化工系统工程ppt课件
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化工系统工程(1)幻灯片
有关操作摸拟培训系统能帮助工人掌握操 作知识，训练操作技能，培训事故诊断的决策 能力，这种培训可提高培训质量和学习效率， 降低培训成本，缩短培训时间，可反复练习实 际生产上难得的遇到的过程，如开、停车、事 故排除等既有真实感又有安全可靠，尤其是对 新工艺作预先培训。
4、间歇过程的设计与操作优化：
80年代天津大学开始开发单产品间歇过程最优设计 和多产品间歇操作的时间表进行了研究，提出数学模型 和计算方法，用于结晶操作过程。
◆ （3）分离序列的综合：给定一进料流股，已知它的状 态，系统化的设计出能从进料中分离出所要求产品的过程， 并使总费用最小。 所需求解问题是：一是要找出最优的分离序列和每一分离 器性能；二是对每一分离器找出其最优的设计变量值。 ◆ （4）反应器网络的综合：为了制造所要求的产品，对 于给定的化学反应路径以及主副反应速率数据进行分析， 确定一个反应器最优结构和操作条件，以使在给定产率下 总生产成本为最小。
化工原理(传递过程与单元操 ) 作 化学工程学化 化学 工反 热应 力工 学程
化工分离工程 化工过程系统工程
▲系统工程的理论基础：是运筹学、系统理论及现 代控制论； 技术手段：是计算机和现代数学； 当把系统工程方法应用于各种不同科学领域，就逐 步形成具有各种不同特点的系统工程学，如化工系 统工程、环境系统工程等。
二、化工过程系统工程的任务及其主要内容：
1、化工过程系统的特点：
归纳起来就是单元过程的特点与系统结构上的特 点这两部分。
a)单元过程的特点:如在设备中发生的过程无外乎是 化学反应、质量传递、热量传递和动量传递—— “三传一反”；这样的单元过程可分为：反应过程、 传质过程、传热过程和输送过程，其相应的特点是： 反应过程是以原子为处理对象；传质过程以是分子 为处理对象；传热过程和输送过程是以热流和物流 为处理对象。明确这些特点然后建立这些单元过程 的数学模型。
4、间歇过程的设计与操作优化：
80年代天津大学开始开发单产品间歇过程最优设计 和多产品间歇操作的时间表进行了研究，提出数学模型 和计算方法，用于结晶操作过程。
◆ （3）分离序列的综合：给定一进料流股，已知它的状 态，系统化的设计出能从进料中分离出所要求产品的过程， 并使总费用最小。 所需求解问题是：一是要找出最优的分离序列和每一分离 器性能；二是对每一分离器找出其最优的设计变量值。 ◆ （4）反应器网络的综合：为了制造所要求的产品，对 于给定的化学反应路径以及主副反应速率数据进行分析， 确定一个反应器最优结构和操作条件，以使在给定产率下 总生产成本为最小。
化工原理(传递过程与单元操 ) 作 化学工程学化 化学 工反 热应 力工 学程
化工分离工程 化工过程系统工程
▲系统工程的理论基础：是运筹学、系统理论及现 代控制论； 技术手段：是计算机和现代数学； 当把系统工程方法应用于各种不同科学领域，就逐 步形成具有各种不同特点的系统工程学，如化工系 统工程、环境系统工程等。
二、化工过程系统工程的任务及其主要内容：
1、化工过程系统的特点：
归纳起来就是单元过程的特点与系统结构上的特 点这两部分。
a)单元过程的特点:如在设备中发生的过程无外乎是 化学反应、质量传递、热量传递和动量传递—— “三传一反”；这样的单元过程可分为：反应过程、 传质过程、传热过程和输送过程，其相应的特点是： 反应过程是以原子为处理对象；传质过程以是分子 为处理对象；传热过程和输送过程是以热流和物流 为处理对象。明确这些特点然后建立这些单元过程 的数学模型。
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； • ……
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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。
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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
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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； • ……
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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
