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第1章 化工系统分析与合成导论 1

【本章导读】 1

1.1 系统与化工系统 1

1.1.1 系统 1

1.1.2 化工系统 2

1.1.3 系统的特性 4

1.2 化工系统分析 10

1.2.1 基本定义 10

1.2.2 化工系统分析含义 11

1.2.3 化工系统分析具体案例 11

1.3 化工系统合成 20

1.3.1 化工系统合成定义 20

1.3.2 化工系统合成多重同心圆概念 21

1.3.3 化工系统合成关键 23

1.3.4 化工系统合成具体案例 25

1.4 化工系统模拟与模型 33

1.4.1 模拟法 33

1.4.2 常用模拟软件 34

1.5 化工系统优化 35

1.5.1 优化的重要性 35

1.5.2 基本的优化模型 35

1.5.3 系统优化需要的知识支撑 37

本章小结及提点 38

习题 38

第2章 化工过程系统模型化 40

【本章导读】 40

2.1 化工单元模型分类及简化 40

2.1.1 模型分类 40

2.1.2 模型的简化 49

2.1.3 模型参数 51

2.1.4 模型建立的步骤 51

2.2 常见化工单元数学模型 56

2.2.1 混合过程建模 56

2.2.2 气体压缩过程建模 59

2.2.3 气体膨胀过程建模 62

2.2.4 液体加压过程建模 64

2.2.5 分割过程建模 64

2.2.6 管路压降过程建模 65

2.2.7 闪蒸过程建模 66

2.2.8 蒸馏过程建模 69

2.2.9 换热过程建模 71

2.2.10 间歇蒸馏过程建模 72

2.3 化工过程系统结构模型 73

2.3.1 有向图 73

2.3.2 过程矩阵（Process Matrix）RP 74

2.3.3 关联矩阵（Incidence Matrix）RI 75

2.3.4 邻接矩阵（Adjacency Matrix）RA 76

2.3.5 联结表 77

本章小结及提点 82

习题 82

第3章 化工系统模拟方法及策略 85

【本章导读】 85

3.1 化工单元模拟 85

3.1.1 基本物性计算 85

3.1.2 线性方程组计算 94

3.1.3 非线性方程计算 96

3.1.4 常微分方程计算 104

3.1.5 偏微分方程计算 110

3.2 序贯模块法 113

3.2.1 无循环物流系统 114

3.2.2 有循环物流系统 115

3.2.3 三种类型的流程模拟 116

3.3 联立方程法 118

3.4 联立模块法 119

3.5 化工系统的分解 122

3.5.1 系统分隔 123

3.5.2 系统的切断 126

3.6 设计（独立）变量的选择 130

3.6.1 问题的提出 130

3.6.2 拓扑双层图 131

3.7 大型方程组的分解策略 133

3.7.1 指定方程组每一方程的输出变量 135

3.7.2 利用方程组输出变量集，绘制方程组信息有向图 135

3.7.3 利用邻接矩阵分隔系统的方法，找出方程组信息图中的回路，确定方程组分解策略 136

本章小结及提点 138

习题 138

第4章 化工过程系统优化基础 140

【本章导读】 140

4.1 化工过程系统优化概述 140

4.1.1 优化问题的性质 140

4.1.2 常见的化工优化问题 141

4.1.3 化工优化问题的一般数学模型 142

4.1.4 化工优化问题的基本方法 144

4.2 优化的数学基础 144

4.2.1 凸集 145

4.2.2 凸函数 145

4.2.3 单变量函数的极值情况 145

4.2.4 多变量函数的极值情况 147

4.2.5 函数最优解的最后确定 149

4.3 无约束函数优化 150

4.3.1 单变量函数优化 150

4.3.2 多变量函数优化 157

4.4 线性及混合整数规划 165

4.4.1 线性规划 165

4.4.2 混合整数规划 177

4.5 非线性规划 178

4.5.1 消元法 180

4.5.2 拉格朗日乘子法（Lagrange Multiplier Method） 181

4.5.3 罚函数法（Penalty Function Method） 184

4.5.4 逐次线性规划（Successive Linear Programming） 186

4.5.5 逐次二次规划（Sequential Quadratic Programming） 186

