過程裝備成套技術(shù)

1、過程裝備成套技術(shù) ——綜合性專業(yè)課,1 概論工藝開發(fā)與工藝設(shè)計概述經(jīng)濟(jì)分析與評價工藝流程優(yōu)化及環(huán)境影響評價過程裝備的設(shè)計與選型管道設(shè)計過程控制工程設(shè)計絕熱工程設(shè)計防腐工程設(shè)計過程系統(tǒng)工程,1 概述,1.1 幾個問題 1.2 系統(tǒng)科學(xué)的基本概念 1.2.1 系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、涌現(xiàn) 1.2.2 環(huán)境、行為、功能、演化 1.3 系統(tǒng)工程,2 工藝開發(fā)與工藝設(shè)計概述,2.1 工藝設(shè)計的

2、內(nèi)容 2.2 工藝開發(fā)程序,概論1.1 幾個問題問題1：過程機(jī)器＋過程設(shè)備 過程裝備 過程裝備 管道連接 過程裝備 工藝 過程裝備＋工藝＋控制＋公用工程 過程系統(tǒng),,,,,,問題2：過程系統(tǒng)涉及哪些方面的問題？① 立項 可行性研究 包括：資源

3、 市場 法律 產(chǎn)業(yè)政策 環(huán)境影響 技術(shù)經(jīng)濟(jì) …,,② 工藝開發(fā) 包括： 工藝原理 工藝路線選擇 工藝的成熟程度 工藝的集成與綜合

4、 工藝系統(tǒng)的優(yōu)化 工藝及裝備的放大技術(shù) 廠址選擇 …,,③ 裝備設(shè)計與選型④ 工藝及裝備布局設(shè)計⑤ 投資及產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析⑥ 公用工程設(shè)計⑦ 環(huán)境影響評價 …,,問題3：系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)工程概述系統(tǒng)(systems)：相互作用的多元素的復(fù)合體（貝塔朗

5、 菲 Bertalanffy 1910～1972)系統(tǒng)特點：① 多元性 系統(tǒng)是多樣性的統(tǒng)一，差異性的統(tǒng)一。② 相關(guān)性（相干性） 系統(tǒng)中不存在與其它元素?zé)o關(guān) 的孤立元素。,,古今系統(tǒng)思想概述：系統(tǒng)思想(system thought)：關(guān)于事物的整體性觀念、相互聯(lián)系的觀念、演化發(fā)展的觀念。① 中醫(yī)： 綜合辨證、強(qiáng)調(diào)人體各器官的聯(lián)系；生理與

6、 心理的聯(lián)系等。② 作物生長：對農(nóng)作物就種子、地形、土壤、水分、 肥料、季節(jié)、氣候等因素的辨證關(guān)系。③ 都江堰工程：包括“魚嘴”、“飛沙堰”、“寶瓶 口”三大工程和120多個附屬工程。④ 古希臘的赫拉克利特：世界是包括一切的整體。⑤ 老子：強(qiáng)調(diào)自然界的統(tǒng)一性。,,⑥ 南宋陳亮：理一分殊思想。⑦ 恩格斯：19世紀(jì)的科學(xué)“本質(zhì)上是整理材料的科

7、 學(xué)，是關(guān)于過程、關(guān)于這些事物的發(fā)生和 發(fā)展以及關(guān)于聯(lián)系——把這些自然過程結(jié) 合為一個大的整體——的科學(xué)”⑧ 辨證唯物主義：物質(zhì)世界普遍聯(lián)系及其整體性的思 想。⑨ 二戰(zhàn)后，系統(tǒng)思想的定量化，運籌學(xué)的誕生，計算 機(jī)作為定量化強(qiáng)有力的手段。,,系統(tǒng)科學(xué)：從總體上研究各類系統(tǒng)共性規(guī)律的科學(xué)。系統(tǒng)科學(xué)的形成和發(fā)展：量子論提出者普

8、朗克：“科學(xué)是內(nèi)在的整體，它被分解 為單獨的部門不是取決于事物 的本質(zhì)，而是取決于人類認(rèn)識 能力的局限性”1937年貝塔朗菲提出“一般系統(tǒng)論”（general system theory）。指出：一般系統(tǒng)

9、論的任務(wù)“乃是確立適用于系統(tǒng)的一般 原則”。,,并對系統(tǒng)的共性作了概括，如系統(tǒng)的整體性、關(guān)聯(lián)性、動態(tài)性、有序性、終極性（目的性）。1954年成立“一般系統(tǒng)論學(xué)會”，上世紀(jì)80年代改名“國際系統(tǒng)科學(xué)學(xué)會”上世紀(jì)30年代由于戰(zhàn)爭的需要，提出了運籌學(xué)。并由美國人維納提出了控制論。1948年香農(nóng)提出了信息論。1969年普利高津提出耗散結(jié)構(gòu)理論；1969年哈肯提出自組織概念。,,上世紀(jì)80年代以來，非線形科學(xué)

10、和復(fù)雜性科學(xué)有了較大的發(fā)展，突出標(biāo)志是美國的圣菲研究所（Santa Fe Institute）的建立。 該所由3位諾貝爾獎獲得者和一批不同學(xué)科的科學(xué)家組織和建立的。1999年美國《科學(xué)》（Science）雜志發(fā)表了一個“復(fù)雜系統(tǒng)”的專輯。,,系統(tǒng)分類：按系統(tǒng)規(guī)模（元素的多少）：小系統(tǒng)、大系統(tǒng)、巨系統(tǒng)按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度：簡單系統(tǒng)、復(fù)雜系統(tǒng)成套技術(shù)涉及的過程系統(tǒng)一般屬于簡單的小或大系統(tǒng)。,,1.2

