化工过程分析与合成考点(精华)

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。化工过程包括：原料制备、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。（5）【最重要的单元过程】化学反应过程、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【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。【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。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）【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。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。【断裂基本原则】1)切割流线总数最少、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【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。【适合于收敛单元应满足要求：】（1）对初值的要求不高、（2）数值稳定性好、（3）收敛速度快、（4）占用计算机存储空间少【面向方程法（适用于线性化，非线性方程组先线性化）】第四章、化工过程系统的优化【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】机理模型、黑箱模型、混合模型【系统最优化方法的分类】无约束最优化与有约束最优化、、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、单维最优化和多维最优化、解析法与数值法、可行路径法与不可行路径法【标准型】目标函数值一定是最小值、约束条件中没有不等式约束，全是等式约束、所有的变量全是非负条件第七章、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】让某一个物料从初始温度到目标温度（一定要达成）、尽可能的回收余热、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。【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】能量特性、位置特性、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FCpFCp【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】一个进料分离为两个产品、每一个组分只出现在一个产品中，即锐分离、塔底采用再沸器，塔顶采用全凝器【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）】穷举法、动态规划法、分离度系数大的优先分离的方法、相对费用函数的方法31.0]41.273.2)1[(TfF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。再看有没有独立的热负荷回路，如果有用能量松弛法合并该回路得到减少换热单元。最后在能量最优和换热单元最少之间找到一个折中。P14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。P16序贯模块法的基本思想(简答)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，作为下一个相邻单元的输入物流变量。依此逐个的计算过程系统中的各个单元，最终计算出系统的输出物流。计算得出过程系统中所有的物流变量值，也即状态变量值。P16什么叫结构单元图？利用结点和边的结合对系统结构进行数学描述，构成结构单元图或简称“图”。图可以分成无向图和有向图。结构单元图由结构单元与流股构成。结构单元也称为结点，可以是一个单元设备，也可以是一个虚拟单元。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，而结点的入度与出度之和为该结点的度数。重要的子图有以下几种:（1）路：路是图中任意两个结点之间，由其他结点和相互顺序连接的边构成的交替序列。（2）通路：图中两个结点之间按有向边方向与其他结点连接的点、边交替序列。（3）回路：起始结点和终止结点为同一结点时的通路，即封闭的通路。（4）环路：除起始点外其余结点均仅通过一次的回路称为环路。环路是网络的一个特征，这种环路的存在与过程系统中再循环反馈直接有关。（5）相互连接的图：当图中任意一对结点均可通过路来连接时，称该图为相互连接的图。（6）整体：是子图的一种特别重要的概念——不可再分块(整体)，通常是由多个相互关联的环路组成，这些环路具有至少一个公共结点。（7）树：由根、枝组成，往下生长，构成数学上的“树”。P29EOM（面向方程法）的基本思想：描述整个过程系统的数学方程式联立求解，从而得出模拟计算结果。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进行求解P30面向方程法的核心问题是求解超大型非线性方程组，求解方法大致分为两类为：①将为求解法；②联立求解法P31方程组的分解方法有回路搜索法和矩阵法两大类。P54化工过程系统通过一系列物理化学分离和化学反应（包括催化、电化与生化）改变原料状态、微观结构和/或化学组成的加工技术。动态特性是化工过程系统最基本的特性之一。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。根据过程系统中状态变量分布特性的不同，一般把数学模型分为：集中参数模型、分布参数模型、多级集中参数模型根据建立模型的不同方法，一般可将数学模型分为：统计模型（经验模型）（黑箱模型）、确定性模型（又称机理模型）、介于两者之间的半经验模型P55确定性动态模型的数学处理（1）正问题、（2）逆问题、（3）过程系统的定性分析P57连续搅拌反应器的动态特性----集中参数模型代表P63精馏塔的动态特性---多级集中参数模型P68变压吸附过程---分布参数动态模型P76化工过程优化、结构优化（设计参数、操作参数）、参数优化、管理优化P77求解做优化问题就是要找到一组是的目标函数J达到最大或最小的决策变量。最小值的点位最优解。过程变量向量主要由两部分组成，即决策变量和状态变量。P78变量y的取值范围一般都要给以一定的限制，称为约束条件。等式约束条件由等式设计规定要求和尺寸成本关系式两部分组成满足约束条件的方案集合，构成了最优化问题的可行域。P90无约束条件最优化问题的经典求解方法一阶导数为零、二阶导数大于等于零P107多变量问题的搜索中有约束问题的求解是以无约束问题的求解为基础的多变量问题的求解是以单位变量搜索为基础的单变量问题的搜索又是以解析解法中的相关顶哦里和结论为基础的。多变量非线性规划问题的求解思路总体上可归结为搜搜方向和搜索步长的确定，即P115求解(OPT1)最优化问题的优化方法视其约束条件的方式分为两大类：可行路径型和不可行路径型。P126过程系统的最优化模型分为机理模型、黑箱模型、混合模型机理模型法、（统计模型法、智能模型法）P159按最终产品的输出形式，工业加工过程可分为：连续、离散和间歇过程.动态性P160间歇化工的特点：技术密集性、多样性、柔韧性、不确定性间歇过程与连续过程的比较动态特性是间歇过程的本质，而连续过程的本质是稳态操作在间歇过程中，原料必须按配方规定的加工任务和顺序，在合适的设备中进行加工。在连续过程中，原料连续加入，各加工任务同时进行通过详细的系统分析，可找到连续过程的瓶颈问题，而间歇过程的瓶颈问题随产品及操作策略而改变。间歇过程中的设备尺寸的设计并不是很精确的（能够用来生产多个产品）。连续过程中的安全系统，主要是降低系统的停车时间。间歇过程不需要。间歇过程通常为小批量、高附加值的化学品而设计的，一个生产周期只能生产一批产品。连续过程通常是为需求量很大的特定产品而设计的，原料连续加入，产品连续排出。间歇过程必须对整个生产过程，进行有效的排序或进行生产时间表安排。由于间歇过程的柔韧性和弹性，它适合于市场供求不稳定的产品的生产。连续过程则适合于市场供求稳定的产品的生产。对于市场需求量很大的产品，其初始阶段一般也是用间歇过程生产的P161间歇过程的设备：单纯的间歇设备、半连续设备、中间存贮设备P162间歇过程的分类单产品厂、多产品厂、多装置厂、多目的厂。P164在间歇j独立操作过程中，某台设备加工两批物料的时间间隔称为“该设备的循环时间”，整个间歇级加工两批物料的时间间隔称为“间歇级j的循环时间”。顺序地从工厂得到两批产品之间的时间间隔称为“限定循环时间（LCT）”，也称为“批间隔”P195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。P195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。基于这种思想进行的换热网络设计称为换热网络合成。换热网络合成的任务，是确定换热物流的合理匹配方式，从而以最小的消耗代价，获得最大的能量利用效益。（1）采用夹点设计法设