化工过程分析与合成
化工系统工程课件-化工过程分析与合成
流程模拟与优化
利用流程模拟软件对化工过程 进行模拟，通过优化算法对过 程进行优化。
效果评估
对改进措施的实施效果进行评 估，总结经验教训。
02
化工过程建模与仿真
化工过程建模
总结词
化工过程建模是化工系统工程的基础，它通过建立数学模型来描述化工过程的 动态行为和性能。
详细描述
化工过程建模的主要目的是将实际的化工过程转化为数学模型，以便进行仿真、 优化和控制。建模过程中需要考虑各种因素，如化学反应动力学、热力学、流 体动力学等，以及各种设备的特性。
生物化工过程分析与合成应用案例
以某生物化工厂为例，通过对其生产过程中的多个单元操 作进行优化，实现了降低能耗、提高产品质量和减少环境 污染的目标。同时，该案例还展示了化工系统工程在解决 实际问题中的重要性和优势。
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案例一：石油化工过程分析与合成
石油化工过程分析与合成概述
石油化工是以石油为原料，通过化学反应和分离过程将石油转化为各种化学品、燃料和材 料的过程。在化工过程中，分析和合成是关键环节，对于提高产品质量、降低能耗和减少 环境污染具有重要意义。
石油化工过程分析与合成技术
石油化工过程涉及多种化学反应和分离技术，如蒸馏、萃取、吸附、结晶等。通过对这些 技术的分析和优化，可以确能耗和物耗。
化工系统工程课件-化工过程 分析与合成
目录
• 化工过程分析与合成概述 • 化工过程建模与仿真 • 化工过程操作与控制 • 化工系统工程应用案例
01
化工过程分析与合成概述
定义与目标
定义
化工过程分析与合成是一门研究化工 生产过程中物质和能量转换、传递和 平衡的学科。它通过对化工过程的系 统分析，实现过程优化、节能减排和 提高经济效益的目标。
化工过程分析与合成-3
化工过程分析与合成-31. 引言化工过程分析与合成是化学工程领域的重要分支，涉及到化学反应、原料处理、能量转换等方面的内容。
本文将介绍化工过程分析与合成的基本概念，以及常见的分析方法和合成技术。
2. 化工过程分析2.1 分析方法化工过程分析旨在确定化工过程中物质的组成、浓度、质量流动、能量转化等参数。
常用的分析方法包括：•质谱法：通过物质的质谱图谱扫描，确定物质的组成和相对分子质量。
•红外光谱法：通过物质对红外辐射的吸收特性，确定物质的官能团和化学键。
•核磁共振法：通过物质在磁场中的特殊核磁共振现象，确定物质的结构和组成。
•气相色谱法：通过物质在气相色谱柱中的分离和检测，确定物质的组分和浓度。
•液相色谱法：通过物质在液相色谱柱中的分离和检测，确定物质的组分和浓度。
2.2 过程分析的重要性化工过程分析是化工工艺改进和优化的基础，通过对化工过程的分析，可以确定问题所在，找到改进和优化的方向。
同时，过程分析还可以帮助实现化工过程的控制和监测，确保产品的质量和安全。
3. 化工合成技术化工合成技术是化学工程的核心内容之一，涉及到化学反应、反应器设计、反应条件控制等方面的内容。
常见的化工合成技术包括：3.1 催化剂催化剂在化工合成过程中起到重要的作用，可以加快反应速率、提高产率和选择性。
常见的催化剂有金属催化剂、酶催化剂和固体催化剂等。
3.2 反应器设计反应器是化工合成过程中的关键设备，其设计要考虑反应物料的性质、反应条件和反应速率等因素。
常见的反应器设计包括批量反应器、连续流式反应器和固定床反应器等。
3.3 反应条件控制反应条件控制是化工合成过程中的关键环节，可以通过控制温度、压力、反应物料配比等参数，实现反应的高效进行和产物的优化。
4. 实例分析4.1 乙烯制备过程分析乙烯是化工工业中重要的原料之一，其制备过程复杂，涉及到多个反应和分离步骤。
通过化工过程分析，可以确定乙烯制备过程中的关键问题，找到优化的方向，提高乙烯的产率和质量。
化工过程分析与合成
化工过程分析与合成介绍化工过程分析与合成是化学工程的重要领域之一，它涉及到化学反应的过程分析以及合成过程的设计和优化。
在化工过程分析与合成中，我们需要通过对化学反应的分析，研究反应机理，并运用化学工程原理进行合成过程的设计和优化，以实现高产率、高选择性和低能耗的化学反应过程。
化工过程分析化工过程分析是指通过对化学反应过程的分析，研究和理解反应过程中的物质转化、反应速率以及反应动力学等基本性质。
化工过程分析的目的是为了深入了解反应的机理，通过对反应物质的性质和反应条件的调控，实现反应过程的控制和优化。
在化工过程分析中，我们需要运用物质平衡、能量平衡和动量平衡等基本的化工原理和方程式，来推导化学反应过程的数学描述，从而得到各种物理和化学参数的计算方法，以判断反应过程的可行性和稳定性。
化工过程分析通常包括以下几个方面的内容：1.反应机理的研究：通过实验和理论模型的建立，研究化学反应过程中的反应物质转化、活化能以及反应速率等基本性质，为后续的反应条件优化提供理论依据。
