化工系统工程 第八章 化工过程系统的合成
名词解释—化工过程分析与合成
名词解释2•夹点的意义(夹点处，系统的传热温差最小(等TArmin ),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、夹点技术夹点技术是以热力学为基础，从宏观角度分析过程系统中能量流沿温度的分布，从中发现系统用能的“瓶颈”所在，并给与解瓶颈的方法。
夹点设计法三条原则：(1)应该避免有热流量穿过夹点(2)夹点上方应该尽量避免引入公用工程冷却物流(3)夹点下方应该尽量避免引入公用工程加热物流夹点匹配的可行性规则与经验规则3、过程系统能量集成过程系统综合是以合理利用能量为目标的全系统能量综合问题，它从总体上考虑过程中能量的供求关系以与系统结构.操作参数的调优处理，已达到全过程系统能量的优化综合。
(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)设备在系统中的合理放置：(1)分离器与过程系统热集成时，分离器穿越夹点是无效的热集成；(2)分离器完全在夹点上方或完全在夹点下方均是有效的热集成。
(3)热机不穿越夹点的设置，是有效的热集成。
(4)热泵穿越夹点的设置是有效热集成。
4、过程用能一致性原则利用热力学原理.把反应、分离、换热、热机、热泵等过程的用能特性从用能本质的角度统一起来，把全过程系统能量综合问题转化为有约束的化热网络综合问题。
5、利用夹点分析进行过程系统能量集成，调优策略的原则：设法增大夹点上方总的热流股的热负荷，减少总的冷流股的热负荷；设法减少夹点下方总的热流股的热负荷，增大总的冷流股的热负荷。
即所谓的“加减原理”。
6、化工过程系统模拟采用一反映研究对象本质和内在联系，与原型具有客观一致性，可再现原型发生的本质过程和特性的模型，来进行设计和研究原型过程的方法。
(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)三种基本方法：序贯模块法、联立方程法、联立模块法7、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)结构优化：改变过程系统中的设备类型或相互间的联接，以优化过程系统。
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。
名词解释—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、夹点技术夹点技术是以热力学为基础，从宏观角度分析过程系统中能量流沿温度的分布，从中发现系统用能的“瓶颈”所在，并给与解瓶颈的方法。
夹点设计法三条原则：（1）应该避免有热流量穿过夹点（2）夹点上方应该尽量避免引入公用工程冷却物流（3）夹点下方应该尽量避免引入公用工程加热物流夹点匹配的可行性规则及经验规则3、过程系统能量集成过程系统综合是以合理利用能量为目标的全系统能量综合问题，它从总体上考虑过程中能量的供求关系以及系统结构，操作参数的调优处理，已达到全过程系统能量的优化综合。
（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）设备在系统中的合理放置：（1）分离器与过程系统热集成时，分离器穿越夹点是无效的热集成；（2）分离器完全在夹点上方或完全在夹点下方均是有效的热集成。
（3）热机不穿越夹点的设置，是有效的热集成。
（4）热泵穿越夹点的设置是有效热集成。
4、过程用能一致性原则利用热力学原理，把反应、分离、换热、热机、热泵等过程的用能特性从用能本质的角度统一起来，把全过程系统能量综合问题转化为有约束的化热网络综合问题。
5、利用夹点分析进行过程系统能量集成，调优策略的原则：设法增大夹点上方总的热流股的热负荷，减少总的冷流股的热负荷；设法减少夹点下方总的热流股的热负荷，增大总的冷流股的热负荷。
即所谓的“加减原理”。
6、化工过程系统模拟采用一反映研究对象本质和内在联系，与原型具有客观一致性，可再现原型发生的本质过程和特性的模型，来进行设计和研究原型过程的方法。
（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）三种基本方法：序贯模块法、联立方程法、联立模块法7、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）结构优化：改变过程系统中的设备类型或相互间的联接，以优化过程系统。
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。
化工过程分析与合成(课堂PPT)
2 (3) (29) (9)
(664) (4)
3
单元3
(32)
单元3 7 (72)
(2)
单元4
单元4
(2)
流股序号
（权重因子）Wf
图2-13 不可分隔子系统
流股序号
1234567 （权重因子）Wf
A 0 图12-13 0不可分1隔子系0统 0 0 B 1 1 0 0 1 0 0 C 1 1 1 0 0 1 0 D 0 1 1 0 0 0 1
ss11,,ss44,s7,s11""
s1,s44,,ss77
{{ss2}
s2
