化工过程分析与合成
一，化工系统的定常态模拟与分析（一）模拟是对过程系统模型的求解
1. 过程系统的模拟分析：对某个给定的过程系统模型进行模拟求解，可得出该系统的全部状态变量，从而可以对该过程系统进行工况分析
2，过程系统设计：当对某个或某些系统变量提出设计规定要求时，通过调整某些决策变量使模拟结果满足设计规定要求
3，过程系统参数优化：过程系统模型与最优化模型联解得到一组使工况目标函数最佳的决策变量（优化变量）。从而实施最佳工况
（二）过程系统模拟的三种基本方法：序贯模块法、面向方程法、联立模块法
1. -序贯模块法：基本部分是单元模块（子程序），用以描述物性、单元操作以及系统其它功能。单元模块具有单向性特点。
(1) 断裂：通过迭代把高维方程组降阶为低维方程组的办法。它适用于不可分割子系统；-不可分割子系统：过程系统中，若含有再循环物流，则构成不可分割子系统。
-实施序贯模块法进行过程系统模拟计算中必须要解决的问题——如何选择断裂物流、
如何确定迭代序列。-判断最佳断裂的准则：
①断裂的物流数最少；
②断裂物流的变量数最少；
③ 断裂物流的权重因子之和最少； ④
断裂回路的总次数最少。
i=1，…，m ，代表回路；j =1，…，n,代表物流
(2) 回路矩阵
简单回路:一个不可分割子系统包含若干个再循环回路。包含两个以上再循环物流，且其中的任何单元只被通过一次，称作简单回路。 。 回路矩阵：过程系统中的简单回路可以用回路矩阵表示。
矩阵：行→回路；列→物流。
若某回路I 中包括有物流j 则相应的矩阵元素aji=1，否则为空白或零。
??
?=??
?=i j i j a j j x ij j 属于回路流股不属于回路流股被断裂流股未断裂流股,1,0,1,0
Upadyhe－Grens断裂法需要解决的两个问题：一是要有一种能把所有的有效断裂物流组都能搜索出来的办法；二是要能把最优断裂组从中选择出来。
有效断裂组：能够把全部简单回路至少断裂一次的断裂流股组。
① 多余断裂组：如果从一个有效断裂组中至少可以除去一个流股，而得到的断裂组仍
为有效断裂组，则原有效断裂组为多余断裂组。或，存在二次断裂。
② 非多余断裂组：除多余断裂组外，为非多余断裂组。
例题：
解：回路矩阵为：
替代规则列表：
单元1：S5，S6 →S1
单元2：S1，S4，S7 →S2 单元3：S2 →S3，S4，S5 单元4：S3 →S6，S7
(3)收敛单元模块:执行断裂物流变量收敛功能的模块。断裂物流变量的收敛问题实际上是个迭代求解非线性方程组的问题。
适合于收敛单元应满足要求：对初值的要求不高；数值稳定性好；收敛速度快；占用计算机存储空间少。
(4)Wegstein方法与割线法有何关联？为什么ASPEN手册中，遇到断裂问题推荐前者，遇到设计问题又推荐后者？
Wegstein法与割线法是相通的.
隐式方程具有更大的普遍性，所以割线法常为人们所熟知。
在流程模拟领域中，物流回路多用显式方程描述的。因而多用Wegstein法。
2.面向方程法
(1)面向方程法的核心问题是求解超大型稀疏非线性方程组，
求解方法大致分为两类:①降维求解法②联立求解法
(2)方程组的分解方法有回路搜索法和矩阵法两大类。
大型稀疏非线性方程组的另一种求解方法是把非线性方程组线性化。然后联立求解线性方程组。由于线性化引入了误差，所以要借助迭代使线性化方程组的解逐渐逼近非线性方程组的解.
二．化工过程系统的优化
1. 过程系统中优化的分类：参数优化；结构优化；管理优化
参数优化：在流程结构给定的条件下，对象为过程系统参数；
结构优化：流程方案的优化；在多种可行方案中找出费用最小的流程结构，保证该方案满足安全、环保、易操作等方面的要求
不论是结构优化还是参数优化，最终目的都是为了以最小的投入获得最大的收益。
2. 最优化问题的数学描述
（1）在数学上，求解最优化问题就是要找到一组使得目标函数J 达到最大或最小的决策变
量.
（2）求最小值的方法完全可以用于求解最大值问题
（3）服从于不等式约束条件：
（4）及n 个等式约束条件：
为n 维优化变量向量
最优化问题的组成要素：
目标函数，优化变量，约束条件与可行域。
——目标函数：（又称性能函数，评价函数）是最优化问题所要达到的目标。
]max[min J J -=)(min min y F J =0)(≥y g 0)(=y e T n y y y y ),,,(21 =
如：系统的产量最大；系统的原料利用率最高；系统的稳定操作周期最长。。。。
——优化变量：对于过程系统参数优化问题，优化变量向量就是过程变量向量。过程变量向量包括决策变量和状态变量。
决策变量等于系统的自由度，它们是系统变量中可以独立变化以改变系统行为的变量；状态变量是决策变量的函数，它们是不能独立变化的变量，服从于描述系统行为的模型方程
自由度为零的系统优化问题就是系统模拟问题
——约束条件：
当过程变量向量y的各分量为一组确定的数值时，称为一个方案
变量y的取值范围一般都要给以一的限制，这种限制称为约束条件。约束条件有等式约束和不等式约束。（状态方程也可以看作是一种约束条件。对于设计参数优化问题，设计规定要求也是一种约束条件。）
等式约束条件由等式设计规定要求和尺寸成本关系式两部分组成
不等式约束条件包括过程变量的不等式约束条件和不等式设计规定要求
——可行域：满足约束条件的方案集合。
可行域中的方案称为可行方案。
最优解：过程系统最优化问题是在可靠域中寻求使目标函数取最小值的点，这样的点称为最优化问题的最优解
3.最优化问题的建模方法
最优化问题的建模方法：机理模型、黑箱模型、混合模型
适用范围：
（1）机理模型：对于过程机理清楚的问题，一般采用机理模型进行优化。
优点是结果比较精确
（2）黑箱模型：对于过程机理不很清楚，或机理模型复杂，难以建立数学方程组或方程组求解困难的问题。常用的就是统计模型优化方法
优点是模型关系式简单；缺点是外延性能较差
4.化工过程系统最优化方法的分类
1.无约束最优化与有约束最优化
对于决策变量及状态变量无任何附加限制，则称为无约束最优化；直接或间接的对决策变量施以某种限制，则称为有约束最优化，又可分为等式约束最优化和不等式约束最优
2.线性规划LP和非线性规划NLP
目标函数约束条件全部都为线性函数称为线性规划，当目标函数或约束条件中至少有一个为非线性函数时，则称为非线性最优化。过程系统参数的优化通常都属于非线性规划
3.单维最优化和多维最优化
4.解析法与数值法
解析法又称为间接最优化方法。只适用于目标函数(或泛函)及约束条件有显函数表达的情况。古典的微分法、变分法、拉格朗日乘子法和庞特里亚金最大值原理等都属于解析法。数值法又称为直接最优化方法，或优选法。
5．可行路径法与不可行路径法
可行路径法的整个搜索过程是在可行域内进行的，对变量的每次取值，约束条件均必须满足。不可行路径法的不要求必须在可行域内进行，可以从不可行域向最优解逐步逼近，但在最优解处必须满足条件。
5.化工过程系统最优化问题的类型
（1）过程系统参数优化：包括设计参数优化和操作参数优化
过程系统的设计参数优化优化的是设计变量，操作参数优化优化的是操作变量，但就应其数学本质而言并什么本质上的区别，优化的对象都是决策变量。
