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。
化工过程分析与合成-3
化工过程分析与合成-31. 引言化工过程分析与合成是化学工程领域的重要分支，涉及到化学反应、原料处理、能量转换等方面的内容。
本文将介绍化工过程分析与合成的基本概念，以及常见的分析方法和合成技术。
2. 化工过程分析2.1 分析方法化工过程分析旨在确定化工过程中物质的组成、浓度、质量流动、能量转化等参数。
常用的分析方法包括：•质谱法：通过物质的质谱图谱扫描，确定物质的组成和相对分子质量。
•红外光谱法：通过物质对红外辐射的吸收特性，确定物质的官能团和化学键。
•核磁共振法：通过物质在磁场中的特殊核磁共振现象，确定物质的结构和组成。
•气相色谱法：通过物质在气相色谱柱中的分离和检测，确定物质的组分和浓度。
•液相色谱法：通过物质在液相色谱柱中的分离和检测，确定物质的组分和浓度。
2.2 过程分析的重要性化工过程分析是化工工艺改进和优化的基础，通过对化工过程的分析，可以确定问题所在，找到改进和优化的方向。
同时，过程分析还可以帮助实现化工过程的控制和监测，确保产品的质量和安全。
3. 化工合成技术化工合成技术是化学工程的核心内容之一，涉及到化学反应、反应器设计、反应条件控制等方面的内容。
常见的化工合成技术包括：3.1 催化剂催化剂在化工合成过程中起到重要的作用，可以加快反应速率、提高产率和选择性。
常见的催化剂有金属催化剂、酶催化剂和固体催化剂等。
3.2 反应器设计反应器是化工合成过程中的关键设备，其设计要考虑反应物料的性质、反应条件和反应速率等因素。
常见的反应器设计包括批量反应器、连续流式反应器和固定床反应器等。
3.3 反应条件控制反应条件控制是化工合成过程中的关键环节，可以通过控制温度、压力、反应物料配比等参数，实现反应的高效进行和产物的优化。
4. 实例分析4.1 乙烯制备过程分析乙烯是化工工业中重要的原料之一，其制备过程复杂，涉及到多个反应和分离步骤。
通过化工过程分析，可以确定乙烯制备过程中的关键问题，找到优化的方向，提高乙烯的产率和质量。
化工过程分析与合成
化工过程分析与合成介绍化工过程分析与合成是化学工程的重要领域之一，它涉及到化学反应的过程分析以及合成过程的设计和优化。
在化工过程分析与合成中，我们需要通过对化学反应的分析，研究反应机理，并运用化学工程原理进行合成过程的设计和优化，以实现高产率、高选择性和低能耗的化学反应过程。
化工过程分析化工过程分析是指通过对化学反应过程的分析，研究和理解反应过程中的物质转化、反应速率以及反应动力学等基本性质。
化工过程分析的目的是为了深入了解反应的机理，通过对反应物质的性质和反应条件的调控，实现反应过程的控制和优化。
在化工过程分析中，我们需要运用物质平衡、能量平衡和动量平衡等基本的化工原理和方程式，来推导化学反应过程的数学描述，从而得到各种物理和化学参数的计算方法，以判断反应过程的可行性和稳定性。
化工过程分析通常包括以下几个方面的内容：1.反应机理的研究：通过实验和理论模型的建立，研究化学反应过程中的反应物质转化、活化能以及反应速率等基本性质，为后续的反应条件优化提供理论依据。
2.反应条件的优化：根据反应物质的性质和反应机理的研究结果，通过调整反应条件（例如温度、压力、物质浓度等），来实现反应过程的最优化，以提高产率和选择性，并减少能源消耗。
3.反应过程的控制：通过对反应过程中的物料流动、传热、传质等工艺操作进行优化，实现对反应过程的精确控制，以提高产品质量和稳定性。
化工合成化工合成是指通过化学反应将原料物质转化为目标产品的过程。
在化工合成中，我们需要根据反应物质的性质和反应机理，设计合成过程的反应条件和操作流程，以实现预期的化学反应和产品转化。
化工合成的目标是在保证产品质量和反应过程安全的前提下，实现高产率、高选择性和低能耗。
化工合成通常包括以下几个步骤：1.原料物质的选择和准备：在化工合成过程中，我们需要选择合适的原料物质，并对其进行准备，以满足反应条件和要求。
