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第一章 化工过程系统工程学科发展概况 1

1．1 学科内容，意义，国内外发展状况 2

1．1．1 过程系统模拟 2

1．1．1．1 稳态过程系统模拟 2

1．1．1．2 动态过程系统模拟 4

1．1．2 过程系统综合 5

1．1．2．1 反应路径的综合 5

1．1．2．2 换热器网络的综合 5

1．1．2．3 分离序列的综合 6

1．1．2．4 反应器网络的综合 6

1．1．2．5 全流程的综合 6

1．1．2．6 公用工程系统的综合 6

1．1．2．7 过程系统能量集成 7

1．1．3 过程系统的操作与控制 7

1．1．3．1 数据的筛选与校正 8

1．1．3．2 过程操作优化 8

1．1．3．3 过程安全监控及事故诊断 8

1．1．3．4 操作模拟培训系统 9

1．1．4 间歇过程的设计与操作优化 10

1．1．4．1 间歇化工厂 10

1．1．4．2 间歇过程设计与操作优化 11

1．1．5 人工智能技术在化工中的应用 11

1．2 今后的发展趋势与前沿 12

1．2．1 流程模拟与模型化 13

1．2．2 过程系统综合 13

1．2．3 过程系统的操作与控制 13

1．2．4 间歇过程 13

1．2．5 人工智能技术 13

1．3 我国发展的方向，重点和目标 14

1．3．1 过程系统模拟 14

1．3．2 过程系统综合 14

1．3．3 过程系统的操作与控制 15

1．3．4 间歇过程的设计与操作优化 15

1．3．5 人工智能技术在化工中的应用 15

1．4 第一章小结 16

参考文献 16

第二章 化工过程系统的稳态模拟与分析 19

2．1 单元操作过程数学模型的建立与模拟 22

2．1．1 单元操作过程的自由度分析 23

2．1．1．1 混合单元 23

2．1．1．2 流股分割单元 24

2．1．1．3 换热器 24

2．1．2 管壳式换热器的数学模型及模拟计算 24

2．1．2．1 问题的提出 25

2．1．2．2 数学模型的建立 25

2．1．2．3 计算步骤 27

2．1．2．4 例题 28

2．1．3 螺旋板换热器数学模型的建立与模拟 30

2．1．3．1 教学模型 30

(1)几何分析 30

(2)传热分析 33

(3)流体流动阻力 37

2．1．3．2 数学模拟计算 37

2．1．3．3 例题 39

2．1．4 蒸馏塔数学模型的建立与模拟计算 41

2．1．4．1 名词 44

2．1．4．2 松驰法 45

(1)数学模型的推导 46

(2)计算步骤 47

(3)例题：常压乙醛精馏塔的计算 49

2．1．4．3 三对角线矩阵法 50

(1)数学模型 50

(2)三对角线矩阵的解法 54

(3)计算步骤 55

2．2 化工过程系统分解 55

2．2．1 问题的提出 55

2．2．2 系统分隔 56

2．2．2．1 不相关子系统的识别 56

2．2．2．2 系统分隔的方法 57

(1)Sargent和Westerberg的通路搜索法 58

(2)矩阵法 61

2．2．3 最大循环网的断裂 66

2．2．3．1 Lee-Rudd分解法 66

2．2．3．2 Upadhye和Grens分解法 67

2．2．3．3 动态规划分解法 70

2．2．3．4 双层图分解法 73

2．2．4 例题，乙烯水合乙醇精制系统模拟计算 82

2．3 化工流程模拟计算中的收敛方法 84

2．3．1 直接迭代法 84

2．3．2 韦格斯坦法 85

2．3．3 主特征值法 85

2．3．4 拟牛顿法 86

2．4 实例，合成氨厂蒸汽动力系统的模拟计算 86

2．4．1 主要单元设备的数学模型 86

2．4．1．1 汽、液混合单元 86

2．4．1．2 脱氧槽 87

2．4．1．3 透平 88

2．4．2 系统模拟计算 89

2．4．3 例题 89

2．5 第二章小结 94

参考文献 95

第三章 化工过程系统综合 96

3．1 过程系统综合的基本方法 96

(1)分解法 96

(2)直观推断法 97

(3)调优法 97

(4)结构参数法 97

3．2 换热器网络综合 97

3．2．1 换热器网络综合方法简述 98

3．2．2 根据温-焓图综合换热器网络 98

3．2．2．1 温-焓图 98

3．2．2．2 热力学最小传热面积网络的综合 99

(1)传热过程的有效能分析 99

(2)热力学最小传热面积网络的综合 102

3．2．2．3 热力学最小传热面积网络的改进 103

