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化工过程分析与合成UOM Introduction

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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(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（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。

化工过程分析与合成-第二版

化工过程分析与合成-第二版
化工过程分析与合成
Analysis and Synthesis of Chemical Process
第二章 化工过程系统稳态模拟与分析
Chapter2 Steady-state Simulation and Analysis of CPS
2-I


[学习目的] 掌握图的分隔、切断和排序； 掌握序贯模块法、联立方程法、联立模块法及其不同点； 了解图论的基本概念； 了解图的数学表达； 了解常见的经典序贯模块方法。
S6
S5 S1 e1 e2 S4 S 7 S3 S2 e3 e4
子图 S5 e2
S6 S4 S2 e3 S7 ,e1,e4
C、几种重要的子图
路：图中任意两个节点之间，由其它节点和相互顺序连接的 边构成的交替序列。 通路：两节点间按有向边方向与其它节点连接的点、边交替序列。 回路：起始节点与终止节点为同一节点的通路，即封闭的通路。
[学习重点与难点] 图的分隔、切断及排序方法； 序贯模块法、联立方程法、联立模块法。
例 发酵液的分离问题
例 1 发酵液流率=50 kg/min，其中含97%(wt)的水和3%(wt) 的乙醇。 建立蒸发器的模型：计算产品和废液的总流率，同时计算产 品和废液中水和乙醇的流率。
物料衡算关系: F1= F2+ F3 组分衡算关系: F1x1= F2x2+ F3x3
在一个图中，若两个点由一条边连接起来，则称为邻 接点。 若用图来表示化工过程系统的网络结构，则单元过程为 图中的结点，而这些单元过程之间的物料流、能量流等 信号流即为图中的有向边，故可用有向图来描述相应过 程系统的结构，然后通过图论的方法来研究过程系统的 结构特性。
在有向图中，射入一个结点的边的数目称为该结点的入度， 由一个结点射出的边数称为该结点的出度，而结点的入度 和出度之和为该结点的度数。 如一个系统可以分解成子系统，则所对应的图可以分解为子图。

化工过程分析与合成第四章过程系统最优化第一、二节(参

化工过程分析与合成第四章过程系统最优化第一、二节(参

费用最低（原料、生产费用最低）
技术性能最优（如，产品的收率提高，生产能力的提高等）
二.优化方法的分类
1. 解析法（间接法）
是用数学分析的方法间接地求出最优解。即：
必 要 条
∂ f (x1*, x2*) =0 ∂ x1
件
∂ f (x1*, x2*) =0
∂ x2
X* = ( x1* , x2* )T
S(x) = 0
当 n > m 时，模型有无穷多个解，其中必然有一个解对 应的函数值最小，这个解即为最优解。
d ＝ n －m
● d >0 时，系统有无穷多个解，存在寻 优问题；
● d ＝0 时，系统只有唯一解，不存在 寻优问题；
● d < 0 时，系统无解，
d>0
● 当d较大时，那么可任意变动的变量就多，相 应求得的解就多，增加了优化的难度。
◆ 状态方程 ── 是反映过程系统客观规律的各种平衡式，关 系式等。
状态方程的一般形式为：
S(x) = 0
x ＝ （x1 ， x2 ，…， xn ）T
S(x) = [ S1(x) , S2(x) , … , Sm(x) ]T
◆ 状态变量、决策变量和系统自由度
状态变量 ─ 是非独立变量，其值决定于状态方
类 动态最优化问题
指目标函数的自变量是时间 t 的函数；
静
态
无约束问题
最
优
化
有约束问题
无 约
◆ 单变量优化问题 ── 一元函数的极值问题；
束
问
题 ◆ 多变量优化问题 ── 多元函数的极值问题；
◆ 线性规划问题
有
指目标函数和所有的约束函数均为线性
约