2.反应条件的设计：根据反应物质的性质和反应机理，设计合适的反应条件，包括温度、压力、催化剂等，以控制反应过程的速率和转化率。
化工过程分析与合成考点
化工过程分析与合成考点1.化工过程基本原理：包括质量守恒、能量守恒以及物质守恒等基本原理。
考生需要掌握物质在化工过程中的转化过程，掌握流体力学、传热传质以及反应工程的基本原理。
2.化工过程流程分析：对化工过程进行流程分析，包括对物料流动、能量传递、物质传递以及反应转化等的分析。
考生需要理解流程图、平衡图以及相图等工具的使用方法，用以分析化工过程中的流程特点与问题。
3.化工过程的参数确定：化工过程中的参数确定是化工工程设计的重要环节。
考生需要了解不同参数对化工过程的影响，并能根据过程需求确定合理的参数范围。
此外，还需要了解参数确定的方法与技巧，包括试验方法、模型分析以及经验公式等。
4.化工过程的合成方法：化工过程的合成方法是实现化学转化与物质变换的重要手段。
考生需要了解常见的合成方法，包括物性分析、反应机理分析以及催化剂的设计与选择等内容。
此外，还需要了解合成方法的优化与控制策略，以便能够根据具体过程需求设计合适的合成方法。
在准备化工过程分析与合成的考试时，考生需要重点掌握以下知识点：1.物料平衡的计算方法：根据不同的化工过程，需要掌握不同的计算方法，包括闭式系统的物料平衡、开式系统的物料平衡以及多元物料平衡等。
2.能量平衡的计算方法：了解化工过程中的能量转化与传递过程，掌握能量平衡的计算方法，包括热平衡、热效益以及不同热传导方式的计算等。
3.反应动力学与反应工程：了解反应动力学的基本原理，掌握反应速率与反应物浓度的关系，了解反应器的选型与设计原则。
4.分离与纯化技术：了解不同的分离与纯化技术，包括蒸馏、吸附、萃取、结晶等方法，掌握其原理与应用。
5.废水处理与废气治理技术：了解废水处理与废气治理的基本原理和技术，包括生物处理、化学处理、物理处理以及催化氧化等方法。
6.过程设计与控制：了解化工过程设计与控制的原则与方法，包括流程设计原则、安全设计原则以及自动化控制等。
准备化工过程分析与合成的考试，需要考生从理论与实践两个方面进行综合准备。
《化工过程分析与合成》教学大纲
化工过程分析与合成课程教学大纲一、课程的基本信息适应对象：化学工程与工艺、课程代码：41E01016学时分配：32赋予学分：2学分先修课程：高等数学、化工原理、化工设备机械基础、化学反应工程后续课程：化工设计、化工过程开发二、课程性质与任务1课程性质：《化工过程分析与合成》课程是一门具有综合性、应用性、研究性特色的化工类专业主干课程，以科学研究的方法论为主线，培养成人教育学生将实践经验与所学知识相结合分析和解决工程问题的能力。
2课程任务：通过本课程教学，使学生在学习了化工原理、化工热力学、化学反应工程等课程的基础上，学会以系统工程的方法来处理化工过程的分析与合成问题。
三、教学目的与要求本课程以科学研究的方法论为主线，培养学生将实践经验与所学知识相结合、分析和解决工程问题的能力。
通过本课程的学习，使学生掌握将实验室研究成果（新工艺、新产品等）实现工业化的主要方法，掌握化工过程及系统工程的发展概况；氨合成工艺介绍了化工过程系统稳态模拟方法及其分析求解方法；化工过程系统动态模拟的特性、方法及数学处理；化工过程系统的优化和求解方法；化工生产过程操作工况调优的数学模型及调优计算，以及人工神经元网络的基础知识；间歇化工过程的基本概念、模型化方法及设计优化；换热网络的合成及其夹点技术进行了全面的介绍；分离塔序列合成的方法等环节的过程研究。
通过列举大量化工过程开发的实例，让学生了解正确的理论指导、科学的实验方法、以及工艺与工程相结合的工程观念在化工过程开发中的重要作用。
