精细化工领域过程系统工程技术研究发展趋势探讨.doc

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1、精细化工领域过程系统工程技术研究发展趋势探讨摘要：随着国内外对化学品需求的快速变化和多样化发展，导致化学品生产模式向精细化、小批量、多品种、定制化转变，促使过程系统工程朝三个方面发展：一要关注产品创新的相关技术，如化学产品工程技术；二要研究实现生产过程灵活组织和调度的技术，设计柔性生产装置及“自适应工厂”，以实现对需求的快速反应；三要发展数字化工技术，研究和应用模拟仿真技术，设计和开发数字化工生产过程，更多地基于数学模型进行过程设计、试验和研究、开发，提高工艺过程的研究和设计、开发效率。关键词：化学产品工程；配方产品工程；柔性生产装置；数字化工过程；过程模拟仿真Abstract: As the

2、 worldwide demands of chemicals are changing rapidly and becoming diversified, the production modes of chemicals are developing towards production of small amount, muti-variety, and customized fine and specialty chemicals. This promotes the Process System Engineering research and development to deve

3、lop towards three directions. The first direction is to pay more attention to the technology of product innovation, such as chemical product engineering. The second direction is to achieve and implement flexible production organizing and scheduling technology, to design flexible production process o

4、r adaptive chemical plant, in order to response quickly to the changing market demands. The third direction is to develop digital chemical production technology, such as process simulation technology, and carrying out chemical process design, experiment, research and development based more on proces

5、s models with much higher efficiency than the tradition chemical process research and development technology.Keywords：Chemical product engineering；formula product engineering；flexible production device；digital chemical process； process simulation引言过程系统工程是在系统工程、化学工程、过程控制、计算数学、信息技术等学科的边缘上产生的一门综合性学科，它以

6、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、控制和管理，它广泛地用于化学、制药等过程工业中，目的是在总体上达成技术及经济上的优化。过程系统工程技术的研究目标是进一步创新和发展过程工业的科学基础，包括对化学、物理内在现象的新表述，有效的计算理论和方法，以及先进的工程专业知识和评判标准的组合和扩展。产品创新，满足用户个性化的需求，促使过程系统工程向微观领域延伸及开发快速反应、机动灵活的生产系统。近年来，随着对化学品需求的快速变化和多样化发展，不仅要求精细化工产品要实现小批量、多品种灵活制造，在传统的大批量化工产品中也需要满足用户的某些特殊需求，实现大批量定制化生

7、产。这种生产模式的转变正促使过程系统工程朝三个方面发展：一方面要求过程系统工程要关注产品创新的相关技术，如化学产品工程、微化工技术；另一方面还要研究实现生产过程灵活组织和调度的技术，以实现对需求的快速反应，柔性生产装置及有学者提出的“自适应工厂”就是这种新概念工厂；第三是研究和发展数字化工技术，即研究和应用数字模拟仿真技术，设计和开发数字化化工生产过程，更多地基于数学模型进行过程设计、试验和研究开发，加速工艺过程的研究和设计、开发，提高研发效率。1化学产品工程化学产品工程（Chemical Product Engineering）是以产品为导向的化学工程科学,回答生产何种产品以及如何生产该种产

8、品以满足性能、经济、环境诸方面的要求。产品工程是设计或革新人们所需要的有用产品的过程。其主要步骤包括定位产品的功能、确认产品功能与其化学组成或空间构成的内在关系、设计或改进产品。国内外化工界普遍认为，化学产品工程是化学工程学科发展继单元操作、三传一反之后的第三阶段的里程碑。“产品工程”与传统的“过程工程”是相互联系的,“产品”决定“过程”的组成;而“过程”决定“产品”的品质。“产品工程”与“过程工程”又各有侧重,产品工程依赖于研究者对于分子结构和功能内在关系的认识,研究中更多地综合应用计算化学、颗粒学、流变学等来进行分子设计;而“过程工程”则注重在实施过程的空间和时间中分子转化特性的准确描述,

9、从而保证目的产品的产率纯度。因此,计算流体力学、界面现象、传递、过程模拟与控制等构成过程设计与优化的基础。“产品工程”与“过程工程”是相互促进的,产品工程为新过程的产生提供了需求和动力。在研究化学产品工程技术时，除了研究分子产品工程：即结构与性能关系、分子设计与分子模拟技术之外，还需加强配方产品工程和以产品为导向的生产工艺过程研究。对于复杂配方产品来说,配方产品工程就是在微观层次上对产品质量和相应结构进行研究。最终的模型有助于研究不同参数对产品性质的影响,获知如何从生产和配方的角度去控制产品行为,减少了产品在不同条件下的行为状态预测所需的实验工作。配方产品通常是多组分体系,并且每种组分可能包含