2.反应条件的优化：根据反应物质的性质和反应机理的研究结果，通过调整反应条件（例如温度、压力、物质浓度等），来实现反应过程的最优化，以提高产率和选择性，并减少能源消耗。
3.反应过程的控制：通过对反应过程中的物料流动、传热、传质等工艺操作进行优化，实现对反应过程的精确控制，以提高产品质量和稳定性。
化工合成化工合成是指通过化学反应将原料物质转化为目标产品的过程。
在化工合成中，我们需要根据反应物质的性质和反应机理，设计合成过程的反应条件和操作流程，以实现预期的化学反应和产品转化。
化工合成的目标是在保证产品质量和反应过程安全的前提下，实现高产率、高选择性和低能耗。
化工合成通常包括以下几个步骤：1.原料物质的选择和准备：在化工合成过程中，我们需要选择合适的原料物质，并对其进行准备，以满足反应条件和要求。
2.反应条件的设计：根据反应物质的性质和反应机理，设计合适的反应条件，包括温度、压力、催化剂等，以控制反应过程的速率和转化率。
化工过程分析与合成考点
化工过程分析与合成考点1.化工过程基本原理：包括质量守恒、能量守恒以及物质守恒等基本原理。
考生需要掌握物质在化工过程中的转化过程，掌握流体力学、传热传质以及反应工程的基本原理。
2.化工过程流程分析：对化工过程进行流程分析，包括对物料流动、能量传递、物质传递以及反应转化等的分析。
考生需要理解流程图、平衡图以及相图等工具的使用方法，用以分析化工过程中的流程特点与问题。
3.化工过程的参数确定：化工过程中的参数确定是化工工程设计的重要环节。
考生需要了解不同参数对化工过程的影响，并能根据过程需求确定合理的参数范围。
此外，还需要了解参数确定的方法与技巧，包括试验方法、模型分析以及经验公式等。
4.化工过程的合成方法：化工过程的合成方法是实现化学转化与物质变换的重要手段。
考生需要了解常见的合成方法，包括物性分析、反应机理分析以及催化剂的设计与选择等内容。
此外，还需要了解合成方法的优化与控制策略，以便能够根据具体过程需求设计合适的合成方法。
在准备化工过程分析与合成的考试时，考生需要重点掌握以下知识点：1.物料平衡的计算方法：根据不同的化工过程，需要掌握不同的计算方法，包括闭式系统的物料平衡、开式系统的物料平衡以及多元物料平衡等。
2.能量平衡的计算方法：了解化工过程中的能量转化与传递过程，掌握能量平衡的计算方法，包括热平衡、热效益以及不同热传导方式的计算等。
3.反应动力学与反应工程：了解反应动力学的基本原理，掌握反应速率与反应物浓度的关系，了解反应器的选型与设计原则。
4.分离与纯化技术：了解不同的分离与纯化技术，包括蒸馏、吸附、萃取、结晶等方法，掌握其原理与应用。
5.废水处理与废气治理技术：了解废水处理与废气治理的基本原理和技术，包括生物处理、化学处理、物理处理以及催化氧化等方法。
6.过程设计与控制：了解化工过程设计与控制的原则与方法，包括流程设计原则、安全设计原则以及自动化控制等。
准备化工过程分析与合成的考试，需要考生从理论与实践两个方面进行综合准备。
《化工过程分析与合成》教学大纲
化工过程分析与合成课程教学大纲一、课程的基本信息适应对象：化学工程与工艺、课程代码：41E01016学时分配：32赋予学分：2学分先修课程：高等数学、化工原理、化工设备机械基础、化学反应工程后续课程：化工设计、化工过程开发二、课程性质与任务1课程性质：《化工过程分析与合成》课程是一门具有综合性、应用性、研究性特色的化工类专业主干课程，以科学研究的方法论为主线，培养成人教育学生将实践经验与所学知识相结合分析和解决工程问题的能力。
2课程任务：通过本课程教学，使学生在学习了化工原理、化工热力学、化学反应工程等课程的基础上，学会以系统工程的方法来处理化工过程的分析与合成问题。
三、教学目的与要求本课程以科学研究的方法论为主线，培养学生将实践经验与所学知识相结合、分析和解决工程问题的能力。
通过本课程的学习，使学生掌握将实验室研究成果（新工艺、新产品等）实现工业化的主要方法，掌握化工过程及系统工程的发展概况；氨合成工艺介绍了化工过程系统稳态模拟方法及其分析求解方法；化工过程系统动态模拟的特性、方法及数学处理；化工过程系统的优化和求解方法；化工生产过程操作工况调优的数学模型及调优计算，以及人工神经元网络的基础知识；间歇化工过程的基本概念、模型化方法及设计优化；换热网络的合成及其夹点技术进行了全面的介绍；分离塔序列合成的方法等环节的过程研究。
通过列举大量化工过程开发的实例，让学生了解正确的理论指导、科学的实验方法、以及工艺与工程相结合的工程观念在化工过程开发中的重要作用。
