化工系统工程课件_化工过程分析与合成
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
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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。
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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
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第八章 化工过程系统的合成
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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。
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第八章 化工过程系统的合成
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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。
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第八章 化工过程系统的合成
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第八章 化工过程系统的合成
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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：
过程分析与合成.
定要求，如图2-7所示。
参
参
数
数
决策变量
过程系统模型 状态变量
满足设计 规定否？
设计结果 T
F
调整
图2-7 过程系统设计
过程系统模拟的三类问题
（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，如图2-8所示。
决策变量
参 数
过程系统模 型
过程系统模拟的三类问题及 三种基本方法
专业：化学工程 姓名： hh
目录
2.2.1 过程系统模拟的三类问题 2.2.2 过程系统模拟的三种基本方法
过程系统模拟的三类问题
化工过程系统的稳态模拟与分析，就是对化工工艺流 程系统进行稳态与分析。模拟是对过程系统模型的求解。 通过解决下述三类问题。
（1）过程系统的模拟分析
过程系统模拟的联立模块法
1、定义 将过程系统的近似模型方程与单元模块交替求解。联
立模块法又被称作双层法。
图2-11
图2-12
过程系统模拟的联立模块法
2、优点 ①使用序贯模块法积累的大量模块； ②可将流程收敛和设计约束收敛合并处理； ③只须求解各单元过程的外部变量，对计算机内存要求减
少。
过程系统模拟的联立模块法
3、缺点 ①将严格模型转化为简化模型，花费机时长。 ②求解优化问题时，解的一致性发生矛盾。
过程系统模拟的联立模块法
方
优点
法
序 贯 模 块 法
与工程师直观经验一致， 便于学习使用； 易于通用化，已积累了丰富的单 元模块； 需要计算机内存较小； 有错误易于诊断检查
解算快； 面 模拟型计算与设计型计算一样； 向 适合最优化计算，效率高； 方 便于与动态模拟联合实现； 程
化工过程分析与合成完整版PPT课件
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表8-1 对于4组分进料的子群
第一个分离 器的进料
A
B
C
后面分离器 的进料
A A
B
B
C B
B
C
C
C
D
D
产品
A C C D
8.2.5 可能的分离子问题
试探法中，试探规则多是定性的规则，而且规 则数目较多，让初学者和实际工作经验不足者 无所适从
Nadgir提出分离系数，使部分试探规则定量化 北京化工大学施宝昌等（1997）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
8.2 分离序列综合的基本概念
分离序列的M 综I,X合 in 是 i一Ci个xi两 层次的问题，在塔系
R 1
SR Sj•SR j
j 1
2R1 ! R !(R1 )!
8.2.4 分离子群(Subgroups)
分离多组分进料时，产生一些子群，也称相邻 的流股，其为各分离器的进料或最终产品
总的不同的分离子问题数（包括进料）G可由 算术级数求和得到
G R j R(R1)
A
B
A B
C
D
C D
图8-3 把（ABCD）分
离成（AB）和（CD）
A
A
B
B
C D
B
C
D
C D
C B
D
(Separation Subproblem)
化工过程分析与合成7PPT课件
2021/7/24
1
7.1 化工生产流程中换热网络的 作用和意义
• 换热是化工生产不可缺少的单元操作过程。
• 对于一个含有换热物流的工艺流程，将其中 的换热物流提取出来，组成了换热网络系统
• 其中被加热的物流称为冷物流，被冷却的物 流称为热物流。
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• 换热的目的不仅是为了使物流温度满足 工艺要求，而且也是为了回收过程余热， 减少公用工程消耗。
• 可以把热量从高温区间内的任何一股热物流 传给低温区间内的任何一股冷物流。
• 热量不能从低温区间的热物流向高温区间的 冷物流传递。