10、一簇组分,因此它们的特征值分散于均值(如聚合体的分子量、颗粒加工的颗粒尺寸)周围。因此,相平衡将变得更为复杂。已提出的处理分布式参数的热力学理论有连续分布热力学、孔道中相分离、共聚物相平衡性质的分布概率。另外,配方产品中的结构经常偏离它们的平衡状态而处于亚稳态,如绝大多数的乳化液、悬浮液、颗粒固体和凝胶。相平衡的改变,如乳化的沉淀结层、分散的沉淀、溶胶凝胶转变、凝胶的脱水收缩、玻璃体的结晶等的动力学过程将是研究的热点问题。配方产品中,分子聚集成的微相区介于微观和宏观之间(101000 nm),统称为介观体系。介观模拟是联系微观和宏观的桥梁。由于合成和加工过程中,介观相分离的时间都非常短暂,要从

11、实验上准确地把握其机制是不可能的。而介观模拟技术可以模拟真实试验条件(压力、温度、处理时间等)下聚合物或胶体溶液的化学形态、微观形貌、相分离以及流变性等,有助于解决配方化学、高分子科学和化学工程所涉及到的复杂问题,包括胶束形成、胶体絮状物构造、乳化、流变学、共聚物及高分子共混形态以及通过多孔介质的流动等研究。介观尺度上的计算机模拟发展很快,是目前计算化学的前沿研究领域。现在比较成熟的模拟方法有介观动力学(Meno Dynamics)和耗散颗粒动力学(dissipative particle dynamics,DPD),两者都是基于平均场密度泛函理论。成功的应用有共聚物相分离、油-水-表面活性剂

12、体系、逆变胶束、乳胶种子形成、高分子混合增溶剂等。当前化学品生产由大规模连续生产向小批量个性化定制模式发展,生产过程也由单一产品的专用过程拓展为多产品的柔性制造过程。因此必须加强适应专用化学品特点的制造过程的研究。包括计划层次上的生产柔性要求、排产调度层次上的生产时间要求以及过程操作层次上的产品质量要求。2 柔性装置及自适应工厂目前,在过程工业领域，对是否可以设计和建造适应多种化学品生产的柔性生产装置及自适应工厂还存在一定的争议。有人认为，可以设计和建造适应多种化学品生产的万能化工厂；也有人认为，由于化工产品的复杂多变，设计和建造适应多种化学品生产的柔性生产装置是不可能的。从国内外过程工业的实

13、践中证明以上两种观点都是不正确的，既不存在万能化工厂，也不是只能建造生产一种化学品的专用化工生产装置。实际的情况是介于这两者之间，即通过灵活的工艺流程、工艺装置设计技术和计算机集成操作控制技术，是可以建造具有一定柔性的能适应相近化学品生产的自适应生产装置。组织精细化工产品的柔性生产方式归纳起来有两种。一种是把同类生产工艺的产品,组合在一条生产线上。计算机将同类产品的操作参数输入控制系统,在设定的操作参数范围内,每个产品可按不同的具体要求,在多功能装置中进行批量生产,实现多品种和系列化。每条生产线上的釜、罐、塔、机、泵和管道、阀门,都按易配、易换、易拆、易装的原则设计和安装。同时,由于消费者对产

14、品的需求,在数量上往往有差别,多者一个月几百吨,少者一个月仅几十千克,甚至几千克。因此,设计不同大小的反应器,并安装几条生产规模不同的同类生产线,按不同消费者的需求,以最经济合理的方法,在不同的生产线上组织生产。另一种做法则是:按精细化工生产的各个主要单元操作(如氧化、磺化、硝化、卤化、氨化、还原、缩合等)进行分类,然后再按产品的生产工艺进行组合和调配,用较少的设备,通过在反应物的分子结构中引入不同的基团(如一个或多个取代基等),生产成百上千个不同的精细化学品。德国专家Joachim Rach在其专著multiproduct plants（多产品工厂）中提出了建造四种典型多产品柔性生产装置：即

15、标准型、模块化型、多向连接型和无管路型柔性生产装置的设计方法。标准型多产品柔性生产装置与普通的间歇生产装置相似，采用固定管路连接，但通常选择能适应宽范围产品特性和过程参数的设备。模块化型多产品柔性生产装置通常由紧凑的、可移动的、随时可使用的功能单元组成，各模块和各固定安装的过程设备之间通常采用柔性软管或标准连接系统连接。多向连接型多产品柔性生产装置采用管路多向连接器实现设备之间的灵活连接，从而实现不同的工艺设备组合，进而实现不同的工艺流程组合。在无管路型多产品柔性生产装置中，主要设备通常是可移动的。其最基本的设备是负责在不同处理单元间传送物料的传送设备，常见的有二维传送系统、三维传送系统和旋转