四、教学内容与安排第一章绪论（课堂讲授学时：2）1.1 化工过程1.2 化工过程生产操作控制1.3 化工过程的分析与合成1.4 化工过程模拟系统1.5 化工企业CIPS技术第二章化工过程系统稳态模拟与分析（课堂讲授学时：4）2.1 典型的稳态模拟与分析问题2.2 过程系统模拟的三类问题及三种基本方法2.3 过程系统模拟的序贯模块法2.4 过程系统模拟的面向方程法2.5 过程系统模拟的联立模块法2.6 氨合成工艺流程的模拟与分析第三章化工过程系统动态模拟与分析（课堂讲授学时：4）3.1 化工过程系统的动态模型3.2 连续搅拌罐反应器的动态特性3.3 精馏塔的动态特性第四章化工过程系统的优化（课堂讲授学时：4）4.1 概述4.2 化工过程系统优化问题基本概念4.3 化工过程系统最优化问题的类型4.4 化工过程中的线性规划问题4.5 化工过程中非线性规划问题的解析求解4.6 化工过程中非线性规划问题的数值求解第五章化工生产过程操作工况调优（课堂讲授学时：2）5.1 化工生产过程操作工况调优的作用与意义5.2 化工生产过程操作工况离线调优的方法第六章间歇化工过程（课堂讲授学时：6）6.1 间歇过程与连续过程6.2 过程动态模型及模拟6.3 间歇过程的最优时间表6.4 多产品间歇过程的设备设计与优化第七章换热网络合成（课堂讲授学时：4）7.1 化工生产流程中换热网络的作用和意义7.2 换热网络合成问题7.3 换热网络合成--夹点技术7.4 夹点法设计能量最优的换热网络第八章分离塔序列的综合（课堂讲授学时：6）8.1 精馏塔分离序列综合概况8.2 分离序列综合的基本概念8.3 动态规划法8.4 分离度系数有序探试法8.5 相对费用函数法8.6 分离序列综合过程的评价五、教学设备和设施多媒体教室、黑板、黑板笔六、课程考核与评估期末闭卷考试，考试时间100min。
化工过程分析与合成完整版PPT课件
每个分离子问题与一个实际分离单元相对应， 分离序列是分离子问题的不同组合形式 对于R个组分的分离问题，所含的分离子问题
UR1j(Rj)R(-1 R)(R 1)
j1
6
表8-2 4组分进料的分离子问题
对于第一个分离器 的分离子问题
A
8.3 动态规划法
最基本也是最原始的最优化方法是穷举法 这种方法耗时费力，效率最低，当组分数较大 时，可行方案极多，计算工作量太大，致使无 法实施 为了减少计算工作量，数学规划法是较好的一 个方法，动态规划法是数学规划法的一种
动态规划法是解决多阶段决策过程最优化 问题的一种方法
多阶段决策过程是指由于这种过程的特殊性可 以将它分为若干步，而在每一步中都需要作出 决策，以便使整个过程取得最优效果 根据动态规划原理，如果一个分离序列是最优 的，则综合该分离序列的各步决策也必定是最 优的
最佳化的同时，每个塔的设计也要最佳化
8.2.1 简单塔（Simple Column）
(1) 一个进料分离为两个产品 (2) 每一个组分只出现在一个产品中，即锐分离
（Sharp Separation） (3) 塔底采用再沸器，塔顶采用全凝器
(a) 顺式流程(Direct Sequence)，轻组分在塔顶逐 个引出。
应用递推公式从解出V1(X2)，再解出V2(X1)，最 后解出V3(X0)，即目标函数的最优值。然后， 将上述计算反演即可求出各步决策，即最优分 离序列
动态规划属于隐枚举法，是一个比穷举法有效 得多的算法。它是在一个比原搜索空间小得多 的空间上进行穷举的一种算法。
在由所有不同分离器所组成的空间中进行穷举， 是一个可行算法；在由所有可能分离序列所组 成的空间中进行穷举是不可行算法。
化工过程分析与合成
化工过程分析与合成集散系统吸取了分散系统和集中系统两者的优点，集是集中管理，操作、控制这三方面的集中，散是指功能的分散，负荷分散和危险分散这就是克服了分散系统难于实现全局系统控制的缺点也克服了集中系统的危险集中。
化工过程分析主要分析过程系统的运行机、影响因素、过程模型的数学描述、目标函数的建立、优惠工况下的最佳操作参数。
化工过程系统合成包括有：反应路径合、换热网络合成、分离序列合成、过程控制系统合成特别是主要解决由各个单元过程合成总体过程的系统任务。
稳态模拟的特点是，描述过程对象的模型中不包括时间参数，即是把过程中的各种因素都看成是不随时间而变化的。
过程系统模拟的三类问题1、过程系统模拟分析2、过程系统设计3、过程系统参数优化过程系统模拟的基本方法可归纳为三类：序贯模块法、面向方程法、联立模块法。
序贯模块法的基础是单元模块（子程序）序贯模块法的基本思想是：从系统入口物料开始，经过接受该物流变量的单元模块的计算得到输出物流变量，这个输出物流变量就是下一个相邻单元的输入物流变量。
依此逐个计算过程系统的各个单元，最终计算出系统物流。
最佳断裂准则1、断裂的物流数最少2、断裂物流变量数最少3、断裂物流权重因子之和最少4、断裂回路总次数最少简单回路：那种包含两个以上的流股，且其中的任何单元只被通过一次，称作简单回路一个不可分割的子系统可以包括若干个简单回路。
能够把全部简单回路至少断裂一次的断裂流股组称为有效断裂组。
方程的稀疏性可以用稀疏比来衡量：输出变量指定方法的步骤是，选事件矩阵中元素最少的行和元素最少的列的交点处元素对应的变量，作为优先指定的输出变量，然后从事件矩阵中删去该输出变量对应的行和列重复上述过程直至矩阵中所有的行和列都被删除。
第三章模型化是现代化学工程方法论的重要组成部分，尤其是过程动态学的核心根据对过程系统中状态变量分布特征的不同描述方法，一般可以把数学模型分为集中参数模型、分布参数模型、和多级集中参数模型。