11、系統(tǒng)科學(xué)的基本概念1.2.1 系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、涌現(xiàn)系統(tǒng)科學(xué)存在的前提：系統(tǒng)是一切事物的存在方式 之一，因而都可以用系統(tǒng)觀 點來考查，用系統(tǒng)方法來描述。系統(tǒng)：相互作用的多元素的復(fù)合體。,,結(jié)構(gòu)：元素及把元素整合成整體的關(guān)聯(lián)方式。結(jié)構(gòu)分為：有序和無序兩種，有序結(jié)構(gòu)也稱為組織。組織：

12、有序的結(jié)構(gòu)，如自然生態(tài)群落；貝納爾圖樣等。結(jié)構(gòu)分析的主要內(nèi)容：子系統(tǒng)劃分子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)方式,,涌現(xiàn)性：系統(tǒng)整體才具有，單個元素或元素總和不 具有的特性。西蒙：”已知元素的性質(zhì)及元素間相互作用的規(guī)律，也很難把整體的性質(zhì)推斷出來“幾種表達(dá)：亞里士多德：“整體大于部分之和”霍蘭：“多來自少”老子：“道生一，一生二，二生三，三生萬物”,,1.2.2 環(huán)境、行為、功能、演化

13、環(huán)境：系統(tǒng)之外所有與系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的事物的集合。系統(tǒng)的邊界：把系統(tǒng)與環(huán)境分開的東西。注意：系統(tǒng)、邊界的相對性。系統(tǒng)的開放性與封閉性：開放系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)。,,系統(tǒng)的行為：系統(tǒng)相對于環(huán)境所表現(xiàn)出來的如何變化。行為類型：維生行為、學(xué)習(xí)行為、演化行為、自組織行 為…功能：系統(tǒng)行為所引起的、有利于環(huán)境中某些事物乃至 整個環(huán)境存續(xù)與發(fā)展的作用。影響功能的因素：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、

14、環(huán)境功能不是性能！ 可流動是水的性能，水運是其功能！,,演化：系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、特性、行為、功能等隨 時間的推移而發(fā)生的變化過程。一種理解：系統(tǒng)科學(xué)是關(guān)于事物演化的科學(xué)。演化方式：一種存在狀態(tài) 另一種存在狀態(tài)系統(tǒng) 有 無演化的動力：來自內(nèi)部各元素之間的關(guān)聯(lián)或外部施 加的影響。,,,,1.3 系統(tǒng)工程

15、 從總體上改造客觀世界的工程技術(shù)實踐，是組織管理系統(tǒng)的技術(shù)，是系統(tǒng)科學(xué)體系的工程應(yīng)用層次。上世紀(jì)40年代美國貝爾電話公司在設(shè)計電話通信網(wǎng)絡(luò)時提出的。系統(tǒng)工程的內(nèi)容：系統(tǒng)的設(shè)計、組織管理、操作使用。涉及：通信——信息處理和信息傳遞 控制——選擇適當(dāng)?shù)氖侄巫饔糜趯ο?，以實現(xiàn)某 個目標(biāo)。 運籌——明確優(yōu)化目標(biāo)及達(dá)成該目標(biāo)的

16、路徑。,,系統(tǒng)工程的發(fā)展方向：①應(yīng)用范圍的擴(kuò)展 從工程系統(tǒng)擴(kuò)展到社會系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、區(qū)域規(guī)劃系統(tǒng)、環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、水資源系統(tǒng)、交通運輸系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)系統(tǒng)、企業(yè)系統(tǒng)、工程項目管理、科技管理、教育系統(tǒng)、人口系統(tǒng)、軍事系統(tǒng)…,,② 系統(tǒng)工程方法的發(fā)展 系統(tǒng)工程方法：描述并預(yù)測系統(tǒng)行為的方法。,,,,,,,,,知識維（科學(xué)技術(shù)）,時間維（時間進(jìn)程）,邏輯維（方法步驟）,環(huán)境科學(xué)社會科學(xué)工程技術(shù)

17、經(jīng)濟(jì)法律…,規(guī)劃階段方案階段研制階段生產(chǎn)階段…,明確問題；選擇目標(biāo)；系統(tǒng)綜合；系統(tǒng)分析；方案優(yōu)化；作出決策；付諸實施,,霍爾1969年三維結(jié)構(gòu),,,,,,配酸子系統(tǒng),,,,熱風(fēng)爐子系統(tǒng),,,,氟吸收子系統(tǒng),,項目可行性研究,單體設(shè)備,成套技術(shù),技術(shù)經(jīng)濟(jì),環(huán)境影響評價,控制技術(shù),過程工藝,過程系統(tǒng)工程,,,系統(tǒng)觀點！綜合特性！,,2 工藝開發(fā)與工藝設(shè)計概述2.1 工藝設(shè)計的內(nèi)容廠址選定原料和技術(shù)路線選擇工藝流程設(shè)

18、計物料衡算和能量衡算工藝過程的分析與綜合經(jīng)濟(jì)分析與評價公用工程設(shè)計…,,2.2 工藝開發(fā)程序,信息收集與研究,,實驗性研究,可行性研究1,過程原理研究,小試,模型建模、試驗,中試,工程設(shè)計研究,方案設(shè)計,可行性研究2,初步設(shè)計,,,,,,,,,,,,,,,,可行性研究3,,工程設(shè)計,實施,,,3 經(jīng)濟(jì)分析與評價3.1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)概論3.2 本——量——利分析3.3 生產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)優(yōu)操作3.4 工程問題的經(jīng)濟(jì)