（2）机理模型描述过程系统的参数优化问题时，模型方程分为稳态优化模型和动态优化模
动态优化模型一般适用于解决动态过程（如间歇过程、开停车过程等）的优化设计和优化操作问题，从控制论的角度称其为连续系统优化。稳态优化模型通常适用于稳态过程系统设计参数优化和离线操作参数优化。从控制论的角度，称稳态系统优化为离散系统优化。
动态优化模型与稳态优化模型的主要区别在于前者的解不是一组简单的数值，而是时间的函数
6，线性规划数学模型的标准形式
第七章：换热网络合成
一，化工生产流程中换热网络的作用和意义
1.对于一个含有换热物流的工艺流程，将其中的换热物流提取出来，组成了换热网络系统。
换热网络系统中被加热的物流称为冷物流，被冷却的物流称为热物流。
2.换热的目的不仅是为了使物流温度满足工艺要求，而且也是为了回收过程余热，减少公
用工程消耗。基于这种思想进行的换热网络设计称为换热网络合成。
3. 换热网络合成的任务，是确定换热物流的合理匹配方式，从而以最小的消耗代价，获得
最大的能量利用效益。
4. 换热网络的消耗代价来自三个方面：换热单元（设备）数，传热面积，公用工程消耗，
换热网络合成追求的目标，是使这三方面的消耗都为最小值。
二．换热网络合成问题的描述
一组需要冷却的热物流H 和一组需要加热的冷物流C ，每条物流的热容流率F Cp ，热物流从初始温度T H 初冷却到目标T H 终，冷物流从初始温度T C 初加热到目标温度T C 终。 通过确定物流间的匹配关系，使所有的物流均达到它们的目标温度，同时使装置成本、公用工程（外部加热和冷却介质）消耗成本最少。
三，换热网络合成—夹点技术
1， 第一定律分析：
2， 温度区间 温度区间特性：
可以把热量从高温区间内的任何一股热物流传给低温区间内的任何一股冷物流。 热量不能从低温区间的热物流向高温区间的冷物流传递。
)
(终初T T FCp Q -=
3. 最小公用工程消耗
问题表：（1）设第一个温区从外界输入的热量I 1为零，则该温区的热量输出Q1为：
（2）
（3）若Ｑi 为正值，则表示热量从第i 个温区向第i+1个温区
若Ｑi 为负值，可取计算得到的所有Ｑi 中负数绝对最大值作为第一个温区
的输入热量，重新计算。
第3列最下面的数字表示由第一定律得到的该热回收网络所需的最小冷却量； 第4列最上面的数字表示该热回收网络所需的最小外加热量； 第5列最下面的数字表示该热回收网络所需的最小外冷却量；
若热回收网络达到最大能量回收，则所需要的公用工程消耗等于表中最小外加热、冷却量。 利用问题表方法可以计算换热网络所需的最小公用工程消耗值。此时，系统内部的能量得到最大程度的回收
温区热流图
1111D D I Q -=-=
从热流图中可以看出，夹点将整个温度区间分为了两部分
夹点之上需要从外部获取热量，而不向外部提供任何热量，即需要加热器； 夹点之下可以向外部提供热量，而不需要从外部获取热量，即需要冷却器。
5. 温焓图与组合曲线
对于热物流，取所有热物流中最低温度T ，设在T 时的H=H H0，以此作为焓基准点。从T 开始向高温区移动，计算每一个温区的积累焓，用积累焓对T 作图，得到热物流的组合曲线
对于冷物流，取所有冷物流中最低温度T ，设在T 时的H=H C0（HC0 ＞HH0），以此作为焓基准点。计算每一个温区的积累焓，用积累焓对T 作图，得到冷物流的组合曲线
例7-3 根据例7-2的数据，用T －H 图表示冷、热物流的组合曲线 解：
热物流的最低温度T=40℃，设其对应的基准焓HH0＝0。 冷物流的最低温度T=30℃，对应的基准焓HC0=1000。
从图中可以直观地看到温区之间的热量流动关系和所需最小公用工程用量。
其中SN2和SN3间的热量流动为零，表示无热量从SN2流
用温度区间的端点温度对各温区的积累焓在T －H 上作图，得到冷、热物流的组合曲线
两条曲线端点的水平差值分别代表最小冷、热公用工程，及最大热回收量（即最大换热量）。 这个位置的物理意义表示为一个热力学限制点。这一点限制了冷、热物流进一步作热交换，使冷、热公用工程都达到了最小值，这时物流间的匹配满足能量利用最优的要求
相同温度区间的物流间的组合称为过程物流的热复合。经热复合后只剩一个热力学限制点，即夹点。这时，过程需要的公用工程用量可达到最小
T
℃
积累焓H kW
热流
40H 0=0
070H 1＝（2+4 ）（70－40）＝180180115H 2＝（2+4 ）（115－70）＝270450150H 3＝（2+4 ）（150－115）＝210660180H 4＝2（180－150）＝60720 冷流
30H ０＝1000
100060H 1＝2.6（60－30）＝781078105H ２＝（3+2.6）（105－60）＝2521330140
H ３＝3（140－105）＝1051435180
H ４＝3（180－140）＝120
1555
将冷物流的组合曲线沿H 轴向左平移，这时两条曲线之间的垂直距离随曲线的移动而逐渐减小，也就是说传热温差△T 逐渐减小
当两条曲线的垂直最小距离等于最
6.夹点的特性
（1）能量特性：夹点限制了能量的进一步回收，它表明了换热网络消耗的公用工程用量已达到最小状态。求解能量最优的过程就是寻找夹点的过程。 （2）位置特性：
夹点把整个问题分解成了夹点上热端与夹点下冷端两个独立的子系统
在夹点之上，换热网络仅需要热公用工程，因而是一个热阱。在夹点之下，换热网络只需要冷公用工程，因而是一个热源
夹点以上热物流与夹点下冷物流的匹配（热量穿过程夹点），将导致公用工程用量的增加
夹点设计的三原则：
避免夹点之上热物流与夹点之下冷物流间的匹配 夹点之上禁用冷却器 夹点之下禁用加热器
（3）传热特性
组合曲线上斜率发生变化的点，称为角点
凡是流股进入处或离开处，均引起组合曲线热容流率的变化，从而形成角点
夹点一定出现在角点或组合曲线的端点处。夹点是整个换热网络传热推动力△T 最小的点。
7.夹点法设计能量最优的换热网络
∑∑≥流入
流出FCp FCp
目标：在公用工程用量最少的前提下寻求设备投资最少（即换热单元数最少）。
包括：一是公用工程消耗最少，二是换热单元数最少。
先找出最小公用工程消耗，即先设计能量最优的换热网络，然后减少换热单元数，从能量和设备数上对换热网络进行调优
8．换热网络的调优
（1）换热网络不能同时满足能量最优和单元数最少的要求，能量最优可保证操作费用最低，单元数最少可使设备费用最低，因而存在着操作费和设备费之间的权衡。
夹点设计法得到的结构处于最小公用工程消耗状态，而勾销推断法基本上可以保证两个子系统中换热单元数最少。当两个子系统组合成原系统时引起了换热单元数的过剩。（2）换热网络实际换热单元数比最少换热单元数每多出一个单元，都对应着一个独立热负荷回路。
换热负荷可以沿热负荷回路进行“加”、“减”，“加”、“减”……地迁移，而不改变该回路的热平衡。
（3）能量松弛法：把换热网络从最大能量回收的紧张状态“松弛”下来。通过调整参数，使能量回收减少，公用工程消耗加大，从而使传热温差加大。
（4）对已满足最小公用消耗的换热网络，如果换热单元数不是最少，可采用以下步骤调整：
a）找出独立的热负荷回路
b）沿热负荷回路增加或减少热负荷来断开回路
c）检查合并后的换热单元是否违反最小传热温差△Tmin