16、传送系统。3数字化工过程3.1数字化工过程及其作用传统的化工过程实验研究方法是通过实物投料，经过实验室小试、模试、中试等阶段，用不同规模的多套实验装置进行实物试验，来完成生产工艺技术研究的，其研究周期较长，实验装置通用性差、利用率低，投资较大，存在着工艺介质剧毒、强腐蚀性、易燃易爆等带来的安全、污染环境等风险。现代工艺过程技术的发展，对工艺过程的机理了解更加深入，应用计算机控制系统可以在线实时采集大量的工艺过程运行数据，这为建造工艺过程模型打下了更好的基础。过程模拟技术，包括稳态过程模拟和动态过程仿真，是过程系统工程领域最为成熟和实用的技术。数字化工技术，是通过建立工艺过程的全范围、高精度动态

17、数学模型，以控制系统开发人机操作界面，构建多功能数字化化工过程及其控制系统，探索一种全新的数字化的基于工艺过程数学模型进行工艺技术仿真实验研究的方法。从而避免实物试验带来的各种风险，提高工艺技术研究的有效性，加快研究进度，提高效费比。因此可以说，多功能数字化化工过程系统是一套基于化工过程模型及其运算和自控系统人机操作界面的虚拟化工过程或半实物化工过程系统，可用于化工过程工艺和控制技术的概念性、原理性实验研究，以及化工过程的辅助设计和操作培训，是化工过程研究信息化的强大工具。其主要特点为：具有工艺过程实验和系统控制实验双重用途；有限的设备可实现多种过程实验的最佳组合；可实现多种过程控制方法和多种

18、方案选择实验；真正实现了间歇和连续反应动力学实验；无须投料、安全；智能化实验；分散控制（Distributed Control System,简称DCS）化、数字化、标准化；易使用、易维护；高可靠性；节能、环保。多功能数字化化工过程系统将动态仿真工具用于化工产品开发，将减少新产品的开发时间和成本，减少中间试验，可分析开车可行性，验证过程的能量及物料平衡，试验事故和安保系统，培训操作员。多功能数字化化工过程可以建立各种过程系统的模型，动态模型能跟踪化工过程运行，动态模型的运行速度是实时的50至500倍，在过程全部操作范围内具有高精度，进行标准数据交换（OLE(Object Linking and

19、 Embedding)for Process Control，简称OPC)即采用过程控制中的对象链接嵌入技术。多功能数字化化工过程系统能基于过程模型对化工过程及其控制系统进行全面和深入细致的研究，将能完成多种过程与控制实验内容：过程特性及测试实验；过程开、停车实验；故障及排除实验；基础控制实验；复杂控制实验；全流程控制综合设计实验；先进控制实验；智能控制实验；安全分析实验；故障诊断实验。多功能数字化化工过程及其控制系统将包含常见工艺过程实验项目:离心泵及特性实验系统、三级液位实验系统、压力实验系统、溶液浓度配制实验系统、传热过程实验系统、间歇反应实验系统、连续反应（CSTR）实验系统。多功能数

20、字化化工过程及其控制系统能进行自衡系统、非自衡系统、单容系统、隔离多容系统、关联多容系统、液位系统、流量系统、压力系统、温度与传热系统、成分系统、过程非线性系统、离心泵特性、离心式鼓风机特性、调节阀特性（线性、等百分比、抛物、快开）、连续反应动力学特性、间歇反应动力学特性等过程特性及测试实验；并能完成常见过程控制实验项目：偏差预估型防积分饱和PID算法实验、PID参数在线整定、各种单回路控制系统实验、大惯性大滞后系统控制实验、串级控制系统实验、均匀控制实验、协调控制实验、比值控制实验、分程控制实验、解耦控制实验、pH控制实验、取代（超驰）控制实验、前馈控制实验、非线性控制实验、批量控制实验、程

21、序控制实验、模糊控制实验、安全保护控制实验、事故连锁系统实验、紧急停车系统实验、优化控制实验、模型控制实验、DCS组态实验、工业微机监控系统组态实验、信号滤波实验、低通滤波实验、控制阀特性实验、自动开车系统设计和实验、自适应控制系统实验、神经元网络故障诊断实验、定性趋势分析故障诊断实验、符号有向图（Signed Digraph,简称SDG）建模及测试、SDG法故障诊断实验、SDG深层数据挖掘实验、SDG推理优化实验、SDG危险与可操作性分析、系统辨识方法实验、控制结构与参数自组织新一代过程控制系统试验与研究等。从而使多功能数字化化工过程系统能进行化工过程各个领域、各个方面、各个阶段的数字化实验

