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化工过程分析及其合成概述化工过程分析是指对化工过程进行系统的分析和评估，以确定其优化和改进的方法。
通过分析化工过程，可以找出其中的问题和不足，并设计合成方法，实现对化工过程的优化。
合成是化学领域中的一项重要技术，在化工过程中广泛应用。
合成过程涉及对原始材料进行化学反应，从而合成所需的化合物。
化工过程分析和合成的关系密切，通过对化工过程进行分析，可以确定合成方法的可行性和优化方案。
本文将介绍化工过程分析的基本概念和方法，并讨论合成过程在化工过程中的应用。
在此基础上，将探讨化工过程分析和合成的关系，以及如何通过分析来优化合成过程。
化工过程分析化工过程分析是对化工过程进行系统分析和评估的过程。
该过程包括以下几个主要步骤：1.数据收集：收集化工过程中涉及的各种数据，包括原始材料的性质、反应条件、产物的性质等。
这些数据是进行分析和评估的基础。
2.数据处理：对收集到的数据进行处理和整理，以便后续分析。
数据处理包括数据清洗、数据转换和数据统计等。
3.问题识别：根据收集到的数据和分析结果，识别化工过程中存在的问题和不足。
问题可能涉及反应效率低、产物纯度不高、操作困难等方面。
4.原因分析：对已识别的问题进行深入分析，找出问题的具体原因和根本原因。
原因分析可以采用各种方法，如物理模拟、数学模型和实验研究等。
5.优化方案设计：根据原因分析的结果，设计合理的优化方案。
优化方案应综合考虑经济性、可行性和安全性等因素。
6.方案实施与评估：对设计的优化方案进行实施，并进行评估和验证。
评估结果可以作为进一步改进和优化的依据。
化工过程分析的目标是找出问题和不足，并提出解决方案，从而优化化工过程。
通过分析，可以提高反应效率、改善产物质量、减少能源消耗等。
合成过程在化工中的应用合成是一种将原始材料转化为所需产品的过程。
在化工领域，合成广泛应用于各种化学反应和合成化合物的过程中。
1.有机合成：有机合成是化工中最常见的合成过程之一。
它涉及将无机或有机原料转化为有机化合物的过程。
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复习一、基本概念（1）名词解释1、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）2、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）3、过程系统合成（P5）4、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。
）5、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）；）6、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）7、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。
）二、判断以下问题是非（N，Y）• 1.自由度数只与过程系统有关。
（Y ）• 2.换热网络的夹点设计，要尽量避免物流穿过夹点。
（N ）• 3.在换热夹点分析中，没有物流穿过夹点，就无热流量穿过夹点。
（N ）• 4.在夹点上方尽量避免引入冷物流，夹点下方尽量避免引入热物流（N ）• 5.穿过夹点热流量为零，则夹点处传热量为零（N ）• 6.夹点上方热流股数NH.>NC，热流股总热负荷QH<QC，不能实现夹点匹配( N ) •7.精馏塔跨过夹点，则塔底要用热公用工程，塔顶要用冷公用工程。
（Y ）•8. 对于冷热流股换热系统，传热量一定的前提下，传热温差愈小，过程不可逆程度愈小，有效能损失愈小，但要求较大的热交换面积。
(Y)•9. 利用能量松弛方法对换热器网络的调优，并不影响冷热公用工程负荷。
(N)•10. 热物流穿过换热网络的夹点，必有热流量穿过夹点。
(N)•11. 热物流在夹点上方,冷物流在夹点下方。
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。
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：化工过程系统分析主要是分析化工过程的运行机理、影响因素、过程模型的数学描述、目标函数的建立以及优先工况下的最佳运行参数；目标是使决策方案在技术上先进、可行、经济上优越、合理。
操作条件分析通常被称为生产操作优化。
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.顺序模块法的基本思想：从流程的第一个单元设备开始，即调用该单元对应的单元模块，根据已知的输入和参数计算输出流变量，输出变量为下一个单元的输入，然后依次调用每个单元模块，直到流程的最后一个单元模块，工艺系统优化（实现工艺系统的优化运行，包括结构优化和参数优化）可用于管理、工艺设计、设备规范和车间操作。
