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化工过程系统
该文针对大规模化工过程系统优化中计算能力不够的情况，研究一种适合于大系统求解的分解协调算法。在SQP算法分解计算的基础上，利用无约束优化算法进行协调，同时采用并行技术以提高求解效率。利用单机与机群系统建构仿真计算环境，对一换热器系统进行了实际解算。算例结果表明，此算法是行之有效的，在大规模过程系统优化计算中可进行推广应用。
针对大规模化工过程系统优化中计算能力不够的情况，用机群系统建构并行优化计算环境。在分析化工过程系统优化的特点后，提出了一种基于机群系统的并行优化策略。即将优化计算中频繁出现的梯度求解过程并行化。实际算例表明，此方法是行之有效的。
用系统的观念和综合集成的思想研究了化工过程工业中人、机、环境三要素构成的人－机－环境系统，从系统的级成，结构，功能和特性方面探讨了人－机－环境系统的复杂性表征，同时，基于人机一体化的思想讨论了人－机－环境系统的研究方法论。
本文在软件工程思想的指导下，以ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ（９．１版）为基础，开发出一套化工过程系统扩产解瓶颈软件（ＣＰＤＢ），具有界面友好，智能性高，系统开放和功能齐全的优点。
介绍了柔性、柔性指数以及柔性分析的方法。阐述了国内外化工过程系统柔性分析的研究状况，对柔性分析的几种算法进行了比较。介绍了一种新的表示柔性大小的方法(FCHR)，这种方法比柔性指数更加准确。指出了化工过程系统柔性分析在建模优化和数学求解上存在的问题及今后的研究展望。
本文从仿真的角度，建立了化工过程系统的动态网络模型，并提出了一种有效的递阶仿真方法。
亚洲过程系统工程2000年会(Process Systems Engineering Asia 2000)于～8日在日本京都国际交流中心举行。主办机构为国际过程系统工程委员会亚洲委员会，承办单位是日本京都大学。
在化工过程系统设计中采用夹点技术，不但可以节约大量能源，取得良好的经济效益，而且还可减少环境污染。目前，夹点技术已从原来的一种用于确定换热网络系统的热回收的特殊工具发展成一种普遍适用的牙人，同样适用于减少投资费用，废物的排放、能量的消耗以及全过程设计等方面。在设计过程中，首先可根据T－H图法和问题表法确定夹点位置，再根据以下原则进行设计：（1）夹点之上不应设置任何公用工程冷却器；（2）夹点之下不应设置任何公用工程加热器；（3）不应有跨越夹点的传热。
在分析了我国基本国情的基础上，就我国在可持续发展中“过程综合”或“过程集成”提出了作者的观点，特别讨论了化工过程系统的集成思想和方法。
实际化工过程采集得到的数据往往维度较高,直接建模比较复杂。主元分析（principal component analysis,PCA）方法可以提取原始数据主要特征,得到低维数据,但传统的PCA过程监控方法仅保留了方差较大的主元,会造成信息缺失,这将大大影响过程监控性能。针对这一问题,提出了一种新的基于全变量信息（full variable information,FVI）的子空间监控方法。首先,依据每个变量与主元空间（principal component subspace,PCS）和残差空间（residual subspace,RS）相似性的高低,将原始数据空间划分为3个维度较低的子空间,3个子空间保存了全部过程变量,可以更充分地利用过程信息。其次,在每个子空间中,分别建立监控模型,并利用贝叶斯推断整合子空间的监控结果。最后,通过数值仿真及Tennessee Eastman（TE）过程仿真研究验证FVI方法的有效性。
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化工过程分析与合成习题.ppt 21页
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化工过程分析与合成复习 习题 一、基本概念
（1）名词解释 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 ） 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 ） 过程系统合成
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。） 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。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）； ） 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 ）
