《化工系统工程》PPT课件
合集下载
第1章化工系统工程概述PPT课件
对大部分的非线性系统模型，当它的变量保持在一定范围 之内时，往往被近似表达为线性系统。
2020/7/25
29
1.2系统的分类
1.2.5 按照系统状态与时间的关系进行分类
1.静态系统：其状态不随时间改变的系统。 这类系统没有记忆，即某时刻的输出仅与系统当前输入有
关，而与其它时刻的输入无关。研究静态系统相当于分析系统 某一定态的性质。
概念
英文
拉丁文
Systems
Syn + histemi
S
“在一起” + “放置”
• 直观理解：把一些东西 “放置”“在一起”就形成“S”。
什么是系统 ？ 学术界的认识并不完全一致
2020/7/25
11
1.1系统的概念
1.1.1 系统的定义
美国的《韦氏（Webster）大辞典》：“有组织的或被组 织化的整体；结合着的整体所形成的各种概念和原理的结 合；由有规则的相互作用、相互依赖的形式组成的诸要素 集合。”
子工程、计算机工 程、医学、心理学
等学科。 但该计划的成功未采用 一项
新技术，完全是综合运 用现有技术成
果的结果，是 大型系统工程成功的典
2020/7/25 范。
4
引子
Why？
要求： • 具有从整体、全局驾驭工作的能力和习惯，能统筹策划； • 在知识结构上，是“T”型人才； • 善于和上下级、左右机构与同志联系工作，沟通思想，能 够团结不同专业、不同观点的专家一道工作； • ……
2020/7/25
28
1.2系统的分类
1.2.4 按照系统内各子系统之间的相互关系进行分 类
1.线性系统：系统中某部分的变化引起其余部分的变化是线性 的，或者说系统的输入线性迭加时，系统的输出也线性迭加， 就称该系统是线性系统。
2020/7/25
29
1.2系统的分类
1.2.5 按照系统状态与时间的关系进行分类
1.静态系统：其状态不随时间改变的系统。 这类系统没有记忆，即某时刻的输出仅与系统当前输入有
关，而与其它时刻的输入无关。研究静态系统相当于分析系统 某一定态的性质。
概念
英文
拉丁文
Systems
Syn + histemi
S
“在一起” + “放置”
• 直观理解：把一些东西 “放置”“在一起”就形成“S”。
什么是系统 ？ 学术界的认识并不完全一致
2020/7/25
11
1.1系统的概念
1.1.1 系统的定义
美国的《韦氏（Webster）大辞典》：“有组织的或被组 织化的整体；结合着的整体所形成的各种概念和原理的结 合；由有规则的相互作用、相互依赖的形式组成的诸要素 集合。”
子工程、计算机工 程、医学、心理学
等学科。 但该计划的成功未采用 一项
新技术，完全是综合运 用现有技术成
果的结果，是 大型系统工程成功的典
2020/7/25 范。
4
引子
Why？
要求： • 具有从整体、全局驾驭工作的能力和习惯，能统筹策划； • 在知识结构上，是“T”型人才； • 善于和上下级、左右机构与同志联系工作，沟通思想，能 够团结不同专业、不同观点的专家一道工作； • ……
2020/7/25
28
1.2系统的分类
1.2.4 按照系统内各子系统之间的相互关系进行分 类
1.线性系统：系统中某部分的变化引起其余部分的变化是线性 的，或者说系统的输入线性迭加时，系统的输出也线性迭加， 就称该系统是线性系统。
化工系统工程 第八章 化工过程系统的合成.ppt
2020/1/27
第八章 化工过程系统的合成
11
化环学院：路平
8.2.2 分支定界法合成分离序列
例8.1 六组分混合物的分离序列合成。 总流量为 678kmol/h，压力为 55.2kPa，进料温度为
53.9℃，要求分离成A、C、F、BDE四个组分，允许的分离 方法有两种：普通精馏分离和萃取精馏。试求最优分离序列。
27
化环学院：路平
8.3.4 以节能与设备投资为综合目标 的换热网络合成
❖ 能合并的设备进行合并
2020/1/27
第八章 化工过程系统的合成
28
化环学院：路平
8.3.5 流股分割换热器网络合成方法
❖ 在不能满足挟点匹配时用此法，将流 股分割成几股。
2020/1/27
第八章 化工过程系统的合成
29
