过程系统工程 - 化学工程与技术丛书 - 中国高校教材图书网
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书名： |
过程系统工程
化学工程与技术丛书
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| ISBN： | 978-7-5628-2484-4/TQ.141 |
条码： | |
| 作者： |
姚平经
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装订： | 平装 |
| 印次： | 1-1 |
开本： | 16开 |
| 定价： |
￥68.00
折扣价：￥61.20
折扣：0.90
节省了6.8元
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字数： |
674千字
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| 出版社： |
华东理工大学出版社 |
页数： |
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| 发行编号： | |
每包册数： |
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| 出版日期： |
2009-06-01 |
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| 内容简介： |
过程系统工程（Process Systems Engineering， PSE）是将系统工程学的理论和方法应用于化工过程领域的边缘学科，是化学工程学的一个分支［1］。
化学工程学（Chemical Engineering）是以化学、物理和数学原理为基础，研究物料在工业规模条件下，它所发生的物理或化学状态变化的工业过程及这类过程所用装置的设计和操作的一门技术科学［2］，通用于一切化工类的生产行业（统称过程工业），如化学工业、石油和石油化学工业、织物的印染、食品工业、制药、核工业以及冶金工业等。20世纪20年代提出“单元操作”的概念，奠定了化学工程学的基础；60年代，化学工业已成为国民经济的支柱产业，相辅相成地促进了化学工程学的进展，形成了动量、热量和质量传递以及反应工程学的体系。
系统工程学（System Engineering）是以系统，特别是大系统，为对象的一门跨学科的边缘科学。它是根据总体协调的需要，把自然科学和社会科学中的某些思想、理论、方法、策略和手段等从横的方面有效地组织起来应用于人类实践中，是应用现代数学和计算机等工具对系统的构成要素、组织结构、信息交换和自动控制等功能进行分析研究，而达到最优设计、最优控制和最优管理的目标，是为更加合理的研制和运用系统而采取的各种组织管理技术的总称，归根结底是一种工程学的方法论［3］。
系统工程学产生于20世纪40年代，是以运筹学、系统分析和现代控制理论为基础以及计算机为工具而发展起来的，已经广泛、有效地应用于人类社会的各个领域。系统工程学已发展成一门新的现代科学技术——系统科学，其中开放的复杂巨系统及其方法论是一个科学新领域，复杂性理论、知识工程、定性与定量相结合的集成方法是有效的研究手段［4］。
20世纪50年代，以石油化工为代表的过程工业实现了综合生产，生产装置大型化、复杂化，迫切需要全装置的最优设计、最优控制和最优管理，并在安全可靠、对环境污染最小化的状况下运行。在能源紧张、竞争日益加剧的情况下，传统的以单元操作概念为基础的化学工程方法已不能适应时代的发展要求。60年代初，在化学工程、系统工程、过程控制、运筹学及计算机技术等学科的基础上，产生和发展起来一门新兴的技术学科——过程系统工程（PSE）。
20世纪60年代是过程系统工程产生和发展的理论准备时期，1961年，在AIChE讨论会文集上第一次用到了PSE——过程系统工程这个专有名词。代表性的研究者有美国的Rudd和Watson（1968）［5］， Himmelblau和Bischoff（1968）［6］，日本的矢木荣和西村肇（1969）［7］，苏联的KacapoB（1971）［8］以及英国的Roger W.H. Sargent等，他们的论著阐述了过程系统工程基础的研究方法和内容。70年代，过程系统工程开始走上了实用阶段，最具代表性的是，采用过程系统工程方法开发出有效的通用化工流程模拟系统，用于生产装置的优化设计和最优控制，取得显著经济效益，并且第一个专门致力于PSE的刊物“Computers and Chemical Engineering”于1977年出现。80年代是过程系统工程普及、推广的时代，不仅在化工、石油、石油化工、核工业和能源工业中获得了广泛应用，而且向冶金、轻工、食品等连续加工过程工业部门推广，有力地促进了这些部门生产技术的飞速发展。相应地，过程系统工程学科在理论、方法和内容方面也在不断发展，分别在1982年、1985年、1988年和1991年召开的第一、二、三、四届国际过程系统工程会议上对这一进步进行了展示。