一、基本概念
（1）名词解释 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。）
（2A）判断以下问题是非（N，Y）
1.自由度数只与过程系统有关。（
） 2.换热网络的夹点设计，要尽量避免物流穿过夹点。（
） 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。（
） 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（
） （2A）判断以下问题是非（N，Y）
5.穿过夹点热流量为零，则夹点处传热量为零（
） 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(
) 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。（
） （2B）判断以下问题是非（N，Y）
1. 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。 2. 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。 （2B）判断以下问题是非（N，Y）
3. 热物流穿过换热网络的夹点，必有热流量穿过夹点。 4. 热物流在夹点上方,冷物流在夹点下方。 （2C）判断以下问题是非（N，Y）
1.换热网络的设计要尽量避免冷、热物流穿过夹点。 2.进行过程系统模拟既要输入流股参数，也要提供过程单元的操作参数。 3.穿过换热网络夹点的热流量为零，则夹点处传热推动力为零。 （2C）判断以下问题是非（N，Y）
4. 试判断以下换热网络中哪些匹配是可行的，哪些是不可行的。 (3A)
1.过程系统模拟方法有
。 2.试判断图a中换热匹配可行性1
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： （P228） (3C)
试在图中标出所提供的用能信息。
（4）、 回答问题 a、换热网络的组合曲线可获得什么信息？对生产有何指导意义？
（4）、 回答问题 b、如何保证获得化工过程系统换热网络最大热回收？ （4）、 回答问题
如图所示，T-H图中热、冷物流的组合曲线分别为AB和CD，在图上画出夹点位置，最小冷、热公用工程用量，最大热回收量；若?Tmin减小，则最大热回收量如何变化？ 二、一化工过程系统如下图所示，已知输入的流股S1、S15各相关数据，试将该系统进行分隔、断裂，并画出迭代计算顺序图。 二C、（10分 ）选择适宜的方法将下图所示系统进行分解，要求：
（1）识别最大循环网； （2）断裂最大循环网； （3）画出迭代计算顺序图
三、夹点分析
一过程系统含有的工艺物流为2个热物流及1个冷物流，给定的数据列于表中，选定热、冷物流间最小允许传热温差
，试用问题表格法确定该过程系统的夹点位置，确定最小公用工程冷、热负荷及最大热回收。若
，试用T-H图定性分析最小公用工程冷、热负荷是增加还是减少？ 三、一换热系统，包含的工艺流股为两个热物流和两个冷物流，给定的数据列于表1中。指定热、冷物流间允许的最小传热温差为10℃。现在请利用夹点技术设计一个换热网络，其具有最大的热回收。
1.用问题表格法确定夹点位置： 确定夹点处热、冷物流的温度； 确定出所需的最小热、冷公用工程负荷； 2.用夹点设计法列出换热器网络格子图
五、（15分）一换热网络中有两股热物流及一股冷物流，数据如下表
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3秒自动关闭窗口化工节能技术｜夹点技术原理及应用（上）（附Aspen源程序文件）
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化工节能技术｜夹点技术原理及应用（上）（附Aspen源程序文件）
注：本文主要观点和数据来自冯霄老师的《化工节能原理与技术》和包宗宏老师的《化工计算与软件应用》一书，由于作者水平有限，如果要深入学习，推荐参考这两本书。本文涉及到的模拟均为原创，篇幅有限，此处不再详细叙述模拟过程。有兴趣学习的同学可以在本文文末获取Aspen源程序文件。&前言&化学工业深入我们日常生活的方方面面，影响着我们的生活质量，是国家的重要支柱产业。化学工业的一个重要特点就是高能耗，但对能量的利用效率比较低，在我国能量的利用效率大约是33%，比发达国家约低10%。目前，人们越来越重视节能，国外已经开发并应用了各种节能技术，作为化工专业的我们有必要了解这些节能技术。目前比较常见的化工节能技术包括热泵精馏、多效蒸发、多效精馏、侧线出料、热偶精馏（隔壁塔）、夹点技术等。