22、研究。3.2多功能数字化工过程的研制研制多功能数字化化工过程系统是具有原创性、前沿性的探索性研究课题，需要进行较多的创新技术研究工作，主要探索研究内容如下。（1）复杂化工过程的全范围、全流程、高精度动态数学模型的建造方法研究。化工过程大多是间歇过程，在其开车、运行、停车的过程实验全范围内，工艺过程呈现出强非线性、强非平稳、时变、分布参数等复杂特性；并且在化工过程的全流程内，具有反应、精馏、萃取、吸收和脱吸、中和等多种单元操作过程，现了复杂的“三传一反”现象，工艺过程常存在固态、粉体、易结晶、粘稠、强腐蚀性工艺介质等，这些都给建造工艺过程动态数学模型带来很多困难。可探讨系统辨识建模、人工神经元网

23、络建模、模糊逻辑建模和过程机理建模等混合建模方法，建立复杂化工过程的全范围、全流程、高精度动态数学模型。（2）高度逼真的虚拟人机操作界面的开发方法研究。为了实现工艺过程的数字化实验，需要有高度逼真的人机操作界面，模拟实验人员操作工艺过程的各种操作，对数字化实验系统进行操作控制。需探讨工艺过程的虚拟现实人机操作界面的开发技术，实现高度逼真的人机交互。（3）数学模型与人机操作界面的数据交互技术研究。为了研制多功能数字化化工过程及其控制系统的整体系统，需要把从人机操作界面输入的操作和命令传送到数学模型进行运算，把数学模型运算结果传回人机操作界面显示。需探索建立高速动态数据链接库函数，或建立高速动态数

24、据交换方法，实现数学模型与人机操作界面的数据交互和系统的整体集成。结束语为了应对市场快速多变的需求，需要提高我们进行精细化学品及其生产工艺过程的研究、开发能力。现代过程系统工程技术的发展，特别是化学产品工程、柔性自适应生产技术和数字化工技术等高新技术的研究和应用，将为我们带来更强有力的技术手段来迎接对精细化学品的快速、多品种、多样化和多种规模等市场需求的挑战。为了满足这种快速、多样化需求，现代精细化工生产过程及装备的发展趋势将主要表现为两个方面，一是建立自适应智能化柔性精细化工生产线，二是建立数字化精细化工生产过程。通过研究和应用化学产品工程、计算机集成综合自动化技术，建立具有柔性制造能力的自

25、适应智能化精细化工生产线，使其可根据市场需要，转换生产过程的工艺流程和操作条件，适应多种工艺介质的处理、生产和传输，成为能自动适应生产任务具有一定智能性的多功能精细化学品生产装置。通过研究和应用新型计算机数字模拟仿真技术，主要是工艺过程建模技术、过程动态模拟技术、人机界面、数据交互技术和计算流体动力学仿真技术，设计和开发数字化精细化工生产过程，更多地基于数学模型进行精细化工过程设计、试验和研究开发，实现精细化学品的虚拟制造，在需要时即可快速建立需要的精细化工生产过程。参考文献：1 Kl-attKU，Marquand WPerspectives for process system engine

26、eringPersonal views from academic and industryComputers and Chemical Engineering，2009，33:536-5502 徐士信.间歇工艺的自动控制.石油化工自动化,1998,2:14-19.20岑大卫,南振奇,马骝强.精细化工柔性生产系统的开发和利用.中国现代教育装备,2003:6-8.3 RauchJ,Plooy K D.Multiproduct plants. Weinheim: Wiley-VCH GmbH&Co.KgaA,2003.4 夏迎春,吴重光,张贝克.现代化工仿真训练工厂.系统仿真学报,2010,22(

27、2):370-375.5 冯毅萍,荣冈.流程工业智能工厂实验系统.信息与控制,2005,34(1):35-43.6 Martin-Villalba C，Urquhart A，Dormido SObject-oriented modeling of virtual-labs for education in chemical process control. Computers and Chemical Engineering,2008,32:3176-3186.7 吴重光.系统建模与仿真.北京:清华大学出版社,2008.8刘铮,金涌,魏飞.化学工程科学发展的回顾与思考.化工进展,2002,21(2):87-91.9 孙宏伟.化学工程的发展趋势认识时空多尺度结构及其效应.化工进展,2003,22(3):224-227.10 张锁江,张香平,李春山.绿色过程系统合成与设计的研究与展望.过程工程学报,2005,5(5):580-590.10