从而找到局部最优解——调优合成法：用直觉修正 或算法修正。 ❖ 二、在无初始流程的情况下，寻找最优流程——分 支（分枝）定界法：近期发展，该方法可较严格地 排除大量的不可行的流程方案可的繁琐计算，可大 大减少要详细计算的方案数，很快找到最优解，是 一种无需穷举的系统合成策略。
2020/1/27
第八章 化工过程系统的合成
2020/1/27
第八章 化工过程系统的合成
1
化环学院：路平
8.1 过程合成的基本概念
❖ 目的：从大量的可行方案中挑选一个或几个最优 或次优的方案。
❖ 一般过程合成步骤：
确定研究对象的描述方法和目标——描述问题； 建立评价过程系统的目标函数——评价方法； 将过程系统视为若干相互关联的子系统的组合——分
有N种组分进料分离成N个纯组分的分离，用P种分离方法的
分离序列数Z为：
最新化工系统工程课件_第二章_概述
A BCD E FGH
A BCD E FGH
系统分解： 对复杂系统，将所有模型方程全部联立求
解很困难，直接用序贯法又存在相互影响。 这时，可将该系统分成几个相对独立的部分， 各自联解，再序贯求解。
将大的、复杂系统分解为若干个小的子 系统的过程称为大系统的分解,目的是识别 出不可分割子系统。
A BCD E FGH
计算机和计算技术的发展，为过程系统的整体研 究提供了技术手段。
各种类型的过程系统模拟软件不断出现。但就其 模拟计算求解方法而言，可以归纳为三类：
序贯模块法(Sequentia1 Modular Method); 面向方程法(Equation Oriented Method)；联立方程法 联立模块法(Stmultaneously Modular Method)
断裂物流迭代计算步骤如下：
Step1 :假定断裂物流S4’ 的变量值，然后依次计 算单元模块A，B，C得 到物流S4的变量值。
Step2:利用收敛单元比 较S4与S4’的相应变量值。 若不等，则改变S4’为新 的变量值，重复Step1过 程直到S4与S4’两个变量 值相等为止。
问题： 收敛单元设置在哪个物流处?既如何选择断裂
面向方程法的问题：形成通用软件比较困 难；不能利用现有大量丰富的单元模块； 缺乏与实际流程的直观联系：计算失败之 后难于诊断错误所在；对初值的要求比较 苛刻；计算技术难度较大等。
2. 1.3 过程系统模拟的联立模块法
联立模块法： 将过程系统的简
化模型方程与单 元模块严格模型 交替求解，又被 称作双层法.
物流？本问题中不仅可以是物流S4处，也可以 设置在物流S2或S3处。对于复杂系统，收敛单 元设置的位置不同，其效果也将不同。究竟设 置在何处为好，这要通过断裂技术去解决。 如何得到新的S4’变量值?如何保证计算收敛? 如何加快收敛，取决于收敛算法，还与断裂物 流变量的特性有关。
A BCD E FGH
系统分解： 对复杂系统，将所有模型方程全部联立求
解很困难，直接用序贯法又存在相互影响。 这时，可将该系统分成几个相对独立的部分， 各自联解，再序贯求解。
将大的、复杂系统分解为若干个小的子 系统的过程称为大系统的分解,目的是识别 出不可分割子系统。
A BCD E FGH
计算机和计算技术的发展，为过程系统的整体研 究提供了技术手段。
各种类型的过程系统模拟软件不断出现。但就其 模拟计算求解方法而言，可以归纳为三类：
序贯模块法(Sequentia1 Modular Method); 面向方程法(Equation Oriented Method)；联立方程法 联立模块法(Stmultaneously Modular Method)
断裂物流迭代计算步骤如下：
Step1 :假定断裂物流S4’ 的变量值，然后依次计 算单元模块A，B，C得 到物流S4的变量值。
Step2:利用收敛单元比 较S4与S4’的相应变量值。 若不等，则改变S4’为新 的变量值，重复Step1过 程直到S4与S4’两个变量 值相等为止。
问题： 收敛单元设置在哪个物流处?既如何选择断裂
面向方程法的问题：形成通用软件比较困 难；不能利用现有大量丰富的单元模块； 缺乏与实际流程的直观联系：计算失败之 后难于诊断错误所在；对初值的要求比较 苛刻；计算技术难度较大等。
2. 1.3 过程系统模拟的联立模块法
联立模块法： 将过程系统的简
化模型方程与单 元模块严格模型 交替求解，又被 称作双层法.