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例7-1 最小允许温差△Tmin为10 ℃，
划分温度区间
* 将热物股的初、终温度分别减去△Tmin后，
与冷物流的初、终温度一起排序，得到 温度区间的端点温度值
温区的输入热量，重新计算。
• 如果上一步计算得到的Ｑi均为正值，则这
步计算是不必要的
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例7-2:利用例7-1中的数据，计算该系统所需的
最小公用工程消耗。假设热公用工程为蒸汽，冷
公用工程为冷却水，它们的品位及负荷足以满足 物流的使用
• 解：按问题表计算步骤，得到的问题表7-2
列
1
• 通过确定物流间的匹配关系，使所有的物流均 达到它们的目标温度，同时使装置成本、公用
工程（外部加热和冷却介质）消耗成本最少。
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7.2.2 换热网络合成的研究
• Hohmann的开创性工作。
在温焓图上进行过程物流的热复合，找到了 换热网络的能量最优解，即最小公用消耗；
提出了换热网络最少换热单元数的计算公式。 意义在于从理论上导出了换热网络的两个理
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。
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。
分析与合成
回路搜索法解方程组 ①将方程组表示为事件矩阵
f1 x1 x4 10 0 2 f 2 x2 x3 x4 x5 6 0 1.7 f3 x1 x2 ( x4 5) 8 0 f 4 x4 3x1 6 0 f5 x1 x3 x5 6 0
RA rij
i, j 1,2,, n
其元素的值是这样定义的：
1 有物流从单元 i 流向单元 j rij 0 无物流从单元 i 流向单元 j
这种由0，1 两种元素构成的矩阵称为布尔矩阵 或逻辑矩阵。邻接矩阵虽然比关联矩阵简单，但它 没有反映系统的输入、输出物流是从哪一个单元流 入或流出的。
通用化工流程模拟系统是指并非针对特定流程 开发的、对不同流程均可适用的、带有通用性的化 工流程模拟系统。它备有通用的、可供用户选择的 各种单元操作的计算方法，各种物理性质和热力学 性质的计算方法，系统分解和收敛方法，工程费用 和操作费用的资料以及数值方法程序库等。 由于通用流程模拟系统所能达到的精确程度往往不 能满足工业生产装置的模拟要求，因此，需要能提 供更精确可靠的计算结果的专用流程模拟系统。专 用化工流程模拟系统是针对某特定流程专门开发的， 只用于对该流程进行模拟的流程模拟系统，不具有 通用性。
f1 f2 f3 f4 f5
x1 1 1 1 1
x2 1 1
x3 1
x4 1 1 1 1
x5 1
1
1
在事件矩阵中，行序号与方程序号对应，而列序号与 变量序号对应。矩阵中 i行j列元素的值若为1，表示方 程i含有变量 j; 若为0或空白，表示方程i不含变量 j 。
②为每个方程指定一个输出变量 输出变量是可以通过其所在方程中其它变量求解的 变量，且每个变量只能被指定为一个方程的输出变量。 输出变量的指定方法：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 删去。
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分离过程选择: 非均一系物料的气固相分离:采用沉降、过滤、湿 法除尘、电除尘等单元操作。 液固相分离:过滤、干燥、沉降等。 均一系物料的气相分离，可采用吸附、吸收、膜分 离。 液相分离:则可用蒸馏与精馏、蒸发、结晶、汽提、 萃取、膜分离等。
化学反应过程 换热过程 分离过程 不同的化工过程只是这三类过程的不同组合 化工系统工程研究内容:这三类，其中主要是 换热过程和分离过程
化学反应过程是化工过程的核心部分。 主要的化学反应过程有： 催化反应过程 热裂解反应过程 电解质溶液离子反应过程 生物化学反应过程
1.1.2 换热过程
定义：化工过程工艺流程中被处理的物流，按各 单元过程所要求的温度，通过换热器加热或冷却 的过程。 换热网络：满足这种换热要求的热量或冷量，可 以来自流程中的工艺物料流或是来自公用工程， 构成换热网络。 换热网络设计目标：以最大限度的节能、经济的 设备投资、良好的操作适应性。
化工过程分析与合成
化工过程分析与合成
课程要求
认真听课，重在应用； 要求出勤率，出勤情况记入总分，占总分 15%，根据点名出勤情况打分确定； 平时大作业完成情况记入总分，占总分 15%，根据作业完成情况打分确定； 结课考试成绩占总分70%。
课程主要内容
1.3 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， 化工过程系统工程以处理物料-能量-信息流 的过程系统为研究对象。
一 化工过程系统工程
“ 化工过程系统工程”作为现代化学工程 的一个组成部分，是新近发展起来的一门 新兴的边缘科学。 简单地说，将系统工程学的理论和方法应 用于化工过程就形成了化工过程系统工程， 简称为化工系统工程。
1.1 化工过程
化工过程：以天然物料（煤、石油、盐等） 为基础原料，经过物理或化学加工制成产 品的过程。 通常化工过程大都包括三个部分： 原料制备 化学反应 产品分离
在多种多样的单元过程中，最重要的也是 最多用的单元过程是： 化学反过程
实现最佳的换热网络设计，是化工过程系统合成 研究的一项典型的事例，也是本课程将要重点研 讨的一项内容。
1.1.3 分离过程
定义：从某种已知组成的混合物中分离出某几种目 标产物的过程. 化工系统综合:从可以设计出的不同流程、不同塔 数的多种流程方案中选择经济的、能满足分离要求 的最佳方案.