4.5.6 非线性规划问题matlab求解策略 187

4.6 动态规划（Dynamic Programming） 188

4.6.1 动态规划基本概念 188

4.6.2 动态规划的优化原理 190

4.6.3 多级错流系统优化 192

本章小结及提点 196

习题 196

第5章 典型化工单元及过程模拟及优化案例 199

【本章导读】 199

5.1 换热过程模拟及优化 199

5.1.1 套管式换热器动态模拟 199

5.1.2 单个换热器面积优化 203

5.1.3 串联换热器优化 208

5.2 流体输送管径优化 211

5.2.1 问题的提出 211

5.2.2 优化模型的建立 212

5.2.3 优化求解 213

5.3 保温层优化 215

5.4 多效蒸发优化 217

5.4.1 问题的提出 217

5.4.2 优化模型的建立 217

5.4.3 优化分析 218

5.5 反应精馏塔双回流比优化 219

5.5.1 问题的提出 219

5.5.2 优化模型建立 220

5.5.3 结果分析 223

5.6 石油产品运输调度优化 224

5.6.1 问题的提出 224

5.6.2 模型的建立 224

5.6.3 实例求解 225

5.7 生产过程最优选择 226

5.7.1 问题的提出 226

5.7.2 模型的建立 227

5.7.3 优化求解及灵敏度分析 227

5.8 生产配置优化 228

5.8.1 问题的提出 228

5.8.2 模型的建立 229

5.8.3 优化求解及分析 229

5.9 锅炉发电系统优化 231

5.9.1 问题的提出 231

5.9.2 模型的建立 232

5.9.3 模型求解 233

5.9.4 灵敏度分析 235

5.10 管式反应器最优温度分布 236

5.10.1 问题的提出 236

5.10.2 模型的建立 236

5.10.3 优化求解 237

5.10.4 结果分析 239

5.11 串联反应器最佳空时分析 241

5.11.1 问题的提出 241

5.11.2 模型的建立 241

5.11.3 模型的求解 242

5.12 平行理想催化反应模拟及优化分析 243

5.12.1 问题的提出 243

5.12.2 模型的建立 244

5.12.3 模型的计算 245

本章小结及提点 246

习题 246

第6章 化工过程合成技术及优化 249

【本章导读】 249

6.1 合成策略 249

6.2 反应过程合成 253

6.2.1 原料的选择 253

6.2.2 反应路径的选择 255

6.2.3 反应器类型的选择 256

6.2.4 反应器系统结构的选择 258

6.2.5 反应操作及化学组分分配试探规则 260

6.2.6 独立反应数确定 260

6.3 分离序列合成 262

6.3.1 分离方法简介 262

6.3.2 分离方法选择 266

6.3.3 精馏分离的几个基本概念 268

6.3.4 精馏分离的经验规则及应用 270

6.3.5 最小总气相负荷确定法 272

6.4 换热网络合成 277

6.4.1 换热网络合成几个基本概念 277

6.4.2 TH（温焓）图和组合曲线 279

6.4.3 挟点的确定 280

6.4.4 无挟点“门槛”问题 284

6.4.5 换热网络设计 284

6.4.6 节能与投资的优化 288

本章小结及提点 289

习题 289

第7章 化工过程节能技术分析与评价 291

【本章导读】 291

7.1 化工节能概述 291

7.1.1 能源概述 291

7.1.2 节能定义 293

7.1.3 化工节能方法与准则 295

7.1.4 化工节能工作中的几个基本概念 298

7.2 化工节能技术经济评价 302

7.2.1 节能技术经济评价 303

7.2.2 化工节能技术生命周期评价 308

7.3 化工通用节能设备与技术分析 311

7.3.1 锅炉节能技术 311

7.3.2 换热器节能技术 315

7.3.3 泵和风机节能技术 317

7.3.4 热泵节能技术 322

7.3.5 热管节能技术 323

7.4 强化传热节能技术 326

7.5 精馏过程节能技术 332

7.5.1 热泵精馏技术 332

7.5.2 内部热集成节能技术 334

7.6 能源管理体系简介 339

7.7 能源审计简介 340

7.8 固定资产投资节能评估简介 340

本章小结及提点 341

习题 341

参考文献 342