(完整word版)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。
化工过程分析及其合成
化工过程分析及其合成概述化工过程分析是指对化工过程进行系统的分析和评估，以确定其优化和改进的方法。
通过分析化工过程，可以找出其中的问题和不足，并设计合成方法，实现对化工过程的优化。
合成是化学领域中的一项重要技术，在化工过程中广泛应用。
合成过程涉及对原始材料进行化学反应，从而合成所需的化合物。
化工过程分析和合成的关系密切，通过对化工过程进行分析，可以确定合成方法的可行性和优化方案。
本文将介绍化工过程分析的基本概念和方法，并讨论合成过程在化工过程中的应用。
在此基础上，将探讨化工过程分析和合成的关系，以及如何通过分析来优化合成过程。
化工过程分析化工过程分析是对化工过程进行系统分析和评估的过程。
该过程包括以下几个主要步骤：1.数据收集：收集化工过程中涉及的各种数据，包括原始材料的性质、反应条件、产物的性质等。
这些数据是进行分析和评估的基础。
2.数据处理：对收集到的数据进行处理和整理，以便后续分析。
数据处理包括数据清洗、数据转换和数据统计等。
3.问题识别：根据收集到的数据和分析结果，识别化工过程中存在的问题和不足。
问题可能涉及反应效率低、产物纯度不高、操作困难等方面。
4.原因分析：对已识别的问题进行深入分析，找出问题的具体原因和根本原因。
原因分析可以采用各种方法，如物理模拟、数学模型和实验研究等。
5.优化方案设计：根据原因分析的结果，设计合理的优化方案。
优化方案应综合考虑经济性、可行性和安全性等因素。
6.方案实施与评估：对设计的优化方案进行实施，并进行评估和验证。
评估结果可以作为进一步改进和优化的依据。
化工过程分析的目标是找出问题和不足，并提出解决方案，从而优化化工过程。
通过分析，可以提高反应效率、改善产物质量、减少能源消耗等。
合成过程在化工中的应用合成是一种将原始材料转化为所需产品的过程。
在化工领域，合成广泛应用于各种化学反应和合成化合物的过程中。
1.有机合成：有机合成是化工中最常见的合成过程之一。
它涉及将无机或有机原料转化为有机化合物的过程。
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
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。
(完整版)化工过程分析与合成复习
化工过程分析与合成复习一、基本概念（1）名词解释1、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）2、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）3、过程系统合成（P5）4、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。
）5、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）；）6、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）7、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。
）二、判断以下问题是非（N，Y）• 1.自由度数只与过程系统有关。
（Y ）• 2.换热网络的夹点设计，要尽量避免物流穿过夹点。
（N ）• 3.在换热夹点分析中，没有物流穿过夹点，就无热流量穿过夹点。
（N ）• 4.在夹点上方尽量避免引入冷物流，夹点下方尽量避免引入热物流（N ）• 5.穿过夹点热流量为零，则夹点处传热量为零（N ）• 6.夹点上方热流股数NH.>NC，热流股总热负荷QH<QC，不能实现夹点匹配( N ) •7.精馏塔跨过夹点，则塔底要用热公用工程，塔顶要用冷公用工程。
（Y ）•8. 对于冷热流股换热系统，传热量一定的前提下，传热温差愈小，过程不可逆程度愈小，有效能损失愈小，但要求较大的热交换面积。
(Y)•9. 利用能量松弛方法对换热器网络的调优，并不影响冷热公用工程负荷。
(N)•10. 热物流穿过换热网络的夹点，必有热流量穿过夹点。
(N)•11. 热物流在夹点上方,冷物流在夹点下方。
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。
《化工过程分析与合成》教学大纲
《化工过程分析与合成》教学大纲一、课程信息课程名：化工过程分析与合成（Analysis and synthesis of chemical Process）学时：51学分：3适用专业: 化工类各专业（包括制药工程、生物工程、冶金工程、轻化工程、食品工程及高分子材料等）开课单位：化工学院化工系开课学期：三年级下期(春季)二、课程的性质、任务和目的课程性质：必修（化学工程与工艺专业），选修（制药、生物工程、环境工程、轻工、食品、高分子材料等专业）课程说明（性质、目的和任务）：化学工程与工艺专业的专业核心课，也适合化工类其他专业尤其是生物工程、制药工程和冶金工程的学生选修。
本课程以化工过程系统为研究对象，使学生初步掌握对过程进行模拟、分析、优化和合成的系统工程方法，培养综合运用化工基础知识和专业知识处理实际问题的能力。
三、教学基本要求1.掌握过程系统的概念，过程系统分析与合成的基本概念、基本原理与方法；2.掌握过程系统稳态模型、动态模型建立的基本原理，熟悉过程系统模拟与优化的基本步骤与方法，掌握分离序列合成方法，熟练运行夹点技术进行换热网络合成；3.理解过程系统稳态模型、动态模型求解算法，明确过程系统操作调优的原理、步骤和方法。
