化工系统工程串讲教材
合集下载
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。
感谢您的观看
THANKS
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。
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》PPT课件
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
化工系统工程-化工系统工程-02_第3讲 数学模型
数学模型的分类（p11）
数学模型 的分类
流程模拟系统设计角度：物性模型、过程单元模型、 系统结构模型等
建模的方式和信息依据：机理模型、经验模型(?)
对象的概率特性：确定模型、随机模型
（变量之间的关系是否以统计值的形式给出）
对象的时变特性:定态（稳态）模型、动态模型 对象的空间特性：集中参数模型、分布参数模型
数学模型是建模的最高境界，是对原型认识深 刻、研究透彻的体现。（p11王教授语）
什么是数学模型？
A model is anything used in any way to represent anything else
They are used to help us know and understand the subject matter they represent.
Case 1：
?
y = 2*x 是数学模型； P RT
a
y = x2
是数学模型； V b V (V b) b(V b)
Case 2：
数学模型
y 1= 2*x y2 = x2 方程组， 是数学模型； Case 3：
y 1= 2*x 1 + 5x22
y2 = x12 + 3*x 2 方程组，也是数学模型；如何表述？
2.1.4 流程模拟系统中的模型
物性模型：是流程模拟中的最基本的模型。其作用主要是解决被加工
流 物料的状态计算问题。通常包括焓、逸度、密度、压力、温度、相态、 程 模 组成等计算。方法或理论来源自化工（学）热力学、物理化学。 拟 单元模型：是为了解决基本单元过程与设备的计算问题，方法或理论 系 统 来源有化工原理、反应工程、分离工程、传递过程等。 中 结构模型：是描述整套装置中各个单元过程之间联系方式的模型。 的 模 经济模型:经济分析 型 控制模型:动态模拟
化工系统工程课件-第二章-概述
此外，化工系统工程还可以应用于环 保工程、资源利用、新能源等领域， 为解决全球性的能源危机和环境问题 提供技术支持和解决方案。
在这些领域中，化工系统工程的应用 可以实现生产过程的优化和控制，提 高生产效率和产品质量，降低能耗和 物耗，减少环境污染。
02
化工系统工程的组成与特点
组成
化工工艺流程
包括原料的预处理、化学反应 及产物分离等环节，是化工生
优化方法
线性规划
通过线性不等式约束和目标函数，寻找满足约束条件的解，使目标函 数达到最优值。
非线性规划
处理非线性约束和目标函数的优化问题，通过迭代算法寻找最优解。
动态规划
将复杂问题分解为多个子问题，按照时间或空间的顺序逐个求解子问 题，以获得原问题的最优解。
遗传算法
模拟生物进化过程的优化算法，通过随机搜索和遗传变异寻找最优解。
05
化工系统工程在工业生产中 的应用案例
应用场景
01
石油化工
化工系统工程在石油化工领域的应用主要涉及油品加工、化学反应过程
控制、分离过程优化等方面。通过系统性的规划和设计，可以提高石油
化工过程的效率和安全性。
02
制药工业
在制药工业中，化工系统工程的应用涵盖了药物合成、分离纯化、质量
控制等多个环节。通过优化制药生产流程，可以提高药物的生产效率和
它能够实现整个化工生产过程的自动化和智能化，提高生产过程的可控性和稳定性， 减少人工干预和操作失误，保障生产安全。