{{ss3,s4,ss55}} s3
{{ss4,s5,,ss66,,ss77}}
s5,s66
{{ss1,s4,ss77}}
38
非多余断裂族:
{S2}
9
{S1，S4，S7} 2+3+2＝7
{S3，S4，S5} 2+3+3＝8
19
序贯模块法的求解与过程系统的结构是有关的。 具有反馈联结的系统（不可分割子系统），需要用到 断裂（Tearing）和收敛（Convergence）技术
20
收敛模块
具有反馈的系图统2-与9 收具敛有单反元馈的系统与收敛单元
21
• 通过断裂技术可以打开回路，以便采用 序贯模块法进行求解。在断裂物流处设 置一个收敛单元。
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• 由于系统中各物流及其变量特性的不同， 在收敛计算上常是有很大差异的。
• 如何选择断裂物流、确定迭代序列，是 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。
27
（2）断裂方法的研究
六十年代初，Rubin就提出了断裂的思想 判断最佳断裂的准则分为四类
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，由巳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。
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第八章 化工过程系统的合成
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8.2.1 分离序列的基本概念
经验规则 分离方法的优先规则：优先考虑采用能量分离的方法。 有关分离组分特性的规则：首先分离具有易爆、强腐蚀、 剧毒等危险性较大的组分，最后分离难于分离的组分。 分离次序经济性规则：避免大流量反复蒸发、冷凝，优 先分离大量的组分；节约总能耗，塔顶、塔底产物的摩 尔流量越接近越好，同时要考虑切割点的关键组分具有 合理的相对挥发度，故以易分离系数或分离难度系数为 判据指标进行初步筛选。
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8.3.3 以能量回收最优为目标的换热 网络合成方法
例
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8.3.3 以能量回收最优为目标的换热 网络合成方法
换热网络合成结果
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8.2 分离序列的合成
8.2.1 分离序列的基本概念 分离序列 将输入的多组分原料分离成某些既定组成的产品的分 离排序。 目的：在分离单元本身最优的前提下寻找分离总费用 最低的分离排序——最优的分离序列。 锐分离器与组分排列 锐分离器：只有一股进料，两股出料，且每种组分只 在一股出料中出现的分离器。 组分排列：把组分按分离方法中的关键物性的数值以 大小次序排列起来的组分。例如：蒸馏操作——沸点； 精馏——相对挥发度或沸点；萃取——溶解度。 目的：有助于相邻组分间识别可能存在的锐分离。
问题表格法步骤： 建立温度区间：根据系统流股的进出口温度按递降次 序建立温度区间，需将热流的温度降低ΔTmin/2，将冷 流温度升高ΔTmin／2作为区间的边界温度。 各温度区间作热量衡算：确定这一区间内是有热量多 余还是需要补充热量。 系统作总热量衡算和确定最小公用工程消耗。根据某 区间多余的热量只能供给下一个（低温）区间，而不 能供给上一个（高温）区间的原则，对系统进行总体 热量衡算，以确定需要从外界（公用工程）输入的热 量。
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8.2.3 调优法合成分离序列
方法： 把前后两个相邻分离器的切割点位置对调，产生新的分 离序列； 用另一种允许的分离方法替代目前所用的分离方法，从 而产生新的分离序列。 优先使用第1条，直到用第1条不能产生新的分离序列时 才能用第2条。
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8.3.3 以能量回收最优为目标的换热 网络合成方法
设计原则： 不应有跨挟点的热量传递。 以挟点为界，其上不设外冷却器，其下不设外加热器。 设计换热网络应从挟点开始向上、下两个方向进行。 冷热流股匹配原则： 原则1：热流股与匹配的冷流股必须满足CP热≤CP冷，以 避免引起传热温差小于ΔTmin。此处CP。＞ CP；而CP。 M CP卜故应与冷流股3）匹配。 原则2：使匹配流股其中一股的热量用尽，可能的话首先 用尽热流股的热量。
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8.2.1 分离序列的基本概念
分 离序列数 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： 2N 1! N 1 Z P N!N 1!