化工过程分析与合成作业
化工过程分析与合成作业1. 简介化工过程分析与合成是化工工程中的重要环节，它涉及了化工工艺的设计、优化、改进等方面。
本文将介绍化工过程分析与合成的基本概念和方法，并通过具体案例分析来进一步说明其应用。
2. 化工过程分析化工过程分析是指对化工过程进行系统的分析和评估，了解化工过程中的流程、反应、能耗等因素，并优化工艺条件以提高产品质量和产能。
化工过程分析包括以下几个方面：•流程分析：对化工过程中的物料流动、能量流动、传热传质等进行分析，找出可能存在的问题并提出改进建议。
•反应分析：对化工过程中的反应进行分析，包括反应动力学、反应器设计等方面。
•能耗分析：对化工过程中的能耗进行分析，找出能耗高的环节，并提出相应的改进措施。
•设备分析：对化工过程中使用的设备进行分析，包括设备选型、设备性能评估等。
化工过程分析需要运用多种工程技术和工具，如流程模拟软件、能量平衡分析工具等。
3. 化工过程合成化工过程合成是指根据需求，设计出满足要求的化工过程。
一个化工过程合成涉及到多个环节：•需求分析：明确化工产品的要求和目标，包括产品质量、产能、经济性等。
•工艺设计：根据需求，设计出合适的工艺流程，选择适当的反应器、分离装置和控制系统。
•优化：通过模拟和分析，对工艺进行优化，提高产品质量和产能，降低能耗和成本。
•安全性分析：对工艺进行安全性评估，确保操作安全和环境保护。
化工过程合成需要综合考虑技术、经济、环境等因素，并运用现代化工工程技术进行设计。
4. 案例分析：甲醇合成工艺4.1 工艺概述甲醇合成是一种重要的化工过程，其产能和质量直接影响到甲醇生产的经济效益。
甲醇合成工艺主要包括气相合成和液相合成两种方式，本案例将以液相合成为例进行分析。
液相甲醇合成工艺的主要步骤包括气化、合成气净化、甲醇合成和甲醇精制等。
4.2 过程分析在甲醇合成过程中，流程分析和反应分析是非常重要的。
对于气化过程，需要分析物料流动和能量流动情况，找出可能存在的瓶颈并提出改进措施。
化工过程分析与合成作业
化工过程分析与合成作业
一、催化工艺过程分析：
1、催化反应机理：C-H键相互作用，使芳基空位的活性提升，运氧
修饰后芳基空位可被电子稀释，从而形成反应底物活性中心，当反应受体
进入反应中心，共振调和后释放出能量，完成催化反应；
2、催化反应用催化剂：一般用金属酸盐类催化剂，如钯，铂，铑，
钌等，中间体配体可以促进反应剂与金属配体之间发生配位反应，从而形
成最终产物。
3、催化反应反应条件：一般选择常温，温度可以调节，以便促进反
应进行，可使用催化剂的浓度调节，保持反应反应水平，采用气体环境可
以促进催化反应，保持良好环境，防止反应的干扰，并可以运用多重反应
来改善产物结构。
二、合成反应过程：
1、将原料2-氧代均三甲基氯化铵钠和钯催化剂放入反应釜，加入足
量的乙酸乙酯，加热至100摄氏度；
2、待温度升至100摄氏度后，快速加入一定量的N,N-二甲基甲酰胺，振荡搅拌；
3、勤搅拌，直至钯催化剂完全溶解；
4、再将振荡液搅拌至反应液的温度升至110摄氏度，转移至液相色
谱分析，将反应液加入色谱柱中，检测反应物；
5、分析结果显示，98%以上的原料均被催化反应转化。
化工过程分析与合成
化工过程分析与合成一，化工系统的定常态模拟与分析（一）模拟是对过程系统模型的求解1. 过程系统的模拟分析：对某个给定的过程系统模型进行模拟求解，可得出该系统的全部状态变量，从而可以对该过程系统进行工况分析2，过程系统设计：当对某个或某些系统变量提出设计规定要求时，通过调整某些决策变量使模拟结果满足设计规定要求3，过程系统参数优化：过程系统模型与最优化模型联解得到一组使工况目标函数最佳的决策变量（优化变量）。
从而实施最佳工况1. -序贯模块法：基本部分是单元模块（子程序），用以描述物性、单元操作以及系统其它功能。
单元模块具有单向性特点。
(1) 断裂：通过迭代把高维方程组降阶为低维方程组的办法。
它适用于不可分割子系统；-不可分割子系统：过程系统中，若含有再循环物流，则构成不可分割子系统。
-实施序贯模块法进行过程系统模拟计算中必须要解决的问题——如何选择断裂物流、如何确定迭代序列。
-判断最佳断裂的准则：①断裂的物流数最少；②断裂物流的变量数最少；③断裂物流的权重因子之和最少；④断裂回路的总次数最少。
i=1，…，m ，代表回路；j =1，…，n,代表物流(2) 回路矩阵简单回路: 一个不可分割子系统包含若干个再循环回路。
包含两个以上再循环物流，且其中的任何单元只被通过一次，称作简单回路。
。
回路矩阵：过程系统中的简单回路可以用回路矩阵表示。
矩阵：行→回路；列→物流。
若某回路I 中包括有物流j 则相应的矩阵元素aji=1，否则为空白或零。
Upadyhe －Grens 断裂法需要解决的两个问题：一是要有一种能把所有的有效断裂物流组都能搜索出来的办法；二是要能把最优断裂组从中选择出来。
有效断裂组：能够把全部简单回路至少断裂一次的断裂流股组。