化工过程的分析与综合 综述 学号：201044143 姓名：尹麒 班级：化工1001
题目：关于化工过程分析与计算机模拟的综述 前言：化工过程分析与计算机模拟是现代化学工程研究和实践的重要手段。通过对过程的分析和模拟可以加深对过程的理解，掌握过程变化的趋势，缩短过程研究和开发的进程，或者说用以秒为单位的计算机世界来换得以月或年为单位的工程时间，而且还可以大大节约人力和物力。对于一个化工过程，常需要进行详细考察，以及尽可能达到最优化的条件。这样的深入了解是属于过程分析的内容，它涉及对整个过程及其组成部分有关的各种影响因素。实际情况是，过程分析对设计中过程的流程和技术条件的选择，对运转中过程的操作控制、考察和改进，以及对过程的研究和开发都是很重要的。 正文：（1）化工过程的分析 分析是对任何具有明确界限的事物，即系统的详细考察，以求了解其特性，常是与一定的目的相联系的。过程分析是对一过程的特定问题的认识并探求问题的解决途径和方法。过程分析早就被化学工程师所用。对于一个正在运转中的化工过程，人们首先可以对它的各个方面进行直接观察，对现场数据加以分析研究，但这是有一定限度的，因现场条件常是不能随意改变的。在过程的开发和设计中，实际过程还未建立，就不能对它进行直接视察，对一些影响因素及其相互关系的考察，一种习用的方法是建立一个小型或中型的实际过程来进行实验观察。此外，也可通过数学计算加以考察。在不久的过去，由于计算方法的限制，对数学的利用有限，因此通过计算对复杂得实际过程进行分析是很困难的，甚至是不可能的。由于现代计算机的应用，我们可以很好的解决复杂得数学问题，现代应用电子计算机进行过程分析的一般步骤可用图1—1表示。
化工过程分析与合成考点 1、什么叫过程： （1）客观事物从一个状态到另一个状态的转移。【过程】 （2）在工艺生产上，对物料流进行物理或化学的加工工艺称作过程工艺。【过程工艺】 （3）以天然物料为原料经过物理或化学的加工制成产品的过程。 化工过程包括：原料制备、化学反应、产品分离 （4）由被处理的物料流联接起来，构成化工过程生产工艺流程。 （5）【最重要的单元过程】化学反应过程、换热过程、分离过程、输送过程、催化反应过程 （6）【化学反应过程举例】热裂解反应过程、电解质溶液离子反应过程生化反应过程、分散控制 （7）【过程控制技术发展历程】计算机集中控制、集散控制（我国多）、现场总线控制 第二章、化工过程系统稳态模拟与分析 【模块】模型和算法，一是要建模，二是这个模型的算法，两者组一起才能算作模块。 【单元模型类型】理论模型、经验模型、半经验模型。 【什么叫稳态（化工过程稳态模拟）】各个工艺参数状态量不随时间而发生变化的叫做稳态。 【么叫模拟】对过程系统模型进行求解就叫模拟。 【过程系统模拟可以解决哪些问题（会画图）】（1）过程系统模拟分析问题；（2）过程系统设计问题；（3）过程系统参数优化问题。 过程系统模拟分析问题：已知决策变量输入，已知过程参数，求输出，是一个正向求解问题，最简单的模型。 2）过程系统设计问题：已知输出设计结果，已知过程参数，求决策变量输入；看起来是已知输出求输入，实际上是假设输入猜值去计算输出与已知输出进行比较再调整猜值进行计算。只能单项求解，从左到右
3)过程系统参数优化问题：过程系统模型与最优化模型联立求解，得到一组使工况目标函数最佳的决策变量，从而实施最佳工况。 【过程系统模拟三种基本方法，及其优缺点】（1）序贯模块法（不适于解算设计、优化问题，只适于模拟问题（2）面向方程法（3）联立模块法（同时有（1）、（2）的优点） 【单元模块】是依据相应过程单元的数学模型和求解算法编制而成的子程序。具有单向性特点 【断裂】通过迭代把高维方程组降阶为低维方程组的办法。它适用于不可分割子系统； 【不可分割子系统】过程系统中，若含有再循环物流，则构成不可分割子系统。 【断裂基本原则】1) 切割流线总数最少、2) 切割流线所含变量数最少、3) 切割流线的总权重最小、4) 环路切割的总次数最少 【简单回路】包含两个以上流股，且其中的任何单元只被通过一次。矩阵：行→回路；列→物流。 【适合于收敛单元应满足要求：】（1）对初值的要求不高、（2）数值稳定性好、（3）收敛速度快、（4）占用计算机存储空间少 【面向方程法（适用于线性化，非线性方程组先线性化）】 第四章、化工过程系统的优化 【最优化问题包括要素（内容）】（1）目标函数（2）优化变量（3）约束条件（4）可行域 【可行域】满足约束条件的方案集合，构成了最优化问题的可行域。 【最优解】过程系统最优化问题是在可行域中寻求使目标函数取最小值的点。 【最优化问题的建模方法】机理模型、黑箱模型、混合模型 【系统最优化方法的分类】无约束最优化与有约束最优化、、线性规划LP（目标函数约束条件全部都为线性函数称为线性规划，剩一个为非线性函数为非线性规划、单维最优化和多维最优化、解析法与数值法、可行路径法与不可行路径法 【标准型】目标函数值一定是最小值、约束条件中没有不等式约束，全是等式约束、所有的变量全是非负条件 第七章、换热网络合成 【换热网络合成】通俗地讲就是将物流匹配在一起，充分利用热物流去加热冷物流，提高系统的热回收，以便尽可能地减少辅助加热与辅助冷却负荷。 【换热网络合成目的】让某一个物料从初始温度到目标温度（一定要达成）、尽可能的回收余热、尽可能的减少换热设备数。 【温度区间求夹点（会画温度区间表）】将热物流的起始温度与目标温度减去最小允许温差△Tmin，然后与冷物流的起始、目标温度一起按从大到小排序，构成温度区间。 【夹点】在温度区间中，高温度区间向低温度区间传递的热量为零的点，不是接受热量为零的点（判断） 对于热公用工程是260C。,对于冷公用工程是250C。。 物理意义：温焓图上组合曲线垂直距离最低的点。 【夹点的三个特性】能量特性、位置特性、传热特性
<<化工过程分析与合成>>试题(A)答案及评分标准 一、填空题（每空1分，共30分） 1. 序贯模块、面向方程、联立模块。 2. 物料流 能量流。 3. 直接迭代法 部分迭代法 韦格施坦法。 4. 集中参数模型 分布参数模型 多级集中参数模型 集中参数模型 代数-常微分方程组 5. C+2。 6. 可行，不可行，可行，不确定 7. 加热，冷却。 8. N H ≥N C ，FCp H ≥FCp C 。 9. 参数 结构 10. 96，83，157 11. 4，14，15 二、判断题（每题1分，共10分） 1. 对 2. 错 3. 错 4. 对 5. 对 6. 对 7. 错 8. 错 9. 对10. 对 三、简答题 1. 答：过程系统工程是研究化工过程整体特性的一门学科，它用系统工程的观点和方法来研究化工过程的开发、设计、最优操作和最优控制。（3分） 2.. M ——质量守恒方程（或物料恒算方程）（1分）；E ——相平衡方程（1分）；S ——归一化方程（1分）；H ——焓恒算方程（1分）。 3. 答：过程系统有m 个独立方程数，其中含有n 个变量，则过程系统的自由度为：d=n-m 。（3分）通过自由度分析正确地确定系统应给定的独立变量数。（2分） 4. 答： 过冷液体 B c i i i T T z K ?>∑=11 D c i i i T T K z ∑=11 （1分） 露点气体 D c i i i T T K z =?