2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。
3参数优化：对于一确定的过程系统，对其中的操作参数进行优选，以使某些指标达到最优。
（最终目的是以最小的投入获得最大的收益）它的三个核心部分是确定最优目标、调优因素的分析、统计模型的建立。
热交换网络1热交换网络的功能：热交换是化工过程中不可缺少的单元操作过程。
换热器和换热物流形成了一个换热网络。
为了使温度满足工艺要求，回收工艺废热，降低公用工程消耗（换热装置数量、换热面积和公用工程消耗）。
意义：确定换热物流的合理匹配模式，以最低的消耗成本获得最大的能源利用率。
3.化工过程系统综合包括：反应路径综合、换热网络综合、分离序列综合和过程控制系统综合；此类优化问题往往具有非线性、奇异性、约束性、多极性等特点。
模拟退火和进化算法。
4稳态模拟：描述过程对象的模型不包括时间参数。
动态模拟一般包括：启动、停车和事故处理。
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。
化工过程分析与合成考点(完美版)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。
依次逐个各个单元，最终得出状态变量值。
与实际过程的直观联系强；模拟系统软件的建立、维护和扩充都很方便，易于通用化。
计算出错时易于诊断出错位置。
计算效率低，尤其是解决设计和优化问题的计算效率更低。
面向方程法（大概意思）把描述过程系统的所有数学模型汇集到一起，形成一个非线性方程组求解。
解算快模拟型计算与设计型计算一样适合最优化计算，效率高；便于与动态模拟联合实现要求给定较好的初值，否则可能得不到解。
计算失败后诊断错误所在困难，形成通用化程序困难，难以继承已有单元操作模块。
联立模块法（大概意思）将过程系统的近似模型方程与单元模块交替求解，又称双层法。
可以利用前人开发的单元操作模块；可以避免序贯模块法中的循环流迭代。
比较容易实现通用。
将严格模型做成简化模型时需要花费机时。
用简化模型来寻求优化时，其解与严格模型优化解是否一致有争论。
【↓↓↓单元模块】是依据相应过程单元的数学模型和求解算法编制而成的子程序。
具有单向性特点【↓↓↓断裂】通过迭代把高维方程组降阶为低维方程组的办法。
（1） 它适用于不可分割子系统；（2） 【↓↓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。
1) 切割流线总数最少（3）【↓↓↓↓↓断裂基本原则】 2) 切割流线所含变量数最少3) 切割流线的总权重最小 4) 环路切割的总次数最少（4）【↓简单回路】包含两个以上流股，且其中的任何单元只被通过一次。
矩阵：行→回路；列→物流。
（1）对初值的要求不高。
【↓↓↓适合于收敛单元应满足要求：】 （2）数值稳定性好 （3）收敛速度快（4）占用计算机存储空间少【↓直接迭代法（会实际方程运算 −−−−→−优化【↓↓阻尼迭代法】代数运算不给分）】【↓↓↓通式：】)()1(1k x G q k qx k x -+=+【↓↓↓分析：】q 为阻尼因子，可以人为给定q=0 直接迭代0＜q<1 加权直接迭代，可改善收敛的稳定性q<0 外推直接迭代，加速收敛，但稳定性下降 q≥1 无意义【↓↓面向方程法（适用于线性化，非线性方程组先线性化）】 【↓↓↓优缺点】降维求解法 【↓↓↓↓求解方法（填空）】联立求解法【↓↓↓降维求解法的程序步骤】（1）不相关子方程组的识别【↓↓不相关子方程组】子方程组中只含有特有的某些变量，这些变量不出现在其他子方程组中（与基本变量相似）（2）不可分解子方程组的识别（方程组的分解，确定计算范围）【↓↓↓↓↓回路搜索法（告诉有向图，会回路搜索）PPT2-02 28】输出变量的确定画有向图回路搜索邻接矩阵法（3）不可分解稀疏方程组的断裂降维解法【↓↓联立模块法】【↓↓↓优缺点】联结物流全切断方式；【↓↓↓两种切断方式】回路切断方式。
第四章、化工过程系统的优化【↓↓↓↓↓单纯形表格计算】【↓↓↓↓最优化问题包括要素（内容）】（1）目标函数（2）优化变量（3）约束条件（4）可行域【↓↓↓可行域】满足约束条件的方案集合，构成了最优化问题的可行域。
【↓↓最优解】过程系统最优化问题是在可行域中寻求使目标函数取最小值的点。