明确间歇系统模拟、优化与合成的特殊性；4.了解过程系统对象的特性，学科的发展，该领域的前沿及与其它学科的关系。
四、教学内容及学时分配第1章：化工过程及系统工程的发展概况（2学时）；第2章*：化工过程系统稳态模拟及其分析求解方法：过程系统模拟的序贯模块法、面向方程法以及联立模块法；以氨合成工艺为例说明模拟与分析方法的应用（8学时）；第3章*：化工过程系统动态模拟的特性、方法、数学处理及应用：化工过程系统的动态模型，连续搅拌罐反应器和精馏塔的动态特性（8学时）；第4章*：化工过程系统的优化：化工过程系统优化问题的基本概念，化工过程系统最优化问题的类型，化工过程中的线性规划问题及非线性规划问题（8学时）；第5章*：化工生产过程操作工况调优的数学模型及调优计算，人工神经元网络的基础知识（6学时）；第6章：间歇化工过程的基本概念、模型化方法及设计优化（6学时）第7章*：换热网络的合成、能量最优网络的夹点技术设计法、实际工程项目的换热网络合成（8学时）；第8章：分离塔序列合成的基本概念及方法（5学时）。
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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。
判断：
1.自由度数只与过程系统有关。
（ Y ）
2.换热网络的夹点设计，要尽量避免物流穿过夹点。
（ N ）
3.在换热夹点分析中，没有物流穿过夹点，就无热流量穿过夹点。
（ N ）
4.在夹点上方尽量避免引入冷物流，夹点下方尽量避免引入热物流（ N ）
5.穿过夹点热流量为零，则夹点处传热量为零（ N ）
6.夹点上方热流股数NH.>NC，热流股总热负荷QH<QC，不能实现夹点匹配( N )
7.精馏塔跨过夹点，则塔底要用热公用工程，塔顶要用冷公用工程。
（ Y ）
8. 对于冷热流股换热系统，传热量一定的前提下，传热温差愈小，过程不可逆程度愈小，有效能损失愈小，但要求较大的热交换面积。
( Y )
9. 利用能量松弛方法对换热器网络的调优，并不影响冷热公用工程负荷。
( N )
10. 热物流穿过换热网络的夹点，必有热流量穿过夹点。
( N )
11. 热物流在夹点上方,冷物流在夹点下方。
( N )
12.换热网络的设计要尽量避免冷、热物流穿过夹点。
N
13.进行过程系统模拟既要输入流股参数，也要提供过程单元的操作参数。
Y
14.穿过换热网络夹点的热流量为零，则夹点处传热推动力为零。
N
15.试判断以下换热网络中哪些匹配是可行的，哪些是不可行的。
可行不可行
（2）热泵与系统热集成时，将热泵穿越夹点放置是有效的热集成。
（Y）
（3）两个或两个以上相连的循环回路一定构成最大循环网。
（N）
（4）采用断开热负荷回路的方法调优换热器网络，合并换热器后的结构除了需要保证每个单元设备热负荷为非负外，还要检验每个单元设备的传热温差是否大于或等于最小的允许传热温差。
（Y）
（5）R组分简单塔精馏分离序列的综合问题，可以看成是R-1阶段决策问题。
（Y）
（6）系统的自由度为系统变量数减去描述系统的所有方程数。
（N）
（7）能够把全部简单回路至少断裂一次的断裂组定义为多余断裂组。
（N）
（8）穿越夹点的热流量为零，则夹点处的传热推动力为零。
（N）
（9）利用能量松弛法调优换热器网络，调优前后系统所需的冷、热公用负荷不变。
（N）（10）对于已给定热交换量的情况，通过热交换面的传热温差愈小，过程的不可逆性愈小，有效能损失小。
（Y）
1．间间歇过程的瓶颈问题很容易就能找到，因此，只需要对给定的设备加工顺序进行排序，就可以得到最优的操作方案了。
答：错误（1）
间歇过程的瓶颈问题随产品及操作策略而有所不同，因而很难找到。
（1）
2．化工过程的优化因其所含变量太多而难以进行，为了简化计算的难度，某人建议只考虑决策变量对目标函数的影响，这种方式是否可行？
答：对（1）
状态变量是决策变量的函数，因而，只考查决策变量对目标函数的影响，不会改变优化过程的性质，但能缩小问题的求解难度。
（1）
3．非线性规划的求解比线性规划困难的多，因此，对于非线性规划问题，不可能通过求取目标函数的一阶导数，并令其为0，来得到最优解。
答：错误（1）
无约束的非线性最优化问题可以通过令一阶导数为0来进行。
（1）
有约束的非线性规划问题可以通过拉格朗日或罚函数法转化为无约束问题。
4．对于存在三个加工设备的间歇过程，是无法通过Johnson规则来求解的。
答：错误（1）
对于特殊的n/3/F/Fmax问题，可以通过Johnson规则求取。
(1)
即在第二个设备上最长的加工时间，小于在第一（或第三）个设备上最短的加工时间。
5．在一个工厂的设计中，要想最大限度的减少公用工程的用量，可以通过采用高效率的换热器，并增大换热面积来实现。
答：错误（1）
要想最大限度减少公用工程的用量，应通过夹点匹配方法进行。
（1）
1．间歇过程的瓶颈问题很容易就能找到，因此，只需要对给定的设备加工顺序进行排序，就可以得到最优的操作方案了。
2．对于存在三个加工设备的间歇过程，是无法通过Johnson规则来求解的。
简答题
1.对于一个复杂的、有多个反馈回路的化工过程，采用序贯模块法进行求解时，应当如何进行计算？
1.通过回路矩阵或其他方法，找出全部回路
2.用回路搜索法，找出最优断裂族
3．为各断裂流股设定初值
4.建立各单元的模型，利用模型序贯的求解（即将前一单元的出口物流作为后一单元的入口参数），循环计算，求出断裂流股的计算值
5.比较所求得的断裂流股的计算值，并与上一次的值比较，如果小于所设定的误差，迭代结束，否则，重复步骤4，直至收敛. 有必要的时候，可以采用各种收敛算法，也包括改变初始猜值。