化工系统工程的应用还能够提升企业的竞争力和经济效益，降低生产成本，缩短产 品上市时间，提高产品质量和收率。
应用领域
化工系统工程的应用领域非常广泛， 包括石油化工、煤化工、天然气化工、 制药、农药、染料、化学纤维等领域。
化工系统工程讲义___概述说明以及解释
化工系统工程讲义概述说明以及解释1. 引言1.1 概述在化工工程中，化工系统工程是一个重要而综合性的学科领域。
它集成了化学工艺、传质传热、流体力学等多个学科的知识，旨在研究和优化各种化工过程的设计和操作。
本讲义旨在介绍化工系统工程的基础知识和方法，帮助读者全面理解和应用这一领域的核心概念。
1.2 文章结构本文共分为五个部分：引言、正文、章节一、章节二以及结论。
引言部分将对文章进行总览性介绍，正文将深入探讨化工系统工程的相关内容，而章节一和章节二则是对具体主题进行详细阐述。
最后的结论将对整篇文章进行总结，并提供一些相关推荐资料以供进一步学习。
1.3 目的本讲义的目标旨在让读者全面了解化工系统工程这一领域，并具备初步应用其原理和方法解决实际问题的能力。
通过深入理解和掌握相关内容，读者能够更好地进行化工过程设计与优化，在实践中提高生产效率并降低成本。
同时，通过本讲义的学习，读者也能够为深入从事化工系统工程研究奠定坚实的理论基础。
对于化工领域的学生和从业人员来说，本文将是一份宝贵的参考资料。
2. 正文正文部分将对于化工系统工程的基本概念、原理和应用进行详细的介绍。
在化工系统工程中，系统指的是由多个组成部分相互作用而形成的整体。
这些组成部分可以是设备、仪表、管道等，它们通过物质、能量或信息的传递与转化实现协同工作。
化工系统工程旨在设计、优化和管理这些复杂的系统，以提高生产效率、资源利用率和产品品质。
主要内容如下：2.1 化工系统工程的基本原理2.1.1 质量守恒原理：介绍了质量守恒方程的推导及其在化工过程中的应用；2.1.2 能量守恒原理：讲解了能量守恒方程的建立方法，并探讨了能量平衡计算；2.1.3 动量守恒原理：详细介绍了动量平衡方程以及相关参数计算；2.1.4 物料平衡原理：阐述了物料平衡方程推导和应用方法，并举例说明。
2.2 化工系统模型2.2.1 建模方法：介绍各种不同建模方法，如质量守恒模型、动力学模型等；2.2.2 模型求解：讲解系统模型求解的基本原理和常用方法，如数值方法、优化算法等；2.2.3 模型验证与优化：探讨系统模型验证和优化的方法，包括参数调整、灵敏度分析等。
化工系统工程课件 第四章 化工过程系统的优化
(5)可行路径法和不可行路径法 按约束条件处理方法分， 可行路径法:整个搜索过程在可行域内进行，变 量的取值，必须满足约束条件。 优点：简单可靠， 缺点：计算量很大。 不可行路径法:搜索过程从不可行域向最优解 逐步逼近，但在最优解处必须满足条件。 优点：与可行路径法相比，计算量显著减少 缺点：求解过程可能不稳定。
当目标函数为一元函数时，函数与自变 量的关系可以用平面直角坐标表示。
对于二元函数，一般用三维直角坐标表示，但已 经比较困难了
三维照片
为了能在平面直角坐标 上清楚地表示二元函数 的值与自变量之间的关 系，我们引入等高线 （等值线）的概念。 等高线的定义：在最优 化研究中，把具有相同 目标函数值的自变量的 点连成一条曲线，称这 样的线为等值（高）线。
x1
x2
4．2．2最优化问题的建模方法
建立过程系统优化问题的模型方程时，要根据 问题的实际情况，采用不同的建模方法。 过程机理清楚的问题:采用机理模型进行优化. 优点:结果比较精确。 缺点：机理模型的约束方程是通过分折过程的 物理、化学本质和机理，利用化学工程学的基 本理论(如质量守恒、能量守恒、化学反应动 力学等基本规律)建立的， 形式往往比较复杂.