系统工程：以大系统为对象进行研究的跨学 科的边缘性科学。 起源:该学科最初发源于美国，由于二次世界 大战期间，美国需要在有限的时间、空间和 运力条件下安排达到最大的运送量。因此提 出了如何对运力进行安排以实现最大运送量 的问题。 其后，在通信网络的设计过程中，也发现存 在着如何安排通信网络以达到用最小的投入， 得到最优的通话效果的通信网络最优配备问 题。
集中控制：将计算机应用于化工过程控制， 把各个控制回路的运算、控制、显示都集中 于计算机来实现的控制手段。 优点：可以大大的节省硬件成本，便于同时 分析各个控制回路的信息，为实现全系统的 优化控制提供了条件。 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。 20世纪70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。
化工过程系统工程 以系统工程学为基础， 把社会问题作为研究对象的学科称为社会 系统工程学。 把环境问题作为研究对象的学科称为环境 系统工程学。 把化工过程系统问题作为研究对象的学科 称为化工过程系统工程学。
二、 化工过程系统工程学的起源和发展
1 认识上的三次飞跃 第一次：20年代 提出了“单元操作”的概 念 产生了化学工程学 第二次：50年代 提出了“三传”的概念 产 生了化工传递过程原理的学科 第三次：60年代初 提出了“对化工过程系 统的分析和模拟”的概念 产生了化工过程 系统工程学
1.2 化工过程生产操作控制
化工过程生产操作控制：对生产操作工况 的调节。主要是对物料流温度、压力、流 量、液位、组成等操作参数的调节。 化工过程生产操作控制分类 分散控制 集中控制 化工过程生产操作控制对生产过程是否能正 常进行影响很大，因此至关重要。
分散控制: 20世纪四五十年代的早期过程控制技术，采 用基地式控制仪表实施单输入、单输出的简单 回路控制，又称为分散控制， 目标:保持生产工况平稳。 分散控制技术的特点：各个控制回路都相互独 立。 优点：当某一控制回路出现故障时，不致影响 其他回路的正常工作。 缺点：控制参数较多时，需要相应设置较多的 硬件。且这种分散的控制，难于实现总体优化。
1 绪论 2 化工过程系统稳态模拟与分析 3 化工过程系统动态模拟与分析 4 化工过程系统的优化
5 化工生产过程操作工况调优 6 间歇化工过程 7 换热网络合成 8 分离塔序列综合
1 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
由于先驱者的出发点和侧重面各有不同， 对系统工程的理解和认识也就各有不同. 有些人强调复杂系统的最优管理和最优控 制。 有些人则着眼于工程系统的规划和最优设 计。
当强调复杂系统的最优管理和最 优控制时———现代管理科学。
当着眼工程的规划及最优设计— —寻优的综合技术。
系统工程的基本思想：从系统整体的观念 出发，周密考虑系统内各个组成部分相互 间的制约关系，讨论系统整体的最优策略。 系统工程学又名：工程学的方法论 研究对象：各个不同的系统