计算机在化学化工中的应用综述ppt课件.ppt
第1讲 绪论,计算机在化学化工中的应用综述,本章内容安排,教学资源概述计算机在化学中的应用计算机在化工中的应用计算机在教学中的应用课程安排教学相关,1.1 教学资源,教学网站 http:/http:/其他资源,1.2 计算机的特点,高速度高精确度智能性，主要通过软件实现软件的可继承性更新换代快,1.3 计算机在化学中的应用,文字处理图形图像处理实验数据处理插值拟合实验设计实验结果分析图形处理,分子模拟药物筛选合成路径选择量子化学计算催化机理研究仪器分析其他,图形图像处理,插值与拟合,正交实验设计,图形处理,分子模拟,乙烯的轨道图像,仪器分析,红外光谱,核磁共振,二维分子式绘制,三维分子结构-苯,三维分子绘制,炭疽病毒分子结构,DNA结构,实验流程绘制,1.4 计算机在化工中的应用,过程模拟稳态模拟动态模拟仿真实习辅助设计过程优化生产管理生产计划生产调度,化工数据查询化工计算线性方程组求解非线性方程求解非线性方程组求解CFD计算Computational Fluid Dynamics反应过程传质过程传热过程,1.4.1 化工过程模拟简介,化工过程模拟(亦称流程模拟)技术是以工艺过程的机理模型为基础,采用数学方法来描述化工过程,通过应用计算机辅助计算手段,进行过程物料衡算、热量衡算、设备尺寸估算和能量分析,作出环境和经济评价。该技术使我们能够从整个系统的角度来认识、分析、预测生产中深层次的问题,进行装置调优、流程剖析和过程综合,达到优化生产、节约资源、环境友好、提高经济效益的目的。,过程模拟的用途,新装置设计旧装置改造新工艺、新流程的开发研究生产过程调优疑难问题诊断仿真培训等,过程模拟的内容,稳态模拟连续化工过程的模拟。其特点是参数只随空间变化，不随时间变化。动态模拟用于解决稳态模拟无法解决的工程问题，同时考虑空间和时间因素。开车方案持液量的计算间歇精馏过程,稳态模拟示例,稳态模拟的输出Report,稳态模拟的输出PFD,稳态模拟的输出Tower Profile 1,稳态模拟的输出Tower Profile 2,稳态模拟的输出Tower Profile 3,过程稳态模拟实例,濮阳化肥厂合成氨装置模拟,动态模拟示例：间歇精馏,动态模拟示例：间歇精馏操作条件,动态模拟的输出结果Report,动态模拟的输出结果PFD,动态模拟的输出结果1,动态模拟的输出结果2,1.4.2 过程仿真,以仿真机为主要工具，用数学模型描述过程系统动态特性，在仿真机上再现该过程的实时特性，以代替过程系统进行实验和研究。,过程仿真的用途,辅助培训与教育理论教学实践教学实习教学辅助设计辅助生产辅助研究计算流体力学分子模拟工艺研究,1.4.3 计算机辅助设计,CADCAMCAI,工艺流程图,设备布置图,设备图,零件图,管道布置图,三维管道图,计算机辅助制造,计算机虚拟装配,计算机辅助分析和优化设计,1.4.4生产管理-生产计划,生产计划是企业生产运营优化的核心。通过把集成供应链的思想引入生产计划，企业可以对供应、生产、销售、存储等各环节进行综合优化，以合理配置各种资源，充分发挥企业的生产能力，提高经济效益和社会效益。,中药企业生产计划的特点,中药企业生产计划应是基于供应链思想的集成的生产计划由人工依靠经验编制生产计划过渡到以数学模型为基础的计算机辅助生产计划中药企业生产计划应为滚动式编制的多周期生产计划中药企业生产计划应充分考虑不确定性对生产计划的影响,基于确定性规划的中药企业供应链模型,1.目标函数,2.周期内系统约束,工艺约束 市场约束 能力约束,加工能力约束 运输能力约束 库存能力约束,3.各周期间产品、原料、能源的平衡关系4.指标性约束,5.非负约束,对各周期末产品、原料、能源库存的约束对各周期可用采购资金的约束,不确定条件下的中药企业生产计划模型,1.中药企业生产运营中的不确定性,产品需求与价格的不确定性 原料供应与价格的不确定性 能源供应与价格的不确定性 运输的不确定性 管理、操作人员决策的不确定性,2.不确定性的表达三角模糊数,dL：最小值；dM：中间值；dU：最大值,3.不确定条件下中药企业的供应链模型 考虑以下不确定性：,产品需求的不确定性产品价格的不确定性原料供应的不确定性原料价格的不确定性,该模型是目标函数和约束中都存在模糊数的模型，因而具有普遍意义。,目标函数：,为第t周期产品p在销售市场k的价格，采用三角模糊数，上标L、M、U表示市场价格的悲观值、可能值、乐观值。