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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。
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。
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。
化工过程系统动态模拟与分析技术讲义首先，动态模拟和分析技术是通过建立化工过程的动态模型，模拟其
在不同条件下的运行过程，实现对系统的动态行为进行预测和分析。
这种
模型通常由一系列的微分方程组成，通过对关键参数的输入和改变，可以
模拟出系统在不同操作条件下的响应和效果。
动态模拟和分析技术的基本
原理是基于物质平衡、能量平衡和动量平衡等基本原理建立的。
动态模拟和分析技术在化工领域具有广泛的应用。
首先，它可以用来
优化工艺设计，通过模拟不同的工艺方案，找到最佳的操作条件，以降低
生产成本和提高产量。
其次，它可以用来解决工艺运行中的问题，比如控
制系统设计和故障诊断等。
此外，动态模拟和分析技术还可以用来评估化
工过程对环境的影响，帮助工程师们设计和选择更加可持续和环保的工艺。
随着计算机技术的不断发展，动态模拟和分析技术也在不断进步和完善。
在模型的建立和求解方面，现代动态模拟软件已经具备了更高的计算
速度和更精确的数值求解算法。
另外，数据的采集和处理技术的进步，也
为动态模拟和分析技术的应用提供了更多的可能性。
比如，数据驱动建模
和机器学习等方法，可以通过对历史数据的分析和挖掘，帮助工程师们更
好地理解和优化化工过程系统的运行。
总之，动态模拟和分析技术是化工过程优化和分析的重要工具。
它能
够帮助工程师们更好地理解和优化化工过程系统的运行，提高生产效率和
降低成本。
随着计算机技术和数据处理技术的不断进步，动态模拟和分析
技术将会得到更广泛的应用和发展。
《化工过程分析与合成》课程教学大纲制定人：吴淑晶教学团队审核人：门勇开课学院审核人：饶品华课程名称：化工过程分析与合成/ Analysis and Synthesis of Chemical Engineering Process课程代码：040323适用层次（本/专科）：本科学时：32 学分：2 讲课学时：30 上机/实验等学时：2 考核方式：考查先修课程：高等数学、物理化学、化工原理、化学反应工程适用专业：化学工程与工艺教材：张卫东，孙巍，刘君腾．化工过程分析与合成(第二版)．国家精品课程教材，北京：化学化工出版社，2011．主要参考书：1.姚平经．过程系统工程．上海：华东理工大学出版社，2009.2.王弘轼．化工过程系统工程．北京：清华大学出版社，2006.3.都健．化工过程分析与综合．大连：大连理工大学出版社，2009.一、本课程在课程体系中的定位培养学生应用系统工程的观点和方法研究化工过程系统模拟、分析、优化和合成的基本能力。
二、教学目标1.培养学生的工程意识。
2.培养学生从系统工程的角度分析问题和解决问题的基本能力。
3.培养学生应用系统工程的观点和方法研究化工过程系统模拟、分析、优化和合成的基本能力。
三、教学效果通过本课程的学习，学生可具备：1.掌握化工工程分析和合成的基本概念和基本内容。
2.掌握化工过程系统模拟与分析的基本原理和方法。
3.掌握化工过程系统优化与合成的系统工程方法。
4.了解理论知识与工程实际的联系，培养学生的工程意识。
5.从系统工程的角度分析问题和解决问题的基本能力。
6.应用系统工程的观点和方法研究化工过程系统模拟、分析、优化和合成的基本能力。
四、教学内容与教学效果对照表五、教学内容和基本要求第1章绪论教学内容：化工过程；化工过程生产操作控制；化工过程的分析与合成；化工过程模拟系统；化工企业CIPS技术；人工智能技术在化工过程中的应用。
教学要求：了解化工过程生产操作控制；掌握化工过程分析与合成的基本概念及主要研究内容；了解化工企业CIPS技术；了解人工智能技术在化工过程中的应用。
化工过程分析与合成一、选择题1.下列不属于化工过程的部分的是（A）A物理反应B原料制备C化学反应D产品分离2.化工过程中的化学反应不包括（B）A氧化B吸收C还原D磺化3.化工过程中的物理加工不包括（C）A加热B冷凝C硝化D精米4・个不是均一体系气相分离的过程？（C）A.吸收B. B.吸附C.C气提D.D膜分离5.化工过程系统的合成包括反应路径合成、分离序列的合成、过程控制系统的合成和（C）A.反应控制系统B.过程流程系统C.换热网络合成D.换热网络系统6.哪个不是模拟计算求解方法？（D）A.SMMB.联立模块法C.EOMD.序列模块法7.下列哪一项不是对均一系物料的液相分离的方法。
（D）A.蒸馈8.蒸发C.膜分离D.吸收9.以下哪项不是构成化工过程生产工艺流程中最重要的单元过程。
（C）A.换热过程B.分离过程C.制备过程D.化学反应过程10模拟计算求解的方法不包括（B）。
A.序贯模块法B.结构参数法C.面向方程法D.联立模块法11.重质油催化剂裂化制轻质油的反应过程是（B）。
A脱氢过程B裂化反应C热裂解反应过程D催化过程12.乙苯脱氧制苯乙烯的反应过程是（A）。
A脱氢反应B制苯乙烯C裂解反应过程D催化过程13.对均一系物料的气相分离，可采用（A）。
A吸附吸收B汽提C蒸发D萃取14.搅拌器罐体长径比对夹套传热有显著影响，容积一定时长径比越大，则夹套的传热面积（A）oA.越大B.越小C.不变D.以上答案均不对15.与填料密封相比，机械密封的（A）大约为填料密封的百分之一。
A.泄漏率B.密封性C.磨损率D.使用率16.塔设备设计中最需要设置地脚螺栓的工况是（A）。
A.空塔检修B.水压试验C.满负荷操作D.其它17.以下哪个不是生产方法选择的原则（D）A.先进性B.可靠性C.合理性D.系统性18.在化工设计过程中，下面的哪个步骤不需要主管部门批准（C）。
A.编制项目建议书B.可行性研究报告C.施工图设计，提出预算D.扩大初步设计，提出总概算19.不是间歇过程的特点的是（B）eA.生产灵活性高；B.易实现自动化；C.适合有固相的物流；D.适合生产季节性产品20.天然气中的主要成分（B）AMB甲烷C氨气D氮气21.对均一系物料的气相分离可以采用（A）A吸附吸收B汽提C蒸发D萃取22.重质油催化剂裂化制轻质油的反应过程是（B）A脱氢过程B裂化过程C热裂解反应过程D催化过程23.模拟计算求解的方法不包括（A）A.计算方程法B.序贯模块法C.面向方程法D.联立模块法24.若（B）,自由度等于决策变量数rA.1>1BJ=OCK1D.0<1<125.过程系统优化问题不包括（C）A.参数优化B.结构优化C.操作优化D.管理优化26.下列不属于对模型根据对过程系统中状态变量分布特征的不同描述方式进行分类的是（C）A、集中参数模型B、分布参数模型C、确定性模型D、多级集中参数模型27.自由度为：d=决策变量数•等式设计约束方程数=r・1,若（B）,是最优化问题有解的必要条件之一。
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（二）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。
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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。
⎩⎨⎧=⎩⎨⎧=i j 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,1,0,1,0Upadyhe－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。
