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第1章 化工系统分析与合成导论1

【本章导读】1

1.1 系统与化工系统1

1.1.1 系统1

1.1.2 化工系统2

1.1.3 系统的特性4

1.2 化工系统分析10

1.2.1 基本定义10

1.2.2 化工系统分析含义11

1.2.3 化工系统分析具体案例11

1.3 化工系统合成20

1.3.1 化工系统合成定义20

1.3.2 化工系统合成多重同心圆概念21

1.3.3 化工系统合成关键23

1.3.4 化工系统合成具体案例25

1.4 化工系统模拟与模型33

1.4.1 模拟法33

1.4.2 常用模拟软件34

1.5 化工系统优化35

1.5.1 优化的重要性35

1.5.2 基本的优化模型35

1.5.3 系统优化需要的知识支撑37

本章小结及提点38

习题38

第2章 化工过程系统模型化40

【本章导读】40

2.1 化工单元模型分类及简化40

2.1.1 模型分类40

2.1.2 模型的简化49

2.1.3 模型参数51

2.1.4 模型建立的步骤51

2.2 常见化工单元数学模型56

2.2.1 混合过程建模56

2.2.2 气体压缩过程建模59

2.2.3 气体膨胀过程建模62

2.2.4 液体加压过程建模64

2.2.5 分割过程建模64

2.2.6 管路压降过程建模65

2.2.7 闪蒸过程建模66

2.2.8 蒸馏过程建模69

2.2.9 换热过程建模71

2.2.10 间歇蒸馏过程建模72

2.3 化工过程系统结构模型73

2.3.1 有向图73

2.3.2 过程矩阵（Process Matrix）RP74

2.3.3 关联矩阵（Incidence Matrix）RI75

2.3.4 邻接矩阵（Adjacency Matrix）RA76

2.3.5 联结表77

本章小结及提点82

习题82

第3章 化工系统模拟方法及策略85

【本章导读】85

3.1 化工单元模拟85

3.1.1 基本物性计算85

3.1.2 线性方程组计算94

3.1.3 非线性方程计算96

3.1.4 常微分方程计算104

3.1.5 偏微分方程计算110

3.2 序贯模块法113

3.2.1 无循环物流系统114

3.2.2 有循环物流系统115

3.2.3 三种类型的流程模拟116

3.3 联立方程法118

3.4 联立模块法119

3.5 化工系统的分解122

3.5.1 系统分隔123

3.5.2 系统的切断126

3.6 设计（独立）变量的选择130

3.6.1 问题的提出130

3.6.2 拓扑双层图131

3.7 大型方程组的分解策略133

3.7.1 指定方程组每一方程的输出变量135

3.7.2 利用方程组输出变量集，绘制方程组信息有向图135

3.7.3 利用邻接矩阵分隔系统的方法，找出方程组信息图中的回路，确定方程组分解策略136

本章小结及提点138

习题138

第4章 化工过程系统优化基础140

【本章导读】140

4.1 化工过程系统优化概述140

4.1.1 优化问题的性质140

4.1.2 常见的化工优化问题141

4.1.3 化工优化问题的一般数学模型142

4.1.4 化工优化问题的基本方法144

4.2 优化的数学基础144

4.2.1 凸集145

4.2.2 凸函数145

4.2.3 单变量函数的极值情况145

4.2.4 多变量函数的极值情况147

4.2.5 函数最优解的最后确定149

4.3 无约束函数优化150

4.3.1 单变量函数优化150

4.3.2 多变量函数优化157

4.4 线性及混合整数规划165

4.4.1 线性规划165

4.4.2 混合整数规划177

4.5 非线性规划178

4.5.1 消元法180

4.5.2 拉格朗日乘子法（Lagrange Multiplier Method）181

4.5.3 罚函数法（Penalty Function Method）184

4.5.4 逐次线性规划（Successive Linear Programming）186

4.5.5 逐次二次规划（Sequential Quadratic Programming）186