=∑=1/1 （1分） 过热气体 D c i i i T T K z >?<∑=1/1 （1分） 四、模拟与综合题 1.(10分) 答：（1）模型方程 a. 相平衡方程： b. 物料衡算： c. 热量衡算： d. 归一化方程： e. 焓算式： ……………………………………………………………每种方程1分，共5分 （2）求解方法 引入参数Ф=V/F （1） ………………………………………………………1分 ……1分 则： （2） 又有： （3）………………………………………2分 1 11 i i i y x z ===∑∑∑i i i F z V y L x ?=?+?i i i y k x =?F V L F H Q V H L H ?+=?+?(,,) (,,) V i L i H f y T P H f x T P ==C i x K y i i i ,...2,1 ==,...C ,i Vy Lx Fz i i i 21 =+=(1) 1,2,...i i i i z k x x i C φφ=+-=i y = 1,2,...1(1) 1(1) i i i i i i z k z x i C k k φφ==+-+-1 1 1 1 c c i i i i x y ====∑∑1(1)0 1(1)c i i i i k z k φ=-=+-∑
开发 是指研制新产品，开拓新方法，发展现有过程，扩大应用领域。 化工过程开发 是指从实验室研究成果（新产品、新工艺等）过渡到实现工业化的科学技术活动。 科学 科学技术是第一生产力。 科学是发现，技术是发明。 科学是认识、改造世界的原动力，技术是改造世界的手段。 研究意指钻研，推究，反复探索。 基础研究：没有特定商业目的，以创新探索知识为目标的研究。 应用研究：运用基础研究成果和相关知识，为创造新产品、新方法、新技术、新材料的技术基础所进行的研究 技术开发研究：为创造新产品、新方法、新技术、新材料，以生产产品为目的的研究。 方法： 指解决思想、说话、行动等问题的程序、门路、途径等。 适当的方法是研究者取得成功的钥匙，是提高认识水平的阶梯。 科学研究方法论 思考过程：科学理论与方法指导，理论思维、计算与预测。 研究过程：收集材料方法、观察、测量、情报调研、试验、模拟。 思维加工方法、整理事实材料、建立系统理论、随机搜索、数学处理。 检验成果、科学实验、工程验证。 化工在人类生活中的地位 化工在国民经济中的地位第一次生产力提高——农业 第二次生产力提高——机械 第三次生产力提高——化工 第四次生产力提高——电子 第五次生产力提高——技术综合 化工与衣食住行的关系 化学纤维（醋酸纤维、聚酰胺66（尼龙））、塑料（ABS（丙烯腈－丁二烯－苯乙烯））、合成橡胶（丁苯橡胶）、化肥、农药、医药、能源、建筑。 化工过程研究与开发 是指从一个有关新产品、新技术或新工艺的概念的形成，到科研、设计、建设工厂，从实验室研究成功地过渡到第一套工业规模生产装置，附诸实施的全部过程。 化工过程研究与开发的目的为 产品开发、工艺工程开发、工艺改进、应用开发 实验室研究与工业生产的不同处 原料来源不同、杂质积累影响不同、传递规律变化 化工过程开发的特点 原料、生产方法和产品的多样性、化工开发与设计的多方案性、技术经济观点、重视能源和资源的充分利用、环境保护和过程安全（放大是化工过程开发的核心） 化工过程开发的基本方法 化工过程开发面临的实际问题非常复杂、化工等技术学科不能完全实现理论演绎 实验研究方法、数学模型方法（理论研究法）
化工过程分析与综合 化工优创1202班 前言 一、考试题目类型： 1.填空 2.选择 3.问答 4.大题 二、考试重点 1.自由度计算（必有大题） 2.信息流图、信号流图、矩阵等转化（必有大题） 3.最大循环网络断裂（必有大题） 4.信号流图与方程转化（必有大题） 5.分离序列 6.夹点技术 三、考试类型：开卷考试（=_=||），红色的都是重点！！！
第一章绪论 1.1 基本概念 （1）化工过程：用适当的原料经过一系列物理单元操作和化学反应的单元过程而转化为合乎需要的产品的过程。P1 （2）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——资金——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；P1 （2）化工过程工业要求：最优设计、最优规划、最优决策、最优控制、最优管理；P1 （3）过程系统工程研究内容：过程系统模拟，包括稳态过程系统模拟和动态过程系统模拟；过程系统综合；过程系统操作与控制，包括数据筛选与校正、过程操作优化、过程安全监控及事故诊断、操作模拟培训系统；间歇过程的设计与操作优化；人工智能技术应用。P3 （4）系统：为了在给定条件下实现一定目的，由若干互有联系、彼此影响的事物组成的一个统一整体。 （5）参数优化：在一已确定的系统流程中，对其中的操作参数（如，T、P、Vs）等进行优选，以满足某些指标（如，费用、能耗、环境影响等）达到最优。 （6）结构优化：改变过程系统中的设备类型或相互间的联结，以优化过程系统。
第二章单元过程的模拟 2.1基本概念 （1）化工单元过程数学模型分类（P6）： 一、按对象的时态本质来看，可以分为稳态模型与动态模型。 二、按模型建立的方法来看，可以分为机理模型与经验模型。 三、按过程对象的数学描述方法不同，可以分为集中参数模型和分布参数模型。 四、按对象的属性不同，可以分为确定性模型和随机模型。 2.2基本公式 （1）自由度计算公式： ∑= + + + - + + = n i g r e S C 1 i )1 ( )2 ( d n——输入流股数Ci——第i个输入流股组分数 S——分支输出流股数e——与物料无关的能量流和压力引入的自由度r——独立反应数 g——几何自由度，通常=0 （2）守恒关系式（P35） 一、物料质量平衡 质量累积速率=质量流入系统速率-质量流出系统速率 二、组分j的物料平衡 组分j累积速率=由外界环境进入该系统的组分j的速率-由系统排出的组分j的速率 三、能量平衡 系统能量积累速率=外界物流带入系统能量-系统流出物流带出能量+环境通过系统边界传递能量+系统中反应产生能量+通过环境做功产生的能量
习题解答 2-1（1）d=n-m n=4(c+2) m=c+c+1+1=2c+2 d=4(c+2)-(2c+2)=2c+6 给定流入流股：2(c+2) 平衡级压力：1 所以没有唯一解 （2）存在热损失n=4(c+2)+1 m= =2c+2 d=2c+7 给定2c+5 所以没 有唯一解 （3）n=2(c+2)+2+2+1=2c+9 m=1+c+2=c+3 d=c+6 给定进料：c+2 冷却水进口温度：1 所以没有唯一解 2-2（1）N v=3(c+2) （2）物料衡算：F i Z Fi=Vy Fi+Lx Fi (i=1,2……c) 热量衡算：FH F=VH V+LH L 相平衡：y Fi=k i x Fi (i=1,2……c) 温度平衡：T V=T L 压力平 衡：P V=P L （3）N e=2c+3 （4）d= N v- N e=c+3 （5）进料（c+2）和节流后的压力（1） 2-3N x u 压力等级数 1 进料变量数 2(c+2)=4+3=7 合计9 N a u 串级单元数 1 回流分配器 2 侧线采出单元数 2 传热单元数 5 合计15 N v u=9+15=24 d=24 给定的不满足要求，还需给定入塔混合物的温度，两塔的操作压力，塔2 的回流比。 2-4N x u 压力等级数N+M+1+1+1(N 和M 为两个塔的塔板数) 进料变量数c+2 合计c+N+M+5 N a u 串级单元数 4 回流分配器 4 侧线采出单元数 1 传热单元数 4 合计10 N v u= c+N+M+5+10= c+N+M+15