物流？本问题中不仅可以是物流S4处，也可以 设置在物流S2或S3处。对于复杂系统，收敛单 元设置的位置不同，其效果也将不同。究竟设 置在何处为好，这要通过断裂技术去解决。 如何得到新的S4’变量值?如何保证计算收敛? 如何加快收敛，取决于收敛算法，还与断裂物 流变量的特性有关。
化工系统工程课件_化工过程系统稳态模拟与分析
2 S6
4
5
1 S3
S1
S2 5 C
3 S4 D
S5
2 S6 S7 B S8 4
A
（流股）
A S1 0 0 1 0 S2 1 0 1 0 S3 1 0 0 0 S4 0 0 1 1 S5 0 0 0 1 S6 0 0 0 1 S7 0 1 0 1 S8 0 1 0 0
R
环 B 路 C
D
f
矩阵做法：Si 流股若在 A 环中出现则标 1，若 不出现则标 0 。 例如： A 环，由S2，S3 两流股构成，其余为零。 矩阵中还有： 加和行，用 f 表示：它由每一列中的非零元素 加和构成。 加和列（R）：它将每一行非零元素加和构成 f 称为环路频率：代表某流股出现在所有环路中 的次数 R 称为环路的秩：代表某环路中包含的流股总数。
断裂物流迭代计算步骤如下：
Step1 :假定断裂物流S4’ 的变量值，然后依次计 算单元模块A，B，C得 到物流S4的变量值。 Step2:利用收敛单元比 较S4与S4’的相应变量值。 若不等，则改变S4’为新 的变量值，重复Step1过 程直到S4与S4’两个变量 值相等为止。
问题： 收敛单元设置在哪个物流处?既如何选择断裂 物流？本问题中不仅可以是物流S4处，也可以 设置在物流S2或S3处。对于复杂系统，收敛单 元设置的位置不同，其效果也将不同。究竟设 置在何处为好，这要通过断裂技术去解决。 如何得到新的S4’变量值?如何保证计算收敛? 如何加快收敛，取决于收敛算法，还与断裂物 流变量的特性有关。
2. 1.2 过程系统模拟的面向方程法
面向方程法：将描 述整个过程系统的 数学方程式联立求 解，从而得出模拟 计算结果的方法。 面向方程法又称联 立方程法
化工系统工程课件 第四章：线性规划方法
其中：u——决策向量
b——要求向量
u=[ u1， u2，…un] T
b=[ b1， b2，…bm] T
c=[ c1， c2，…cn]
c——价值系数
n ——问题的维数，或阶数 m ——问题的约束方程个数
三、将非标准形化为标准形
的方法：
对于各种不同形式的模型，可以采用以下方法进 行转化： 1 将求极大化为求极小 如果目标函数J是求极大值．则可按下式转换成 求极小值 max(J)＝min(-J)
检验所需费用： 人员工资 + 错验损失 一级检验员： 8×4× u1 + 8 × 25 ×(1-0.98) ×2 u1 二级检验员： 8×3× u2 + 8 × 15 ×(1-0.95) ×2 u2
整理得目标函数： f(u)=8[(4 + 25 ×(1-0.98) ×2)u1 +(3 + 15 ×(1-0.95) ×2)] u2 = 40 u1 +36u2
4 线性规划的典范形式： 如果在标准形式的m个约束方程中有这样m个特 殊变量，它的每一个在某一个约束方程组中的系 数为1，而在其它的方程中的系数为零，则称这 样的约束方程组为典范形式。例如：以前m个变 量为特殊变量的典范形式是：
u1 + a1,m+1um+1 +…….+a1nun=b1
u2+
…
A
3 线性规划的基本定理 ①、线性规划若存在可行点，则必存在可行域的 顶点 ②、若存在最优点，则至少有一个顶点是最优 点 定理的意义： ①、保证了顶点的存在性 ②、把一般要从无限个可行点中寻找最优点的问 题，简化为仅在有限个顶点中确定一个最优点的 问题。 由上述基本定理与重要性质即得知： 结论：只需在基本可行解中找最优解。
化工系统工程课件_化工过程系统稳态模拟与分析共48页
•
29、在一切能够接受法律支配的人类 的状态 中，哪 里没有 法律， 那里就 没有自 由。— —洛克
•
30、风俗可以造就法律，也可以废除 法律。 ——塞·约翰逊
态模拟与分析
谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
化工系统工程课件_化工过程系统稳
•
26、我们像鹰一样，生来就是自由的 ，但是 为了生 存，我 们不得 不为自 己编织 一个笼 子，然 后把自 己关在 里面。 ——博 莱索
•