19、優(yōu)化3.5 數(shù)據(jù)的收集與處理,,3.1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)概論3.1.1 信息——了解客體的唯一途徑3.1.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)3.1.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)的任務(wù)3.1.4 技術(shù)——經(jīng)濟(jì)——生態(tài)學(xué)優(yōu)化3.1.5 熱經(jīng)濟(jì)學(xué)3.1.5.1 過程進(jìn)行的推動力3.1.5.2 熱力學(xué)定律,,3.1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)概論3.1.1 信息——了解客體的唯一途徑,物質(zhì)的基本屬性,質(zhì)量,形狀,色彩,物理或化學(xué)屬性,能量,經(jīng)濟(jì)特性,,,,,

20、,,,信息,經(jīng)濟(jì)信息,技術(shù)信息,技術(shù)經(jīng)濟(jì)信息,,,,,,,3.1.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)熱泵技術(shù)、熱經(jīng)濟(jì)學(xué)優(yōu)化設(shè)計 的啟示——如果先進(jìn)的技術(shù)不僅不能帶來經(jīng)濟(jì)成本的下降，反而使得經(jīng)濟(jì)成本上升，這種先進(jìn)技術(shù)的命運會是什么樣的？低成本排污、大量燃燒煤 的結(jié)果——對資源的破壞！代價是不可持續(xù)發(fā)展——更大的經(jīng)濟(jì)成本！,經(jīng)濟(jì)和技術(shù)應(yīng)該結(jié)合！,,技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué),技術(shù)分析,經(jīng)濟(jì)因素,技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué),,,基礎(chǔ),目標(biāo),,技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的信息,,最優(yōu)方案,,決策！

21、,,3.1.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)的任務(wù)結(jié)合點：經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，或經(jīng)濟(jì)與技術(shù)融合成的評價指標(biāo)，如年度總費用、單位產(chǎn)品成本、單位收益exergy（exergy)成本等。技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)的任務(wù),資源才是地球上真正的財富！,什么是人類最重要的財富？是金錢？,資源？人力資源和環(huán)境稟賦？,對！知道可持續(xù)發(fā)展的含義嗎？,既滿足當(dāng)代人的要求，又不對后代人滿足其需求的能力構(gòu)成危害的發(fā)展！,技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)最根本的任務(wù)就是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展！,,3.1.4 技術(shù)——經(jīng)濟(jì)——生

22、態(tài)學(xué)優(yōu)化技術(shù)優(yōu)化——資源的有效利用經(jīng)濟(jì)優(yōu)化——低成本生態(tài)學(xué)優(yōu)化——對環(huán)境的影響最小,,可持續(xù)發(fā)展！,,Min(資源成本、資金成本、環(huán)境成本）,,基礎(chǔ),手段,目標(biāo),,,,綠色設(shè)計,物質(zhì)集成與優(yōu)化能量集成與優(yōu)化清潔生產(chǎn),物質(zhì)循環(huán)利用資源最有效利用,可回收性生命周期分析,,對環(huán)境的排放最??！,原燃材料消耗最??！,,技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的完美結(jié)合！,,,例1：煤礦生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化。采煤機(jī)每天工作時間≤12h選煤機(jī)每天工作時間

23、≤10h洗煤機(jī)每天工作時間≤8h問題：要達(dá)到煤礦每天的利潤最大，應(yīng)如何安排褐煤和無煙煤的產(chǎn)量？,褐煤、無煙煤分別為0.8、2.4噸！,,例2：飼料配比問題。 用6種原料混合成飼料。其中包括苜蓿、玉米、大麥、肉渣、燕麥及黃豆，各種原料的成分見表3。現(xiàn)要求飼料中每單位的營養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)為： 蛋白質(zhì)≥ 21%，纖維≥ 5%，脂肪≥ 3.4%， 1.05％≥鐵≥ 1%，0.6％≥鈣≥0.45

24、%。 試找出成本最低的配方。,,,,例3 ： 管道保溫設(shè)計。 有一根DN＝250mm的管道，輸送450℃的油品，當(dāng)?shù)啬昶骄彝鈿鉁貫?5℃，年平均風(fēng)速為3m/s，采用導(dǎo)熱系數(shù)λ＝0.193＋0.000543t0，求保溫層的厚度。例4 ：在例3中，若要求保溫管道的年度運行費用最小，求相應(yīng)的保溫層厚度。例5：在例4中，若考慮到資金的時間價值，最優(yōu)保溫層厚度是多少？,,例6：若按照熱經(jīng)濟(jì)學(xué)優(yōu)化的目

25、標(biāo)，最佳保溫層厚度是多少？注：熱經(jīng)濟(jì)學(xué)——熱力學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)交叉形成的學(xué)科，又稱為exergy經(jīng)濟(jì)學(xué)。3.1.5 熱經(jīng)濟(jì)學(xué),技術(shù),經(jīng)濟(jì),,技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué),,熱經(jīng)濟(jì)學(xué),,合理用能行為,分支,,3.1.5.1 過程進(jìn)行的推動力 推動力是溫差、濃度差、壓力差等各種勢差（勢與場）。,,,3.1.5.2 熱力學(xué)定律3.1.5.2.1 熱力學(xué)第一定律 核心——守衡！ 缺陷1——