d= c+N+M+15 2-5 2-6 2-7 简捷算法：Reflex Ratio：-1.3 Light Key：Methanol 0.95 Heavy Key：Ethanol 0.1585 Pressure：Condenser：1.9 公斤Reboiler：1.8 公斤 最小回流比为：3.529 实际回流比：4.588 最小理论板数：14.47 实际板数：26.18 进料板：10.47 逐板计算：27 块塔板，11 板进料，塔顶采出：31.67kmol/hr，回流比：4.6
《化工过程分析与综合》是化学工程与工艺专业的基础课，是一门联系化学工艺与化学工程的综合性课程。实施化工过程分析、合成的手段是运算描述过程系统的数学模型，这种模型的运算就称作化工过程系统模拟。而化工过程分析则主要是分析过程系统的运行机制，影响因素，过程模型的数学描述、目标函数的建立、优惠工况下的最佳操作参数等等。目标是使决择方案，技术上先进、可行，经济上优越、合理。对于操作工况的分析也就是通常说的生产操作调优。化工过程系统的合成包括有：反应路径的合成、换热网络的合成、分离序列合成、过程控制系统合成，特别是要解决由各个单元过程合成总体过程系统的任务。 目前，主要应用化工过程模拟软件进行化工过程工艺流程的模拟。如 Aspen Plus 和ChemCAD。 Aspen Plus包括数据，物性，单元操作模型，内置缺省值，报告及为满足其它特殊工业应用所开发的功能。主要的功能有EO模型、ActiveX (OLE Automation)控件、全面的单元操作、ACM Model Export选项、热力学物性、收敛分析、Calculator models 计算模式、灵敏度分析、案例研究、Design Specification 功能、数据拟合、优化功能、开放的环境 例如，Aspen Plus软件在浓硝酸制备工艺上的应用：Aspen Plus流程模拟软件有强大的物性支持，对各种物质体系均有适应的计算模型。浓硝酸物系的组成主要是硝酸镁一硝酸一水的三元混合物．因为含有强极性物质造成整个体系的非理想性，各种状态方程已不适用．因此必须选择活度系数模型作为计算的基本方程。在浓硝酸的模拟计算中．通过软件中的数据回归工具得到组分间的二元交互作用参数，采用了Wilson活度系数模型的计算方法。
化工过程分析与合成考点(完美版)
化工过程分析与合成考点 1、什么叫过程： （1）客观事物从一个状态到另一个状态的转移。【过程】 （2）在工艺生产上，对物料流进行物理或化学的加工工艺称作过程工 艺。【过程工艺】（3）以天然物料为原料经过物理或化学的加工制成产品的过程。 【化工过程↓↓↓】 原料制备 【↓↓↓包括】化学反应 产品分离 （4）由被处理的物料流联接起来，构成化工过程生产工艺流程。 【单元过程】 化学反应过程 （5）【↓↓↓最重要的单元过程】换热过程 分离过程 输送过程 催化反应过程 （6）【↓↓↓化学反应过程举例】热裂解反应过程 电解质溶液离子反应过程 生化反应过程 分散控制 （7）【↓↓↓过程控制技术发展历程】计算机集中控制 集散控制（我国多） 现场总线控制 第二章、化工过程系统稳态模拟与分析 直接迭代法 知识点框架回路搜索法 其他零散知识点 【↓↓模块】模型和算法，一是要建模，二是这个模型的算法，两者 组一起才能算作模块。 【↓↓单元模型类型】理论模型、经验模型、半经验模型。 【↓↓↓什么叫稳态（化工过程稳态模拟）】各个工艺参数状态量不随时间而发生变化的叫做稳态。
【↓↓↓什么叫模拟】对过程系统模型进行求解就叫模拟。 【↓↓↓过程系统模拟可以解决哪些问题（会画图）】 （1）过程系统模拟分析问题； （2）过程系统设计问题； （3）过程系统参数优化问题。 1）过程系统模拟分析问题：已知决策变量输入，已知过程参数，求输出，是一个正向求解问题，最简单的模型。 2）过程系统设计问题：已知输出设计结果，已知过程参数，求 决策变量输入；看起来是已知输出求输入，实际上是假设输入猜值去计算输出 与已知输出进行比较再调整猜值进行计算。只能单项求解，从左到右 3)过程系统参数优化问题：过程系统模型与最优化模型联立求 解，得到一组使工况目标函数最佳的决策变量，从而实施最佳
名词解释 1.夹点的意义 （夹点处，系统的传热温差最小（等于ΔT min ），系统用能瓶颈位置。夹点处热流量为 0 ，夹点将系统分为热端和冷端两个子系统，热端在夹点温度以上，只需要公用工程加热（热阱），冷端在夹点温度以下，只需要公用工程冷却（热源）；） 2、夹点技术 夹点技术是以热力学为基础，从宏观角度分析过程系统中能量流沿温度的分布，从中发现系统用能的“瓶颈”所在，并给与解瓶颈的方法。 夹点设计法三条原则： （1）应该避免有热流量穿过夹点 （2）夹点上方应该尽量避免引入公用工程冷却物流 （3）夹点下方应该尽量避免引入公用工程加热物流 夹点匹配的可行性规则及经验规则 3、过程系统能量集成 过程系统综合是以合理利用能量为目标的全系统能量综合问题，它从总体上考虑过程中能量的供求关系以及系统结构，操作参数的调优处理，已达到全过程系统能量的优化综合。（以用能最小化为目标的考虑整个工艺背景的过程能量综合） 设备在系统中的合理放置： （1）分离器与过程系统热集成时，分离器穿越夹点是无效的热集成； （2）分离器完全在夹点上方或完全在夹点下方均是有效的热集成。 （3）热机不穿越夹点的设置，是有效的热集成。 （4）热泵穿越夹点的设置是有效热集成。 4、过程用能一致性原则 利用热力学原理，把反应、分离、换热、热机、热泵等过程的用能特性从用能本质的角度统一起来，把全过程系统能量综合问题转化为有约束的化热网络综合问题。 5、利用夹点分析进行过程系统能量集成，调优策略的原则： 设法增大夹点上方总的热流股的热负荷，减少总的冷流股的热负荷；设法减少夹点下方总的热流股的热负荷，增大总的冷流股的热负荷。即所谓的“加减原理”。 6、化工过程系统模拟 采用一反映研究对象本质和内在联系，与原型具有客观一致性，可再现原型发生的本质过程和特性的模型，来进行设计和研究原型过程的方法。 （对于化工过程，在计算机上通过数学模型反映物理原型的规律） 三种基本方法：序贯模块法、联立方程法、联立模块法 7、过程系统优化 （实现过程系统最优运行，包括结构优化和参数优化） 结构优化：改变过程系统中的设备类型或相互间的联接，以优化过程系统。 参数优化：对于一确定的过程系统，对其中的操作参数进行优选，以使某些指标达到最优。 8、过程系统综合 按照规定的系统性能，寻找需要的系统结构和子系统特性，并按照规定的目标进行最优组合。（4种基本方法：分解法、直观推断法、调优法、结构参数法） 9、过程系统分析 对于已知的过程系统，在给定其输入参数，求解其输出参数。