27、法律如果不讲道理，即使延续时 间再长 ，也还 是没有 制约力是由坏风俗创造出来的。 ——马 克罗维 乌斯
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
化工系统工程课件 第二章 最大循环网
2 寻找最优非多余断裂流股集合的步骤： 步骤一：列出系统的环路矩阵及每一单元 输入流股与输出流股表格。并据此找出能将 环路全部打开的任一初始断裂流股集合。 步骤二：进行替代，产生新的集合。 替代规则为：若某一单元的全部输出流股 均在该集合中，则这些输出流股可用该单元 的输入流股替代。
注意：在替代之后，若发现某一集合中， 有一个流股重复出现,则划去这个重复的流 股，继续替代。 步骤三：按上述方法替代，直至非多余 切断集合重复出现。 步骤四：计算重复出现的所有符合要求 的非多余切断流股集合的权因子之和，和 数最小的即为最优非多余切断流股集合。
S4 3
A
S1 5
B
S3 5
C
S5 5 S6 4
D
S8 5 S7 3
E
2
S4 3
A
S1 5
B
S3 5
C
S5 5 S6 4
D
S8 5矩阵的频率因子f ； ② 列每一个 单元输入输出表格； ③ 找出初始断裂流股集合。 分析环路：
（ABCA环路） （BCDB环路） （CDEC环路） （CEC环路） f S1 1 0 0 0 1 S3 1 1 0 0 2 S4 0 1 0 0 1 S5 0 1 1 0 2 S6 0 0 0 1 1 S7 0 0 1 1 2 S8 S13 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 R 3 3
S3 1 1 0 S5 0 1 1 0 2 S7 0 0 1 1 2 R 1 2 2 1
S3 ，S7 为断裂流 股
f
0 2
再据 R 值，选择出S3，S7作为断裂流股。由于 S13为必须断裂流股，则，初始断裂流股集为 （ S3，S7，S13）。在该集合中无重复流股出 现，故为非多余断裂流股集。
化工系统工程课件 第八章 分离塔序列的综合
8．4 分离度系数有序试探法
所谓试探法实际上就是经验法，它虽然没有坚 实的数学基础，但在实际过程综合应用中具有 不可忽视的潜力。 由于综合分离序列的搜索空间十分庞大，找出 最优分离序列十分困难。如果一上来就用严格、 系统的方法往往是很难成功的。 而使用几个简单的、但带有普遍性的经验规则 产生一些接近最优的序列，然后再对它们进行 仔细的评价以确定最终的分离序列。
有序直观推断法
该法将直观推断规则按重要程度排序， 然后按次序使用这些规则，逐步综合出 分离序列。 有序直观推断规则 规则1(M1) 当其他情况相同时，最好采 用能量分离剂，尽量避免采用质量分离 剂。
规则2(M2) 避免真空蒸馏和冷冻，考 虑用液－液萃取代替真空蒸馏。 规则3(D1) 倾向于最少的产品品种 规则4(S1) 首先除掉具有腐蚀性、毒性 的组分 规则5(S2) 最后处理难分离组分
8.1 精馏塔分离序列综合概况
分离序列的综合始于20世纪70年代。 1972年有人提出最优化算法的动态规划法。 1973年有人提出直观试探法， 1976年有人提出调优综合法， 1983年有人提出了有序试探法， 在试探法中，试探规则多数是定性的规则，而 且规则数目较多，这让初学者和实际工作经验 不足者无所适从，因此又有人提出了易分离系 数，使部分试探规则定量化 1997年北京化工大学施宝昌提出了相对费用函 数F，使试探规则定量化的精度得以提高。
例：有一个4个组分的待分离混合物，各组分l、 2、3、4的摩尔量相等，即Fl＝ F2 ＝ F3＝ F4 ＝F， 而组分1、2之间的性质差别与组分3、4之间的性 质差别相等，即12＝ 34 ＝ 。而组分2、3之间 性质差别较小，为 23 ＝ 12/3。 计算比较3种可能的分离序列，由数字说明把 难分离的组分放在最后处理的方案的总费用最小。 12＝ 34 ＝ Fl＝ F2 ＝ F3＝ F4 ＝F
2-化工过程系统工程概论 PPT课件
具体地说，是将系统逐级分解成一系列子系统，根据系统分解原 理确定系统的解算方法及解算顺序；建立单元数学模型，进行系 统的稳态模拟计算，乃至动态特性分析；计算系统的可靠性与灵 敏度，进行设备设计及成本核算等。
数学模型的基本类型
理论模型 (1) 按数学模型的建立方法分类 经验模型
数 学
稳态模型 (2) 按对象的时态本质分类 动态模型