系统工程理论在炼油化工厂的应用课件
③ 掺合后汽油的辛烷值要求不低于技术指标
i xi
u1 v1
1
u2
i xi
v2
2
④ 要求满足合同销售量
uj j
4. 列目标函数
纯利 = 产品及中间产品的总销售收入 （生产成本 + 掺合加工成本 ） 目标函数∶
c(j1)u j c(j2)v j ci(3)zi ci(4) ( xi yi zi ) ci(5) ( xi yi )
加工统计表
中间 产品
产量 i桶 ／年
辛烷值i
售价Ci(3) 美元/桶
成本Ci(4) 美元/桶
混合成本i(5) 美元/桶
1 200,000 70
30
24.00
1.00
2 400,000 80
35
27.00
1.00
3 400,000 85
36
28.50
1.00
4 500,000 90
42
34.50
1.00
第二节、过程系统稳态优化问题的建立 第三节、最优化理论在过程系统中的应用
一、在企业管理过程中的应用
最优化问题：
min f (x) 目优标化函变数量(手段) s.t. g(x) 0 不等式约束条件
h(x) 0 等式约束条件
最大化！？
max f (x) min { f (x)}
第一节、最优化概念 一一、、目目标标函函数数 二、优化变量 三、约束条件 四、过程系统优化问题的类型及特点
解∶
设定优化变量： x=A的日产量，y=B的日产量，z=C的日产量
优化目标：
max z 40x 45y 24z
约束条件：
钢材供应
2x 3y z 100 橡胶供应
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-第4章
•i 行 j 列的元素值 rij 若为
•
1 物流 j 流入单元 i
•rij= -1 物流 j 流出单元 i
•
0 物流 j 与单元 i 无关
•前面图中所示系统的关联矩阵为：
•矩阵数学表达 ：
• 1 0 0 -1 0 -1 0 • 各列元素值之和提供的信息，可以判断相应的 物流是系统的输入物流、输出物流还是内部物流： •（1）总和为0，内部物流或中间连结流—2，3，5 •（2）总和为+1，输入物流— 1 •（3）总和为-1时，输出物流—4，6 •（4）总和为0，且+1在-1之前出现，循环物流— 7
•常用的画流程图的软件： 1. AutoCAD
• 2. Visio（Standard,Technical,Professional ）
•2. 结构单元图 • 也称为信息流程图，由结构单元和物流（包 括能流和信息流）构成。 • 目的是表明系统模型内部以及它同外界之间 信息流传递情况。 • 它通常是从工艺流程图简化得到 •
• 信号流图：把信息流图中的流线用图形符号 画出，同样也用带箭头的联线把它们联接起来， 则这些联线通过箭头的方向，也可把输入物流（ 通过单元过程）向输出物流转化的关系完全表达 清楚，这种图形称为信号流图
•上例的信息流图，画成信号流图如下：
•1
•2
•3
•4
•7
•5
•6
•标有数字1~7的符号分别代表信息流图中的流线
化工系统工程-第4章
2020年6月3日星期三
➢系统的结构模型——描述系统各单元之间的相 互关系，以及物流和能流的输入和输出信息 ➢表示系统结构模型的方法：图示法，矩阵法
•一、图示法
•1.流程图 • 表述流程结构的最普遍的一种图形
化工系统工程 第三章过程系统的结构分析.ppt
5）将原邻接矩阵也按记录的次序进行整理，得可约标准矩 阵B’；
6）根据L’，B’识别整体（不可再分块）和整体间的计算顺 序。
2020/1/27
第三章 过程系统的结构分析
14
化环院：路平
6）按各整体间有向边的方向，判别整体（不可再分块）间 的计算次序。
2020/1/27
第三章 过程系统的结构分析
10
化环院：路平
2 系统的分隔与块间排序
系统分隔的升幂法
基本概念 长度为2的通路： 长度为n的通路：
2020/1/27
第三章 过程系统的结构分析
11
化环院：路平
2 系统的分隔与块间排序
用邻接矩阵升幂法进行系统分隔
可达矩阵M 首先对邻接矩阵B进行逐次升幂，
m
M Bi i 1
可达矩阵的转置矩阵MT
L MMT
交连矩阵L
矩阵交是对应元素的布尔积，L表示图中任意结点有无环 路e而点i和，leiji=e和l1ijj=e之则0j属表间表于示无示同结环既一点路能个e或从i和回回结e（路点j之环，e间i）和结至路e点j少，，e有又i结和一能点ej个之从ei方和间结向e属点j 不于e之i和通弱间e，交属j，结连于结点；强 交连。
13
化环院：路平
2 系统的分隔与块间排序Biblioteka 用邻接矩阵升幂法进行系统分隔
变换的方法如下：
