化工过程分析与合成第7章换热网络合成1

化工过程分析与合成考点1、什么叫过程:(1）客观事物从一个状态到另一个状态的转移。

【过程】（2）在工艺生产上，对物料流进行物理或化学的加工工艺称作过程工艺.【过程工艺】（3)以天然物料为原料经过物理或化学的加工制成产品的过程.【化工过程↓↓↓】原料制备【↓↓↓包括】化学反应产品分离（4)由被处理的物料流联接起来,构成化工过程生产工艺流程。

【单元过程】化学反应过程(5）【↓↓↓最重要的单元过程】换热过程分离过程输送过程催化反应过程(6）【↓↓↓化学反应过程举例】热裂解反应过程电解质溶液离子反应过程生化反应过程分散控制（7）【↓↓↓过程控制技术发展历程】计算机集中控制集散控制（我国多）现场总线控制第二章、化工过程系统稳态模拟与分析直接迭代法知识点框架回路搜索法其他零散知识点【↓↓模块】模型和算法，一是要建模，二是这个模型的算法，两者组一起才能算作模块。

【↓↓单元模型类型】理论模型、经验模型、半经验模型。

【↓↓↓什么叫稳态（化工过程稳态模拟）】各个工艺参数状态量不随时间而发生变化的叫做稳态。

【↓↓↓什么叫模拟】对过程系统模型进行求解就叫模拟。

【↓↓↓过程系统模拟可以解决哪些问题（会画图)】(1）过程系统模拟分析问题；(2）过程系统设计问题；（3）过程系统参数优化问题.1）过程系统模拟分析问题:已知决策变量输入,已知过程参数，求输出，是一个正向求解问题，最简单的模型.2）过程系统设计问题:已知输出设计结果，已知过程参数，求决策变量输入；看起来是已知输出求输入，实际上是假设输入猜值去计算输出与已知输出进行比较再调整猜值进行计算。

只能单项求解,从左到右3)过程系统参数优化问题：过程系统模型与最优化模型联立求解，得到一组使工况目标函数最佳的决策变量，从而实施最佳工况。

【↓↓↓过程系统模拟三种基本方法,及其优缺点】（1）序贯模块法（不适于解算设计、优化问题,只适于模拟问题）（2）面向方程法（3）联立模块法（同时有（1）、(2）的优点）方法含义优点缺点序贯模块法【↓↓↓↓↓】从系统入口物流开始,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。

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。

名词解释1.夹点的意义〔夹点处，系统的传热温差最小〔等于Tmin〕，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，是过程某些指标到达优化。

〕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：反响路径合成；换热网络合成；别离序列合成；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〕过程控制系统合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，那么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，如强烈搅拌的反响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5.和化工过程操作。

6.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、7.试判断图a中换热匹配可行性3,4。

1和,。

2,在夹点分析中，为保证过程系统具有最大热回收，应遵循三条根本原那么：防止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。

判断：1.自由度数只与过程系统有关。

〔Y〕2.换热网络的夹点设计，要尽量防止物流穿过夹点。

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。

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。

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，由已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。

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。

（完整版）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。

。

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。

一、填空题1.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：( ) ( ) ( )二、判断正误，并用1—2句话说明原因1．间歇过程的瓶颈问题很容易就能找到，因此，只需要对给定的设备加工顺序进行排序，就可以得到最优的操作方案了。

（错）P1772．对于存在三个加工设备的间歇过程，是无法通过Johnson规则来求解的。

（错）P199三、简答题，列出详细步骤，不需要具体求解对于一个复杂的、有多个反馈回路的化工过程，采用序贯模块法进行求解时，应当如何进行计算？通过回路矩阵或其他方法，找出全部回路用回路搜索法，找出最优断裂族为各断裂流股设定初值建立各单元的模型，利用模型序贯的求解（即将前一单元的出口物流作为后一单元的入口参数），循环计算，求出断裂流股的计算值比较所求得的断裂流股的计算值，并与上一次的值比较，如果小于所设定的误差，迭代结束，否则，重复步骤4，直至收敛. 有必要的时候，可以采用各种收敛算法，也包括改变初始猜值。

A、分别用序贯模块法、联立方程法、联立模块法来求解该问题，请用文字列出详细的求解步骤（要求用1，2，3，4….分开段落，不要用整段文字）说明所建立的模型中包含哪些方程？发酵反应方程可以用y=f(x)的形式表示，即，不必给出明确的函数关系，仅说明哪些是自变量，哪些是因变量即可。

其他方程均需明确表示。

不考虑热量或能量的平衡。

假设过滤器可以一直在定常态操作，且滤液中不含任何谷物W1+W6=W2一、基本概念（1）名词解释夹点的意义（夹点处，系统的传热温差最小（等于ΔT min ），系统用能瓶颈位置。