① 多余断裂组：如果从一个有效断裂组中至少可以除去一个流股，而得到的断裂组仍⎩⎨⎧=⎩⎨⎧=ij i j a j j x ij j 属于回路流股不属于回路流股被断裂流股未断裂流股,1,0,1,为有效断裂组，则原有效断裂组为多余断裂组。
(完整word版)化工过程分析与合成
名词解释1. 夹点的意义（夹点处，系统的传热温差最小（等于ΔT min ），系统用能瓶颈位置。
夹点处热流量为0 ，夹点将系统分为热端和冷端两个子系统，热端在夹点温度以上，只需要公用工程加热（热阱），冷端在夹点温度以下，只需要公用工程冷却（热源）；）2. 过程系统能量集成（以用能最小化为目标的考虑整个工艺背景的过程能量综合）3. 过程系统的结构优化和参数优化（改变过程系统中的设备类型或相互间的联结关系，以优化过程系统；参数优化指在确定的系统结构中，改变操作参数，是过程某些指标达到优化。
）4、化工过程系统模拟（对于化工过程，在计算机上通过数学模型反映物理原型的规律）5、过程系统优化（实现过程系统最优运行，包括结构优化和参数优化）6、过程系统合成（化工过程系统合成包括：反应路径合成；换热网络合成；分离序列合成；过程控制系统合成；特别是要解决由各个单元过程合成总体过程系统的任务）7、过程系统自由度（过程系统有m个独立方程数，其中含有n 个变量，则过程系统的自由度为：d=n-m ，通过自由度分析正确地确定系统应给定的独立变量数。
）填空题1. 稳态模拟的特点是，描述过程对象的模型中（不含）时间参数2. （集中参数模型）认为状态变量在系统中呈空间均匀分布，如强烈搅拌的反应罐就可以用这一类模型来描述.3. （统计模型）又称为经验模型，纯粹由统计、关联输入输出数据而得。
（确定性模型）又称为机理模型4. （结构）优化和（参数）优化是过程系统的两大类优化问题，它们贯穿于化工过程设计和化工过程操作。
5. 换热网络的消耗代价来自三个方面：（换热单元（设备）数）（传热面积）（公用工程消耗）6. 过程系统模拟方法有、和。
7. 试判断图a 中换热匹配可行性1 , 2 ,3 ,4 。
8. 在夹点分析中，为保证过程系统具有最大热回收，应遵循三条基本原则：避免夹点之上 热物流与夹点之下冷物流间的匹配；夹点之上禁用冷却器；夹点之下禁用加热器。
(完整版)化工过程分析与合成
名词解释1.夹点的意义（夹点处，系统的传热温差最小（等于ΔT min ），系统用能瓶颈位置。
夹点处热流量为 0 ，夹点将系统分为热端和冷端两个子系统，热端在夹点温度以上，只需要公用工程加热（热阱），冷端在夹点温度以下，只需要公用工程冷却（热源）；）2.过程系统能量集成（以用能最小化为目标的考虑整个工艺背景的过程能量综合）3.过程系统的结构优化和参数优化（改变过程系统中的设备类型或相互间的联结关系，以优化过程系统；参数优化指在确定的系统结构中，改变操作参数，是过程某些指标达到优化。
）4、化工过程系统模拟（对于化工过程，在计算机上通过数学模型反映物理原型的规律）5、过程系统优化（实现过程系统最优运行，包括结构优化和参数优化）6、过程系统合成（化工过程系统合成包括：反应路径合成；换热网络合成；分离序列合成；过程控制系统合成；特别是要解决由各个单元过程合成总体过程系统的任务）7、过程系统自由度（过程系统有m个独立方程数，其中含有n个变量，则过程系统的自由度为： d=n-m，通过自由度分析正确地确定系统应给定的独立变量数。
）填空题1.稳态模拟的特点是，描述过程对象的模型中( 不含 )时间参数2.( 集中参数模型)认为状态变量在系统中呈空间均匀分布，如强烈搅拌的反应罐就可以用这一类模型来描述.3. ( 统计模型 )又称为经验模型，纯粹由统计、关联输入输出数据而得。
(确定性模型 )又称为机理模型4.( 结构 )优化和( 参数 )优化是过程系统的两大类优化问题，它们贯穿于化工过程设计和化工过程操作。
5.换热网络的消耗代价来自三个方面： (换热单元（设备）数) ( 传热面积) (公用工程消耗)6.过程系统模拟方法有、和。
7.试判断图a中换热匹配可行性 1 , 2 ,3 ,4 。
8.在夹点分析中，为保证过程系统具有最大热回收，应遵循三条基本原则：避免夹点之上热物流与夹点之下冷物流间的匹配；夹点之上禁用冷却器；夹点之下禁用加热器。
化工过程分析与合成
绪论1化工过程：原料经过物理或化学加工制成产品的过程。
2化工过程分析：化工过程系统的分析主要是分析过程系统的运行机制、影响因素、过程模型的数学描述、目标函数的建立、优惠工况下的最佳操作参数；目标是使决择方案，技术上先进、可行，经济上优越、合理，对于操作工况的分析也就是通常说的生产操作调优。
3化工过程系统的合成包括：反应路径合成、换热网络合成、分离序列合成和过程控制系统合成；这类优化问题常是具有非线性、奇异、有约束、多极值等现象。
模拟退火法和进化算法。
4稳态模拟:描述过程对象的模型中不包括时间参数。
动态模拟一般有：开车、停车、事故处理。
稳态模拟分析1化工过程系统的稳态模拟与分析，就是对化工工艺流程系统进行稳态模拟与分析。