,为销售收入,为原材料采购费用,为第t周期从供应市场j采购原料q的价格，采用三角模糊数，上标L、M、U表示市场价格的悲观值、可能值、乐观值。,系统约束,工艺约束 市场约束,能力约束,各周期间产品、原料、能源的平衡关系指标性约束非负约束,求解策略,1.目标函数的清晰化,对如下问题：,定义,为其他两个目标取最优值时目标的较小值。,各目标函数的隶属度为：,新的目标函数为：,2.约束条件的清晰化,定义为资源隶属度，0，1。资源隶属度表示了决策者对于模糊资源所采取的冒险程度。较大的值表示决策者倾向于更加积极的决策以获得更大的利润，较小的值则表示决策者倾向于更加保守的决策。原市场约束转化为：,3.模型求解方法,计算结果,确定性规划与模糊规划的结果比较,资源隶属度对计划的影响,生产计划,产品销售与库存计划,甘草原料价格、供应、存储计划,1.4.4.2生产调度,中药企业生产调度的定义,生产调度的任务是将生产计划分解为可执行的短期作业计划，通过协调安排资源、加工顺序、时间、设备、中间储槽、劳动力、物资和能源的使用，在保证完成生产计划的前提下，达到最短生产周期、最小生产成本等目标。,中药企业生产调度的特点,具有多产品厂的生产特点生产特点是多品种、小批量、多批次生产切换频繁多目标问题,中药企业生产调度问题描述,在给定生产计划中包括N种产品，各产品的生产量为Qi。每种产品均遵循相同的生产工艺，需要经过M道生产工序，产品i在工序j的加工时间tij、批加工能力Capij已知。求出这N种产品的一个加工序列，使得生产这些产品所需的总目标最小。生产调度问题应遵循以下假设：,生产调度问题应遵循以下假设：,1.所有产品遵循相同的生产工序，区别仅在于不同产品在各工序的加工时间不同。2.所有产品采用连续加工方式。生产过程是严格顺序的，即当上一道工序完工后，才能送下一道工序。不允许跳过某一工序直接进行下一道工序的加工。3.每道工序的加工过程不允许中断。4.产品在某一工序加工完成后可以暂时存储等待下一工序的加工，允许某一工序等待下一个产品的加工。5.每道工序由一个单元操作过程或设备完成，每个单元操作过程或设备只负责一道工序的生产。6.每道工序同一时刻只能加工一种产品。7.产品i在每道工序j的加工时间tij与批加工能力Capij已知，且仅与产品加工工艺有关。设备清洗、进出料时间等包含在加工时间内。,中药企业生产调度问题的目标分析,最小化生产时间满足不同产品的生产优先级保证药品供应降低库存损失,中药企业生产调度问题的目标权重分析,中药企业生产调度问题的启发式调度规则,1.评价指标,产品优先级指标Oi,加工时间指标Ti,需求紧迫程度指标Si,库存费用指标Ci,2.评价指标的无因次化,3.排序因子的计算,以第i种产品的排序指标i作为调度排序依据，按i非增的顺序排列产品加工次序。对i相等的产品，依次以Oi、Ti、Si、Ci为排序依据进行排序。,静态调度流程,动态调度流程,计算结果,1.4.5 CFD 计算流体力学,随着计算机技术和数值计算技术的发展,计算流体力学(CFD:Computational Fluid Dynamics)已越来越广泛地应用于各个领域。数值模拟具有成本低、周期短、所得资料详尽等突出的优点。,应用举例,凹凸烟管内流动与传热性能模拟及优化CFD在麦芽厂发芽罐节能改造中的运用Ansys介绍,1.4.6 化工数据查询,任一邦学位论文,1.5 计算机在教学中的应用,多媒体教学操作录像屏幕录像网站专用软件虚拟现实技术仿真实习,虚拟现实技术,换热器单元的模型合成氨过程模型吕令广毕业论文,1.6 计算机在其他领域的应用,数据的可视化非线性方程求解线性方程组的求解非线性方程组的求解符号计算统计分析,数据的可视化,符号计算,统计分析-参见spss介绍,对课本的评价,1.7 课程安排,第一部分 通用技术第一讲 常用图形图像处理第二讲 如何用图形表达思想-Visio制图第三讲 Excel及office系列软件的应用第二部分 专用技术第一、二讲 matlab基础第三讲 数学计算第四讲 拟合与插值第五讲 实验设计方法第六讲 常微分方程数值解及其应用第七讲 过程模拟第八讲 其他应用,授课方式,时间 1-9周课堂讲解每周一上午1，2节每周五上午3，4节上机练习Email和BBS答疑,学习原则,目标明确实例教学教学互动学以致用自觉地把学到的知识应用到学习、工作中。重视练习发挥主动性,
