分三级进行：第一级为初步设计，只考虑反应路径的选择。第二级对每个反应器入口原料的准备、反应后的净化和未反应物料的回收等进行设计。第三级是配备流程。方案生成可用一个逐次线性规划程序来实现，再用优化方法逐步改进。

现代化大型化工装置结构流程十分复杂，其开工、停工、事故处理都是十分复杂的技术，自动控制系统并不能解决所有问题，人工 *** 作总是非常重要的。因此，用计算机辅助 *** 作,加速开停车过程,减少事故发生,或正确处理事故,其经济效益比最优控制更好。它主要包括以下四个方面：

（1）智能化人机界面。 *** 作显示屏应按系统工程和人机工程学原理合理提供信息。

（2） *** 作顺序问题。用计算机分析提示开工、停工或事故处理的合理顺序。

（3）事故诊断。目前有两种处理方法:一种是基于经验的人工智能方法，如实时诊断事故原因的专家系统。另一种是基于逻辑判断的标记有向图法。

（4）计算机培训系统。采用基于计算机的动态模拟的培训系统，可训练 *** 作技能，增进工厂知识,提高决策能力,加强事故诊断等。

它包括以下内容：

（1）系统的适应性,即确定系统 *** 作的可行区域。

（2）系统的可靠性,即在给定的机械或仪表可能发生故障的条件下系统正常 *** 作的概率。

（3）系统的d性，即系统对进料的规格和数量、产品规格或 *** 作条件变化的适应能力。

（4）系统的可控性，指系统过程动态响应的质量和稳定性。系统可 *** 作性研究要解决max-min-max问题，它在数学上相当复杂,可分解为双层优化问题，或转化为混合整数规划问题。

精细化工、生物工程等利润高、产量少、品种多的工业部门多用间歇 *** 作。因为间歇 *** 作可迅速将实验室成果转化为生产，适合于一套装备生产多种产品的多目标生产，对高技术产品风险较小。它的研究重点是 *** 作时间表，并有对间歇 *** 作建立通用模拟软件的尝试。

计算机辅助过程设计(CAPD)正向着计算机辅助工程(CAE)的方向发展,把可行性研究、过程综合、过程设计、装备设计、管道设计、自控仪表设计、工艺安装和可 *** 作性分析等集成在一起，形成以计算机为基础的一体化综合系统，其核心问题是统一管理设计各阶段遇到的数据，即开发高功能的过程数据库管理系统。英国PROSYS软件公司开发的PRODABAS数据库管理系统,是用200000条FORTRAN77语句写成的数据库软件,可以用来形成联接各种应用软件的枢纽。集成CAE系统应包括智能工作站、计算机网络、应用软件和有效的人机界面。现在已有过程系统工程专家系统，如用LISP语言编写的高级过程控制实时专家系统PICON,用于换热器网络综合的专家系统HEATEX等。

参考文章

过程系统工程方法在煤化工节水优化中的应用废水治理

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