3．2．2．4 例题 104

3．2．3 夹点设计法 109

3．2．3．1 夹点位置的确定及其意义 109

(1)问题表格算法 109

(2)夹点及其意义 111

(3)用T-H图确定夹点位置 113

3．2．3．2 夹点设计法 114

(1)夹点处物流间匹配换热的可行性规则 114

(2)物流间匹配换热的经验规则 117

(3)例题 121

3．3 多组分分离序列的综合 124

3．3．1 分离序列综合问题 124

3．3．2 分离过程的能耗 126

3．3．3 直观推断规则 129

3．3．3．1 规则1 129

3．3．3．2 规则2 129

3．3．3．3 规则3 130

3．3．3．4 规则4 132

3．3．3．5 规则5 132

3．3．3．6 规则6 132

3．3．4 有序直观推断法 133

3．3．4．1 有序直观推断规则 133

3．3．4．2 例题 134

例题1 134

例题2 135

3．3．5 模糊直观推断法 136

3．3．5．1 模糊集合的基本定义 136

3．3．5．2 综合分离序列的方法和步骤 138

3．3．5．3 例题 140

例题1 140

例题2 144

3．4 公用工程系统的综合—结构优化法 145

3．5 化工过程系统的能量集成 149

3．5．1 整个过程系统的设计 149

3．5．2 反应器和分离设备设计中的相互关系 151

3．5．3 蒸馏过程与系统的热集成 152

3．5．3．1 总组合曲线 152

3．5．3．2 采用复杂塔以及蒸馏操作的热偶合 154

3．5．3．3 分离器在系统中的合理设置 154

3．5．3．4 对蒸馏过程调优以改进系统热集成 157

3．5．3．5 例题，丁＝烯分离系统的热集成 160

3．5．4 公用工程与过程系统的能量集成 162

3．5．4．1 热机和热泵 162

3．5．4．2 热机、热泵与过程系统的能量集成 163

(1)热机、热泵相对于夹点的位置 163

(2)热负荷及温位的限制 163

3．5．4．3 总组合曲线的应用 164

(1)朗肯循环与总组合曲线的匹配 164

(2)蒸汽透平与燃气透平的比较 166

3．6 第三章小结 166

参考文献 169

第四章 最优化方法 170

4．1 基本概念 170

4．1．1 名词 170

4．1．2 函数 171

4．1．3 函数的凸性 172

4．1．4 凸域(或凸集合) 173

4．1．5 最优值的搜索 174

4．2 函数的极值 175

4．2．1 极值与极值点 175

4．2．2 一元函数极值存在的条件 175

4．2．3 二元函数极值存在的条件 178

4．2．4 多元函数极值存在的条件 180

4．3 单变量的最优化—数值解法 181

4．3．1 消去法的基本概念 182

4．3．2 对无约束函数的搜索 183

4．3．3 菲波纳奇法 184

4．3．4 黄金分割法 185

4．3．5 二次多项式近似法 186

4．4 无约束多变量的最优化 188

4．4．1 平行座标轴的单变量搜索 189

4．4．2 模式法 189

4．4．3 鲍威尔法 197

4．4．4 梯度法 198

4．4．5 共轭梯度法 204

4．5 线性规划 207

4．5．1 图解法 208

4．5．1．1 资源分配问题 208

4．5．1．2 个别情况的考虑 208

4．5．2 单纯形法 210

4．5．2．1 标准形式 210

4．5．2．2 单纯形表 211

4．5．2．3 产生一初始的基础解 214

4．6 具有约束的非线性规划 216

4．6．1 等式约束限制变量的问题 216

4．6．1．1 直接代入法 216

4．6．1．2 罚函数法 217

4．6．1．3 拉格朗日乘子法 219

4．6．1．4 拉格朗日乘子法用于序列系统 221

4．6．2 具有等式和不等式约束限制变量的问题 226

4．6．2．1 Kuhn—Tucker条件 226

4．6．2．2 可行方向法 229

4．7 动态规划 230

4．7．1 基本思想 231

4．7．2 数学表述 233

4．7．3 例题1 235

4．7．4 例题2 238

4．8 离散最小(最大)值原理 240

4．8．1 数学表述 240

4．8．2 多级冷却系统的最优化设计 242

4．8．3 例题 246

4．9 第四章小结 248

参考文献 248

附录 249

一、矩阵与向量 249

二、常微分方程的数值解法 259

三、牛顿—拉福森法 260

四、集合的基本概念 264