26、不能指明能量傳遞的方向。 缺陷2——認(rèn)為同等數(shù)量的能量是等效的， 不管 能量的形式是什么樣的，即1KJ的熱量和1KJ 的其它能量是相等的！ 缺陷3——基于該定律的一些結(jié)論是錯誤的。,,例7：蒸汽電站的能量損失分析,,卡諾循環(huán)效率對可逆過程：式中：T0 : 環(huán)境溫度，K T : 工質(zhì)溫度，K,,,3.1.5.2.2 熱力學(xué)第二定律可逆過程過程進(jìn)行

27、的推動力—— exergy（exergy） 能量 = exergy + 無效能exergy：能量中真正有效的部分，指在給定的環(huán)境條件下，理論上可以最大限度轉(zhuǎn)換為功的那部分能量。例如：在熱量Q中，exergy =（1-T0/T）Q 。相應(yīng)地，把理論上不可能轉(zhuǎn)換為功的那部分能量稱為。能量是由exergy和無效能兩部分組成。,,,,能質(zhì)系數(shù) λ= 式中：E :

28、 exergy U : 能量 按λ的大小可以對能量的品質(zhì)進(jìn)行評價。這樣，在引入了exergy的概念后，就可以對能量的量的守衡性和質(zhì)的差異性進(jìn)行合理的評價。,,熱力學(xué)第二定律 熱力學(xué)第二定律有多種表達(dá)方式，但核心的思想是完全一樣的，即exergy是過程進(jìn)行的唯一推動力，在所有實際發(fā)生的過程中，exergy轉(zhuǎn)變?yōu)闊o效能。由此可以判斷過程進(jìn)行的

29、方向。例如：水往低處流；金屬材料的腐蝕；熱量傳遞；墨水的擴(kuò)散等。,,,,例8：典型用能裝置的exergy效率,,,,能量的品位與合理用能 能量存在品位的差別，即使是同一種能量形式，不同條件下的品位也不同。 能級平衡情況下的用能行為是合理的。節(jié)能的核心——節(jié)exergy例9：換熱器優(yōu)化設(shè)計,,,Ne 為單位換熱量的exergy損，定義為exergy損比，是一個無因次數(shù)，

30、其大小可以表征不考慮壓力損失時換熱器的熱力學(xué)完善度。,,水-空氣預(yù)熱器的方案分布情況,,CO氣體中變換器的方案分布情況,,3.2 生產(chǎn)的成本——產(chǎn)量——利潤分析（本量利分析）3.2.1 本量利分析的目的 目的：找出三者之間的關(guān)系！,,,3.2.2 本量利分析的用途 確定保本產(chǎn)量 確定達(dá)到目標(biāo)利潤時的產(chǎn)量 產(chǎn)品價格決策虧損情況下的價格決策 停產(chǎn)決策,,3.2.3 本量利分析的基本假定 工廠規(guī)模和生產(chǎn)

31、工藝基本不變 原料、產(chǎn)品售價基本不變 產(chǎn)量與銷售量基本相等,,例10：確定保本產(chǎn)量。年度總成本＝年度固定成本＋年度變動成本年度總成本銷售收入臨界情況保本產(chǎn)量,,,,,,,,,,,,,,金額,產(chǎn)量,銷售收入,總成本,利潤,變動成本,固定成本,盈利,虧損,降低變動成本時的可能盈利區(qū)域,B,,Q0,,,,,,,,產(chǎn)量,金額,,,,,經(jīng)濟(jì)規(guī)模區(qū)域,總成本,銷售收入,,例11：確定達(dá)到目標(biāo)利潤的產(chǎn)量Q。

32、例12：產(chǎn)品價格決策。某廠生產(chǎn)一種產(chǎn)品，設(shè)計能力1萬噸/年，預(yù)計售價1000元/噸，年固定成本為200萬元，變動成本為500元/噸，銷售稅金為5％，試進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。,,保本產(chǎn)量 考慮稅金的保本產(chǎn)量達(dá)到目標(biāo)利潤的產(chǎn)量（設(shè)利潤為200萬元）,,,,,,金額,產(chǎn)量,盈利,虧損,B2,,Q2,產(chǎn)品價格決策,,銷售收入2,銷售收入1（預(yù)計）,B1,Q1,,,,銷售收入3,B3,,,,Q3,,變動成本1,變動成本2,固定成本,

33、B4,,Q4,,,,,,,金額,產(chǎn)量,盈利,虧損,B1,,Q0,虧損情況下的價格決策——虧本的買賣做不做？,,,固定成本,變動成本,銷售收入1,,銷售收入2,B2,虧損1——B1-B2虧損2——固定成本,,停產(chǎn)決策例12：某廠生產(chǎn)3種產(chǎn)品，單位產(chǎn)品的成本、售價、產(chǎn)量如下表所示，問c產(chǎn)品是否應(yīng)該停產(chǎn)？按目前的方式，生產(chǎn)產(chǎn)品c虧損1000元；若停產(chǎn)產(chǎn)品c，虧損c產(chǎn)品的固定成本3000元。,繼續(xù)生產(chǎn)c產(chǎn)品!,,說明：a

34、. 產(chǎn)量和年度固定成本之間存在弱關(guān)聯(lián)；b. 產(chǎn)量和變動成本之間存在關(guān)聯(lián)；產(chǎn)量和銷售量存在差別；理論分析只是提供理論上可能的決策途徑，較少考慮實施決策的可能性。,,,,,產(chǎn)量,金額,,,,,經(jīng)濟(jì)規(guī)模區(qū)域,總成本,銷售收入,,3.3 生產(chǎn)調(diào)優(yōu)操作3.3.1 操作工藝偏離最佳工況的原因設(shè)計理論或思想未充分考慮優(yōu)化操作；優(yōu)化目標(biāo)與現(xiàn)實不符；設(shè)計依據(jù)（計算方法、數(shù)據(jù)等）存在偏差； 運行參數(shù)偏離設(shè)計參數(shù)（如調(diào)整產(chǎn)量）。,,3.