1）检查交连矩阵的列（行），看有无相同的列（行），若 有则依次纪录其列（行）号；
2）按记录的次序将相同的列（行）提前、靠拢；
3）将相应的行（列）也按记录的次序依次提前、靠拢；
4）得到表示结点间强（弱）交连的矩阵 L’；
2020/1/27
第三章 过程系统的结构分析
6）根据L’，B’识别整体（不可再分块）和整体间的计算顺 序。
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第三章 过程系统的结构分析
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化环院：路平
6）按各整体间有向边的方向，判别整体（不可再分块）间 的计算次序。
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第三章 过程系统的结构分析
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化环院：路平
2 系统的分隔与块间排序
系统分隔的升幂法
基本概念 长度为2的通路： 长度为n的通路：
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第三章 过程系统的结构分析
11
化环院：路平
2 系统的分隔与块间排序
用邻接矩阵升幂法进行系统分隔
可达矩阵M 首先对邻接矩阵B进行逐次升幂，
m
M Bi i 1
可达矩阵的转置矩阵MT
L MMT
交连矩阵L
矩阵交是对应元素的布尔积，L表示图中任意结点有无环 路e而点i和，leiji=e和l1ijj=e之则0j属表间表于示无示同结环既一点路能个e或从i和回回结e（路点j之环，e间i）和结至路e点j少，，e有又i结和一能点ej个之从ei方和间结向e属点j 不于e之i和通弱间e，交属j，结连于结点；强 交连。
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化环院：路平
2 系统的分隔与块间排序Biblioteka 用邻接矩阵升幂法进行系统分隔
变换的方法如下：
1）检查交连矩阵的列（行），看有无相同的列（行），若 有则依次纪录其列（行）号；
2）按记录的次序将相同的列（行）提前、靠拢；
3）将相应的行（列）也按记录的次序依次提前、靠拢；
4）得到表示结点间强（弱）交连的矩阵 L’；
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第三章 过程系统的结构分析
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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
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 优控制的问题。还有范围更加广泛的企业管理问题， 如生产计划(包括产品的种类，产量的决策，原料供 应，设备维修催化剂更新等。。工厂各部门(如生产 部队运输部门冰、电、汽等公用工程部门原料和产 品仓库等〕的协调配合所有这些问题都必须用科学 的方法加以解决使企业的利润最大。这就是最优管 理问题，它可以使一个工厂或联合企业有效地、高 水平的运转。
(1)
所讨论的问题有哪些等式约束呢?如果工厂的年开工天数为300天，则有以下二
个等式约束。
tA1+tA2=300
(2)
tB1+tB2=300
(3)
是否有不等式约束?经仔细考虑后可知，t必须大于零，因为t的负值是没有意义
的，因此有
tAi＞0 i=1,2
(4)
tBi＞0 i=1,2
(5)
进一步的分析还可得到其他不等式。例如,
解：这个问题的经济指标为总费用。冷凝器的总费用CT包括折旧费Ce/N(Ce为设 备费，N为折旧年限)，操作费Copr、Copr包括冷却水费和维修费。目标函数 可表示为： J＝CT＝Ce／N十Copr (1) 该过程的变量共有10个。 状态变量：A 、G1、G1，W2，T2 设计变量包括给定变量和决策变量： 给定变量：W1、T1、t1、K；决策变量：t2 其中A为冷凝器的换热面积，G1和G2为冷却水的进出口流量，T2为冷凝液 温度，目标函数可表达为上述变量的函数。
(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。
由于模型方程式(2)和式(3)的约束，变量中只有
二个是独立的。例如，可以选择tA1和tB1为决策
变量，另二个变量tA2和tB2则为状态变量。
[例2] 冷凝器最优设计。