<<化工过程分析与合成>>试题(A) 一、填空题（每空1分，共30分） 1. 过程系统模拟的基本方法有法、法和法。 2. 过程系统由过程单元及各单元间的联结关系构成，这些联结关系包括和。 3. 收敛单元实质上就是一个数值迭代求解非线性方程组的子程序，请列举出三种常见的求解非线性方程的数值迭代方法：、、。 4. 对过程系统进行动态模拟时，根据对状态变量分布特征的不同描述方式，可以把数学模型分 为、、，其中认为状态变量在系统中呈空间均匀分布，如强烈搅拌的反应罐就可以用这一类模型来描述，这种模型的数学形式为方程组。 5. 一个含有C组分的独立流股具有个自由度。 6. 试判断下图中换热匹配的可行性：1 , 2 , 3 ,4 。 7. 在换热网络设计中，夹点将整个温度区间分为了两部分，夹点之上需要器，夹点之下需要器。 8. 对于夹点下方的夹点匹配换热器，其流股数可行性原则是，FCp可行性原则是。 9. 过程系统优化主要分为优化和优化两个方面。 10. 如下图所示，T-H图中热、冷物流的组合曲线分别为AB和CD，则最小冷公用工程用量为kW，最小热公用工程用量kW，最大热回收量kW。 11. 用常规精馏的方法将含有5个组分的混合物分离成纯组分产品，则切分点的数目为，分离序列数为，分离的子群数为。 二、判断题（每题1分，共10分） 1. 对过程系统进行稳态模拟，描述过程对象的模型中不包括时间参数。 2. 组合曲线上斜率发生变化的点称为角点，夹点一定出现在角点处。 3. 在一个工厂的设计中，要想最大限度的减少公用工程的用量，可以通过采用高效率的换热器，并增大换热
面积来实现。 4. 在分离序列的综合中，应优先考虑使用能量分离剂的方法，其次才考虑采用质量分离剂的方法。 5. 为了使换热网络的公用工程消耗最小，应避免夹点之上的热物流与夹点之下的冷物流间的匹配。 6. 用面向方程法进行过程系统模拟时，可以把设计规定的变量直接作为决策变量。 7. 热物流在夹点上方，冷物流在夹点下方。 8. 穿过换热网络夹点的热流量为零，则夹点处传热推动力为零。 9. R组分简单塔精馏分离序列的综合问题，可以看成是R-1阶段决策问题。 10. 进行过程系统模拟既要输入流股参数，也要提供过程单元的操作参数。 三、简答题（共17分） 1. (3分) 什么是过程系统工程？ 2. (4分) 复杂精馏塔的模拟过程中用到的M、E、S、H方程是指那几类方程？ 3. (5分) 什么是过程系统自由度，进行自由度分析的作用是什么？ 4. (5分) 计算给定温度下的闪蒸时，需要核实闪蒸问题是否成立，请写出五种热状况的判据。 四、模拟与综合题（共43分） 1.(10分) 请写出下图所示的多组分等温闪蒸过程的模型方程及求解方法。 2.(7分) 如下图所示的敞口连续操作搅拌罐，其横截面积为A，进料量为F，原有料液高度为H0，设排液量S 与罐中料液的高度H成正比关系，即：S＝k·H，试求自开工后排料量S随时间t的变化情况。 3.(17分) 利用表中数据，（1）采用问题表格法计算该系统所需要的最小公用工程消耗；（2）画出一种能量最
化工过程分析与综合化工优创1202 班 前言 一、考试题目类型： 1.填空 2.选择 3.问答 4.大题 二、考试重点 1.自由度计算（必有大题） 2.信息流图、信号流图、矩阵等转化（必有大题） 3.最大循环网络断裂（必有大题） 4.信号流图与方程转化（必有大题） 5.分离序列 6.夹点技术 三、考试类型：开卷考试（=_=||），红色的都是重点！！！
第一章绪论 1.1 基本概念 （1）化工过程：用适当的原料经过一系列物理单元操作和化学反应的单元过程而转化为合乎需要的产品的过程。P1 （2）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——资金——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；P1 （2）化工过程工业要求：最优设计、最优规划、最优决策、最优控制、最优管理；P1 （3）过程系统工程研究内容：过程系统模拟，包括稳态过程系统模拟和动态过程系统模拟；过程系统综合；过程系统操作与控制，包括数据筛选与校正、过程操作优化、过程安全监控及事故诊断、操作模拟培训系统；间歇过程的设计与操作优化；人工智能技术应用。P3 （4）系统：为了在给定条件下实现一定目的，由若干互有联系、彼此影响的事物组成的一个统一整体。 （5）参数优化：在一已确定的系统流程中，对其中的操作参数（如，T、P、Vs）等进行优选，以满足某些指标（如，费用、能耗、环境影响等）达到最优。 （6）结构优化：改变过程系统中的设备类型或相互间的联结，以优化过程系统。
第二章单元过程的模拟 2.1基本概念 （1）化工单元过程数学模型分类（P6）： 一、按对象的时态本质来看，可以分为稳态模型与动态模型。 二、按模型建立的方法来看，可以分为机理模型与经验模型。 三、按过程对象的数学描述方法不同，可以分为集中参数模型和分布参数模型。 四、按对象的属性不同，可以分为确定性模型和随机模型。 2.2基本公式 （1）自由度计算公式： ∑= + + + - + + = n i g r e S C 1 i )1 ( )2 ( d n——输入流股数Ci——第i个输入流股组分数 S——分支输出流股数e——与物料无关的能量流和压力引入的自由度r——独立反应数 g——几何自由度，通常=0 （2）守恒关系式（P35） 一、物料质量平衡 质量累积速率=质量流入系统速率-质量流出系统速率 二、组分j的物料平衡 组分j累积速率=由外界环境进入该系统的组分j的速率-由系统排出的组分j的速率 三、能量平衡 系统能量积累速率=外界物流带入系统能量-系统流出物流带出能量+环境通过系统边界传递能量+系统中反应产生能量+通过环境做功产生的能量
宁夏大学硕士生（博士生）考试考查卷面纸 2011～～ 2012 学年度第二学期 姓名学号 院（所、部）化学化工学院年级 11 级 专业化学工程研究方向 课程化工分析过程与模拟考试方式论文 浅谈化工过程模拟及相关高新技术 摘要：化工过程模拟在化工界已经成为家喻户晓的先进工具，广泛应用于工业装置的研究、设计、改造等领域，并带来明显的经济效益。化工过程模拟与实验研究的结合是最有效和最廉价的化工过程研究方法。可以大大节约实验成本，加快新产品和新工艺的开发过程稳态模拟软件的应用也已成为一股不可抗拒的浪潮，席卷全球。 关键词：化工模拟稳态装置 化学工业正不断满足化学和相关的过程工业的需要，如石油化工、制药、食品、环境、冶金、材料、电子等[1]。工业的不断需求要求对现存的技术或设备进
