Neural Networks)
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人工智能技术在化工过程系统中的应用

专家系统 DENDRAL：1965，斯坦福，根据化合物分子
式及其质谱数据推断分子结构
20世纪80年代，美国大学开发的专家系统： Carnegie-Mellon： • 换热网络综合 HEATEX • 选择汽液平衡估算模型 CONPHYDE
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课程学习内容
• 第四章 过程系统的优化
最优化方法的数学基础 无约束条件的最优化
线性规划法
非线性规划法
单元设备的优化计算
化工过程系统的优化
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课程学习内容
• 第五章 分离序列综合
过程系统综合的基本概念 分离序列综合问题的提出 分离序列综合经典方法
专用流程模拟系统：针对某一具体过程开发
的，模拟计算效率高，结果准确 通用流程模拟系统：具有柔性结构，可用于 模拟各种工艺过程
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化工过程分析与合成
当前商品化的流程模拟系统一般由
以下五部分组成：
1. 输入、输出系统；
2. 单元操作模块库；
3. 物性数据库；
4. 数值解算模块库； 5. 执行系统。
《过程系统工程辞典》第二版，王基铭，中国石化 出版社，2011 4
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课程学习内容
• 第一章 绪论
• 第二章 过程系统模拟的基础知识及方法
非线性方程组的解 单元过程的数学模型和自由度
• 第三章 过程系统模拟
过程系统的结构模型和自由度
过程系统的分解
过程系统模拟的基本方法
的规律，对化工生产过程规律的认识提高到了新 的水平。
！No.2
化工过程分析与合成
化学工程研究发展史上的 第二个
飞跃： 传递现象
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化学工程发展史上的第三次飞跃：1960年代初，在 化学工程、系统工程、运筹学、数值计算方法、过 程控制理论等学科的边缘，产生了过程系统工程
！No.3
化工过程分析与合成

Monsanto公司：FLOWTRAN
Simulation Science公司：PROCESS
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第三代(80年代)，模拟对象涉及气-液-固三相的 过程，在系统分解技术方面有改进。如 MIT：ASPEN（发展到ASPEN PLUS）
Simulation Science公司：PRO/Ⅱ
5.人工智能技术在化工中的应用
人工智能是指研究怎样让计算机做一些通常认 为需要智能才能做的事情，又称机器智能，是计算
机科学的一个分支。
宏观模拟：从人在思维时的心理活动出发，分
析、研究人是如何运用知识、逻辑而解释问题的，
从而掌握人脑的逻辑思维规律。运用计算机模拟这 个过程，选出与人的思维过程相一致的结果，这就
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1.2 动态过程系统模拟
比稳态模拟晚10年左右，用途： 了解装置经受动态负荷变化的能力及可操作性； 分析开、停车及外部干扰作用下的动态性能，为 装置及其控制系统的设计提供依据；
通过仿真计算，在多种控制方案中进行优选；
用动态模型代替实际装置对操作作出动态响应， 开发达到训练目的的操作人员培训器； 用计算机动态模拟手段代替教学实验设备，培养 学生实验研究能力。 29
代 表 研 究 者
美国：Rudd和Watson Himmelblau和Bischoff 日本：矢木荣和西村肇 苏联：卡法罗夫
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三、化工过程系统的特性
1.化工系统的阶层性和相对性
2.化工系统的复杂性
化工系统涉及的单元过程性质各异，充满各种
化学和物理变化，描述系统的变量数多，方程
化工过程分析与合成
化学工程与工艺专业
过程系统工程 PSE Process System Engineering
教 材
•
《化工系统工程》陈胜利、杨朝合编，石大 胶印
•
《化工过程分析与综合》都健主编，姚平经 主审，大连理工大学出版社
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化工过程分析与合成
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参考书
《化工过程分析与合成》第二版，张卫东等，
子系统组合成系统 子系统协调工作，局部最优，整体最优
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第二节 过程系统工ห้องสมุดไป่ตู้的主要
研究内容和现状
基本研究内容
从化工系统的整体目标出发，根据系统内部
各个组成部分的特性及其相互关系，确定化工系
统在规划、设计、控制和管理等方面的最优策略
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化工过程分析与合成 2015/9/23
子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
地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
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4.过程系统工程
将系统工程的思想、方法用于解决过程系统 的设计、开发、操作、控制等问题，就形成了过 程系统工程。 化 学 工 业 背 景
化学工业出版社，2011
《化工过程分析与综合》鄢烈祥，化学工业出
版社，2010
《化工系统工程理论与实践》王健红等，化学 工业出版社，2009 《过程系统工程》姚平经，华东理工大学出版 社，2009，研
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参考书
《过程系统工程概论》张瑞生等，科学出版社， 2001 《化工过程系统工程》王弘轼，清华大学出版社， 2006 《化工过程优化》埃德加等，化学工业出版社， 2006 《化工过程模拟与优化》杨友麒等，化学工业出版 社，2006
加拿大HyproTech公司：HYSIM

