化工过程分析与合成(张卫东 )(第三版)

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1 绪论001 1.1 化工过程001 1.1.1 化学反应过程001 1.1.2 换热过程002 1.1.3 分离过程002 1.2 化工过程生产操作控制003 1.2.1 集散系统003 1.2.2 DCS 的先进控制与优化控制003 1.3 化工过程的分析与合成004 1.3.1 化工过程系统的分析004 1.3.2 化工过程系统的合成004 1.4 化工过程模拟系统005 1.4.1 化工流程稳态模拟系统005 1.4.2 动态模拟系统006 1.5 化工企业CIPS 技术006 1.5.1 CIMS 技术006 1.5.2 CIPS 技术007 1.6 人工智能技术在化工过程中的应用007 1.6.1 人工智能技术007 1.6.2 专家系统008 1.6.3 人工神经网络008 1.6.4 人工智能技术在化工过程系统中的应用008 2 化工过程系统稳态模拟与分析011 2.1 典型的稳态模拟与分析问题011 2.2 过程系统模拟的三类问题及三种基本方法018 2.2.1 过程系统模拟的三类问题018 2.2.2 过程系统模拟的三种基本方法019 2.3 过程系统模拟的序贯模块法021 2.3.1 序贯模块法的基本原理021 2.3.2 再循环物流的断裂024 2.3.3 断裂物流变量的收敛028 2.3.4 序贯模块法解设计问题035 2.4 过程系统模拟的面向方程法036 2.4.1 面向方程法的原理036 2.4.2 大型稀疏非线性方程组的降维解法037 2.4.3 联立拟线性方程组法解大型稀疏非线性方程组041 2.5 过程系统模拟的联立模块法046 2.5.1 联立模块法的原理046 2.5.2 建立简化模型的两种切断方式047 2.6 氨合成工艺流程的模拟与分析051 2.6.1 氨合成工艺流程的模拟052 2.6.2 氨合成工艺生产工况的模拟分析054 2.7 过程系统稳态模拟软件057 2.7.1 ASPEN 057 2.7.2 PRO/Ⅱ 058 3 化工过程系统动态模拟与分析061 3.1 化工过程系统的动态模型061 3.1.1 化工过程系统的动态特性061 3.1.2 化工过程系统的动态模型061 3.1.3 确定性动态模型的数学处理063 3.2 连续搅拌罐反应器的动态特性065 3.2.1 动态数学模型066 3.2.2 模型的数学处理与应用(Ⅰ) 069 3.2.3 模型的数学处理与应用(Ⅱ) 071 3.3 精馏塔的动态特性073 3.3.1 动态数学模型075 3.3.2 模型的数学处理与应用076 3.3.3 更实际的问题078 3.4 变压吸附过程的模拟与分析079 3.4.1 数学模型的建立079 3.4.2 动态模型的数学处理082 3.4.3 模型的应用083 4 化工过程系统的优化087 4.1 概述087 4.2 化工过程系统优化问题基本概念089 4.2.1 最优化问题的数学描述089 4.2.2 最优化问题的建模方法092 4.2.3 化工过程系统最优化方法的分类092 4.3 化工过程系统最优化问题的类型093 4.3.1 过程系统参数优化093 4.3.2 过程系统管理最优化095 4.4 化工过程中的线性规划问题096 4.4.1 线性规划问题的数学描述096 4.4.2 求解线性规划的图解法098 4.4.3 求解线性规划问题的单纯形法099 4.4.4 按原料资源供应、市场需求价格等因素进行的排产计划101 4.5 化工过程中非线性规划问题的解析求解102 4.5.1 无约束条件最优化问题的经典求解方法102 4.5.2 有约束条件最优化问题的经典求解方法103 4.5.3 动态系统参数的变分优化法106 4.6 化工过程中非线性规划问题的数值求解118 4.6.1 无约束非线性规划问题的搜索策略119 4.6.2 变量轮换法119 4.6.3 非线性规划的单纯型法120 4.6.4 最速下降法和共轭梯度法120 4.6.5 牛顿法和拟牛顿法124 4.6.6 有约束多变量非线性规划问题的搜索策略126 4.7 化工过程大系统的优化126 4.7.1 可行路径优化法128 4.7.2 不可行路径129 5 化工生产过程操作工况调优137 5.1 化工生产过程操作工况调优的作用与意义137 5.2 化工生产过程操作工况离线调优的方法138 5.2.1 机理模型法——液体空气精馏塔的操作工况调优138 5.2.2 统计模型法——苯酐生产过程的操作工况调优147 5.2.3 智能模型法——乙苯脱氢反应过程的操作工况调优157 6 间歇化工过程169 6.1 间歇过程与连续过程169 6.1.1 间歇化工的特点170 6.1.2 间歇过程与连续过程的比较171 6.1.3 间歇过程的基本概念171 6.2 过程动态模型及模拟174 6.2.1 混合过程175 6.2.2 喷雾干燥过程176 6.2.3 间歇、半连续反应过程的模型、模拟和优化177 6.3 间歇过程的最优时间表179 6.3.1 时间表问题179 6.3.2 简单多产品和多目的间歇过程最优时间表的计算规则184 6.4 多产品间歇过程的设备设计与优化187 6.4.1 基本定义、原则和术语187 6.4.2 多产品间歇过程设备的基本计算法190 6.4.3 多产品间歇过程设备尺寸的最优设计192 6.5 间歇过程的控制模型198 6.5.1 配方模型198 6.5.2 控制功能模型199 6.5.3 过程模型200 6.5.4 物理模型200 6.5.5 程序控制模型200 7 换热网络合成203 7.1 化工生产流程中换热网络的作用和意义203 7.2 换热网络合成问题203 7.2.1 换热网络合成问题的描述203 7.2.2 换热网络合成的研究204 7.3 换热网络合成——夹点技术204 7.3.1 第一定律分析204 7.3.2 温度区间205 7.3.3 最小公用工程消耗206 7.3.4 温焓图与组合曲线207 7.3.5 夹点的特性209 7.4 夹点法设计能量最优的换热网络210 7.4.1 匹配的可行性原则210 7.4.2 流股的分割——FCp 表213 7.4.3 流股的匹配——勾销推断法214 7.5 换热网络的调优216 7.5.1 最小换热单元数216 7.5.2 能量与设备数的权衡217 7.5.3 ΔT min 的选择218 7.6 实际工程项目的换热网络合成219 7.6.1 数据提取219 7.6.2 选择物流220 7.6.3 老厂改造222 7.6.4 禁止匹配与强制匹配224 7.6.5 阈值问题225 7.6.6 多品位公用工程226 8 分离塔序列的综合231 8.1 精馏塔分离序列综合概况231 8.2 分离序列综合的基本概念231 8.2.1 简单塔232 8.2.2 顺序表232 8.2.3 可能的分离序列数233 8.2.4 分离子群233 8.2.5 可能的分离子问题234 8.2.6 目标产物组235 8.2.7 判别指标235 8.2.8 分离序列的综合方法235 8.3 动态规划法235 8.4 分离度系数有序探试法241 8.4.1 经验规则M1 242 8.4.2 经验规则M2 243 8.4.3 经验规则D1 243 8.4.4 经验规则S1 243 8.4.5 经验规则S2 243 8.4.6 经验规则C1 243 8.4.7 经验规则C2 243 8.5 相对费用函数法245 8.6 分离序列综合过程的评价246 8.7 调优法247 8.8 复杂塔的分离顺序251 8.9 隔壁塔在多元混合物精馏分离中的应用253 参考文献255