过去许多大型、复杂的最优化计算问题只能定 性、粗略地在理论范畴内加以分析、比较。 如今应用电子计算技术，已能进行精确的定量 研究，并应用于实际。 为了普及与推广使用最优化技术，已有了将各 种优化计算方法的程序做成了方便使用的优化 技术软件系统，这种系统能帮助使用者自动选 择算法、运算并对计算结果进行评价，使用户 能有效地解决实际优化问题。
4．1 概述
化工系统工程 教学大纲
化工系统工程一、课程说明课程编号：150114Z10课程名称：化工系统工程/ Chemical System Engineering课程类别：专业课学时/学分：48/3先修课程：高等数学，大学计算机基础，化工原理，化工热力学适用专业：化学工程与工艺（含卓越工程师班）教材、教学参考书：1、都建. 化工过程分析与综合[M]. 大连理工大学出版社，20092、方利国. 化工过程系统分析与合成[M]. 化学工业出版社，20133、张卫东，孙巍，刘君腾. 化工过程分析与合成[M]. 化学工业出版社，20114、王健红，冯树波，杜增智. 化工系统工程理论与实践[M]. 化学工业出版社，20095、王弘轼. 化工过程系统工程[M]. 清华大学出版社，2006二、课程设置的目的意义本学科为多学科交叉的边缘学科，已逐渐发展成为一门独立化学工程分支学科。
学生在基本完成化工单元操作、化学工程、化工工艺学习的基础上，通过系统工程的方法并结合有关化学工程、化工工艺知识，数值计算方法，掌握化工过程分析方法，了解并能初步编写化工计算软件和利用较大型化工商业软件解决化工过程分析与流程模拟、过程仿真等问题，培养学生利用系统工程的思想解决化工工程问题的能力。
（1）以化学工业过程系统为主要研究对象，能够正确理解化工系统的特点、化工系统分析与合成的方法，能够正确对化工单元过程及过程系统进行数学建模、模型分析、简化及求解。
（2）能够利用化工过程模拟软件对化工过程进行模拟、优化和设计，建立最优过程系统，对现有化工过程进行挖潜、改造。
（3）综合运用化工专业基础知识、数学知识和计算机基础知识，设计化工单元过程和过程系统分析软件，对化工过程系统进行计算、模拟或仿真，并结合实际过程进行比较分析。
三、课程的基本要求了解化工系统工程主要内容，学会化工过程分析、建立化工系统模型与过程模拟基本方法，掌握有关数值计算方法求解化工系统模型，掌握相关系统优化概念。
- 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)。
第五章 过程大系统的分解
图解法分解大系统
从图中任何一个节点开始向前搜索 如果在某一步出现重复节点，说明出现回路
，将其中所有节点作为一个组合节点，重新 改写原图，继续搜索 若在找到某节点没有输出，则删除并记录。 重新找一个节点继续搜索并删除没有输出的 节点或者拟节点，直到所有节点均被删除 最终计算顺序与删除顺序相反
主要知识点:
Berge定理
节点相邻矩阵或索引矩阵的基础
方程系统事件矩阵 布尔矩阵的运算法则
矩阵间代数法则 矩阵元素间布尔法则
第五章 过程大系统的分解
本章考试知识点:
用指定分解过程系统(识别不可分割子系统)
可及矩阵法 索引矩阵法 图解法（Sargent-Westerberg法）
第五章 过程大系统的分解
第五章 过程大系统的分解
主要内容：
不相关子系统识别
过程系统—分析、观察 方程系统—Himmelblau算法
不可分割子系统的分解及求解顺序的确定
可及矩阵法
回路识别：aij=aji=1
索引矩阵法
乘幂法则：比较和替代找回路
Steward通路法 Sargent-Westerberg图解法
第五章 过程大系统的分解
压缩存储
稀疏方程组求解
不可分隔子系统
替代规则
最佳断裂
断裂变量迭代
设计规定迭代
优化变量迭代
课程主要内容
第一章 概论 第二章 化工数学模型的建立及物性系统选择 第三章 过程单元的模拟与模型化 第四章 过程系统的模型化与模拟 第五章 过程大系统的分解
课程主要内容
第六章 序贯模块模拟法 第七章 面向方程模拟法
等温闪蒸过程的模拟
理想体系等温闪蒸计算方法
绝热闪蒸过程的模拟
第三章 过程单元的模型化与模拟
本章考试知识点
过程单元的自由度及自由变量
记住常用单元自由度及特征 熟练用描述规则法分析自由度