现需设计苯—甲苯精馏塔的塔顶冷凝器(如图)，要 求冷凝器的总费用最小。根据该精馏塔和公用工程的 工艺要求，塔顶蒸汽流量W1及温度T1、冷却水进口温 度t1和传热系数K为已知。
(2)销售受到市场限制 在这种情况下,只有当装置有可能提高效率或 收率时，优化才有意义。此时的主要目标是提高每台设备的效能，使 之达到最低的公用工程和原料消耗，以降低成本。
(3)大型装置 产量大为增加利润提供了巨大的潜力，因为此时生产 成本有微小的下降都会带来很大的利润。
(4)高单耗或高能耗 此时降低消耗能使生产成本有较大下降。
(4)如果优化问题过于复杂，则将系统分成若于子系统分别优化；或者对目标函 数和模型进行简化。
(5)选用合适的优化方法进行求解。 (6)对得到的解检验，考察解对参数和简化假定的灵敏度。
前三步为对优化问题进行数学描述。第四步建议对过程作尽可能的简化， 而又不歪曲问题的本质。首先,可以忽略那些对目标函数影响不大的变量。这可 以根据工程判断来确定，也可以通过灵敏度分析作出判断。
(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。
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)。
解：如何用数学语言描述上述问题?首先应确定变量。有关变量有4个：tA1， tA2， tB1，tB2，分别表示两个工厂生产每种产品(如下标所示)的天数，可用向量t表示。 用什么作为经济指标呢?可用年利润作为经济指标。根据它同变量t之间的关系， 即可得到目标函数
J=f(t)=MA1SA1tA1+MA2SA2tA2+MB1SB1tB1+MB2SB2tB2，
4. 优化问题求解的一般步骤
目前尚没有一种优化方法能有效地适用所有的优化问题。对某一特定问题选择 优化方法的主要根据为：
(1)目标函数的特性； (2)约束条件的性质； (3)决策变量和状态变量的数目 优化问题求解的一般步骤为：
(1)对过程进行分析，列出全部变量。 (2)确定优化指标建立指标同过程变量之间的关系函数关系式(经济模型)。 (3)建立过程的数学模型和外部约束(包括等式约束及不等式约束)，确定自由度 和决策变量。一个过程的模型可以有多种，应根据需要，选择简繁程度合适的 模型。
该过程的数学模型为：
γ-汽化潜热，cp-冷却水比热，Δtm-平均温差。模型的自由度Fr＝5。该问 题中给定变量数为4，故决策变量数为1。现用冷却水出口温度t2为决策变量。 该优化问题可描述为：在满足约束方程，即式(4)的条件下,使总费用为最小时 冷却水的最优出口温度t*2。
该问题的图解见例图。在解得t*2后,可由 模型方程确定冷凝器的最优传热面积A*。
谢 谢！Βιβλιοθήκη 目标函数也称为经济模型，它描述了经济指标与过程变量之间的函数 关系。系统模型则描述了过程变量之间的约束关系。目标函数是决策的依 据；模型方程是决策的约束常用的经济指标有利润、费用、能耗、单耗、 产率等。如对于反应器的优化问题，常采用下述经济指标： 在不同反应时间下，单位反应器体积的收率最高 对于间歇反应器，每釜产品量最大 对于间歇反应器，产品量固定，生产周期最短； 生产成本最低(相对于一定的时间—转化率关系)， 在不问操作条件下，收率最高； 达到一定产品浓度的反应器体积最小； 在不同反应器体积下的利润最大 在不同转化率下(考虑末反应原料的循环回用)的利润最大 在不同温度序列下的反应速率最大或停留时间最小(转化率给定)； 在不同操作条件下的能耗最小。
根据市场对产品的总需求量L1和L2有:
tA1MA1+tB1MB1≤L1
(6)
tA2MA2+tB2MB2≤L2
(7)
这样，该优化问题可描述为：找出t的最优值，
式(2)-(7)式表示的约束条件，且使f(t)的值最大。
在这一优化问题中，变量为t(tA1，tA2，tB1，
tB2)。日产量M和利润S不是变量，是已知参数。
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。
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。
2. 优化问题的性质和数学描述
2.1 优化问题的性质
在工程问题中，常会遇到设备费和操作费之间的矛盾如何在设备 和操作费之间进行平衡，使总费用最小，这就是优化要解决的问题。 优化的目标是确定系统中各单元设备的结构参数和操作参数使系统的 经济指标达到最优。
化工过程的设计和操作问题一般具有多解，甚至无穷解。优化就 是用定量的方法从众多的解中找出最优的一组解，为此需要建立过程 的数学模型，确定合适的优化目标及运用以前的经验(也称工程判断)。 优化可用于设计的改进或现有装置操作条件的改善，以达到最大产出、 最大利润、最小能耗等目标。对于操作型问题（现有装置的优化)，利 润的增加来自装置性能的改善，例如产品收率的提高、处理能力的增 加、连续开工周期的延长等。由于化工系统具有阶层性，因而优化也 是多层次的，可在任一水平上进行优化。