化工过程分析与合成7PPT课件

化工过程分析与合成7PPT课件
第七章 换热网络合成
2021/7/24
1
7.1 化工生产流程中换热网络的 作用和意义
• 换热是化工生产不可缺少的单元操作过程。
• 对于一个含有换热物流的工艺流程，将其中 的换热物流提取出来，组成了换热网络系统
• 其中被加热的物流称为冷物流，被冷却的物 流称为热物流。
2021/7/24
2
• 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。
• 可以把热量从高温区间内的任何一股热物流 传给低温区间内的任何一股冷物流。
• 热量不能从低温区间的热物流向高温区间的 冷物流传递。
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13
例7-1 最小允许温差△Tmin为10 ℃，
划分温度区间
* 将热物股的初、终温度分别减去△Tmin后，
与冷物流的初、终温度一起排序，得到 温度区间的端点温度值
温区的输入热量，重新计算。
• 如果上一步计算得到的Ｑi均为正值，则这
步计算是不必要的
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19
例7-2:利用例7-1中的数据，计算该系统所需的
最小公用工程消耗。假设热公用工程为蒸汽，冷
公用工程为冷却水，它们的品位及负荷足以满足 物流的使用
• 解：按问题表计算步骤，得到的问题表7-2
列
1
• 通过确定物流间的匹配关系，使所有的物流均 达到它们的目标温度，同时使装置成本、公用
工程（外部加热和冷却介质）消耗成本最少。
2021/7/24
5
7.2.2 换热网络合成的研究
• Hohmann的开创性工作。
在温焓图上进行过程物流的热复合，找到了 换热网络的能量最优解，即最小公用消耗；
提出了换热网络最少换热单元数的计算公式。 意义在于从理论上导出了换热网络的两个理

化工过程系统分析与合成 5 化工过程系统优化

化工过程系统分析与合成 5 化工过程系统优化

5.2.3 化工过程系统最优化方法的分类
最优化问题的机理模型通常为一套描述主 过程特性的方程组，需要特殊的最优化方法 进行求解。 求解最优化问题的方法很多，大致有如下 几种分类原则： （1）无约束优化与有约束最优化 （2）线性规划与非线性规划 （3）单维最优化和多维最优化 （5）解析法与数值法 （5）可行路径法和不可行路径法
如精馏塔的回流比的选择，R=（1.5～2.0） Rmin，就是最优化的经验结果。回流比太大， 则热能消耗过多；回流比太小，则塔设备的 板数太多；在实际生产中不断调节反应器的 温度、压力以保证原料的转化率最大；确定 冷、热物流的匹配方式，以便充分利用系统 内部热量，降低公用工程消耗。 前两者属于参数优化问题，第三种属于结 构优化问题。
a(x)≥b(x) 相当于a(x)- b(x)≥0
a(x)≤0 相当于- a(x)≥0
最优化问题的基本要素
（1）目标函数
又称性能函数、评价函数。 所谓“最优化”就要求确定一个评比优 劣的指标。两组不同的决策变量值，哪一 组好？哪一组差？要看它们使这个指标达 到多少为评比标准。 我们的目标就是要找到决策变量使得这 个指标达到最大或最小时之值。
（1）无约束优化与有约束最优化
在寻求使目标函数达到最优的决策时，如果对于 决策变量及状态变量无任何附加限制，则称为无约 束最优化。此时问题的最优解就是目标函数的极值。 这类问题比较简单，其求解方法是最优化技术的基 础。 在建立最优化模型方程时，若直接或间接的对决 策变量施以某种限制，则称为有约束最优化。其中 又可分为等式约束最优化和不等式约束最优化。通 常求解有约束最优化模型的方法是通过把有约束最 优化问题转化成无约束最优化模型进行求解。
由于机理模型的约束方程是通过分析过程的物理化学本质和机理利用化学工程学的基本理论如质量守恒能量守恒化学反应动力学等基本规律建立的一套描述过程特性的数学模型及边界条件因此其形式往往比较复杂一般具有大型稀疏性特点需要用特殊的最优化方法进行求解求解方法选择不当会影响优化迭代计算速度

化工过程分析与合成作业

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。

化工过程分析与合成1

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。

化工过程分析与合成(课堂PPT)

