化工過程分析與合成

前言

《化工類專業(yè)人才培養(yǎng)方案及教學(xué)內(nèi)容體系改革的研究與實(shí)踐》為教育部（原國家教委）《高等教育面向21世紀(jì)教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革計(jì)劃》的03-31項(xiàng)目，于1996年6月立項(xiàng)進(jìn)行。本項(xiàng)目牽頭單位為天津大學(xué)，主持單位為華東理工大學(xué)、浙江大學(xué)、北京化工大學(xué)，參加單位為大連理工大學(xué)、四川大學(xué)、華南理工大學(xué)。項(xiàng)目組以鄧小平同志提出的“教育要面向現(xiàn)代化，面向世界，面向未來”為指針，認(rèn)真學(xué)習(xí)國家關(guān)于教育工作的各項(xiàng)方針、政策，在廣泛調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，分析了國內(nèi)外化工高等教育的現(xiàn)狀、存在問題和未來發(fā)展。四年多來項(xiàng)目組共召開了由七?；W(xué)院、系領(lǐng)導(dǎo)親自參加的10次全體會(huì)議進(jìn)行交流，形成了一個(gè)化工專業(yè)教育改革的總體方案，主要包括：--制定《高等教育面向21世紀(jì)“化學(xué)工程與工藝”專業(yè)人才培養(yǎng)方案》；--組織編寫高等教育面向21世紀(jì)化工專業(yè)課與選修課系列教材；--建設(shè)化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)、實(shí)習(xí)樣板基地；--開發(fā)與使用現(xiàn)代化教學(xué)手段。《高等教育面向21世紀(jì)“化學(xué)工程與工藝”專業(yè)人才培養(yǎng)方案》從轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)教育思想出發(fā)，拓寬專業(yè)范圍，包括了過去的各類化工專業(yè)，以培養(yǎng)學(xué)生的素質(zhì)、知識(shí)與能力為目標(biāo)，重組課程體系，在加強(qiáng)基礎(chǔ)理論與實(shí)踐環(huán)節(jié)的同時(shí)，增加人文社科課和選修課的比例，適當(dāng)削減專業(yè)課分量，并強(qiáng)調(diào)采取啟發(fā)性教學(xué)與使用現(xiàn)代化教學(xué)手段，因而可以較大幅度地減少授課時(shí)數(shù)，以增加學(xué)生自學(xué)與自由探討的時(shí)間，這就有利于逐步樹立學(xué)生勇于思考與走向創(chuàng)新的精神。項(xiàng)目組所在各校對(duì)培養(yǎng)方案進(jìn)行了初步試行與教學(xué)試點(diǎn)，結(jié)果表明是可行的，并收到了良好效果?；瘜W(xué)工程與工藝專業(yè)教育改革總體方案的另一主要內(nèi)容是組織編寫高等教育面向21世紀(jì)課程教材。高質(zhì)量的教材是培養(yǎng)高素質(zhì)人才的重要基礎(chǔ)。項(xiàng)目組要求教材作者以教改精神為指導(dǎo)，力求新教材從認(rèn)識(shí)規(guī)律出發(fā)，闡述本門課程的基本理論與應(yīng)用及其現(xiàn)代進(jìn)展，并采用現(xiàn)代化教學(xué)手段，做到新體系、厚基礎(chǔ)、重實(shí)踐、易自學(xué)、引思考。每門教材采取自由申請(qǐng)及擇優(yōu)選定的原則。

內(nèi)容概要

　　《面向21世紀(jì)課程教材：化工過程分析與合成》內(nèi)容包括：緒論、化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬與分析、化工過程系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬與分析、化工生產(chǎn)過程操作工況調(diào)優(yōu)、分離塔序列的綜合等。