第四代(90年代)，动态模拟，HyproTech公司的 HYSYS，利用OOP( Object-Oriented Programming) 方法设计。Honeywell，UniSim Design软件
国内：由青岛化工学院开发的商品软件ECSS
（Engineering Chemical Simulation System）
• 筛选催化剂 DECADE
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Washington： • 系统结构开发 CAPS • 过程设计 KNOD Columbia：故障诊断 MODEX，MODEX2 Ohio：精馏塔设计 STILL Maryland：精馏塔控制设计 DICODE
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程的设备结构参数和操作参数对系统整体的影 响，考察系统在不同条件下的技术经济性能 基础，实用化程度最高
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1.1 稳态过程系统模拟
特点：描述过程对象的模型中不包括时间参数
内容：物料和能量衡算，设备尺寸和费用计算，
以及过程的技术经济评价
流程模拟系统软件：

• 第六章 换热网络综合
夹点及最小公用工程用量
换热器网络的调优
换热器网络的结构优化
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第一章 绪 论
• 第一节 过程系统工程的起源和特性 • 第二节 过程系统工程的主要研究内容和现状 • 第三节 过程系统工程的研究方法
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2.过程系统综合 又称合成，是综合出一个既能满足给定的输入 和输出要求而又在某种意义上讲是最优的过程 系统，也称结构优化
任务：在无穷多个过程系统中挑出一个最优方
案，是一个极为复杂的多目标最优组合问题， 主要靠工程师的经验。 1968年，美国Rudd教授提出过程合成的概念， 理论和方法
是专家系统(Expert System)，简称ES。
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微观模拟：从人脑的生理结构出发，模拟人脑 在思维过程中的生理活动，从而得出和人脑思维过 程相一致的结果。这种微观模拟包括建立神经元(脑
细胞)模型，以及它们相互间传递信息的网络结构模
型。这就是人工神经网络(简称ANN，Artificial
主要研究方向 1.过程系统模拟 2.过程系统综合 3.过程系统的控制与操作 4.间歇过程的设计与操作优化 5.人工智能技术在化工中的应用
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1.过程系统分析与模拟
对给定系统（单元设备及其联接方式已
知），根据系统结构及各子系统特性，通过过
程模拟来推测整个系统的特性，分析各单元过
第一节 过程系统工程的起源和特性
一、几个基本概念 1.系统
系统是由相互联系、 相互作用的若干组成部分 结合成的具有特定功能的 总机体。——钱学森
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阳光-土壤-水-树木
2.过程与过程系统
过程——对物料进行物理的或化学的加工处理 过程单元(单元过程)——特定的单一过程
组织管理系统的规划、研究、制造、试验、 使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍 意义的科学方法 郑春瑞——1984（《系统工程学概述》）
系统工程学是以系统（特别是大系统）为对象 的一门跨学科的边缘科学。
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手段—内容—目标
方法学
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，是应用现代数学和电