行不断地修改和改进，不断开发新技术方法。一个最有效和最廉价的方法是采用实验研究和计算机辅助模拟设计（化工模拟）相结合[2]。 国外化工模拟软件起步很早[3]，上个世纪50年代中、后期，美国Flowsheeting。到80年代，化工过程模拟软件的研发已经走向专业化、商品化。模拟计算的准确性、可靠性也大大增强.应用范围不断拓展。这一时期，美国ASPEN Tech公司的ASPEN PLUS，Simulation Sciences。公司的PRO/II，，加拿大Hypro Tech公司的HYSIM等商业化软件正式走向市场。90年代后，化工模拟软件开始由德态过程向动态过程模拟和适时优化的方向发展，如Hysys，Aspen Plus等软件。国内化工过程模拟研究约起始于上世纪60年代末。70年代末化工部第五设计院在国内率先推出了大型烃类分离模拟系统，80年代由青岛化工学院韩方煌、丁惠华教授等人开发的ECSS模拟系统软件—ECSS化工之星研究成功，并走向商业化[4]。下面就具体化工过程稳态模拟进行简单介绍。 1、化工过程稳态模拟 稳态模拟又称静态模拟或离线模拟[5]。流程模拟就是将一个由许多个单元过程组成的化工流程用数字模型进行描述，并且在计算机上通过改变各种有效条件得到所需要的结果，如操作条件等。通常所说的化工过程模拟或流程模拟多指稳态模拟。它是根据化工过程的稳态数据，诸如物料的压力、温度、流量、组成和有关的工艺操作条件、工艺规定、产品规格以及一定的设备参数，如蒸馏塔的板数、进料位置等，采用适当的模拟软件，用计算机模拟实际的稳态生产过程，得出详细的物料平衡和热量平衡。其中包括人们最为关心的原材料消耗、公用工程消耗和产品、副产品的产量和质量等重要数据。简言之，化工过程模拟就是在计算机上“再现”实际的生产过程。由于这一“再现”过程并不涉及到实际装置的任何管线、设备以及能源的变动，因而给了化工模拟人员最大的自由度。可以在计算机上“为所欲为”地进行不同方案和工艺条件的探讨、分析。并且化工过程模拟所需的成本以及完成一定研究任务所需的时间也是任何实验研究所无法比拟的，因而化工过程稳态模拟已成为研究、开发、设计、挖潜改造、节能增效、生产指导以至于企业管理等工作必不可少的工具，并且在科研和实际生产中发挥着愈来愈大的作用[6]。 当前化工过程稳态模拟主要应用于炼油，石油化工和化工领域，如常减压、加氢、催化裂化、气体分馏、芳烃分离、乙烯、环氧乙烷、天然气、油田气分离及合成氛等装置。在医药、农药、造纸和环保等行业也有一定应用。随着科学技术的进步，目前对于石油馏分和烃类物质的计算已经相当准确、可靠，达到了无需小试、中试，模拟结果可直接用于工业装置设计的程度。 2、化工稳态模拟系统的构成 稳态模拟系统的构成下图所示。 现代的模拟系统既可以用流程图，也可采用数据文件的方式输入。且这两种方式之间可以相互转换。输人之后便进行流程拓扑分析和数据检查[7]。调度系统相当于指挥中心，程序根据输人信息，进行物流、热力学方法、单元过程及其他过程模块的匹配和调度，动态地组织流程，进行计算，直至收敛。模拟系统的组
化工过程分析与合成
第一章绪论（2学时） ●化工过程 ●系统工程→化工过程系统工程 ●化工过程的分析与合成 ●化工过程系统模拟（稳态模拟、动态模拟） ●过程系统模拟的三种基本方法（序贯模块法、面向方程法、联立模块法） 第一节化工过程 化工过程是以天然物料为原料，经过物理或化学加工制成产品的过程。其往往由多种多样的单元过程组成，如最重要也是最多用的单元过程是：化学反应过程、换热过程和分离过程。第二节系统工程 系统工程是20世纪50年代形成的新兴学科，目前正处于兴旺的发展时期。1984年郑春瑞在《系统工程学概论》中，对系统工程做出下列综合性的阐述：系统工程是以系统（尤以大系统）为研究对象的一门跨学科的边缘学科。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，从而达到最优设计、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。 20世纪30年代美国雷德无线电公司在对电视广播系统的电波覆盖问题进行研究时，首先提出“系统”和“系统模拟研究”的思想。40年代，美国贝尔电话公司在研究微波通讯网络的覆盖传输效率时，提出了“系统工程”的概念。50年代各工业国对系统工程尤为重视，如1954年美国MIT首先在大学讲授系统工程课程。1957年美国正式出版了第一本专著《系统工程》。60年代起系统工程逐步推广应用于工业、宇航、交通、经济规划等部门。如60年代初，在系统工程、运筹学、化学工程、过程控制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——化工过程系统工程（简称化工系统工程）。70年代是化工系统工程走上实用的时期。随着计算机应用的普及，采用化工系统工程方法，陆续研制出有效的工业用化工流程通用模拟系统，并对过程生产实现计算机控制，取得显著经济效益。同时我国学者华罗庚致力于运筹学的推广应用。1978年，我国学者钱学森在《文汇报》上发表了中国第一篇系统工程的文章，标志着我国的系统工程研究进入了一个蓬勃发展的阶段。80年代是化工系统工程普及推广的时代。不仅在化工、石油、石油化工、核工业核能源工业中获得广泛的应用，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，相应地化工系统工程学科在理论、方法和内容方面也在不断完善和发展。 第三节化工过程的分析与合成 前面讲了，20世纪60年代初。在系统工程、运筹学、化学工程、过程控制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——化工过程系统工程（简称化工系统工程）。这个新学科的任务，就是以系统工程的思想、方法用于解决化工过程系统的设计、开发、操作、控制等问题。其主要任务就是进行系统工程的分析与合成。实施化工过程分析、合成的手段是运算描述过程系统的数学模型，这种模型的运算称作化工过程系统模拟。 3.1化工过程系统的分析 化工过程分析，主要是分析过程系统的运行机制、影响因素、过程模型的数学描述、目标函数的建立、优惠工况下的最佳操作参数等等。例加：我国某年产30万t乙烯装置改扩建为45万t装置，竣工投产后达到了预期的产量，但能耗超标。装置的扩建增容可以降低产品的成本，但从过程内涵探求节能降耗的措施也是降低成本的重要途径。如何选择这类问题的对策，就要对这套工艺装置进行分折，要在对过程系统进行系统分析的同时，也要作必
《化工过程分析与综合》教学大纲 课程编号： 课程名称：化工过程分析与综合/Analysis and Synthesis for Process Engineering 学时/学分：32/2 先修课程：化工热力学，传质与单元操作，化工数学，化学反应工程，分离工程 适用专业：应用化学，化学工艺，化学工程 开课学院：化学工程学院，化工系 一、课程的性质与任务 《化工过程分析与合成》是化学工程与工艺专业的核心专业基础课程之一，它是应用系统工程的观点和方法来研究化工过程系统的开发、设计、最优操作与控制的一门课程。本门课程的任务是使学生能运用系统工程的观点和方法来分析和合成化工过程，使化工过程系统在开发、设计、操作、管理等各个层面上达到最优化。 二、课程的教学内容、基本要求及学时分配 （一）教学内容 1．绪论 介绍化工过程系统工程的基本内容，基本概念。包括：过程系统稳态模拟与分析，过程系统动态模拟与分析，过程系统的优化，过程操作优化，间歇过程，反应路径合成，反应器网络合成，换热网络合成，质量交换网络合成，水网络合成，分离塔序列的综合，虚拟企业，供应链等概念。 