包括: 过程系统模拟与分析、过程系统综合、过程系统控制与操作、 过程系统的设计与优化和人工智能技术在化工过程中的应用等。
化工过程系统工程的产生和发展
廿世纪60年代是化工过程系统工程产生和发展的理论准备时期，代表性的研 究者有美国的Rudd和Watson（1968），Himmelblau和Bischoff（1968）， 日本的矢木荣和西村肇（1969），苏联的Кафаров（1971）等，他们的论著 阐述了化工过程系统工程的研究方法和内容。
传统的分析方法：往往把一个事物分解成许多独立的 部分，把问题分得很细，然后分别进行深入研究。由 于这样的研究方法往往容易把事物看成是孤立的、静 止的，因此得出的结论往往被限制在一个局部的条件 下，如果扩大到更大的范围来考察，那么整体的结论 就可能是片面的、甚至是错误的。
系统工程学：把所研究的对象当作一个整体来研究，也即把 一个研究的对象看作一个系统，从系统整体出发去研究系统 内部各组成之间的有机联系和系统外部环境的相互关系。 ——综合研究的方法，即是系统工程研究方法。
我国从廿世纪70年代开始介绍这门新学科。廿世纪80年代开始这一学科发展 很快。
化工过程系统工程研究的目的和任务
❖ 过程开发（又称为规划决策阶段），主要完成可行性研究，提 出可行性研究报告；
❖ 科研阶段，建立数学模型，描述过程对象的规律性与特点。 在数学模型基础上进行流程方案的开发，用流程模拟系统和经 济评价进一步进行可行性研究；
数学模型的基本类型
理论模型 (1) 按数学模型的建立方法分类 经验模型
数 学
稳态模型 (2) 按对象的时态本质分类 动态模型
包括: 过程系统模拟与分析、过程系统综合、过程系统控制与操作、 过程系统的设计与优化和人工智能技术在化工过程中的应用等。
化工过程系统工程的产生和发展
廿世纪60年代是化工过程系统工程产生和发展的理论准备时期，代表性的研 究者有美国的Rudd和Watson（1968），Himmelblau和Bischoff（1968）， 日本的矢木荣和西村肇（1969），苏联的Кафаров（1971）等，他们的论著 阐述了化工过程系统工程的研究方法和内容。
传统的分析方法：往往把一个事物分解成许多独立的 部分，把问题分得很细，然后分别进行深入研究。由 于这样的研究方法往往容易把事物看成是孤立的、静 止的，因此得出的结论往往被限制在一个局部的条件 下，如果扩大到更大的范围来考察，那么整体的结论 就可能是片面的、甚至是错误的。
系统工程学：把所研究的对象当作一个整体来研究，也即把 一个研究的对象看作一个系统，从系统整体出发去研究系统 内部各组成之间的有机联系和系统外部环境的相互关系。 ——综合研究的方法，即是系统工程研究方法。
我国从廿世纪70年代开始介绍这门新学科。廿世纪80年代开始这一学科发展 很快。
化工过程系统工程研究的目的和任务
❖ 过程开发（又称为规划决策阶段），主要完成可行性研究，提 出可行性研究报告；
❖ 科研阶段，建立数学模型，描述过程对象的规律性与特点。 在数学模型基础上进行流程方案的开发，用流程模拟系统和经 济评价进一步进行可行性研究；
化化工系统工程课件流股断裂方法：动态规划分解法.ppt
比较的标准：往往是试差变量个数
动态规划分解法的应用举例：
例：
问题：此最大再循环网系统有4个单元，7个流股，4个 环路。求：切断流股哪些流股使环路全打开，且总成本
最小。
6
4 （3）
（4）
1
1 （2）
2
2 （9）
5
（3）
3
3 7（2）
（2）
4
6
4
C （4）
（3）A
1
1 （2）
2
2 （9）
5B
（3）
间有交叉关系，无法分
V1
V3
V5
开，只能联立求解。
f1（V1，V2，V3）= 0 f2（V3，V4，V5）= 0 f3（V5，V6，V1）= 0
方案三，选V1，V4，V6为设定变量：
则： f1
f2
f3
V2
V3
V5
此时，双层图形成开链。若用逆序求解，易于解出。
4 Lee选择设计变量的准则： 设定变量的选择应使设计方程得到一个开链结构。即，
f1
f2
f3
f1（V1，V2，V3）= 0 f2（V3，V4，V5）= 0
V2
V4
V6
f3（V5，V6，V1）= 0
该方案使方程求解容易，但V1，V3，V5不能任意选定， 它们之间还有相互制约。
方案二，选V2，V4，V6为设定变量，双层图变为：
f1
f2
f3