单元2
2 (3) (29) (9)
(664) (4)
3
单元3
(32)
单元3 7 (72)
(2)
单元4
单元4
(2)
流股序号
（权重因子）Wf
图2-13 不可分隔子系统
流股序号
1234567 （权重因子）Wf
A 0 图12-13 0不可分1隔子系0统 0 0 B 1 1 0 0 1 0 0 C 1 1 1 0 0 1 0 D 0 1 1 0 0 0 1
ss11,,ss44,s7,s11""
s1,s44,,ss77
{{ss2}
s2
{{ss3,s4,ss55}} s3
{{ss4,s5,,ss66,,ss77}}
s5,s66
{{ss1,s4,ss77}}
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非多余断裂族:
{S2}
9
{S1，S4，S7} 2+3+2＝7
{S3，S4，S5} 2+3+3＝8
19
序贯模块法的求解与过程系统的结构是有关的。 具有反馈联结的系统（不可分割子系统），需要用到 断裂（Tearing）和收敛（Convergence）技术
20
收敛模块
具有反馈的系图统2-与9 收具敛有单反元馈的系统与收敛单元
21
• 通过断裂技术可以打开回路，以便采用 序贯模块法进行求解。在断裂物流处设 置一个收敛单元。
26
• 由于系统中各物流及其变量特性的不同， 在收敛计算上常是有很大差异的。
• 如何选择断裂物流、确定迭代序列，是 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。
27
（2）断裂方法的研究
六十年代初，Rubin就提出了断裂的思想 判断最佳断裂的准则分为四类

化工过程分析与合成4


人工智能技术
人工智能技术推动了过程系统模型描述和性能模 拟方法的进步。 突出反映在人工神经网络技术在过程系统性能模 拟方面的应用。 对信息的处理响应速度快，自适应性强，具有自 学习能力等，在过程系统动态模拟与控制方面有 独特的优势
3.1.3 确定性动态模型的数学处理
正问题—模型方程组的求解 逆问题—模型参数的估计 过程系统的定性分析
弱点:不能或者可以略作小范围的外推
确定性模型（机理模型）
通过对系统或者系统内某个微元，列出质量、能量 和动量守恒关系式，系统（或微元）内外质量、能量 和动量交换速率系数计算式，相关的相平衡关系，化 学反应速率表达式和化学反应平衡常数计算式。
处理的是更一般的情况，模型普遍适用性更强。
化工过程系统确定性动态模型的数学表达形式
仅对几个着眼组分写出质量守恒式（3－20）, 减少模型涉及的常微分方程的个数。
其它非着眼组分的浓度，可以利用“在化学反 应过程中，所涉及的每一种元素的总原子数守 恒”这一化学计量学基本原理，通过相应的代 数方程（组）来推算。
3.2.2 模型的数学处理与应用（Ⅰ）
上述动态数学模型的正问题在计算数学上是典 型的常微分方程组的初值问题，通常可以利用 龙格－库塔法（R-K），基尔（Gear）法等通 用程序来求数值解。
其中u、u0 分别代表任一时刻和起始时刻的状态向量， μ代表未知而且待估计的参数向量。
模型参数估计就是为了确定参数向量µ的最优值，使限 制下的解最大限度地逼近已采集到的状态变量在不同
时刻的离散数据。
NM
Min F
i
(uid, j uic, j )2 f ( )
j
其中 F称为最优化的目标函数，或评价函数。 udi,j代表第i个状态变量在j时刻的采集数据。 uci,j代表第i个状态变量在j时刻的模型计算值，即在