35、3.2 調(diào)優(yōu)操作類型 單元設(shè)備調(diào)優(yōu) 流程系統(tǒng)調(diào)優(yōu),,3.3.3 調(diào)優(yōu)操作的基礎(chǔ) 物料平衡 能量平衡 exergy平衡 exergy損分析 exergy定價,,初步調(diào)優(yōu),,根本上的調(diào)優(yōu),,3.3.4 調(diào)優(yōu)方法,,3.3.5 數(shù)學(xué)模型的建立 重點 難點黑箱法——辨識法灰箱法——模擬法 兩種均為唯象法白箱法——推理法混合法,,3.3.6 調(diào)優(yōu)舉例,,,確定目標(biāo)函數(shù)——運轉(zhuǎn)成本

36、最低 運轉(zhuǎn)成本＝排污罰金＋NaOH消耗費用＋蒸汽消 耗費用－硫回收收益建立目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型a. 收集數(shù)據(jù)——見上圖分析① 分析上圖得：NaOH耗量↑則脫硫效果↑ ，排污↓，排污罰金↓；Na2SO3濃度↑，則脫硫效果下降 ；貧液循環(huán)量↓ ，則蒸汽消耗量↓ 。② 排污罰金＝f1（脫硫效果）； 硫回收收益＝f2（脫硫效果）； 蒸汽消耗量＝f3（貧液循環(huán)量）； NaOH費用＝f4（Na2SO3濃度）,,③ 由

37、數(shù)據(jù)回歸處理（最小偏差處理）得到上述關(guān)系的定量表達(dá)式，最后得到目標(biāo)函數(shù)的定量表達(dá)式。 在滿足約束條件的前提下解得數(shù)學(xué)模型的最優(yōu)解。 據(jù)上述最優(yōu)解制定并實施調(diào)優(yōu)方案。 效果評價并據(jù)此調(diào)整調(diào)優(yōu)方案。,,3.4 工程問題的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化3.4.1 傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化例1：煤礦生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化。解：設(shè)x1、x2分別為每天的褐煤和無煙煤的產(chǎn)量，則：目標(biāo)函數(shù)：max f=40x1+30x2約束條件：采煤機(jī)工作時間：3x1+4x2≤12

38、選煤機(jī)工作時間：3x1+3x2≤10洗煤機(jī)工作時間：4x1+2x2≤8 x1≥0;x2≥0方法1：圖解法,,1,c,3,4,5,1,2,4,5,x1,x2,,,,a,b,,,,,,B(0.8,2.4),方法1,,方法2：利用MATLAB軟件解題。C=[-40 -30];A=[3 4;3 3; 4 2];B=[12,10,8];Vlb=[0 0];[x,L

39、am]=lp(C,A,B,vlb);Minf=C*x運行結(jié)果：x＝ 0.8000 2.4000Minf=-104,,例2：油品混合問題。某廠生產(chǎn)兩種牌號的汽油，特性見表1，現(xiàn)擬用兩種汽油通過混合稱為航空汽油和車用汽油（性能要求見表2）。根據(jù)工藝條件可知，當(dāng)兩種汽油混合時，其產(chǎn)品汽油的蒸汽壓及辛烷比率與其組成成分的體積及相應(yīng)的指標(biāo)成正比。問題：該廠如何混合油品才能獲得最大的產(chǎn)值？ 表1 汽油特性

40、表,,表2 航空汽油和車用汽油性能要求,,解：根據(jù)問題要求，建立數(shù)學(xué)模型,利用MATLAB軟 件解題。設(shè)置下列變量：X1——混合的航空汽油中所用的第一種汽油的數(shù)量；X2——混合的航空汽油中所用的第二種汽油的數(shù)量；,,X3——混合的車用汽油中所用的第一種汽油的數(shù)量；X4——混合的車用汽油中所用的第二種汽油的數(shù)量；建立目標(biāo)函數(shù)：f(x)=1.2（X1+X2）+0.7（X3+X4）求f(x)為最大。約束條件：航空

41、汽油銷路限制：X1+X2≤2.0兩種混合用的汽油可供應(yīng)量的限制： X1+X3≤3.0, X2+X4≤7.0航空汽油對辛烷比率和蒸汽壓的比率： 對辛烷比率的要求：,,對蒸汽壓的比率要求：車用汽油對辛烷比率和蒸汽壓的比率： 對辛烷比率的要求： 對蒸汽壓的比率要求：,,,,,,c=[-1.2 -1.2 -0.7 -0.7];a=[1 1 0

42、0; 1 0 1 0; 0 1 0 1; -2 8 0 0; 0 0 -8 2];b=[2 3 7 0 0];vub=[3,7,3,7];vlb=[0,0,0,0];[x]=lp(c,a,b,vlb)minf=c*x解為：x =1.33330.33331.66676.6667,minf = -7.8333即當(dāng)x1=1.3333; x2= 0.3333; x3= 1.6667;

43、 x4= 6.6667萬公升時，最大產(chǎn)值為7.8333萬元。,,例3：飼料配比問題,利用MATLAB軟件解題。解：目標(biāo)函數(shù)為成本最低。設(shè):x1為配方中苜蓿的含量； x2為配方中玉米的含量； x3為配方中大麥的含量； x4為配方中肉渣的含量； x5為配方中燕麥的含量； x6為配方中黃豆的含量；目標(biāo)函數(shù)：min c=0.21x1+0.16x2+0.22x3+0.41x4+0.18x5+0.32x6約束條