V2，V4，V6之间无制约。
但余下的方程和变量之
q2c2－q3c3 –R(c3,T,V)=0
f1
f2
f3
f4
f5
f6
f7
c1 q1 c2 q2
化工系统工程 第六章联立模块法.ppt
化环院：路平
第六章 联立模块法
• 要点：
1）联立模块法的基本策略。 2）三种不同程式的联立模块法。 3）不可再分块摄动的方法的比较。 4）联立模块法与序贯模块法在结构分析上的不同？ 5）联立模块法多层技术的策略。 6）序贯模块、联立方程、联立模块三法比较。
2020/1/27
第六章 联立模块法
1
化环院：路平
线性化方法在数学上不外乎两大类：1）解析法求偏 导数矩阵；2）数值法通过切断变量的摄动求取近 似偏导数矩阵。
2020/1/27
第六章 联立模块法
8
化环院：路平
3 线性化方法
• 解析法求子Jacobi矩阵
对H(Z,Y)=H((X,u)T，Y)=0
则有：
Y Z H
H Y
3）利用在模块级上对单元模块的摄动产生不可再分块近似线性模型 以及逐次线性化技术，在子系统流程级（不可再分块）上联立求 解线性化模型来实现对不可再分块的模拟。
4）不可再分块间的连接仍按块间计算顺序进行。
2020/1/27
第六章 联立模块法
2
化环院：路平
1 联立模块法的基本思路及发展概 况
• 1962年，Rosen采用了简单的线性分率模型，由
– 环路切断方案
类似于序贯模块法，对不可再分块所有环路进行切断，仅切 断必须切断的流股，因此环路切断方案只涉及部分外部变 量。然后利用切断流股变量的摄动直接产生描述整个不可 再分块的简化线性方程组。
2020/1/27
第六章 联立模块法
5
化环院：路平
2 两种切断方案及三种近似线性方 程组
• 三种近似线性方程组
得多，所以对角块摄动法求得的近似Jacobi矩阵是对偏 导数矩阵的一种误差较大近似。
第六章 联立模块法
• 要点：
1）联立模块法的基本策略。 2）三种不同程式的联立模块法。 3）不可再分块摄动的方法的比较。 4）联立模块法与序贯模块法在结构分析上的不同？ 5）联立模块法多层技术的策略。 6）序贯模块、联立方程、联立模块三法比较。
2020/1/27
第六章 联立模块法
1
化环院：路平
线性化方法在数学上不外乎两大类：1）解析法求偏 导数矩阵；2）数值法通过切断变量的摄动求取近 似偏导数矩阵。
2020/1/27
第六章 联立模块法
8
化环院：路平
3 线性化方法
• 解析法求子Jacobi矩阵
对H(Z,Y)=H((X,u)T，Y)=0
则有：
Y Z H
H Y
3）利用在模块级上对单元模块的摄动产生不可再分块近似线性模型 以及逐次线性化技术，在子系统流程级（不可再分块）上联立求 解线性化模型来实现对不可再分块的模拟。
4）不可再分块间的连接仍按块间计算顺序进行。
2020/1/27
第六章 联立模块法
2
化环院：路平
1 联立模块法的基本思路及发展概 况
• 1962年，Rosen采用了简单的线性分率模型，由
– 环路切断方案
类似于序贯模块法，对不可再分块所有环路进行切断，仅切 断必须切断的流股，因此环路切断方案只涉及部分外部变 量。然后利用切断流股变量的摄动直接产生描述整个不可 再分块的简化线性方程组。
2020/1/27
第六章 联立模块法
5
化环院：路平
2 两种切断方案及三种近似线性方 程组
• 三种近似线性方程组
得多，所以对角块摄动法求得的近似Jacobi矩阵是对偏 导数矩阵的一种误差较大近似。
化工系统工程 第七章化工系统的最优化.ppt
• 系统最优化过程首先分析系统变量与目标之间的关 系，然后建立表达最优化问题的数学模型，最后寻 找求解最优化数学模型的方法。
2020/1/27
第七章 化工系统的最优化
3
化环学院：路平
7.1 化工系统最优化问题的数学描述
• 最优化问题的数学描述：实际上是可能带有若 干等式或不等式约束条件方程的一个目标函数 方程式。
m
F(X) f (X) M
ci2 ( X ) l(e jxn2j
)
2
i1
j 1
2020/1/27
第七章 化工系统的最优化
19
2020/1/27
第七章 化工系统的最优化
1
化环学院：路平
第七章 化工系统的最优化
• 化工过程系统工程的基础是模拟，但其核心内容为 过程系统的最优化。一个系统只有通过设计上的最 优化和操作上的最优化才能充分发挥它的产品增值 的特性。