1. 优化方法概述
优化问题的求解方法称为优化方法。优化问题的性质不同，求解 的方法也将不同。根据优化问题有无约束条件，可分为无约束优化问 题和有约束优化问题。而有约束优化问题也可分为两类:线性规划问题 和非线性规划问题。当目标函数及约束条件均为线性时，称为线性规 划问题；当目标函数成约束条件中至少有一个为非线性时，称为非线 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 纯形法。求解非线性规划问题的优化方法可归纳为两大类： (1)间接优化方法 间接优化方法就是解析法，即按照目标函数极值点的 必要条件，用数学分析的方法求解。再按照充分条件或者问题的物理 意义，间接地确定最优解是极大还是极小。例如，微分法即属于这一 类。 (2)直接优化方法 直接优化方法属于数值法。由于不少优化问题比较 复杂，模型方程无法用解析法求解，目标函数不能表示成决策变量的 显函数形式，得不到导函数。此时须采用数值法。这种方法是利用函 数在某一局部区域的性质或在一些已知点的数值，确定下一步计算的 点。这样一步步授索逼近，最后达到最优点。
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
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 优控制的问题。还有范围更加广泛的企业管理问题， 如生产计划(包括产品的种类，产量的决策，原料供 应，设备维修催化剂更新等。。工厂各部门(如生产 部队运输部门冰、电、汽等公用工程部门原料和产 品仓库等〕的协调配合所有这些问题都必须用科学 的方法加以解决使企业的利润最大。这就是最优管 理问题，它可以使一个工厂或联合企业有效地、高 水平的运转。
(1)
所讨论的问题有哪些等式约束呢?如果工厂的年开工天数为300天，则有以下二
个等式约束。
tA1+tA2=300
(2)
tB1+tB2=300
(3)
是否有不等式约束?经仔细考虑后可知，t必须大于零，因为t的负值是没有意义
的，因此有
tAi＞0 i=1,2
(4)
tBi＞0 i=1,2
(5)
进一步的分析还可得到其他不等式。例如,
解：这个问题的经济指标为总费用。冷凝器的总费用CT包括折旧费Ce/N(Ce为设 备费，N为折旧年限)，操作费Copr、Copr包括冷却水费和维修费。目标函数 可表示为： J＝CT＝Ce／N十Copr (1) 该过程的变量共有10个。 状态变量：A 、G1、G1，W2，T2 设计变量包括给定变量和决策变量： 给定变量：W1、T1、t1、K；决策变量：t2 其中A为冷凝器的换热面积，G1和G2为冷却水的进出口流量，T2为冷凝液 温度，目标函数可表达为上述变量的函数。
(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。
由于模型方程式(2)和式(3)的约束，变量中只有
二个是独立的。例如，可以选择tA1和tB1为决策
变量，另二个变量tA2和tB2则为状态变量。
[例2] 冷凝器最优设计。
现需设计苯—甲苯精馏塔的塔顶冷凝器(如图)，要 求冷凝器的总费用最小。根据该精馏塔和公用工程的 工艺要求，塔顶蒸汽流量W1及温度T1、冷却水进口温 度t1和传热系数K为已知。
(2)销售受到市场限制 在这种情况下,只有当装置有可能提高效率或 收率时，优化才有意义。此时的主要目标是提高每台设备的效能，使 之达到最低的公用工程和原料消耗，以降低成本。
(3)大型装置 产量大为增加利润提供了巨大的潜力，因为此时生产 成本有微小的下降都会带来很大的利润。
(4)高单耗或高能耗 此时降低消耗能使生产成本有较大下降。
(4)如果优化问题过于复杂，则将系统分成若于子系统分别优化；或者对目标函 数和模型进行简化。
(5)选用合适的优化方法进行求解。 (6)对得到的解检验，考察解对参数和简化假定的灵敏度。
前三步为对优化问题进行数学描述。第四步建议对过程作尽可能的简化， 而又不歪曲问题的本质。首先,可以忽略那些对目标函数影响不大的变量。这可 以根据工程判断来确定，也可以通过灵敏度分析作出判断。
(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。
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)。
