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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1129

3．3．3．2 规则2129

3．3．3．3 规则3130

3．3．3．4 规则4132

3．3．3．5 规则5132

3．3．3．6 规则6132

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1134

例题2135

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1140

例题2144

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1235

4．7．4 例题2238

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