模拟是对过程系统模型的求解，可以解决3类问题：过程系统的模拟分析、过程系统设计和过程系统参数优化。
2过程系统的三种基本方法序贯模块法：通过对单元模块的依次计算来求解系统模型的方法特点：（1）针对树形结构的过程系统（2）以单元模块为基础，定向性很强（3）模拟计算的顺序由流程结构决定（4）对于含不可分隔子系统（再循环回路）的过程系统，必须通过断裂和收敛技术处理，才能用序贯模块法进行计算 (5)序贯模块法求解含有多个不可分隔子系统的过程系统时，各个回路分别单独收敛联立方程法：将描述一化工流程的所有方程汇总在一起，然后联立求解特点：模拟时不受实际物流和流程结构影响，可灵活地确定输入坏人输出变量联立模块法：采用两种设备单元模型（严格模型和简化模型）交替进行模拟计算的方法特点：利用单元模块的严格模型获取简化模型的系数，建立模块输入与输出的线性关系，然后将各单元简化模型与系统的机构模型联立求解。
以低阶的线性方程组的解逼近原非线性方程组的解。
3序贯模块法的基本思想：从流程的第一个单元设备开始计算，即调用与该单元所对应的单元模块，由已知的输入与参数求输出流股变量，而该输出变量即为下一个单元的输入，再依次调用各单元模块，直至流程的最后一个单元模块，就可求得各单元设备的输出流股变量。
化工过程分析与合成
化工过程分析与合成绪论：1：化工过程的定义：原料经过物理或化学加工制成产品的过程。
2：实现方法：通过反应、分离、混合、加热、冷却、压力改变和颗粒尺寸的变化等一系列步骤实现的。
3：工艺流程：独立转化的单元过程由被处理的物料流连接起来，成化工过程生产工艺流程。
4：最重要的也是最常用的单元过程：1：化学反应过程2：分离过程3：换热过程4：流体输送过程5：设计的目标：高效益、易控制、环境友好和安全的过程。
6：两类优化流程结构的方法：探试法、算法方法7：判断最佳断裂的准则分为四类：①断裂的物流数最少；②断裂物流的变量数最少；③断裂物流的权重因子之和最少；④断裂回路的总次数最少。
8：自由度（设计变量）的选择原则：1：所选择的自由度必须真正独立2：自由度的选择应使问题求解尽量方便9：模拟型问题：理论级数、进料位置、塔顶（或塔底馏出量)、回流比→→塔顶、塔底的产品组成10：设计型问题：轻关键组分的塔顶回收率、重关键组分的塔底回收率、进料位置判据、回流比→→理论级数、进料位置、塔顶和塔底馏出量第二章：1：非理想体系——采用状态方程与活度系数相结合的模型；2：汽相状态方程模型：非理想气体模型：Benedict-Webb-Rubin-Lee-Starling（BWRS）；Hayden-O’Connell（用于Hexamerization的氢-氟化物状态方程）理想气体模型：Lee-Kesler（LK）；Lee-Kesler-Plocker；Peng-Robinson（PR）；采用Wong-Sandler混合规则的SRK或PR；采用修正的Huron-Vidal-2混合规则的SRK或PR；用于聚合物的Sanchez-Lacombe模型。
3：液体活度系数模型：Eletrolyte NRTL；Flory-Huggins；NRTL；Scatchard-Hilde-Brand；UNIQUAC；UNIFAC；van Laar；WILSON。
化工过程分析与合成
再循环流股结构
子系统的特性更有几种方案可供选择。 如：想得到合格Ａ
分离子系统
精馏
萃取
板式 填料
间歇 连续
这种在多种备选方案中进行选择及排除，以 构造最理想系统的过程为系统的综合过程。
〈３〉过程系统合成的方法 过去：全部凭借工程师的经验。 现在：借助对各种子系统的分析与模拟，
化工生产过程操作工况调优 间歇化工过程 换热网络合成 分离塔序列综合
绪论
化工过程分析与合成 过程：客观事物从一个状态到另一个状态的转移。 过程工艺：对物料流进行物理或化学的加工工艺。 化工（炼油，化肥）、轻工、冶金过程、医药生 产过程等。 制造工艺：以工件为对象的加工工艺。像电视机、 汽车、机械零件加工等的生产，都是制造工艺
缺点：一旦发生计算机故障则将出现全控制 系统瘫痪的危险。由于这种缺陷的困扰，曾 使计算机控制技术一度陷于难于发展的困境。
世纪年代中期集散系统的出现，使计算机控 制技术出现了灿烂的应用前景。
化工过程分析与合成
化工过程分析与合成又称为化工过程系统工 程，
化工过程系统工程是在系统工程、化学工程、 过程控制、计算数学、信息技术等学科的边 缘上产生的一门综合性学科，
化工系统工程学的综合性 从化工系统工程学的形成过程可知，这是
一门综合性学科，涉及： 化学工程学 系统工程学 运筹学 计算技术 过程控制理论
三、化工系统工程学的基本内容
任务：在“一定的输入输出条件下，寻求 一个整体最优的过程系统”。
对一个待求的未知系统应指出：该系 统应如何规划、设计、操作、控制。
数学模型：建立数学表达式，在建立过程 中运用逻辑关系、规则、概念。
模拟计算：首先要寻求有效的数学模型求 解的方法，并将模型的求解过程转变为计 算程序，然后计算得出直观形式的输出结 果.