• 设计化工设备或成套装置时，总会碰到设备投资费 用和操作费用之间的矛盾，这是参数最优化。
2020/1/27
第七章 化工系统的最优化
9
化环学院：路平
7.4 无约束最优化方法
7.4.2 单变量函数的优化 • 黄金分割法——0.618 • 取点方法：
– U1=a+0.382L – U2=b-0.382L
• P169例7.4
2020/1/27
第七章 化工系统的最优化
10
化环学院：路平
7.4.2 单变量函数的优化
• 有10个变量： • 已知4个W1、T1、t1、K • 其余A、G1、G2、W2、T2、
t2
2020/1/27
第七章 化工系统的最优化
2020/1/27
第七章 化工系统的最优化
3
化环学院：路平
7.1 化工系统最优化问题的数学描述
• 最优化问题的数学描述：实际上是可能带有若 干等式或不等式约束条件方程的一个目标函数 方程式。
m
F(X) f (X) M
ci2 ( X ) l(e jxn2j
)
2
i1
j 1
2020/1/27
第七章 化工系统的最优化
19
2020/1/27
第七章 化工系统的最优化
1
化环学院：路平
第七章 化工系统的最优化
• 化工过程系统工程的基础是模拟，但其核心内容为 过程系统的最优化。一个系统只有通过设计上的最 优化和操作上的最优化才能充分发挥它的产品增值 的特性。
• 设计化工设备或成套装置时，总会碰到设备投资费 用和操作费用之间的矛盾，这是参数最优化。
2020/1/27
第七章 化工系统的最优化
9
化环学院：路平
7.4 无约束最优化方法
7.4.2 单变量函数的优化 • 黄金分割法——0.618 • 取点方法：
– U1=a+0.382L – U2=b-0.382L
• P169例7.4
2020/1/27
第七章 化工系统的最优化
10
化环学院：路平
7.4.2 单变量函数的优化
• 有10个变量： • 已知4个W1、T1、t1、K • 其余A、G1、G2、W2、T2、
t2
2020/1/27
第七章 化工系统的最优化
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
在工程上，许多选择问题均属于优化问题。例如连续操作与间歇
操作的选择，流程、操作条件、设备型式、设备结构尺寸与结构材料
的选择等等。此外，还有流程设计、设备工艺参数的确定等也属于优
化问题。
编辑ppt
4
当存在以下情况时，我们都可以进行优化设计：
(1)销售受到产量的限制 如果市场销路没有问题，设法改变设计参 数提高产量是很有吸引力的。
(5)产品质量超过设计规定 如果产品质量明显优于用户要求这样会 造成生产费用和装置能力的浪费，设法使产品质量靠近用户要求，便 能使成本下降。
(6)有较多的有用组分通过废水、废气排出 例如通过调节空气与燃 料的比例，以减少加热炉的燃料损失，从而降低燃料的消耗。减少废 水、废气中有用组分的含量还能降低环境保护装置的费用。
(7)人工费用高 对于需要人工劳动较多的过程，例如间歇操作，减
少人工费用扰能阵低生产成本。减轻劳动强度，也能使生产成本下降。
编辑ppt
5
2.2 优化问题的数学描述
各种优化问题在数学上具有相同的结构，抽象成数学问题后就有其共 性。因此优化问题的数学描述是解决优化问题的关键步骤。优化问题的数 学描述包括：目标函数(经济指标)；系统模型(约束方程)。
化工系统工程
化工系统的优化及实例分析
班级：研05-3班 姓名：高善彬 学号：S0503190
编辑ppt
1
化工系统的优化是化工系统工程的核心。例如， 当我们在设计一个设备或一个工厂时，总是希望得
到的产品成本最低或获利最大，这就是最优设计问
题。对于现有设备或工厂我们总是设法对其工况加
以调节和控制，使产量最高或获利最大。这就是最
性规划问题。求解线性规划问题的优化方法已相当成熟，通常采用单
纯形法。求解非线性规划问题的优化方法可归纳为两大类：
(1)间接优化方法 间接优化方法就是解析法，即按照目标函数极值点的
必要条件，用数学分析的方法极大还是极小。例如，微分法即属于这一
类。
目标函数也称为经济模型，它描述了经济指标与过程变量之间的函数 关系。系统模型则描述了过程变量之间的约束关系。目标函数是决策的依 据；模型方程是决策的约束常用的经济指标有利润、费用、能耗、单耗、 产率等。如对于反应器的优化问题，常采用下述经济指标：
在不同反应时间下，单位反应器体积的收率最高