44、件：0.21x1+0.082x2+0.11x3+0.048x4+0.115x5+0.32x6≥0.210.17x1+0.022x2+0.076x3+0.09x4+0.119x5+0.028x6≥0.050.023x1+0.036x2+0.017x3+0.072x4+0.038x5+0.005x6≥0.0340.016x1+0.0006x2+0.0057x3+0.048x4+0.0009x5+0.0024x6≥0.010.16x

45、1+0.006x2+0.057x3+0.48x4+0.009x5+0.024x6≤0.1050.007x1+0.022x2+0.012x3+0.27x4+0.011x5+0.019x6≥0.0450.007x1+0.022x2+0.012x3+0.27x4+0.011x5+0.019x6≤0.06,,利用MATLAB軟件求得最優(yōu)解： 苜蓿3.23％，玉米和大麥均為0，肉渣17.37％，燕麥50.84％，黃豆28.56％。次配

46、方的價格為0.261元/單位。例4 ： 管道保溫設(shè)計。解：管道表面溫度若要求表面溫度不大于30℃，解得保溫層厚度不小于0.085米。,,例5 ：在例4中，若要求保溫管道的年度運行費用最小，求相應(yīng)的保溫層厚度。解：目標(biāo)函數(shù)： min年度總費用s＝年度固定費用s1＋年度能量損耗費用s2約束條件：無,,若：保溫層工料費單位價格a=480元/立方米，保溫 層設(shè)計壽命5年，熱量價格b=46E-6元/KJ,年度運行時間h

47、=8000小時，按直線折舊法折舊。求得最優(yōu)結(jié)果為： 保溫層厚度 0.14米； 熱損失量 1233KJ/h； 表面溫度 23.4℃；,,例6：在例5中，若考慮到資金的時間價值，最優(yōu)保溫層厚度是多少？設(shè)利息為15％。解：與例4相比，由于存在資金的時間價值，年度固定費用提高了，其它情況不變，得到最優(yōu)結(jié)果為： 保溫層厚度 0.11米； 熱損失量 1467KJ/h； 表面溫度 25.3℃；

48、分析：與上例結(jié)構(gòu)比較，如果利息為5%,結(jié)果如 何？若熱量價格提高了，結(jié)構(gòu)又如何？,,3.4.2 熱經(jīng)濟(jì)學(xué)優(yōu)化例7：若按照熱經(jīng)濟(jì)學(xué)優(yōu)化的目標(biāo)，最佳保溫層厚度是多少？解：除了以exergy、 exergy價格分別代替熱量損失和熱量價格外，整個思路和上述例題完全一樣。本例題的難點是exergy價格的確定。例8：換熱器的熱經(jīng)濟(jì)學(xué)優(yōu)化設(shè)計說明：熱經(jīng)濟(jì)學(xué)是技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)的新發(fā)展，是今后最重要的發(fā)展方向。在美國，1/3的換熱器已經(jīng)按照熱經(jīng)

49、濟(jì)學(xué)的理論和方法進(jìn)行設(shè)計。,,熱經(jīng)濟(jì)學(xué)存在的主要問題：環(huán)境介質(zhì)的界定；exergy定價；理論方法。 理論方法目前的主要流派： 代數(shù)模式熱經(jīng)濟(jì)學(xué)； 優(yōu)化模式熱經(jīng)濟(jì)學(xué)； 結(jié)構(gòu)系數(shù)模式熱經(jīng)濟(jì)學(xué)（德國的Beyer，英國的 Kotas））； 矩陣模式熱經(jīng)濟(jì)學(xué)（西班牙的Valero. A.)； exergy技術(shù)－經(jīng)濟(jì)模式熱經(jīng)濟(jì)學(xué)（俄羅斯的布羅津斯基）等。,,3.5 數(shù)據(jù)的處理及相關(guān)軟件介紹3.5.1

50、 工程問題和數(shù)學(xué)的關(guān)系例如：化學(xué)反應(yīng)模型；化學(xué)反應(yīng)速度；三傳的模型和速率；煤礦統(tǒng)籌問題；肥料肥效的顯著性問題等。因此都存在著收集數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行處理，以獲得有效信息的任務(wù)。,,3.5.2 數(shù)據(jù)分析 實踐和社會生活中都會涉及數(shù)據(jù)處理、分析的問題，例如：上證指數(shù)隨時間變化的問題；上證指數(shù)和深成指數(shù)之間的關(guān)聯(lián)問題；資源的合理配置問題（如磷酸的合理分配問題；航空汽油和民用汽油的配置問題）等。,,3.5.3 數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計學(xué)的

51、異同目的相同。都是對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理、處理和分析，從而揭示出客觀規(guī)律；數(shù)據(jù)分析的對象更為隨機(jī)，而統(tǒng)計學(xué)分析的對象似乎在某些規(guī)律的控制之中（如誤差的正態(tài)分布、概率的估計等）,,3.5.4 數(shù)據(jù)分析工作需要解決的幾個問題明確數(shù)據(jù)分析的目的。例如：新藥物的療效鑒定、上證指數(shù)隨時間變化規(guī)律。收集的數(shù)據(jù)是否符合數(shù)據(jù)分析目的的要求？,,例1：新藥物的療效鑒定問題。 試驗如何設(shè)計，才能收集到符合數(shù)據(jù)分析目的的數(shù)據(jù)？起碼要求