科普化工将陆续推出化工节能技术专题系列，与大家一起交流学习。今天推出第五期：夹点技术。夹点技术原理及应用1、夹点设计概述化工工艺过程中存在多股需要加热或者冷却的物流，此外还有冷热公用工程，这些物流可以在温-焓( T-H) 图中分别合并成冷热物流符合曲线。当在水平方向上，两曲线相互靠近直到达到最小的传热温差△Tmin时，热回收的量达到最大，公用工程达到最小，两曲线最靠近的地方为夹点，其中温度高的叫热夹点，温度低的叫冷夹点。换热网络的夹点设计手段是由国外的以Linn Hoff教授为首的研究小组提出的，现在成为换热网络设计的首要采用的方法。通过夹点技术的设计，可以很大程度上减少能量的浪费，这种方法已大量运用于化工的生产，该技术在指导化工节能方面提供了理论基础，对化工的节能具有很大指导的作用。2、夹点位置的确定确定夹点位置的方法主要有两种：T-H图法和问题表法。（1）T-H图法在T-H图上可以直观的描述夹点位置，为确定过程系统的夹点，需要给出下列数据：所有过程物流的流量、组成、压力、初始温度、目标温度、以及选用的冷热物流间匹配换热的最小允许传热温差△Tmin。用作图的方法在T-H图上确定夹点位置的步骤如下：1) 根据给出的冷、热物流的数据，在T-H图上分别作出热物流组合曲线及冷物流组合曲线。2) 热组合曲线置于冷组合曲线的上方，并且让两者在水平方向相互靠拢，当两组合曲线在某处的垂直距离刚好等于△Tmin时，该处即为夹点。（2）问题表法T-H图法主要针对物流比较少，要求不精确的流程，但当物流比较多并要求精确确定夹点时，T-H图法就明显不如问题表法便捷，但计算步骤比较繁琐。3、夹点技术的基本设计原则夹点将换热系统分为两部分，为了减少公用工程的消耗量，一个完整的换热网络应该遵循以下三个原则：(1)不应有跨越夹点的传热；(2)夹点之上不应设置任何公用工程冷却器；(3)夹点之下不应设置任何公用工程加热器。如果违背这三条原则，则会造成公用工程的浪费，因为如果多消耗一种公用工程，就需要用另一种公用工程加热或者冷却。4、换热网络优化的基本准则（1）流股数目准则根据夹点设计的基本原则，夹点之上只能用热公用工程加热，同理夹点之下只能用冷公用工程冷却，如果违背此原则，会造成公用工程的浪费，流股数目准则如下：1）对于夹点上方，热物流（包括其分支物流）的数目要小于或等于冷物流（包括其分支物流）数目，即2）对于夹点上方，热物流（包括其分支物流）的数目要大于或等于冷物流（包括其分支物流）数目，即（2）热容流率准则为保证温差不小于△Tmin，夹点处匹配的流股的热容流率需满足以下准则：1）对于夹点上方，每一夹点匹配中热物流（或其分支）的热容流率要小于或等于冷物流的热容流率：2）对于夹点下方，则：此外，在满足以上两个原则的前提下，为了使换热器的数量达到最少，减少设备投资的费用，每一次换热匹配时应该使其中一条物流达到换热目标。5、问题表法我们已经知道换热网络的设计方法分别是T-H图法和问题表法，鉴于T-H图法的设计精度不够精确，此处便以具体事例给出详细的问题表法设计过程。表5-1 物流参数表5-1是相关的物流参数，最小的传热温差我们取10℃，试设计该换热系统的换热网络及夹点位置和公用工程的用量。5.1 温区的划分1、将所有的冷热物流的温度分别从小到大排列。热物流：40 65 150 170冷物流：30 80 120 1402、计算冷热物流的平均温度，即热物流温度下降最小温差的一半（5℃），冷物流上升最小温差的一半（5℃）。热物流：35 60 145 165冷物流：35 85 125 1453、将所有的冷热物流的平均温度从小到大排列。35 60 85 125 145 1654、温区划分。分区划分如图1.图1 温区划分5.2 温区内热平衡计算热平衡的计算式如下：由以上计算式可以求得每个温区的所需的外加热量。第一温区：△H1=-1.5（165-145）=-30Kw第二温区：△H2=（4.0-1.5-3.0）（145-125）=-10Kw第三温区：△H3=（4.0+2.0-1.5-3.0）（125-85）=60Kw第四温区：△H4=（2.0-1.5-3.0）（85-60）=-62.5Kw第五温区：△H5=（2.0-3.0）（60-35）=-25Kw5.3 计算外界无热量输入时的热通量第一温区的输入热量为0，其余各温区的输入热量为上一温区的输出热量。第一温区: 输入热量=0Kw 输出热量=0+30=30Kw第二温区: 输入热量=30Kw 输出热量=30+10=40Kw第三温区: 输入热量=40Kw 输出热量=40-60=-20Kw第四温区: 输入热量=-20Kw 输出热量=-20+62.5=42.5Kw第五温区: 输入热量=42.5Kw 输出热量=42.5+25=-67.5Kw5.4 确定最小加热公用工程用量在热力学上，每个温区的热通量必须大于或者等于0，明显第三温区的输出热量小于0，也即是第四温区向第三温区供热，显然是不可行的，因此需要有外来的热量向第三温区供热，也即最小加热公用工程用量为20Kw。