化工过程分析与合成第四章 化工过程系统的优化


自由度为：d = 变量数 - 方程数 = (r+m+s) - (m+s+l) =r-l
自由度为：d = 变量数-方程数 = r-l 即:自由度d = 决策变量数r - 等式设计约束方程数l 若 l = 0，自由度等于决策变量数 r； 若 r = l，自由度等于0，此时最优化问题的解是唯一的; 若 l > r，则最优化问题无解； 若 l < r，是最优化问题有解的必要条件之一。
程系统最优化问题是在可行域内寻
求使目标函数达到最小值的一个点。这
样的点称为最优化问题的最优解。
过程系统优化问题可以表示成： min F(w,x) s.t.: f(w,x,z)=0;c(w,x,z)=0;h(w,x)=0; g(w,x)>=0
r维+ m维+ s维
m维 + s维 + l维
变量数 等式约束方程数
4.2 化工过程系统优化问题基本概念 4.2.1 最优化问题的数学描述 问题的提出及数学模型： A、优化的目标是什么？ B、哪些变量/参数与优化目标关系密切？确定决策变量； 原则：与目标关系大、灵敏；生产上可调；尽可能少 C、系统优化问题的数学描述如何进行？ D、如何求解描述系统的优化数学模型？
x1 0
三边所围成的区域，最优解只能是可行域内与点（3，2） 距离最近的点(2,1)
4.2.2 最优化问题的建模方法 一、机理模型
对于过程机理清楚的问题，一般采用机理模型进行优化，其
优点是结果比较精确。 分析过程的物理及化学本质和机理，利用化学工程学的基本 理论建立起来的一套描述过程特性的数学模型和边界条件.
数值法又称为直接最优化方法，或优选法。
利用函数在某一局部区域的性质或一些已知点的数值，逐步 搜索、逼近，最后达到最优点。不要求目标函数为各种变量 的显式表达式。
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Chemical Engineering at the University of Manchester
Nan Zhang Centre for Process Integration School of Chemical Engineering and Analytical Science 10 June 2015


University of Manchester
• Established in 1824, now Britain’s largest university • England’s first civic university in the world’s first industrial city at the birth of the modern world • 25 Nobel Prize Winners • Birthplace of the nuclear age, when Ernest Rutherford's pioneering research led to the splitting of the atom. • The computer revolution started here in 1948 when a machine built by Tom Kilburn and Sir Freddie Williams, known as 'The Baby', ran its first stored programme.
Centre for Process Integration


Latest Ranking
• UK Official RAE ranking: 6 • Top 8 in the UK in all three recognized world university rankings • 2013/14 QS world university ranking: 33 • 2013/14 QS world university ranking for employers choice: 9 • 2014 SJTU world university research power ranking: 38 • 2013/14 Top employers choice world university ranking: UK No. 2


Why Manchester?
• Distinguished history at the birthplace of the subject as an academic discipline Here George Davis delivered the first series of lectures on the subject in 1887 and published the first-ever chemical engineering book Reputation as a world leader in industrially related research and teaching • Range of prestigious scholarships, reflecting the popularity of our graduates in the industry • A step towards a career chemical engineering – rated as the second highest paid graduate job in a poll by the Times newspaper


The Centre for Process Integration
1984 1986
Research Consortium established 6 companies Centre for Process Integration established within UMIST Department of Trade and Industry 1st Prize for technology transfer
1995 1996 Now
IEA Treaty on Process Integration UN Workshop at UMIST 7 academic staff, 25 PhDs, and 34 MScs
Centre for Process Integration


What is Process Integration?


A Modern Chemical Plant
Should be an efficient integrated system
Centre for Process Integration


How do we put the jigsaw together?
The Role of Process Integration
Centre for Process Integration


The Centre for Process Integration
The birthplace of: • Heat integration pinch analysis • Site utility pinch analysis • Water pinch analysis • Hydrogen pinch analysis
Centre for Process Integration


Current Research Areas
Efficient Use of Raw Materials
$ Design and optimisation of chemical reactors $ Crystallisation processes $ Reaction-separation systems $ Reactive distillation $ Hydrogen integration in refining $ Fuel cells in industrial utility systems $ Molecular modelling of refinery processes $ Integrated refinery heavy-end processes
Energy Efficiency
$ Distillation system design $ Design and retrofit of refinery distillation $ Azeotropic distillation $ Absorption sytems $ Cogeneration and site utility systems $ Driver selection, design and optimization $ Cooling water systems $ Sub-ambient systems and low temperature separation $ Design of heat exchanger networks $ Fouling in heat exchanger networks $ Plate-fin heat exchanger networks
Emissions Reduction
$ Water and wastewater minimisation $ Distributed effluent treatment $ Simultaneous energy and water minimisation $ Decarbonised energy production $ Biomass for production of energy and chmicals $ Flue gas emissions
Process Operations
$ Refinery optimisation $ Refinery scheduling $ Operability of site utility systems $ Reliability, avaliabliity and maintainability $ Batch processing and scheduling

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