2．过程系统稳态模拟与分析 内容包括：过程系统模拟的序贯模块法，面向方程法和联立模块法。 3．过程系统的优化 内容包括：线性规划，非线性规划，混合整数非线性规划。 4．生产过程操作优化 内容包括：序贯实验优化方法，统计分析，模式识别和可视化技术。 5．间歇过程 内容包含：过程动态模型及模拟，间歇过程的最优时间表，多产品间歇过程的设备设计与优化，间歇过程的控制模型。 6．换热网络合成 内容包含：换热网络合成--夹点技术，夹点法设计能量最优的换热网络，换热网络的调优。7．分离塔序列的综合 内容包含：直观推断法，数学规划法，分离序列能量集成。 （二）基本要求 掌握序贯模块法的基本原理，对一个较简单的工艺流程，能够确定单元模块的计算顺序，并在计算机上进行模拟分析。 掌握建立最优化数学模型的一般步骤和方法，对有约束的非线性规划问题，能够应用罚函数法转化为无约束问题，并用改进的随机搜索法求解。 能够应用序贯实验方法改进操作条件，能够建立统计优化操作模型，通过求解找到好的工艺
优化作业 1.完成穿衣例题。 2.什么是优化和最优化？ 3.最优化问题有哪几类分类方法？ 4.请简单叙述一维搜索法、近似法、坐标轮换法（Powell法）。 5.单纯形法的基本思想和基本步骤是什么？ 6.图解法求下列线性问题： 已知目标函数min f（x1，x2）= -x1- 2x2 St. -x1+ 2x2 ≤ 4 3x1 + 2x2 ≤ 12 x1≥ 0，x2≥ 0 7.若初值x = 0，能否找出下列函数的最小值范围吗？ f（x）= e x-1.5x2 可选择不同步长，并解释结果。分析时可辅助数据分析软件及函数曲线。 8.已知：无约束条件的目标函数 Max f（x1，x2）= 100 - (10-x1)2+ (5- x2)2 已知起点X T=[0，0]，采用单纯形法求解，只要求写出两步搜索步骤。 9.某化工厂用甲、乙、丙、丁四中原料生产A、B、C、D、E、F六种产品。1kg产品所需原 料及利润见下表。当前能甲、乙、丙、丁4中原料的最大供应量分别为850kg、700kg、600kg、900kg。请建立利润最大问题的数学模型，并尝试求解。 原料 产品 A B C D E F 甲/ kg 1 1 1 3 3 3 乙/ kg 2 5 丙/ kg 2 5 丁/ kg 3 8 利润/ 元40 28 32 72 64 80 10.一糖果制造商生产两种棒棒糖：Ergies和Nergies。Ergies每盒销售利润是50美分，Nergies 每盒销售利润是60美分。一批次的生产过程中，每种糖果都要经历以下三个主要操作过程：混合、烤制、包装。下表是每盒糖果在三个过程中需要的时间（min）。 混合烤制包装 Ergies 1 5 3 Nergies 2 4 1 在每批生产过程中，混合设备可最多可提供14小时生产时间，烤制设备可提供40小时，
名词解释 夹点的意义1.T min ），系统用能瓶颈位置。夹点处热流量为（夹点处，系统的传热温差最小（等于Δ 0 ，夹点将系统分为热端和冷端两个子系统，热端在夹点温度以上，只需要公用工程加热（热阱），冷端在夹点温度以下，只需要公用工程冷却（热源）；） 2、夹点技术 夹点技术是以热力学为基础，从宏观角度分析过程系统中能量流沿温度的分布，从中发现系统用能的“瓶颈”所在，并给与解瓶颈的方法。 夹点设计法三条原则： （1）应该避免有热流量穿过夹点 （2）夹点上方应该尽量避免引入公用工程冷却物流 （3）夹点下方应该尽量避免引入公用工程加热物流 夹点匹配的可行性规则及经验规则 3、过程系统能量集成 过程系统综合是以合理利用能量为目标的全系统能量综合问题，它从总体上考虑过程中能量的供求关系以及系统结构，操作参数的调优处理，已达到全过程系统能量的优化综合。 （以用能最小化为目标的考虑整个工艺背景的过程能量综合） 设备在系统中的合理放置： （1）分离器与过程系统热集成时，分离器穿越夹点是无效的热集成； （2）分离器完全在夹点上方或完全在夹点下方均是有效的热集成。 （3）热机不穿越夹点的设置，是有效的热集成。 （4）热泵穿越夹点的设置是有效热集成。 4、过程用能一致性原则 利用热力学原理，把反应、分离、换热、热机、热泵等过程的用能特性从用能本质的角度统一起来，把全过程系统能量综合问题转化为有约束的化热网络综合问题。 5、利用夹点分析进行过程系统能量集成，调优策略的原则： 设法增大夹点上方总的热流股的热负荷，减少总的冷流股的热负荷；设法减少夹点下方总的热流股的热负荷，增大总的冷流股的热负荷。即所谓的“加减原理”。 6、化工过程系统模拟 采用一反映研究对象本质和内在联系，与原型具有客观一致性，可再现原型发生的本质过程和特性的模型，来进行设计和研究原型过程的方法。 （对于化工过程，在计算机上通过数学模型反映物理原型的规律） 三种基本方法：序贯模块法、联立方程法、联立模块法 7、过程系统优化 （实现过程系统最优运行，包括结构优化和参数优化） 结构优化：改变过程系统中的设备类型或相互间的联接，以优化过程系统。 参数优化：对于一确定的过程系统，对其中的操作参数进行优选，以使某些指标达到最优。 8、过程系统综合 按照规定的系统性能，寻找需要的系统结构和子系统特性，并按照规定的目标进行最优组合。（4种基本方法：分解法、直观推断法、调优法、结构参数法） 、过程系统分析9． 对于已知的过程系统，在给定其输入参数，求解其输出参数。10、过程系统自由度，通过自由度分析个
化工过程分析与合成 一，化工系统的定常态模拟与分析（一）模拟是对过程系统模型的求解 1. 过程系统的模拟分析：对某个给定的过程系统模型进行模拟求解，可得出该系统的全部状态变量，从而可以对该过程系统进行工况分析 2，过程系统设计：当对某个或某些系统变量提出设计规定要求时，通过调整某些决策变量使模拟结果满足设计规定要求 3，过程系统参数优化：过程系统模型与最优化模型联解得到一组使工况目标函数最佳的决策变量（优化变量）。从而实施最佳工况
（二）过程系统模拟的三种基本方法：序贯模块法、面向方程法、联立模块法
1. -序贯模块法：基本部分是单元模块（子程序），用以描述物性、单元操作以及系统其它功能。单元模块具有单向性特点。 (1) 断裂：通过迭代把高维方程组降阶为低维方程组的办法。它适用于不可分割子系统；-不可分割子系统：过程系统中，若含有再循环物流，则构成不可分割子系统。 -实施序贯模块法进行过程系统模拟计算中必须要解决的问题——如何选择断裂物流、 如何确定迭代序列。-判断最佳断裂的准则： ①断裂的物流数最少； ②断裂物流的变量数最少；
③ 断裂物流的权重因子之和最少； ④ 断裂回路的总次数最少。 i=1，…，m ，代表回路；j =1，…，n,代表物流 (2) 回路矩阵 简单回路:一个不可分割子系统包含若干个再循环回路。包含两个以上再循环物流，且其中的任何单元只被通过一次，称作简单回路。 。 回路矩阵：过程系统中的简单回路可以用回路矩阵表示。 矩阵：行→回路；列→物流。 若某回路I 中包括有物流j 则相应的矩阵元素aji=1，否则为空白或零。 ?? ?=?? ?=i j i j a j j x ij j 属于回路流股不属于回路流股被断裂流股未断裂流股,1,0,1,0