四、教学内容与安排第一章绪论（课堂讲授学时：2）1.1 化工过程1.2 化工过程生产操作控制1.3 化工过程的分析与合成1.4 化工过程模拟系统1.5 化工企业CIPS技术第二章化工过程系统稳态模拟与分析（课堂讲授学时：4）2.1 典型的稳态模拟与分析问题2.2 过程系统模拟的三类问题及三种基本方法2.3 过程系统模拟的序贯模块法2.4 过程系统模拟的面向方程法2.5 过程系统模拟的联立模块法2.6 氨合成工艺流程的模拟与分析第三章化工过程系统动态模拟与分析（课堂讲授学时：4）3.1 化工过程系统的动态模型3.2 连续搅拌罐反应器的动态特性3.3 精馏塔的动态特性第四章化工过程系统的优化（课堂讲授学时：4）4.1 概述4.2 化工过程系统优化问题基本概念4.3 化工过程系统最优化问题的类型4.4 化工过程中的线性规划问题4.5 化工过程中非线性规划问题的解析求解4.6 化工过程中非线性规划问题的数值求解第五章化工生产过程操作工况调优（课堂讲授学时：2）5.1 化工生产过程操作工况调优的作用与意义5.2 化工生产过程操作工况离线调优的方法第六章间歇化工过程（课堂讲授学时：6）6.1 间歇过程与连续过程6.2 过程动态模型及模拟6.3 间歇过程的最优时间表6.4 多产品间歇过程的设备设计与优化第七章换热网络合成（课堂讲授学时：4）7.1 化工生产流程中换热网络的作用和意义7.2 换热网络合成问题7.3 换热网络合成--夹点技术7.4 夹点法设计能量最优的换热网络第八章分离塔序列的综合（课堂讲授学时：6）8.1 精馏塔分离序列综合概况8.2 分离序列综合的基本概念8.3 动态规划法8.4 分离度系数有序探试法8.5 相对费用函数法8.6 分离序列综合过程的评价五、教学设备和设施多媒体教室、黑板、黑板笔六、课程考核与评估期末闭卷考试，考试时间100min。
化工过程分析与合成完整版PPT课件
每个分离子问题与一个实际分离单元相对应， 分离序列是分离子问题的不同组合形式 对于R个组分的分离问题，所含的分离子问题
UR1j(Rj)R(-1 R)(R 1)
j1
6
表8-2 4组分进料的分离子问题
对于第一个分离器 的分离子问题
A
8.3 动态规划法
最基本也是最原始的最优化方法是穷举法 这种方法耗时费力，效率最低，当组分数较大 时，可行方案极多，计算工作量太大，致使无 法实施 为了减少计算工作量，数学规划法是较好的一 个方法，动态规划法是数学规划法的一种
动态规划法是解决多阶段决策过程最优化 问题的一种方法
多阶段决策过程是指由于这种过程的特殊性可 以将它分为若干步，而在每一步中都需要作出 决策，以便使整个过程取得最优效果 根据动态规划原理，如果一个分离序列是最优 的，则综合该分离序列的各步决策也必定是最 优的
最佳化的同时，每个塔的设计也要最佳化
8.2.1 简单塔（Simple Column）
(1) 一个进料分离为两个产品 (2) 每一个组分只出现在一个产品中，即锐分离
（Sharp Separation） (3) 塔底采用再沸器，塔顶采用全凝器
(a) 顺式流程(Direct Sequence)，轻组分在塔顶逐 个引出。
应用递推公式从解出V1(X2)，再解出V2(X1)，最 后解出V3(X0)，即目标函数的最优值。然后， 将上述计算反演即可求出各步决策，即最优分 离序列
动态规划属于隐枚举法，是一个比穷举法有效 得多的算法。它是在一个比原搜索空间小得多 的空间上进行穷举的一种算法。
在由所有不同分离器所组成的空间中进行穷举， 是一个可行算法；在由所有可能分离序列所组 成的空间中进行穷举是不可行算法。
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作业
化工过程分析与合成作业1. 简介化工过程分析与合成是化工工程中的重要环节，它涉及了化工工艺的设计、优化、改进等方面。
本文将介绍化工过程分析与合成的基本概念和方法，并通过具体案例分析来进一步说明其应用。
2. 化工过程分析化工过程分析是指对化工过程进行系统的分析和评估，了解化工过程中的流程、反应、能耗等因素，并优化工艺条件以提高产品质量和产能。
化工过程分析包括以下几个方面：•流程分析：对化工过程中的物料流动、能量流动、传热传质等进行分析，找出可能存在的问题并提出改进建议。
•反应分析：对化工过程中的反应进行分析，包括反应动力学、反应器设计等方面。
•能耗分析：对化工过程中的能耗进行分析，找出能耗高的环节，并提出相应的改进措施。