【↓↓↓↓最优化问题的建模方法】（1）机理模型（2）黑箱模型（3）混合模型【↓↓↓↓系统最优化方法的分类】（1）无约束最优化与有约束最优化（2）线性规划LP（目标函数约束条件全部都为线性函数称为线性规划，剩一个为非线性函数为非线性规划）（3）单维最优化和多维最优化（4） 解析法与数值法（5） 可行路径法与不可行路径法【↓↓↓↓↓单纯形表格】【↓↓↓↓图解法（简单，掌握）】 【↓↓↓↓↓单纯形法】【↓↓↓标准型】（1）目标函数值一定是最小值（2）约束条件中没有不等式约束，全是等式约束 （3）所有的变量全是非负条件【↓↓↓↓↓标准化方法（会画）】【↓↓↓↓单纯型表格（空表已给出，告诉典范式）】 典范形？进基变量如何选取？ 离基变量如何选取？（标准化后如果不是典范型，构造典范型） 【↓↓NLP 非线性规划】【↓↓↓拉格朗日乘子法通式】),,2,1()()(),(nx x x x mjx je j xf x Λ=∑+=λλφm j n x x x j e ,,2,10),,2,1(ΛΛ==【↓↓↓罚函数通式】m j nx x x j g j k n x x x f x F ,,2,12)],,2,1([),,2,1()(ΛΛΛ=∑+=第五章、化工生产过程操作工况调优【↓↓↓↓调优方式】 （1） 离线调优： 模型与装置分离计算数据取报表记录 调优结果指导生产（2） 在线开环调优：模型与装置相连计算数据为实时检测数据 调优结果指导生产（3） 在线闭环调优：模型与装置相连计算数据为实时检测数据调优结果直接返回控制系统第七章、换热网络合成【↓↓↓↓换热网络合成】通俗地讲就是将物流匹配在一起，充分利用热物流去加热冷物流，提高系统的热回收，以便尽可能地减少辅助加热与辅助冷却负荷。
【↓↓↓换热网络合成目的】（1） 让某一个物料从初始温度到目标温度；（一定要达成） （2） 尽可能的回收余热；（3） 尽可能的减少换热设备数。
【↓↓↓↓温度区间求夹点（会画温度区间表）】将热物流的起始温度与目标温度减去最小允许温差△Tmin ，然后与冷物流的起始、目标温度一起按从大到小排序，构成温度区间。
【↓↓↓↓会问题表法求夹点（热容流率单位，冷减热）】 记住两个公式：（1）i i i Q I D -=（每一个温度区间的净热需求等于上个温度区间的输入-温度区间的输出）（2）1i -=i Q I （下个温度区间的输入=上个温度区间的输出） （3）∑∑-+-=-=))(1(H FCp C FCp i T i T i Q i I i D （等于热容流率乘以温差）【↓↓↓↓夹点】在温度区间中，高温度区间向低温度区间传递的热量为零的点，不是接受热量为零的点（判断）对于热公用工程是260C 。
,对于冷公用工程是250C 。
物理意义：温焓图上组合曲线垂直距离最低的点。
【↓↓↓夹点的三个特性】（1） 能量特性 （2） 位置特性 （3） 传热特性【↓↓↓↓夹点设计的三原则】（1）避免夹点之上热物流与夹点之下冷物流间的匹配 （2）夹点之上禁用冷却器 （3）夹点之下禁用加热器 【↓↓↓↓匹配的可行性原则】（1） 总物流数可行性原则：夹点一侧 流入流出NN≥（2） FCp （热熔流率）可行性原则夹点一侧 流入流出FCp FCp ≥ 【↓↓↓换热网络合成中的实际问题】热物流所作线性的逼近不能高于热物流线，对冷物流所作的线性逼近不能低于冷物流线。
【↓↓↓（物流）禁止匹配与强制匹配适用范围】考虑到腐蚀、操作安全、设备布置、管线铺设、操作方便等问题，可能会禁止某些物流间的匹配或强制进行某些物流间的匹配。
老厂改造时应充分利用原有设备，就属于强制匹配。
第八章、分离塔序列的综合【↓↓↓分离序列综合的目的】选择最合理的分离方法，确定最优的分离序列，以降低其各项费用。
【↓↓↓（分离序列中）什么叫简单塔】（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； （3） 塔底采用再沸器，塔顶采用全凝器。
【↓↓↓三个计算】（1） 分离序列数：()[]∑-=--=-•=11)!1(!! 12R j R R R j R Sj S RS（2） 分离子群数：∑=+==Rj j G 121)R(R （3） 分离子问题数：∑-=+=-=1161)1)(R -R(R )(R j j R j U【↓↓↓经验规则（抽考）】（1） 优先采用使用能量分离剂，使用质量分离剂的塔后马上分离出去；只有用它可以显著增加挥发度，用它可以直接得到产品时使用质量分离剂。
（2） 高温高压分离。
（3） 元素最少的分离序列（4） 首先应移除腐蚀性和危险性的组分 （5） 相对挥发度接近于1的最后分离 （6） 首先移除含量最多的组分 （7） 等摩尔分割（8） CES （分离度系数）最大的首先分割【↓↓↓↓分离塔的最优分离序列应该如何寻找？有哪些方法？（名字知道）】（1） 穷举法 （2） 动态规划法（3） 分离度系数大的优先分离的方法 （4） 相对费用函数的方法31.0]41.273.2)1[(-∆+-=T f F【可能存在的原题，同类型题】换热网络设计步骤有哪些？（1） 先找Δt ，判断是夹点问题还是非夹点问题；（2） 如果是非加点问题，必须当Δt 大于Δt 域值的时候才能寻找最优的换热网络。
（3） 如果是夹点问题，先找最小传热温差，然后温度区间法寻找夹点；寻找夹点之后进行夹点两个可行性的匹配，如果不可行进行流股分割；匹配完了之后得到能量最优的换热网络。