書籍目錄

1緒論1 1.1化工過程1 1.1.1化學(xué)反應(yīng)過程1 1.1.2換熱過程2 1.1.3分離過程2 1.2化工過程生產(chǎn)操作控制2 1.2.1集散系統(tǒng)（DCS）3 1.2.2DCS的先進(jìn)控制與優(yōu)化控制3 1.3化工過程的分析與合成4 1.3.1化工過程系統(tǒng)的分析4 1.3.2化工過程系統(tǒng)的合成5 1.4化工過程模擬系統(tǒng)5 1.4.1化工流程穩(wěn)態(tài)模擬系統(tǒng)5 1.4.2動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)6 1.5化工企業(yè)CIPS技術(shù)7 1.5.1CIMS技術(shù)7 1.5.2CIPS技術(shù)8 1.6人工智能技術(shù)在化工過程中的應(yīng)用8 1.6.1人工智能技術(shù)9 1.6.2專家系統(tǒng)9 1.6.3人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)9 1.6.4人工智能技術(shù)在化工過程系統(tǒng)中的應(yīng)用10 1.7本教材的目的與內(nèi)容10 2化工過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬與分析11 2.1過程系統(tǒng)模擬的三種基本方法12 2.1.1過程系統(tǒng)模擬的序貫?zāi)K法12 2.1.2過程系統(tǒng)模擬的面向方程法13 2.1.3過程系統(tǒng)模擬的聯(lián)立模塊法13 2.2過程系統(tǒng)模擬的序貫?zāi)K法14 2.2.1序貫?zāi)K法的基本原理14 2.2.2再循環(huán)物流的斷裂16 2.2.3斷裂物流變量的收斂21 2.2.4序貫?zāi)K法解設(shè)計(jì)問題28 2.3過程系統(tǒng)模擬的面向方程法29 2.3.1面向方程法的原理29 2.3.2大型稀疏非線性方程組的降維解法30 2.3.3聯(lián)立擬線性方程組法解大型稀疏非線性方程組34 2.4過程系統(tǒng)模擬的聯(lián)立模塊法41 2.4.1聯(lián)立模塊法的原理41 2.4.2建立簡(jiǎn)化模型的兩種切斷方式44 2.5氨合成工藝流程的模擬與分析48 2.5.1氨合成工藝流程的模擬48 2.5.2氨合成工藝生產(chǎn)工況的模擬分析51 3化工過程系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬與分析56 3.1化工過程系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型56 3.1.1化工過程系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性56 3.1.2化工過程系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型56 3.1.3確定性動(dòng)態(tài)模型的數(shù)學(xué)處理58 3.2連續(xù)攪拌罐反應(yīng)器的動(dòng)態(tài)特性60 3.2.1動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型60 3.2.2模型的數(shù)學(xué)處理與應(yīng)用（Ⅰ）64 3.2.3模型的數(shù)學(xué)處理與應(yīng)用（Ⅱ）65 3.3精餾塔的動(dòng)態(tài)特性68 3.3.1動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型69 3.3.2模型的數(shù)學(xué)處理與應(yīng)用70 3.3.3更實(shí)際的問題73 3.4變壓吸附過程的模擬與分析74 3.4.1數(shù)學(xué)模型的建立74 3.4.2動(dòng)態(tài)模型的數(shù)學(xué)處理78 3.4.3模型的應(yīng)用79 4化工過程系統(tǒng)的優(yōu)化83 4.1概述83 4.2化工過程系統(tǒng)優(yōu)化問題基本概念84 4.2.1最優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)描述84 4.2.2最優(yōu)化問題的建模方法87 4.2.3化工過程系統(tǒng)最優(yōu)化方法的分類88 4.3化工過程系統(tǒng)最優(yōu)化問題的類型89 4.3.1過程系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化89 4.3.2過程系統(tǒng)管理最優(yōu)化92 4.4化工過程中的線性規(guī)劃問題92 4.4.1線性規(guī)劃問題的數(shù)學(xué)描述92 4.4.2求解線性規(guī)劃的圖解法96 4.4.3求解線性規(guī)劃問題的單純形法96 4.4.4按原料資源供應(yīng)、市場(chǎng)需求價(jià)格等因素進(jìn)行的排產(chǎn)計(jì)劃100 