解：如何用数学语言描述上述问题?首先应确定变量。有关变量有4个：tA1， tA2， tB1，tB2，分别表示两个工厂生产每种产品(如下标所示)的天数，可用向量t表示。 用什么作为经济指标呢?可用年利润作为经济指标。根据它同变量t之间的关系， 即可得到目标函数
J=f(t)=MA1SA1tA1+MA2SA2tA2+MB1SB1tB1+MB2SB2tB2，
4. 优化问题求解的一般步骤
目前尚没有一种优化方法能有效地适用所有的优化问题。对某一特定问题选择 优化方法的主要根据为：
(1)目标函数的特性； (2)约束条件的性质； (3)决策变量和状态变量的数目 优化问题求解的一般步骤为：
(1)对过程进行分析，列出全部变量。 (2)确定优化指标建立指标同过程变量之间的关系函数关系式(经济模型)。 (3)建立过程的数学模型和外部约束(包括等式约束及不等式约束)，确定自由度 和决策变量。一个过程的模型可以有多种，应根据需要，选择简繁程度合适的 模型。
该过程的数学模型为：
γ-汽化潜热，cp-冷却水比热，Δtm-平均温差。模型的自由度Fr＝5。该问 题中给定变量数为4，故决策变量数为1。现用冷却水出口温度t2为决策变量。 该优化问题可描述为：在满足约束方程，即式(4)的条件下,使总费用为最小时 冷却水的最优出口温度t*2。
该问题的图解见例图。在解得t*2后,可由 模型方程确定冷凝器的最优传热面积A*。
谢 谢！Βιβλιοθήκη 目标函数也称为经济模型，它描述了经济指标与过程变量之间的函数 关系。系统模型则描述了过程变量之间的约束关系。目标函数是决策的依 据；模型方程是决策的约束常用的经济指标有利润、费用、能耗、单耗、 产率等。如对于反应器的优化问题，常采用下述经济指标： 在不同反应时间下，单位反应器体积的收率最高 对于间歇反应器，每釜产品量最大 对于间歇反应器，产品量固定，生产周期最短； 生产成本最低(相对于一定的时间—转化率关系)， 在不问操作条件下，收率最高； 达到一定产品浓度的反应器体积最小； 在不同反应器体积下的利润最大 在不同转化率下(考虑末反应原料的循环回用)的利润最大 在不同温度序列下的反应速率最大或停留时间最小(转化率给定)； 在不同操作条件下的能耗最小。
根据市场对产品的总需求量L1和L2有:
tA1MA1+tB1MB1≤L1
(6)
tA2MA2+tB2MB2≤L2
(7)
这样，该优化问题可描述为：找出t的最优值，
式(2)-(7)式表示的约束条件，且使f(t)的值最大。
在这一优化问题中，变量为t(tA1，tA2，tB1，
tB2)。日产量M和利润S不是变量，是已知参数。
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。
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。
2. 优化问题的性质和数学描述
2.1 优化问题的性质
在工程问题中，常会遇到设备费和操作费之间的矛盾如何在设备 和操作费之间进行平衡，使总费用最小，这就是优化要解决的问题。 优化的目标是确定系统中各单元设备的结构参数和操作参数使系统的 经济指标达到最优。
化工过程的设计和操作问题一般具有多解，甚至无穷解。优化就 是用定量的方法从众多的解中找出最优的一组解，为此需要建立过程 的数学模型，确定合适的优化目标及运用以前的经验(也称工程判断)。 优化可用于设计的改进或现有装置操作条件的改善，以达到最大产出、 最大利润、最小能耗等目标。对于操作型问题（现有装置的优化)，利 润的增加来自装置性能的改善，例如产品收率的提高、处理能力的增 加、连续开工周期的延长等。由于化工系统具有阶层性，因而优化也 是多层次的，可在任一水平上进行优化。
1. 优化方法概述
优化问题的求解方法称为优化方法。优化问题的性质不同，求解 的方法也将不同。根据优化问题有无约束条件，可分为无约束优化问 题和有约束优化问题。而有约束优化问题也可分为两类:线性规划问题 和非线性规划问题。当目标函数及约束条件均为线性时，称为线性规 划问题；当目标函数成约束条件中至少有一个为非线性时，称为非线 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 纯形法。求解非线性规划问题的优化方法可归纳为两大类： (1)间接优化方法 间接优化方法就是解析法，即按照目标函数极值点的 必要条件，用数学分析的方法求解。再按照充分条件或者问题的物理 意义，间接地确定最优解是极大还是极小。例如，微分法即属于这一 类。 (2)直接优化方法 直接优化方法属于数值法。由于不少优化问题比较 复杂，模型方程无法用解析法求解，目标函数不能表示成决策变量的 显函数形式，得不到导函数。此时须采用数值法。这种方法是利用函 数在某一局部区域的性质或在一些已知点的数值，确定下一步计算的 点。这样一步步授索逼近，最后达到最优点。