5.5 计算最小加热公用工程时各温区的热通量在确定最小加热公用工程为20Kw时，第一温区的输入热量为20Kw，其余其余各温区的输入热量为上一温区的输出热量。第一温区: 输入热量=20Kw 输出热量=20+30=50Kw第二温区: 输入热量=50Kw 输出热量=50+10=60Kw第三温区: 输入热量=60Kw 输出热量=60-60=0Kw第四温区: 输入热量=0Kw 输出热量=0+62.5=62.5Kw第五温区: 输入热量=62.5Kw 输出热量=62.5+25=87.5Kw由以上计算过程可知冷公用工程用量为87.5Kw，平均夹点温度为85℃，也即热夹点温度为90℃，冷夹点温度为80℃。以上计算过程涉及到的问题表见表5-2.表5-2 问题表6、初始换热网络设计在完成问题表法的设计后，我们可以根据上述结果完成对初始换热网络的设计。在进行设计之前我们需要假定本设计所有物流的热容流率是不变的（实际是变化的）。初始换热网络应为最大热回收的换热网络，因此就必须没有跨过夹点的换热，所以在设计换热网络时需要将换热网络分为夹点之上和夹点之下两个系统进行设计（对于多夹点系统，需要分为更多的子系统）。本系统的热夹点温度为90℃，冷夹点温度为80℃。对于夹点之上：图2 夹点之上夹点上方涉及到的物流有四条，及其所需的热量如图2所示。由图可知，夹点之上所有冷物流需要320KW的热量去加热，而热物流只能提供300KW的能量，多余的20KW需要热公用工程去提供，与问题表法所计算量一致。夹点上方的换热网络如图3。图3 夹点上方的换热网络对于夹点之下：图4夹点之下夹点下方涉及到的物流有三条，及其所需的热量如图4所示。由图可知，夹点之下所有热物流需要187.5KW的热量进行冷却，而冷物流仅有100KW，其余的87.5KW需要冷公用工程去冷却，与问题表法所计算量一致。夹点下方的换热网络如图5。图5 夹点下方换热网络设计该系统的换热网络如图6所示。图6 换热网络以上便是用问题表法进行夹点设计的手算过程，过程繁琐但结果比较可靠，通过以上设计过程可知通过冷热物流换热共回收400Kw的热量，在进行工厂设计时具有很好的节能效果。随着计算机技术的发展，上述过程完全可以交给计算机完成，并且提高了计算精度和计算速度。7、结果验证采用问题表法的优点是我们能够更为直观的看到设计的过程，在不发生手误的情况下，结果比较可靠，而采用软件计算，我们不容易看到设计的过程，对于初学者来说不容易懂，但对于那些原理比较懂得设计人员来说，采用软件计算更为迅速，计算更为准确。基于此，本文采用Aspen Energy Analyzer软件对问题表法进行验证，物流依然采用上述物流，为了与软件的单位保持一致，对物流的相关数据进行单位转换，如表5-3。表5-3 物流参数7.1 数据提取在Aspen EnergyAnalyzer软件中，数据提取包括手动输入、软件导入，我们可以通过Excel导入，也可以通过Aspen模拟文件导入，这些方法的相关教程在百度上很容易就能搜到，本文就不再详述。由于本文涉及到的物流比较少，直接手动输入，结果如图7图7 数据提取7.2 结果验证为了检验问题表法和软件设计的换热网络的一致性，根据问题表法的结果采用软件进行设计。根据上期的设计结果可知冷热夹点分别为90℃和80℃，冷公用工程消耗为20Kw（即72000KJ/h），热公用工程消耗为87.5Kw（即315000KJ/h），与软件设计的结果一致，如图8。图8 软件设计结果根据上面设计结果可知，在夹点上方，热物流1（物流1）和冷物流2（物流4）进行热交换180Kw（648000KJ/h）,如果直接进行交换你会发现，设计结果错误，如图9。图9 错误提示这似乎与手算结果相悖，其实仔细分析便可找到原因：当交换这么多热量时，冷热物流温度发生交叉，这说明冷物流量多了，或者热物流量少了，而在热物流1的夹点上方一共就180KW的热量，这说明我们的冷物流量多了，因此我们需要将冷物流分成多股物流，根据计算结果可知，与热物流1进行换热的分物流占总物流的75%，对物流进行修改，如图10。此时物流图10 物流修改匹配成功，见图11。图11 物流匹配成功此时便完成了一个物流匹配，其他物流匹配过程与此相同，此处不再一一叙述，直接给出完整的匹配结果，如图12（此图加上了公用工程物流的匹配）。此图与问题表法的设计结果高度一致，说明软件设计的快速及可靠性。图12 软件设计结果Aspen 模拟源文件获取方式：本文作者：花开花落，科普化工团队队员，特此致谢
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