对于间歇反应器，每釜产品量最大
我们已经知道系统模型中的变量可以分为两类，即独立交量和状态变 量。独立变量是使模型有确定解，其值必须预先规定的一类变量。而状态 变量是不独立的。因受模型方程的约束，其值由独立变量的值确定。状态 变量用符号X表示。在优化问题中，独立变量又称为设计变量。在设计变 量中，有一部分是由流程要求规定其值的，称为给定变量，其余的设计变 量称为决策变量用符号U表示。决策变量是系统中能够人为控制的量，改 变它们的值也就是改变生产过程经济指标所能采取的手段。其数值需在寻 求目标函数最优的过程中加以确定。各变量之间的关系如下：J=f(X,U)； 由于状态变量X是不独立的，实则上编目辑pp标t 函数J只是决策变量U的函数。7
优控制的问题。还有范围更加广泛的企业管理问题，
如生产计划(包括产品的种类，产量的决策，原料供 应，设备维修催化剂更新等。。工厂各部门(如生产 部队运输部门冰、电、汽等公用工程部门原料和产
品仓库等〕的协调配合所有这些问题都必须用科学
的方法加以解决使企业的利润最大。这就是最优管
理问题，它可以使一个工厂或联合企业有效地、高
水平的运转。
编辑ppt
2
1. 优化方法概述
优化问题的求解方法称为优化方法。优化问题的性质不同，求解
的方法也将不同。根据优化问题有无约束条件，可分为无约束优化问
题和有约束优化问题。而有约束优化问题也可分为两类:线性规划问题
和非线性规划问题。当目标函数及约束条件均为线性时，称为线性规
划问题；当目标函数成约束条件中至少有一个为非线性时，称为非线
在不同操作条件下的能耗最小。 编辑ppt
6
在大多数情况下，最优解是唯一的。但在某些情况下，最优解不是唯 一的当系统模型方程的自由度为零，即模型方程中未知变量数与方程数相 等时，存在着一个以上的确定解(当模型方程为非线性时存在多解)。若模 型方程只有唯一解，则不存在优化问题，该唯一解就是最优解。如果模型 方程中未知变量数大于独立方程数时，模型方程称为待定模型。这时模型 方程具有无穷可行解。优化就是要从这无穷个可行解中找出使目标函数的 值(经济指标)达到最优的一个或若于个解。当未知变量数少于方程数时， 模型方程是矛盾的。此时必须放松若干个约束。一个典型的例子是实验过 程中物料平衡的核算。由于实验误差的存在，测得的各组数据往往是相互 矛盾的。为了用这些数据核算物料平衡，通常需采用最小二乘法使这些矛 盾方程的总误差最小。
(2)销售受到市场限制 在这种情况下,只有当装置有可能提高效率或 收率时，优化才有意义。此时的主要目标是提高每台设备的效能，使 之达到最低的公用工程和原料消耗，以降低成本。
(3)大型装置 产量大为增加利润提供了巨大的潜力，因为此时生产 成本有微小的下降都会带来很大的利润。
(4)高单耗或高能耗 此时降低消耗能使生产成本有较大下降。
2.1 优化问题的性质
在工程问题中，常会遇到设备费和操作费之间的矛盾如何在设备 和操作费之间进行平衡，使总费用最小，这就是优化要解决的问题。 优化的目标是确定系统中各单元设备的结构参数和操作参数使系统的 经济指标达到最优。
化工过程的设计和操作问题一般具有多解，甚至无穷解。优化就 是用定量的方法从众多的解中找出最优的一组解，为此需要建立过程 的数学模型，确定合适的优化目标及运用以前的经验(也称工程判断)。 优化可用于设计的改进或现有装置操作条件的改善，以达到最大产出、 最大利润、最小能耗等目标。对于操作型问题（现有装置的优化)，利 润的增加来自装置性能的改善，例如产品收率的提高、处理能力的增 加、连续开工周期的延长等。由于化工系统具有阶层性，因而优化也 是多层次的，可在任一水平上进行优化。
(2)直接优化方法 直接优化方法属于数值法。由于不少优化问题比较
复杂，模型方程无法用解析法求解，目标函数不能表示成决策变量的
显函数形式，得不到导函数。此时须采用数值法。这种方法是利用函
数在某一局部区域的性质或在一些已知点的数值，确定下一步计算的
点。这样一步步授索逼近，最后达到最优点。
编辑ppt
3
2. 优化问题的性质和数学描述
对于间歇反应器，产品量固定，生产周期最短；
生产成本最低(相对于一定的时间—转化率关系)，
在不问操作条件下，收率最高；
达到一定产品浓度的反应器体积最小；
在不同反应器体积下的利润最大
在不同转化率下(考虑末反应原料的循环回用)的利润最大
在不同温度序列下的反应速率最大或停留时间最小(转化率给定)；