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1 绪论 1

1.1 过程系统工程 1

1.2 过程系统工程研究的基本问题 3

1.2.1 过程系统模型化与模拟 3

1.2.2 过程系统优化 3

1.2.3 过程系统综合与集成 4

1.2.4 过程系统工程的进展概貌 5

1.3 过程系统工程的研究方法 6

1.4 学习过程系统工程课程的方法建议 7

参考文献 7

第一篇 过程系统模拟 11

2 过程系统稳态模拟 11

2.1 过程系统稳态模拟的基本概念 11

2.1.1 过程系统的数学模型 11

2.1.2 系统的自由度分析 11

2.1.3 过程系统稳态模拟的基本方法 12

2.2 过程系统模拟的序贯模块法 13

2.2.1 氨合成系统的物料衡算流程模拟 13

2.2.2 不可分隔子系统的识别 15

2.2.3 不可分隔子系统的断裂 19

2.2.4 断裂物流变量的收敛 22

2.3 过程系统模拟的联立方程法 26

2.3.1 大型稀疏非线性方程组的降维解法 26

2.3.2 联立线性方程组法解大型稀疏非线性方程组 30

2.4 过程系统模拟的联立模块法 33

2.4.1 简化模型的建立方法 34

2.4.2 摄动法求简化模型系数矩阵 37

2.5 过程模拟的应用 37

2.5.1 氨合成工段的流程 37

2.5.2 氨合成工段的稳态模型 38

2.5.3 氨合成工段的稳态模拟系统 42

2.6 过程稳态模拟发展趋势 42

符号说明 44

参考文献 44

思考题 44

3 过程系统动态模拟 46

3.1 过程系统动态模拟基础 46

3.1.1 动态模拟的必要性 46

3.1.2 动态模拟与稳态模拟的区别 48

3.1.3 如何由稳态模拟过渡到动态模拟 49

3.1.4 过程系统动态模型 55

3.1.5 过程动态模拟系统 65

3.2 过程系统动态模拟方法 67

3.2.1 序贯模块法 67

3.2.2 联立方程法 67

3.2.3 联立模块法 68

3.2.4 常微分方程组（ODEs）的求解 68

3.2.5 微分代数方程组（DAEs）的求解 69

3.3 精馏过程动态模拟 70

3.3.1 精馏过程动态模型 70

3.3.2 精馏过程动态模型的求解 72

3.3.3 精馏过程快速动态模拟 73

3.4 过程系统动态模拟实例 80

3.4.1 简单闪蒸分离过程动态模拟 80

3.4.2 甲苯加氢制苯全流程动态模拟 90

3.5 过程仿真培训系统 101

3.5.1 国内过程仿真培训系统开发情况 102

3.5.2 国外过程仿真培训系统开发情况 102

3.5.3 过程仿真培训系统的硬件结构 103

3.5.4 过程仿真培训系统的软件结构 103

3.5.5 过程仿真培训系统的发展趋势 105

3.6 过程系统动态模拟发展趋势 105

符号说明 106

参考文献 108

思考题 112

第二篇 过程系统优化 115

4 过程系统优化的基本概念及基础最优化方法 115

4.1 最优化问题的提出及其模型化 115

4.2 过程系统最优化问题数学模型的一般型式 122

4.3 最优化数学方法分类 124

4.4 无约束最优化方法 125

4.4.1 多变量函数的无约束优化策略 125

4.4.2 负梯度法 126

4.4.3 单纯形法 128

4.4.4 牛顿型法 129

4.4.5 拟牛顿法——秩-逆修正法 130

4.4.6 变尺度法 131

4.5 有约束多变量函数的最优化方法 132

4.5.1 有约束优化问题的求解策略 132

4.5.2 Lagrange乘子法 134

4.5.3 罚函数法 135

符号说明 136

参考文献 136

5 线性规划 137

5.1 线性规划问题的数学模型 137

5.1.1 线性规划问题 137

5.1.2 线性规划问题的标准形式 140

5.1.3 化为标准形式的方法 140

5.1.4 线性规划的基本概念 141

5.1.5 二维线性规划的图解法 141

5.2 线性规划问题基本理论 143

5.3 线性规划问题求解——单纯形法 146

5.3.1 单纯形法的基本思想 146

5.3.2 基本可行解间的迭代 146

5.3.3 基本可行解的改进 147

5.3.4 具有标准形式约束方程组线性规划问题求解——单纯形法 149

5.3.5 标准线性规划问题求解——两阶段法 151

5.3.6 标准线性规划问题求解——大M法 154

5.3.7 标准线性规划问题求解——对偶单纯形法 154

5.3.8 修正单纯形法 154

5.3.9 单纯形法的缺点 157

5.3.10 线性规划实例 157

5.4 纯性规划求解的其他方法 159

参考文献 160

思考题 160

6 非线性规划 162

6.1 非线性规划基础 162

6.1.1 非线性规划问题 162

6.1.2 拉格朗日（Lagrange）函数 162

6.1.3 非线性规划问题的一阶必要条件 163

6.1.4 非线性规划问题的二阶充分条件 165

6.2 变量变换法 166

6.3 罚函数法 166

6.3.1 外部罚函数法 167

6.3.2 内部罚函数法 168

6.4 可行方向法 169

6.5 逐次线性规划法 171

6.6 逐次二次规划法 174

6.7 广义简约梯度法 178

6.7.1 简约梯度法 178