4.5.6 非线性规划问题matlab求解策略187

4.6 动态规划（Dynamic Programming）188

4.6.1 动态规划基本概念188

4.6.2 动态规划的优化原理190

4.6.3 多级错流系统优化192

本章小结及提点196

习题196

第5章 典型化工单元及过程模拟及优化案例199

【本章导读】199

5.1 换热过程模拟及优化199

5.1.1 套管式换热器动态模拟199

5.1.2 单个换热器面积优化203

5.1.3 串联换热器优化208

5.2 流体输送管径优化211

5.2.1 问题的提出211

5.2.2 优化模型的建立212

5.2.3 优化求解213

5.3 保温层优化215

5.4 多效蒸发优化217

5.4.1 问题的提出217

5.4.2 优化模型的建立217

5.4.3 优化分析218

5.5 反应精馏塔双回流比优化219

5.5.1 问题的提出219

5.5.2 优化模型建立220

5.5.3 结果分析223

5.6 石油产品运输调度优化224

5.6.1 问题的提出224

5.6.2 模型的建立224

5.6.3 实例求解225

5.7 生产过程最优选择226

5.7.1 问题的提出226

5.7.2 模型的建立227

5.7.3 优化求解及灵敏度分析227

5.8 生产配置优化228

5.8.1 问题的提出228

5.8.2 模型的建立229

5.8.3 优化求解及分析229

5.9 锅炉发电系统优化231

5.9.1 问题的提出231

5.9.2 模型的建立232

5.9.3 模型求解233

5.9.4 灵敏度分析235

5.10 管式反应器最优温度分布236

5.10.1 问题的提出236

5.10.2 模型的建立236

5.10.3 优化求解237

5.10.4 结果分析239

5.11 串联反应器最佳空时分析241

5.11.1 问题的提出241

5.11.2 模型的建立241

5.11.3 模型的求解242

5.12 平行理想催化反应模拟及优化分析243

5.12.1 问题的提出243

5.12.2 模型的建立244

5.12.3 模型的计算245

本章小结及提点246

习题246

第6章 化工过程合成技术及优化249

【本章导读】249

6.1 合成策略249

6.2 反应过程合成253

6.2.1 原料的选择253

6.2.2 反应路径的选择255

6.2.3 反应器类型的选择256

6.2.4 反应器系统结构的选择258

6.2.5 反应操作及化学组分分配试探规则260

6.2.6 独立反应数确定260

6.3 分离序列合成262

6.3.1 分离方法简介262

6.3.2 分离方法选择266

6.3.3 精馏分离的几个基本概念268

6.3.4 精馏分离的经验规则及应用270

6.3.5 最小总气相负荷确定法272

6.4 换热网络合成277

6.4.1 换热网络合成几个基本概念277

6.4.2 TH（温焓）图和组合曲线279

6.4.3 挟点的确定280

6.4.4 无挟点“门槛”问题284

6.4.5 换热网络设计284

6.4.6 节能与投资的优化288

本章小结及提点289

习题289

第7章 化工过程节能技术分析与评价291

【本章导读】291

7.1 化工节能概述291

7.1.1 能源概述291

7.1.2 节能定义293

7.1.3 化工节能方法与准则295

7.1.4 化工节能工作中的几个基本概念298

7.2 化工节能技术经济评价302

7.2.1 节能技术经济评价303

7.2.2 化工节能技术生命周期评价308

7.3 化工通用节能设备与技术分析311

7.3.1 锅炉节能技术311

7.3.2 换热器节能技术315

7.3.3 泵和风机节能技术317

7.3.4 热泵节能技术322

7.3.5 热管节能技术323

7.4 强化传热节能技术326

7.5 精馏过程节能技术332

7.5.1 热泵精馏技术332

7.5.2 内部热集成节能技术334

7.6 能源管理体系简介339

7.7 能源审计简介340

7.8 固定资产投资节能评估简介340

本章小结及提点341

习题341

参考文献342