52、滿足以下幾個條件： a、參與試驗的人員應(yīng)包含患者和非患者；b、參與試驗的人員都是自愿的；c、試驗的人員隨機(jī)地分為處理組和對照組兩個小組；d、采用雙盲式對照試驗，即給所有的試驗人員服藥，其中，處理組服用新藥，對照組服用與新藥的色澤、形狀、味覺都基本相同但對人無害的安慰劑。所有試驗人員和負(fù)責(zé)具體操作的醫(yī)生都不知道誰是處理組的、誰是對照組的。,,例2：甲、乙兩種煙葉肥料的肥效對比試驗。試驗如何設(shè)計要求滿足以下幾個條件：a、設(shè)計三

53、個栽培組：施用甲肥組、施用乙肥組、對 照組（不施肥）；b、三組的水土、溫度、光照條件一樣；c、三組的栽培數(shù)量足夠多；d、三組栽種和收獲時間相同。,,3.5.5 軟件介紹MATLAB 6.x MATLAB 6.x 是數(shù)據(jù)處理工具軟件包，其功能強(qiáng)大，僅數(shù)理統(tǒng)計方面的功能函數(shù)就達(dá)200多個。 MATLAB 的主要用途： A、數(shù)學(xué)計算 B、繪圖（二維、三維） C、優(yōu)化計算 D、數(shù)值分析

54、 E、概率與數(shù)理統(tǒng)計 F、數(shù)字信號處理 G、控制理論 H、動態(tài)系統(tǒng)仿真,,MATLAB對安裝環(huán)境的要求 Windows9.x, Windows2000,WindowsNT；硬盤安裝空間1G，預(yù)留1G；586及以上機(jī)型。SAS 6.x(Statistical Analysis System)BASE SAS是SAS的核心，按照用戶的需要調(diào)用各種功能模塊)和SPSS 10.x（也是模塊式結(jié)構(gòu)）是世界上最優(yōu)

55、秀的統(tǒng)計軟件，可以處理各個行業(yè)所有的數(shù)理統(tǒng)計問題。,,SPSS 10.x介紹SPSS的功能：SPSS是世界上最優(yōu)秀的統(tǒng)計學(xué)軟件之一。由于SPSS走的是一條大眾化的道路，因此與其它統(tǒng)計學(xué)軟件相比，SPSS在界面友好、易用性和結(jié)果的美觀等方面都是最好的，尤其適合于非專業(yè)統(tǒng)計人員使用。適用范圍：適用于所有需對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析的場合。包括工程技術(shù)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、商業(yè)、金融、生物學(xué)、醫(yī)療衛(wèi)生、體育、心理學(xué)、農(nóng)林業(yè)等等。,,SPSS

56、 10.x對環(huán)境的要求：Windows9.x平臺，586及以上的計算機(jī)，若處理的數(shù)據(jù)量大，內(nèi)存大于32M為宜。例1：收集到12個地區(qū)汽車在公路上的平均速度與死亡率之間的數(shù)據(jù)如下，二者之間有何關(guān)系？,,解：這是一個二元變量相關(guān)分析的問題。建立數(shù)據(jù)文件，從Analyze Correlate Bivariate得到：,,,,例1：某車間用一臺包裝機(jī)包裝葡萄糖，包得的袋裝糖重是一個隨機(jī)變量，它服從正態(tài)分布。當(dāng)機(jī)器正常

57、時，其均值為0.5千克，標(biāo)準(zhǔn)差為0.015。某日開工后檢驗包裝機(jī)是否正常，隨機(jī)地抽取9袋糖，稱得凈重分別為（千克）：0.497，0.506，0.518，0.524，0.498，0.511，0.52，0.515，0.512。問：機(jī)器是否正常？解：X=[0.497,0.506,0.518,0.524,0.498,0.511,0.52,0.515,0.512];[H,sigma]=ztest(X,0.5,0.015)H =

58、1sigma = 0.0248因H=1，故該機(jī)器工作不正常。,,例1：為比較5種品牌木地板的耐久性，對每個品牌取4個樣品作摩擦實驗，測得磨損量為：品牌A 2.2 2.1 2.4 2.5; 品牌B 2.2 2.3 2.4 2.6;品牌C 2.2 2.0 1.9 2.1; 品牌D 2.4 2.7 2.6 2.7;品牌E 2.3 2.5 2.3 2.4.問：它們之間有

59、無顯著性差異？解：運行下面的程序：x=[2.2,2.2,2.2,2.4,2.3;2.1,2.3,2.0,2.7,2.5;2.4,2.4,1.9,2.6,2.3;2.5,2.6,2.1,2.7,2.4];p=anova1(x)得：p =0.0019因p =0.0019〈0.05，上述5種木地板的耐久性差異是顯著的。,,4 工藝流程優(yōu)化及環(huán)境影響評價,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,過程裝備的設(shè)計與選型5

60、.1 過程設(shè)備的設(shè)計與選型特別指出：“選型”是指結(jié)構(gòu)形式的選擇，過程設(shè)備 不是標(biāo)準(zhǔn)件！包括內(nèi)容：工藝設(shè)計——確定設(shè)備的主體尺寸強(qiáng)度設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計,,5.2 過程機(jī)器的設(shè)計與選型過程機(jī)器很多都是標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。過程機(jī)器的設(shè)計：由于涉及流體流動和能量轉(zhuǎn)換，其設(shè)計相對復(fù)雜，一般需借助專業(yè)軟件。選型中主要考慮因素：工藝要求安全可靠性價比,,例：離心泵選擇介質(zhì)情況流量——額定