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化工过程分析与合成第一章绪论（2学时）●化工过程●系统工程→化工过程系统工程●化工过程的分析与合成●化工过程系统模拟（稳态模拟、动态模拟）●过程系统模拟的三种基本方法（序贯模块法、面向方程法、联立模块法）第一节化工过程化工过程是以天然物料为原料，经过物理或化学加工制成产品的过程。
其往往由多种多样的单元过程组成，如最重要也是最多用的单元过程是：化学反应过程、换热过程和分离过程。
第二节系统工程系统工程是20世纪50年代形成的新兴学科，目前正处于兴旺的发展时期。
1984年郑春瑞在《系统工程学概论》中，对系统工程做出下列综合性的阐述：系统工程是以系统（尤以大系统）为研究对象的一门跨学科的边缘学科。
它是根据总体协调的需要，把自然科学和社会科学中的某些思想、理论、方法、策略和手段等从横的方面有效地组织起来应用于人类实践中，是应用现代数学和电子计算机等工具对系统的构成要素、组织结构、信息交换和自动控制等功能进行分析研究，从而达到最优设计、最优控制和最优管理的目标，是为更加合理地研制和运用系统而采取的各种组织管理技术的总称，归根结底是一种工程学的方法论。
20世纪30年代美国雷德无线电公司在对电视广播系统的电波覆盖问题进行研究时，首先提出“系统”和“系统模拟研究”的思想。
40年代，美国贝尔电话公司在研究微波通讯网络的覆盖传输效率时，提出了“系统工程”的概念。
50年代各工业国对系统工程尤为重视，如1954年美国MIT首先在大学讲授系统工程课程。
1957年美国正式出版了第一本专著《系统工程》。
60年代起系统工程逐步推广应用于工业、宇航、交通、经济规划等部门。
如60年代初，在系统工程、运筹学、化学工程、过程控制及计算机技术等学科的基础上，产生和发展起来一门新兴的技术学科——化工过程系统工程（简称化工系统工程）。
70年代是化工系统工程走上实用的时期。
随着计算机应用的普及，采用化工系统工程方法，陆续研制出有效的工业用化工流程通用模拟系统，并对过程生产实现计算机控制，取得显著经济效益。
同时我国学者华罗庚致力于运筹学的推广应用。
1978年，我国学者钱学森在《文汇报》上发表了中国第一篇系统工程的文章，标志着我国的系统工程研究进入了一个蓬勃发展的阶段。
80年代是化工系统工程普及推广的时代。
不仅在化工、石油、石油化工、核工业核能源工业中获得广泛的应用，而且向冶金、轻工、食品等连续加工过程工业部门推广，有力地促进了这些部门生产技术的飞速发展，相应地化工系统工程学科在理论、方法和内容方面也在不断完善和发展。
第三节化工过程的分析与合成前面讲了，20世纪60年代初。
在系统工程、运筹学、化学工程、过程控制及计算机技术等学科的基础上，产生和发展起来一门新兴的技术学科——化工过程系统工程（简称化工系统工程）。
这个新学科的任务，就是以系统工程的思想、方法用于解决化工过程系统的设计、开发、操作、控制等问题。
其主要任务就是进行系统工程的分析与合成。
实施化工过程分析、合成的手段是运算描述过程系统的数学模型，这种模型的运算称作化工过程系统模拟。
3.1化工过程系统的分析化工过程分析，主要是分析过程系统的运行机制、影响因素、过程模型的数学描述、目标函数的建立、优惠工况下的最佳操作参数等等。
例加：我国某年产30万t乙烯装置改扩建为45万t装置，竣工投产后达到了预期的产量，但能耗超标。
装置的扩建增容可以降低产品的成本，但从过程内涵探求节能降耗的措施也是降低成本的重要途径。
如何选择这类问题的对策，就要对这套工艺装置进行分折，要在对过程系统进行系统分析的同时，也要作必要的单元分析和物料、能量利用的分析。
分析的目标是使所选择方案在技术上先进、可行，在经济上优越、合理。
3.2化工过程系统的合成化工过程系统合成包括有：反应路径合成、换热网络合成、分离序列合成、过程控制系统合成，特别是要解决由各个单元过程合成总体过程系统的任务。
如上节的例子：该套扩建不久的年产45万t乙烯装置，又面临着进一步扩建为60万t规模的任务。
这就要吸取前次扩建的经验，应该在既要达到产量要求又要达到能耗指标的前提下完成扩建方案。
这是一个大系统的合成问题，是一个按既定目标函数寻优的系统合成问题。
由于化工过程系统的夏杂性，这类优化问题常是具有非线性、奇异、有约束、多极值等现象。
传统的寻优方法由于它们在求解策略上的局限性，对这类问题的求解往往是无能为力的。
近年来出现的模拟退火法和进化算法，在化工过程合戌的优化求解问题中得到了相当广泛的研究和应用。
在各种进化算法中遗传算法颇受关注。
第四节化工过程系统模拟20世纪初期，对于化工过程的开发、设计，只是采用由实验室到中间厂逐级放大的经验方法。
到了30年代出现了以相似论力基础得出准数方程的办法。
与此同时还出现了建立数学模型的模拟放大法。
50年代后期，由于计算机的应用以及数值计算的发展，应用数学模拟的方法基本上解决了大部分单元过程的开发放大问题。
即只需一些最基本的单元过程实验数据，就可以利用数学模型在计算机上解决其开发放大问题。
据报道，丙烯二聚反应由实验室数据可放大到工业反应器设汁，放大倍数可达1700倍。
甲苯歧化反应过程的放大倍数力6000倍。
提升管催化过程的放大倍数达到80000倍。
20世纪50年代末期，人们开始尝试在计算机上实现由各种单元过程组成的化工过程工艺流程的开发设计问题。