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FD FD FB
F F D B 1 FD FB
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合成策略和主要步骤： 明确分离要求，表达分离问题，确定目标函数。 根据分离要求，列出分离问题所包含的分离子问题。 按每级分离子问题均为最佳分离子问题的原则导出基本分 离序列。 用简便不失真目标函数计算基本分离序列的目标函数值。 设定初选目标函数上界。用目标函数值乘以一个安全系数， 可取1.05～1.10。 逐步画出可能的分离序列树。分枝并搜索最优分离序列， 舍去目标函数值大于上界的分枝及其下属分离序列，最后 留下少数几个最具竞争力的分离序列。 用严格精确的目标函数计算方法计算这几个最具竞争力的 分离序列的目标函数，比较可得到最优分离序列。
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8.2.1 分离序列的基本概念
易分离系数： C ES f
FD / FB , 当FD FB时 f FB / FD , 当FD FB时 分离难度系数： ( - 1) 100
C DS N min
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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
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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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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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8.1 过程合成的基本概念
调优合成法步骤： 首先找到或构造一个化工流程的初始方案作为新系统合 成的出发点； 建立评价该化工流程的目标函数； 寻找该初始方案中对系统经济性最不利的那些单元或子 系统，并对这些单元或子系统进行改进和优化。 将已改进的单元和子系统与初始方案中的其余部分重新 连接起来，构造成一个改进的新流程； 计算新流程的目标函数，判别是否优于本次改进前的流 程，如是，则以新流程作为以后比较的基准，重复以上 步骤直至找不到更好的流程为止。
8.2.2 分支定界法合成分离序列
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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。
8.3.2 基本概念
多股热流、多股冷流的组合T－H图。 平移曲线不改变曲线性能，故多流股组合为折线。
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8.3.2 基本概念
冷热组合折线确定挟点和最小公用工程用量
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8.3.2 基本概念
P! M N !( P N ) ! 可能方案的总数：
N P
N max
P! M N min N min N!( P N ) !
N P
16
N max
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8.3.2 基本概念
T-H图
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第八章 化工过程系统的合成
过程系统分析和过程系统合成是化工设计的两大主 要手段。 考虑两个方面问题：
如何选择最佳的单元操作设备；
如何优化组织各种单元操作构成最佳工艺路线。
研究内容：主要包括反应路径的合成、分离序列的 合成、反应器网络的合成、换热网络的合成、公用 工程系统的合成、资源分配网络的合成、生产全流 程的合成以及控制系统的合成等。
当网络的热回收量一定时，不同结构的换热网络
的总面积相差不大。因此，换热器个数成为影啊 网络设备费用的关键因素。 Nmin=Nh＋Nc＋Nuh＋Nuc＋L-S Nmin最小换热器个数；L一次换热不能剔除流股的 次数；S一次换热剔除两股流股的次数；Nh为热 流股数；Nc为冷流股数；Nuh，Nuc分别为公用工 程热、冷流股数。
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8.3.2 基本概念
问题表格法——例
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8.3.2 基本概念
ΔTmin的选择
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第八章 化工过程系统的合成
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8.3.2 基本概念
最小换热器个数的确定
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8.3.2 基本概念
用图解法求挟点及最小公用工程用量 传热温差为ΔTmin处称为挟点，其含义是该处的温度差 限制了进一步的换热。在挟点处的热流温度称为热端温度， 冷流温度称为冷端温度， ΔTmin二分之一处的温度称为挟 点温度。
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第八章 化工过程系统的合成
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8.2.1 分离序列的基本概念
分离子问题——实际分离单元
计算分离子问题数的通式：