4.5化工過程中的非線性規(guī)劃問題100 4.5.1無約束條件最優(yōu)化問題的經(jīng)典求解方法100 4.5.2有約束條件最優(yōu)化問題的經(jīng)典求解方法101 4.5.3動(dòng)態(tài)系統(tǒng)參數(shù)的變分優(yōu)化法104 4.6化工過程大系統(tǒng)的優(yōu)化120 4.6.1可行路徑優(yōu)化法123 4.6.2不可行路徑124 5化工生產(chǎn)過程操作工況調(diào)優(yōu)134 5.1化工生產(chǎn)過程操作工況調(diào)優(yōu)的作用與意義134 5.2化工生產(chǎn)過程操作工況離線調(diào)優(yōu)的方法135 5.2.1機(jī)理模型法——液體空氣精餾塔的操作工況調(diào)優(yōu)135 5.2.2統(tǒng)計(jì)模型法——苯酐生產(chǎn)過程的操作工況調(diào)優(yōu)148 5.2.3智能模型法——乙苯脫氫反應(yīng)過程的操作工況調(diào)優(yōu)161 6間歇化工過程175 6.1間歇過程與連續(xù)過程175 6.1.1間歇化工的特點(diǎn)176 6.1.2間歇過程與連續(xù)過程的比較177 6.1.3間歇過程的基本概念178 6.2過程動(dòng)態(tài)模型及模擬183 6.2.1混合過程183 6.2.2噴霧干燥過程185 6.2.3間歇、半連續(xù)反應(yīng)過程的模型、模擬和優(yōu)化186 6.3間歇過程的最優(yōu)時(shí)間表189 6.3.1時(shí)間表問題190 6.3.2簡(jiǎn)單多產(chǎn)品和多目的間歇過程最優(yōu)時(shí)間表的計(jì)算規(guī)則196 6.4多產(chǎn)品間歇過程的設(shè)備設(shè)計(jì)與優(yōu)化200 6.4.1基本定義、原則和術(shù)語200 6.4.2多產(chǎn)品間歇過程設(shè)備的基本計(jì)算法203 6.4.3多產(chǎn)品間歇過程設(shè)備尺寸的最優(yōu)設(shè)計(jì)207 6.5間歇過程的控制模型214 6.5.1配方模型214 6.5.2控制功能模型215 6.5.3過程模型216 6.5.4物理模型217 6.5.5程序控制模型217 7換熱網(wǎng)絡(luò)合成220 7.1化工生產(chǎn)流程中換熱網(wǎng)絡(luò)的作用和意義220 7.2換熱網(wǎng)絡(luò)合成問題221 7.2.1換熱網(wǎng)絡(luò)合成問題的描述221 7.2.2換熱網(wǎng)絡(luò)合成的研究221 7.3換熱網(wǎng)絡(luò)合成——夾點(diǎn)技術(shù)221 7.3.1第一定律分析221 7.3.2溫度區(qū)間222 7.3.3最小公用工程消耗223 7.3.4溫焓圖與組合曲線225 7.3.5夾點(diǎn)的特性227 7.4夾點(diǎn)法設(shè)計(jì)能量最優(yōu)的換熱網(wǎng)絡(luò)229 7.4.1匹配的可行性原則229 7.4.2流股的分割——FCp表232 7.4.3流股的匹配——勾銷推斷法234 7.5換熱網(wǎng)絡(luò)的調(diào)優(yōu)236 7.5.1最小換熱單元數(shù)236 7.5.2能量與設(shè)備數(shù)的權(quán)衡236 7.5.3ΔTmin的選擇239 7.6實(shí)際工程項(xiàng)目的換熱網(wǎng)絡(luò)合成240 7.6.1數(shù)據(jù)提取240 7.6.2選擇物流241 7.6.3老廠改造243 7.6.4禁止匹配與強(qiáng)制匹配246 7.6.5閾值問題247 7.6.6多品位公用工程249 8分離塔序列的綜合254 8.1精餾塔分離序列綜合概況254 8.2分離序列綜合的基本概念255 8.2.1簡(jiǎn)單塔255 8.2.2順序表（Ranked List）256 8.2.3可能的分離序列數(shù)256 8.2.4分離子群(Subgroups)256 8.2.5可能的分離子問題257 8.2.6目標(biāo)產(chǎn)物組259 8.2.7判別指標(biāo)259 8.28分離序列的綜合方法259 8.3動(dòng)態(tài)規(guī)劃法260 8.4分離度系數(shù)有序探試法267 8.4.1經(jīng)驗(yàn)規(guī)則M1267 8.4.2經(jīng)驗(yàn)規(guī)則M2269 8.4.3經(jīng)驗(yàn)規(guī)則D1269 8.4.4經(jīng)驗(yàn)規(guī)則S1269 8.4.5經(jīng)驗(yàn)規(guī)則S2269 8.4.6經(jīng)驗(yàn)規(guī)則C1269 8.4.7經(jīng)驗(yàn)規(guī)則C2269 8.5相對(duì)費(fèi)用函數(shù)法271 8.6分離序列綜合過程的評(píng)價(jià)272 8.7調(diào)優(yōu)法274 8.8復(fù)雜塔的分離順序279

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