第一个完成这种工艺流程模拟计算的是美国的Kellogg公司、该公司于1958年开发了flexible fiowsheet。
这个模拟系统可以用干计算整个工艺流程的物料平衡、能量平衡以及进行开发设计的多方案评比问题。
Kellogg公司应用这个模扒系统在60年代，开发了单机组、大容量、低能耗的合成氨新工艺流程装置役计。
这种在计算机上模拟化工过程工艺流程的软件，称为化工流程模拟系统。
应用化工流程模拟系统进行化工过程工艺开发设计的这种技术，称作计算机辅助过程设CAPD（Computer Aided Process Design）。
4.1稳态模拟稳态模拟的特点是，描述过程对象的模型中不包括时间参数，即是把过程中的各种因素都看成是不随时间而变化的。
然而在大规模连续化的工艺流程中，物料是以连续流动的状态在系统中被加工的，过程中的各种参数总是随时间不断变化的，因而稳态是不存在的。
稳态模拟只不过是对动态过程到达平稳状态的一种简化处理，事实上这种处理是很必要的。
实际上，化工流程模拟系统是稳态模拟系统。
化工流程模拟系统从20世纪60年代以来，其发展已经历了三代。
第一代摸拟系统是在20世纪50年代末期至20世纪60年代开发的。
如美国凯洛格（Kellogg）公司开发的flexible flowsheet、美国休斯敦（houston）大学开发的CHESS（Chemical Engineering Simulation System）。
第二代模拟系统是在20世纪70年代开发的，对比第一代在功能、规模方面都有很大进步。
具有代表性的系统有：美国孟山都（Monsanto）公司开发的FIOWTRAN、美国博朗（Braun）公司开发的PF10（Process Flow）、日本千代田工程公司开发的CAPES （Computer Aided Process Engineering System）等。
第三代模拟系统是由美国能源部委托麻省理工学院L.B.Evans教授主持开发的ASPEN（Advanced System of Process Engineering）。
ASPEN的开发是针对以煤为原料解决能源工艺为背景的。
而第二代模拟系统以处理气－液系统为其特长。
不具备处理固体物料的功能。
ASPEN的开发工作从1976年起，组织了杜邦、埃克森、孟山都、飞马石抽等50家公司投入力量，历时5年耗资600万美元。
于1981年完成交付使用。
ASPEN具有更大更强的功能。
该软件后经Aspen Tech公司开发成商品软件ASPEN PLUS。
国内最早引进的模拟软件是南京化学公司研究院于1978年由丹麦TOPФE公司引进的GTPS，这是个合成氨工艺专用的流程模拟系统。
在20世纪80年代国内又引进了Aspen Tech 公司的ASPEN PLUS，先后约有30套左右；美国Simulation Science公司的PROCESS （PRO／Ⅱ）约26套；Hydrotech公司的HYSIM30套左右等。
国内在20世纪70年代开始进行化工流程模拟系统的开发工作。
一些设计院所、研究院所、高校等单位开发的模拟系统，可以对石油气分离、基本有机合成、合成氨等工艺系统进行工况模拟、操作、开发设什等等。
国内向市场推出的商品软件ECSS（Engineering Chemical Simulation System）是青岛化工学院开发的化工流程模拟系统。
4.2 动态模拟系统在化工过程工艺生产中存在着相当多的动态过程，它们是不允许简化处理为稳态过程的。
如精细化学品、染料中间体、农药生产中的间歇反应釜操作过程。
其正常生产操作周期中，总是包括着装料、开车、反应、停车、卸料这些过程的工艺参数都是时间的函数。
即便是连续生产过程。
也有开车、停车、事故处理等动态过程。
对于这些过程的分析都需要进行动态模拟。
早期的过程动态摸拟软件有，1969年加拿大McMaster大学开发的DYNSYS、1970年美国Houston大学开发的PRODYC。
1972年美国杜邦公司开发了DYFLO，这个动态模拟软件中的一些主要用FORTRAN语言编写的程序，己由原开发者Roger G.E.Franks在他的专著Modeling and Simulation in Chemical Engineering中公开发表。
DYFLO中提供的各化工过程动态模拟模块都具有接口，并有控制器模块及积分和非线性代数方程解法模块，还引人了物料流数组的概念，为应用提供了方便。
1974年美国Michigan大学开发了DYSCO，这个软件在DYFLO基础上加上了调度管理功能，从而使这个软件具有了通用软件的性能。
日本科学家与工程师协会（JUSE）与英国CAD中心（CADC）联合开发了DPS，成为商品化的化工过程动态模拟系统软件。
其后，日本千代田化工建设公司开发了DOPL，日本三井东亚化工公司又推出MODYS等。
20世纪70年代末期至80年代期间，化工过程动态模拟技术在美、日、西欧等国家和地区进入广泛应用阶段。
例如美国的鲁姆斯公司已将动态模拟技术用于系统可行性分析、先进控制系统方案设汁。
日本的一些大型化工建设工程公司也将动态模拟技术用于进行新建大型化工厂工艺及控制系统的设计。
20世纪80年代，由动态模拟技术衍生出了用于培训工人的模拟培训器。
美国生产模拟培训器的厂家有：SimulationControl Co.，Autodynamics Co.，以及Atlantic Simulation Inc.等。