理想体系等温闪蒸过程的模拟
掌握理想体系的相平衡常数计算方法 熟练列出闪蒸单元的模型方程 熟悉Rachford-Rice算法及牛顿迭代法
第四章 过程系统的模型化 与自由度分析
第四章 过程系统的模型化 与自由度分析
主要内容：
过程系统自由度分析
可用描述规则法分析
系统结构的计算机描述方法
节点相邻矩阵和连接表（即索引矩阵） 关联矩阵和顺序表 给出结构矩阵或结构表看还原系统结构
方程组决策变量的确定
输出变量和Hall各异条件 决策变量制定对方程组求解的影响 Lee I算法选择对方程组求解最有利的决策变量
第六章 序贯模块模拟法
第六章 序贯模块模拟法
主要内容：
序贯模拟法原理 流股的断裂 最佳断裂准则 回路矩阵 替代规则 最佳断裂流股的确定 断裂流股的迭代
常用迭代法的特点
第六章 序贯模块模拟法
主要知识点：
回路及回路矩阵 有效断裂组及非多余断裂组 替代规则 Westerberg算法（找非多余断裂组）
第四章 过程系统的模型化 与自由度分析
本章考试知识点：
分析系统的自由度并推荐决策变量 写出系统结构的描述矩阵并叙述特点
节点相邻矩阵 索引矩阵
Lee 法选择决策变量
画出双层图 先从局部度为1的方程指定输出变量，删除方程
及变量；再从局部度为1的变量删除变量及方程 ，可采用同步或异步删除，要注意自由度！
可及矩阵法分解大系统
写出节点相邻矩阵A 计算A*A, A*A*A，…等，计算的次数取决于
图中尺寸最大的简单回路的单元数 计算可及矩阵A*=AUA2UA3U… 观察有哪些节点之间相互满足aij=aji=1
（所有满足上述条件的节点构成一个不可分隔的子 系统）
从A*中找到列全部为零的子系统，依次删除 并记录次序。最终计算顺序与此相同。
第五章 过程大系统的分解
索引矩阵法分解大系统
写出索引矩阵I 运用乘幂法则计算I2,I3，…等，直到在某一步发现出
现相同节点对，则说明找到回路。 如果相同节点对数目与运算次数相同，则所有重复
节点构成一个回路，可用拟节点代替，改写原索引 矩阵I，重新运算； 否则，需要试探或者判断是哪些节点构成一个回路 ，分别用拟节点代替，重新运算； 如果在某一步有节点或拟节点仅出现于一列中，其 不能构成回路，依次删除并记录左右次序。最终计 算顺序从左列向下后右列向上.
过程单元的自由度分析
物流自由度
理解Duhem定理
过程单元自由度
列方程法 描述规则法 公式法
记住典型过程单元的自由度
第三章 过程单元的模型化与模拟
过程单元的模型化与模拟
闪蒸单元的模型与类型
闪蒸模型方程组
决策变量的选择方式决定了闪蒸类型
方程组求解的策略
单变量方程的牛顿法迭代求解取代方程组的联立求解
第六章 序贯模块模拟法
主要考试知识点：
拓扑双层图 Lee I/Lee II算法
决策变量选择
Himmelblau 算法
序贯模块法 自由度、决策变量分析
单元自由度分析
列方程
单元建模
不可分隔子系统
Hall各异条件
输出变量制定
关联矩阵
节点相邻矩阵 索引矩阵
输出变量
方程系统有向图
可及矩阵法 索引矩阵法 Steward通路法 S-W法
大子方程组 断裂降维、分解
化工系统工程
----期末串讲
课程结构
过程企业 (化工系统工程)
过程系统工程
管理系统 （经营决策管理系统）
生产系统 (过程系统分析)
生产系统 (过程系统综合)
模拟方法： 运筹学模型
面向方程法
连接关系
单元操作
(结构—有向图)
(化学工程)
流程模拟方法
方程法 描述规则法 公式法
换热网络 分离序列 反应路径
第八章 过程系统的参数模拟优化法
第九章 换热网络设计技术 第十章 多组分分离序列的综合
第一章 概论
第一章 概论
主要内容:
基本概念
重点区分：“过程” 的特定含义
课程研究范围
了解系统工程与最优化的异同
研究方法和手段
流程分析 列方程组 方程组分解和子方程组求解
研究进展
第二章 化工数学模型的建立 及物性系统选择
第二章 化工数学模型的建立 及物性系统选择
主要内容：
数学模型建立的一般步骤
数学模型的特点
化工计算物性方法的确定
非极性或弱极性体系：状态方程
各状态方程的特点和应诉范围
极性体系：活度系数方程
液相活度模型 气相理想气体或者状态方程 注意活度模型的适用范围
第三章 过程单元的模型化与模拟
第三章 过程单元的模型化与模拟