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第一章 绪论 1

1.1 系统工程 1

1.2 过程系统工程 2

1.3 现代过程系统工业的特点 3

1.4 过程系统工程的有关基本术语 3

1.5 过程系统工程研究的问题 5

1.6 过程系统工程的应用 6

1.7 系统优化的灵敏度分析 7

参考文献 7

第二章 化工过程系统数学模拟方法 8

2.1 单元过程数学模型概述 10

2.1.1 机理模型、统计模型和混合模型 11

2.1.2 模型的简化 13

2.1.3 模型参数 14

2.1.4 模型的建立和检验 15

2.1.5 模型的数学描述 16

2.1.6 模型的自由度 17

2.2 化工单元模型和模块 17

2.3 化工系统的结构模型 25

2.3.1 结构单元图 25

2.3.2 图论的基本概念 26

2.3.3 系统的结构模型 28

2.4 化工系统模型求解方法概述 33

2.4.1 序贯模块法 33

2.4.2 联立方程法 35

2.4.3 联立模块法 35

2.5 流程模拟软件及其用途 39

2.5.1 流程模拟软件的分类 41

2.5.2 流程模拟软件的组成 42

2.5.3 几种主要商业化流程模拟软件 45

参考文献 47

第三章 过程系统的分解 49

3.1 系统分隔 51

3.1.1 邻接矩阵法 52

3.1.2 通路搜索法 55

3.1.3 表格法 62

3.2 不可再分块的切断 70

3.2.1 环路矩阵法 71

3.2.2 无多余切断 74

3.2.3 切断流股的变量数最少的切断法 76

3.2.4 切断边对收敛特性的影响 77

3.3 过程系统结构分析实例 79

参考文献 84

第四章 非线性代数方程组解法 85

4.1 概述 85

4.2 预备知识 87

4.3 直接迭代法 91

4.4 曲线拟合一维搜索方法 93

4.4.1 二次拟合一维搜索法 94

4.4.2 三次(立方)拟合插值法 97

4.6 韦格斯坦法 99

4.5 松弛法 99

4.7 牛顿法 102

4.7.1 牛顿法的构成 102

4.7.2 牛顿法的收敛性 103

4.7.3 牛顿法的修正 104

4.8 离散型牛顿法和割线法 106

4.8.1 离散型牛顿法 106

4.8.2 割线法 108

4.9 拟牛顿法 113

4.9.1 一般讨论 113

4.9.2 秩1算法 114

4.10 最小二乘法 118

4.10.1 最小二乘法的一般形式 119

4.10.2 高斯-牛顿法 120

4.10.3 阻尼最小二乘法 121

参考文献 122

第五章 序贯模块法 125

5.1 系统自由度 126

5.2 不可再分块迭代收敛的序贯模块法 128

5.2.1 直接迭代法 130

5.2.2 用Wegstein法解X=F(X) 131

5.2.3 离散Newton法 135

5.2.4 拟Newton法 136

5.2.5 非线性方程组数值解法的改进 140

5.2.6 其他可用于过程系统稳态模拟的算法 143

5.3 序贯模块法解设计型问题 144

参考文献 147

第六章 联立方程法 148

6.1 过程系统数学模型的特点 148

6.2 过程系统数学模型方程组的建立 149

6.3 联立方程组中微分方程的处理 150

6.4 初值的选取及变量物理意义的限制 150

6.5 过程系统非线性方程组的降阶 151

6.6.1 线性化的方法 155

6.6 非线性方程组迭代解法的应用 155

6.6.2 基本迭代法 156

6.7 稀疏矩阵的消去法 159

6.7.1 Gauss消去法 160

6.7.2 三角形(LU)分解法 161

6.7.3 选主元的Gauss消去法 163

6.7.4 病态系数矩阵的迭代改进 164

6.7.5 稀疏矩阵的压缩存储 166

6.7.6 消去过程中稀疏性的保持与解的精度的兼顾 169

参考文献 177

6.8 联立方程法的潜在优势 177

第七章 联立模块法 179

7.1 联立模块法的基本思想及发展概况 179

7.2 两种不同的切断方案及三种不同程式的近似线性方程组 181

7.3 不同程式的讨论 185

7.4 摄动求近似线性方程组Jacobian矩阵的线性化方法 186

7.4.1 解析法求子Jacobian矩阵 186

7.4.2 模块摄动求近似Jacobian矩阵 187

7.4.3 对角块摄动法求近似Jacobian矩阵 188

7.4.4 组合单元 摄动法 188

7.5 联立模块法结构分析(系统分解)的特点 189

7.6 联立模块法与序贯模块法的比较 190

7.7 联立模块三层法 191

参考文献 193

第八章 过程系统的最优化 193

8.1 化工过程系统最优化问题的提出及其数学模型 193

8.2 过程系统的最优化问题数学描述的一般形式 200

8.3 最优化问题及最优化方法概述 202

8.4 无约束最优化方法 204

8.4.1 单变量函数的优化--一维搜索 206

8.4.2 无约束多变量函数的优化策略 218

8.4.3 变量轮换法 219

8.4.4 负梯度法 222

8.4.5 单纯形法 224

8.4.6 牛顿型法 227

8.4.7 拟牛顿法 228

8.4.8 变尺度法 229

8.5 有约束多变量函数的最优化方法 231

8.5.1 解有约束优化问题的策略 231

8.5.2 Lagrange乘子法 233

8.5.3 罚函数法 234

8.5.4 既约梯度法 235

8.5.5 广义既约梯度法(GRG) 237

8.5.6 逐次二次规划(SQP) 241

8.6 化工大系统的最优化策略 245

8.6.1 化工大系统最优化的基本策略 245

8.6.2 基于不可行路径法的两级分解协调法 248

8.6.3 黑箱法 251

8.6.4 可行路径的联立方程法 252

8.6.5 单元模块逼近法 252

8.6.6 不可行路径序贯模块法 253

8.6.7 不可行路径联立方程法 254

8.6.8 不可行路径双层法 254

参考文献 257

第九章 其他优化问题简介 258

9.1 单元设备的优化计算 258

9.1.1 目标函数 258

9.1.2 数学模型(约束方程) 260

9.1.3 自由度分析 262

9.1.4 优化方程及计算框图 263

9.2 分布参数系统的优化 263

9.2.1 分布参数系统优化问题的典型示例 264

9.2.2 分布参数系统优化问题的数字描述 265

9.2.3 无约束优化问题的求解--变分法 265

9.2.4 带约束优化问题的求解 266

参考文献 277

第十章 过程系统的合成 278

10.1 过程合成的基本步骤和方法 278

10.2 分离序列的合成 280

10.2.1 基本概念 280

10.2.2 分枝定界法合成分离序列 283

10.2.3 调优法合成分离序列 287

10.3 换热网络的合成 290

10.3.1 问题的提出 290

10.3.2 基本概念 293

10.3.3 最优能量回收换热网络的合成方法 300

10.3.4 以节能与设备投资为综合目标的换热网络调优 302

10.3.5 流股分割 303

10.4 系统的热集成 305

10.4.1 热泵精馏系统的热集成 305

10.4.2 热机与换热网络的系统匹配 309

10.4.3 热泵与换热网络的系统匹配 311

10.4.4 精馏塔的冷凝器、再沸器与换热网络的匹配 313

10.5 其他类型的过程合成 314

参考文献 316

习题 317