20世纪90年代以来，环境问题已经更加突出，成为人们关注的焦点，认识到“清洁生产”是可持续发展的先决条件，是改善环境、保持企业竞争能力的最重要手段之一。随着生命、信息、材料和环境科学的迅速发展，促进了化学工程学科在空间和时间尺度范围的扩展。为获得严格的过程机理模型，需要深入到原子、分子尺度；为研究环境和生态过程，需建立宏观大系统（巨型系统）模型，并进行集成优化。过程系统工程，作为化学工程学科的一个分支，更直接地面向资源、能源、环境和健康系统领域［9］。在通用、高效的稳态和动态模拟系统、多目标优化方法、人工智能、先进控制、综合与集成技术等方面取得了长足进展，并扩充到与管理科学进行实质性的集成融合，如计算机集成制造（CIM）和供应链管理（SCM）等。
过程系统工程学科仍处在发展阶段，它所运用的概念、原理和方法，乃至于其研究的领域，正处在不断的演变和进化中［10］。我国学者杨友麒、成思危认为：“过程系统工程是一门综合性的边缘学科，它以处理物料能量信息流的过程系统为研究对象，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、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，并符合可持续发展的要求。”由于这一学科的交叉性，所以其开放性强，纵横方向突进，给学术界带来新课题，同时需要透过纷纭的表观，掌握学科的主弦。
我国从20世纪70年代开始介绍过程系统工程这门学科，召开过全国性的化工过程系统工程研讨会，并邀请国外学者来华讲学。引进大型合成氨、大型乙烯装置等技术也促进了计算机在化工领域的应用。80年代，随着国家改革开放政策的实施，这一学科发展迅速，一些高等学校为本科生和研究生开设了“化工系统工程”、“化工系统分析与模拟”等课程，并培养出一批该学科的硕士、博士等青年学者。高等学校、设计院、研究院和企业部门自行开发了具有一定功能的专用化工流程模拟系统，另一方面，也引进了国外先进的流程模拟软件，如ASPEN Plus， CHESS等，用于工程设计和现场生产装置操作分析，提高设计水平，取得较好的经济效益。表11列出了在1986年（广州）、1988年（青岛）和1990年（岳阳）召开的“化工过程的数学模拟与分析”3届学术会议的论文统计，一定程度上反映了当时我国这一学科的发展状况。在著名系统工程专家钱学森院士及一些有识之士的推动下，中国系统工程学会过程系统工程专业委员会于1991年10月在济南市宣告成立，过程系统经济与管理专家成思危教授当选主任委员，同时召开了国内第一届PSE学术报告会，有化工、石油化工、轻工、冶金、有色冶金、医药、建材、能源、机械、兵工等行业的科研、设计、管理单位，生产企业，中国科学院及高等学校的一百多位代表参加。这次会议入选论文73篇，论文统计见表12。从此，我国过程系统工程学科走上了新的发展阶段，在理论研究和工程应用领域不断取得新的成果，尽管与国外还有较大差距，但这一差距正在逐步缩小。2004年1月，我国成功举办了第八届国际过程系统工程会议（PSE 2003），国内已经召开了多届过程系统工程年会，从会议论文看，我国在反应器网络综合、能量回收网络综合、多产品间歇工厂优化操作、过程网络排产、超结构优化、工业生态园区等方面的理论研究水平已接近国际先进水平。表11国内3届“化工过程数学模拟与分析”会议论文统计
题目论文数目所占的比例
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过程系统优化（Process System Optimization）是实现过程系统优化设计、优化操作、优化控制和优化管理的数学手段。最优化，就是寻求最好的方式去解决最优化问题，它不仅要找出问题的最优解，而且要提高求解的效率，尤其是对高度复杂性和实时性要求高的问题，效率上的差别将对整个事件的成功与否产生重要影响。
对于求解过程系统优化问题，最具代表性的方法是数学规划法。数学规划法把过程系统优化问题表征为目标函数和一系列等式、不等式约束的多变量数学模型，然后采用适宜的算法获得问题的最优解或近优解。目标函数和约束方程大都是非线性的；过程系统的流程结构和单元的选择用整型变量，设备结构参数和操作参数为连续变量，这就是普遍性的大规模的非线性规划和混合整数非线性规划问题。目前解决这类问题的算法主要有两类：一类是基于梯度寻优的确定性算法；另一类是进化算法，如遗传算法等。进化算法属于智能算法，它对优化目标函数无可微要求，适合于求解组合优化问题，对于具有非凸目标函数和复杂约束条件的非线性优化问题，能够以较大的概率得到全局最优解。但其计算量较大，在进化策略方面尚需进一步改进。
过程系统优化的一个基本问题是用什么样的模型描述过程系统优化问题，这对过程系统工程研究人员尤为重要。比如，对过程综合问题，通常要构造一个表示所有备选方案的对象过程系统的超结构，以此建立优化数学模型，如混合整数非线性规划模型。又如，可以运用热力学原理去剔除一些明显不可行或不合理的解域，缩小了优化搜索区间，提高优化效率。
许多工程问题都是多目标优化问题，需要考虑经济、环境和可操作性等量化的和非量化的因素，确定最终的设计方案需要进行多个目标的权衡。同时优化多个、往往相互冲突的目标函数的多目标优化问题与单目标优化不同，多目标优化问题极少存在绝对最优解，而是存在一个非劣解集（pareto解集），即其中每一个解在不牺牲其他子目标性能的前提下已无法再改进单个子目标性能。对于多目标优化问题，首先寻求非劣解集，然后由决策者按照各目标的重要性或优先程度选择最佳折衷解。多目标优化问题模型的构造以及求解方法都是系统优化的研究热点。
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