61、流量揚程——額定揚程（注意：不是高度）保證泵在其高效工作區(qū)域工作性能曲線的特點（是否有駝峰）——影響操作彈性該泵的重要程度質(zhì)量和價格,避免大馬拉小車！,,例：泵的流量調(diào)節(jié)問題,,H,,,η,Q,,η-Q,,L-Q,,A,,H-Q,,Qe,流量調(diào)節(jié)方式的優(yōu)缺點：① 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速② 葉輪切割③ 調(diào)節(jié)管路特性曲線,要慎重選擇！,,管道設(shè)計注意：利用軟件合理安排工藝和設(shè)備的總體布局，使管道布局的合理性成為可能。管道上不要隨意

62、安置諸如閥門等部件，以期盡量提高系統(tǒng)效率。在符合工藝要求的前提下，考慮管道按年度總成本最低的目標(biāo)設(shè)計。充分考慮管道的維護(hù)和在線監(jiān)測要求。充分考慮管道的應(yīng)力尤其是熱應(yīng)力的問題。考慮管道的腐蝕問題。執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)。,,過程控制工程設(shè)計7.1 控制問題 控制作用,,施控者（控制器）,,受控者（受控對象）,,受控行為,有明確的目的性！,7.2 控制方式簡單控制：根據(jù)需求

63、和受控對象在控制作用下的可 能結(jié)果的認(rèn)識，制定適當(dāng)?shù)目刂品桨富?指令，去作用于對象以實現(xiàn)控制目標(biāo)。,,,需求,控制方案或指令,,實施,受控對象,,結(jié)果,簡單！缺乏檢查！開環(huán)控制,補(bǔ)償控制：考慮環(huán)境對系統(tǒng)的干擾，預(yù)測干擾對系 統(tǒng)的影響并借助補(bǔ)償裝置影響控制方案 或指令，以達(dá)成預(yù)計的結(jié)果。,,需求,

64、,控制方案或指令,實施,,受控對象,,結(jié)果,,補(bǔ)償裝置,環(huán)境干擾,,,,缺乏檢查！開環(huán)控制,反饋控制：把受控對象在干擾下的行為與目標(biāo)之間 的偏差量化，并籍此調(diào)整控制方案或指令， 達(dá)到消除受控對象行為與目標(biāo)之間的偏差。,,需求,,控制方案或指令,實施,,受控對象,,結(jié)果,,環(huán)境干擾,,有檢查！閉環(huán)控制，更合理、有效！,比較結(jié)果與需求,,

65、誤差,監(jiān)測,反饋,,,遞階控制（逐層控制）：多級控制，適于大系統(tǒng)。,,,,總?cè)蝿?wù),,,,,,,,,,,,,,,,,,,受 控 對 象,,,,,,,,,,最低決策層,,,中間決策層,最高決策層,集中與分散結(jié)合！,7.3 控制系統(tǒng)的特性系統(tǒng)性 控制作用 受控對象是系統(tǒng)，施控者也是系統(tǒng)！ 故：控制是一種系統(tǒng)現(xiàn)象、系統(tǒng)行為！ 控制行為必須基于對受控對象的深刻理解基礎(chǔ)上

66、。 必須從系統(tǒng)觀點提出控制問題！ 控制論就是系統(tǒng)控制論！,,施控者（控制器）,,受控者（受控對象）,受控行為,,涌現(xiàn)性表現(xiàn)在： 局部優(yōu)化不等于整體優(yōu)化！ 局部穩(wěn)定不等于整體穩(wěn)定！ 局部可靠不等于整體可靠！…穩(wěn)定性：系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、行為的抗干擾能力?？煽啃裕合到y(tǒng)在一定時間內(nèi)和給定允許偏差的條件 下

67、實現(xiàn)其功能的概率。馮.諾伊曼提出的命題：重復(fù)使用大量不那么可靠的元件，可以構(gòu)造成高度可靠的系統(tǒng)。,,7.4 系統(tǒng)建模系統(tǒng)建模：建立系統(tǒng)的（數(shù)學(xué)）描述。系統(tǒng)模型：系統(tǒng)某一方面本質(zhì)屬性的描述。系統(tǒng)模型的形式：文字、符號、圖表、數(shù)學(xué)公式…“校院兩級管理”；“433陣型”；“夾點技術(shù)”；“梁的彎矩方程”…,,注意：系統(tǒng)模型與系統(tǒng)對象的聯(lián)系與區(qū)別；可以建立同一系統(tǒng)對象的不同模型；系統(tǒng)建模既是技術(shù)，也是一種藝術(shù)。懸臂

68、梁與其力學(xué)模型；普鈣系統(tǒng)的熱力學(xué)模型、熱經(jīng)濟(jì)學(xué)模型、生態(tài)影響模型；機(jī)械振動：能量法、達(dá)朗貝爾原理、子結(jié)構(gòu)法、 影響系數(shù)法…建立的不同模型Valero的符號模式熱經(jīng)濟(jì)學(xué)模型,,系統(tǒng)模型的3個特征：是現(xiàn)實系統(tǒng)的抽象或模仿是由反映系統(tǒng)本質(zhì)或特征的主要因素構(gòu)成的集中體現(xiàn)了這些主要因素之間的關(guān)系系統(tǒng)模型的類型：按與時間的依賴關(guān)系：靜態(tài)、動態(tài)模型按對系統(tǒng)內(nèi)部特征描述程度：黑箱、灰箱、