6.7.2 广义简约梯度法 180

6.8 非线性规划方法的简单比较 182

6.9 非线性规划软件简介 182

6.9.1 独立或嵌入式优化软件 183

6.9.2 电子表格优化器 184

6.9.3 代数模型化系统 184

6.9.4 优化软件使用中的相关问题 184

参考文献 186

思考题 187

7 混合整数规划 189

7.1 引言 189

7.2 化工过程优化MIP问题的提出 190

7.2.1 多项选择约束 191

7.2.2 逻辑关系约束 191

7.3 求解MIP问题的分支定界法 192

7.3.1 分支操作 192

7.3.2 定界操作 193

7.3.3 深度优先法和广度优先法 198

7.4 求解MINLP问题的外部近似原理和方法 198

7.4.1 基本定义 198

7.4.2 主导问题的导出 199

7.4.3 整数切割 202

7.4.4 收敛条件 202

7.4.5 算法 203

7.4.6 计算举例 204

参考文献 205

思考题 205

8 多目标优化 206

8.1 多目标优化的基本概念 206

8.1.1 多目标优化的解 206

8.1.2 多目标优化的绝对最优解（共同最优解） 206

8.1.3 多目标优化的非劣解（有效解或Pareto解）和劣解 206

8.1.4 多目标优化的弱有效解 207

8.1.5 多目标优化的最终解（满意解） 207

8.2 多目标优化的基本方法 207

8.2.1 化多目标为单目标 207

8.2.2 线性加权和法 208

8.2.3 目的值规划法（理想点法） 209

8.2.4 目标分层法 211

8.2.5 直接求非劣解法 212

8.3 多目标优化进展及应用 212

参考文献 212

思考题 213

9 间歇过程系统的优化 214

9.1 总论 214

9.1.1 引言 214

9.1.2 间歇过程最优化问题的分类 217

9.1.3 间歇过程系统优化的方法 218

9.2 间歇过程设计及最优化 218

9.2.1 问题定义 218

9.2.2 基本的手算设计方法 219

9.2.3 间歇过程的最优化设计 221

9.3 间歇过程的生产计划和调度 235

9.3.1 问题定义 235

9.3.2 简单问题的启发算法 235

9.3.3 多产品厂的生产排序 237

9.3.4 顺序型多目的厂的排序 242

9.3.5 考虑环境影响的多产品间歇化工过程优化排序 242

符号说明 244

参考文献 245

思考题 247

第三篇 过程系统综合与集成 247

10 换热器网络综合 251

10.1 夹点设计法综合换热器网络 251

10.1.1 T-H图（温-焓图） 252

10.1.2 组合曲线（Composite Curve） 252

10.1.3 夹点和夹点规则 253

10.1.4 问题表格算法 256

10.1.5 夹点规则综合换热器网络 259

10.2 数学规划法综合换热器网络 262

10.2.1 转运模型法综合换热器网络 262

10.2.2 超结构法综合换热器网格 267

10.3 遗传算法综合无分流换热器网络 270

10.3.1 遗传算法 270

10.3.2 遗传算法综合无分流换热器网络 270

10.4 换热器网络的柔性分析 276

10.4.1 换热器网络柔性分析 277

10.4.2 换热器网络柔性设计 278

符号说明 279

参考文献 279

思考题 280

11 蒸馏分离序列的综合 282

11.1 分离序列综合问题 282

11.2 直观推断法 283

11.2.1 直观推断的规则 283

11.2.2 有序直观推断法 285

11.3 模糊直观推断法 286

11.3.1 模糊集合的基本定义 286

11.3.2 规则的量化 286

11.3.3 分隔点的选择 288

11.4 数学规划法 289

11.4.1 动态规划法 289

11.4.2 有序分支搜索法 290

11.4.3 基于超结构优化蒸馏分离序列的方法 291

11.5 考虑热集成的蒸馏序列综合 293

11.5.1 蒸馏塔系统之间的热集成 293

11.5.2 蒸馏系统与全过程的热集成 295

11.5.3 基于优化超结构的蒸馏序列热集成 296

11.6 本章小结 297

参考文献 297

思考题 297

12 反应器网络综合 300

12.1 反应器在过程系统中的作用 300

12.2 反应路径综合 300

12.2.1 反应路径的基本类型 300

12.2.2 反应路径综合方法 300

12.2.3 废物最小化的反应路径综合方法 303

12.3 反应器网络综合 309

12.3.1 反应器网络综合研究概述 310

12.3.2 反应器网络综合方法 311

12.3.3 三分布参数通用反应器网络模型 314

符号说明 318

参考文献 318

思考题 319

13 过程系统集成 320

13.1 过程系统的能量集成 320

13.1.1 过程系统能量集成的方法 321

13.1.2 过程系统能量集成的策略 322

13.1.3 工业应用实例 332

13.2 过程系统质量集成 336

13.2.1 质量变换网络综合 336

13.2.2 质量集成 343

13.2.3 水分配网络综合 344

13.2.4 质量集成技术在清洁生产中的应用 351

符号说明 352

参考文献 353

思考题 354

中文索引 356