•设备分析：对化工过程中使用的设备进行分析，包括设备选型、设备性能评估等。
化工过程分析需要运用多种工程技术和工具，如流程模拟软件、能量平衡分析工具等。
3. 化工过程合成化工过程合成是指根据需求，设计出满足要求的化工过程。
一个化工过程合成涉及到多个环节：•需求分析：明确化工产品的要求和目标，包括产品质量、产能、经济性等。
•工艺设计：根据需求，设计出合适的工艺流程，选择适当的反应器、分离装置和控制系统。
•优化：通过模拟和分析，对工艺进行优化，提高产品质量和产能，降低能耗和成本。
•安全性分析：对工艺进行安全性评估，确保操作安全和环境保护。
化工过程合成需要综合考虑技术、经济、环境等因素，并运用现代化工工程技术进行设计。
4. 案例分析：甲醇合成工艺4.1 工艺概述甲醇合成是一种重要的化工过程，其产能和质量直接影响到甲醇生产的经济效益。
甲醇合成工艺主要包括气相合成和液相合成两种方式，本案例将以液相合成为例进行分析。
液相甲醇合成工艺的主要步骤包括气化、合成气净化、甲醇合成和甲醇精制等。
4.2 过程分析在甲醇合成过程中，流程分析和反应分析是非常重要的。
对于气化过程，需要分析物料流动和能量流动情况，找出可能存在的瓶颈并提出改进措施。
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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。
集中参数模型认为状态量在系统中呈空间均匀分布，分布参数模型认为状态量在系统内呈现非均匀但一般是连续的空间分布，如管式反应器
要利用确定动态模型来预测，揭示化工工程系统的内在规律，解决与动态学特性有关的工程实际问题，都必须对所涉及的数学模型进行必要的数学处理。
根据建立模型的不同方法，一般可以将数学模型分为统计模型、确定性模型和介于两者之间的半经验模型。
优化是使用专门的方法确定最优成本，并对某一问题或某一过程的设计进行有效求解的方法。
所谓仿真或系统模拟实际上就是建立过程的数学模型
结构优化和参数优化是过程系统的两大类优化问题他们贯穿于化工工程设计和化工过程操作。
结构优化考虑的是流程方案的优化、换热网络结构设计属于结构
优化。
第七章
在工艺过程设计中节能是非常重要的，因此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。
换热网络的任务是确定热物流的合理匹配方式，从而最小的消耗代价，获得最大的能量利用收益。
换热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。
夹点之上需要从外部获取热量，而不向外部提供任何热量，即需要加热器。
夹点之下可以向外部提供热量而不需要从外部获取热量，即需要冷却器。
换热规则
1避免夹点之上热物流与夹点之下冷物流间匹配
2 夹点之上禁用冷却器
3夹点之下禁用加热器
对于已经满足最小公用工程消耗的换热网络，如果换热单元数不是最少，可以采用以下步骤进行调整
1 找出独立的热负荷回路2沿热负荷回路增加或减少热负荷来断开回路3检查合并后换热单元是否违反最小传热温差4若违反最小传热温差，则利用能量收驰法求最小能量收驰量，恢复最小传热温差。
第八章
分离目的:选择合理的分离方法，确定最优的分离序列，以降低其各项费用，是分离序列综合的主要目的。
简单塔1一个进料分离两个产品2每一个组分只出现在一个产品中即锐分离3
塔底采用再沸器塔顶采用冷凝器.
分离序列的综合方法数学规划法探式法调优法
经验规则：
1 优先利用能量分离剂方法
2 避免温度或压力偏离环境条件若偏离向高温高压3产品集中分离序列最小最有利4 先排除危险腐蚀5难挥发最后去除先除含量最多的7等摩尔分割
分离序列综合过程评价
1 过程综合问题描述的方法
2 过程综合问题的评价方法
3 过程综合问题的决策方法
调优法
1初始分离序列的建立2确定调优规则（有效性、完整性、直观合理性）3制定调优策略（广度第一策略、广度第一探式策略、深度第一策略、超前策略）。