06第17讲-过程合成1解析

第三章数学模型求解方法------作业1请对几种非线性方程方程求解方法（牛顿法、弦截法、干脆迭代法、松弛法和wegstein法的优缺点进行评述。2考察迭代过程xk+1=0.5(xk+a/xk)的意义与用途（a为正实数）3简述解常微分方程的尤拉方法、龙格库塔方法的指导思想？谈谈学习本章以后的收获.●稳态流程模拟系统的构成（了解软件设计角度）●过程模拟优化主流工具之一---Aspenplus（学会运用）●稳态全流程计算的三种策略（驾驭思想、优缺点）●序贯模块法及计算过程（驾驭概念、熟悉方法）●收敛块的本质及含义（就序贯模块法而言）InChapter4&5welearned……InChapter4&5welearned……

●概述√●一维搜寻法√

●多维搜寻法**√

●线性规划√＊序贯消去法（SequentialeliminationMethod）☆等间距分隔，等间距两点搜寻法。等间距两点搜寻法;二分法；＊黄金分割法（Goldensection）图解法:两变量数值法(单纯形法…..)坐标变量轮换法最速下降法（负梯度法）单纯形法方向步长（新的方向和步长）无约束优化方法有约束最优化的重要方法GAMS软件过程最优化:在过程系统性能、特点所给定的约束条件下，找出访过程系统性能指标或目标函数达到最小（或最大）的设备参数或工艺变量。有约束最优化无约束最优化运筹学（最优化）多维最优化一维最优化RemarksonOptimization

●最优化问题中我们着眼点是最优点而非最优值。最优点是决策的操作方案，是决策变量、自变量；而最优值是函数值、因变量。●最优化方法中的迭代算法：依据迭代过程所依据信息类型可分为干脆法与间接法；前者在迭代搜寻时仅仅依据函数值大小的确定迭代方向与步长，如坐标轮换法；间接法往往利用目标函数的某种解析性质比如梯度等信息进行迭代，如最速下降法、牛顿法等；几种方法的联合运用是一个较好的策略。●求解最优化问题的迭代过程在数值计算方面与方程组求根迭代没有本质的区分；最优化问题有时可利用方程求根迭代解决，而方程求根问题也可转化为最优化问题。●最优化问题常用求解策略:将多变量最优化问题转化为单变量最优化问题；将有约束最优化问题转化为无约束最优化问题；将非线性最优化转化为线性最优化问题。●最优化是一个相对的概念，又是一个动态概念。了解最优化算法的特点、思路并能正确选用远比驾驭算法的具体格式更为重要。

驾驭思想,“学以致用”0概述化工系统工程主要探讨内容系统分析系统优化系统合成化工过程系统工程探讨的四个基本问题操作型问题设计型问题操作优化过程合成第6章系统综合（系统合成，Processsystemsynthesis）核心是优化系统分析的任务在于描述或预料系统的特性;系统优化是为了以最佳的方式实现系统的目标或功能；系统综合?是对不确定过程系统的优化：通常给定输入、输出或仅给定其中之一，要求求取能使目标函数最优的最佳过程系统，称为过程系统合成或过程系统综合。系统合成的主要任务选择合适的单元设备，确定设备之间的最优联接方式和最优操作条件，用给定的原料来生产所要求的产品，使生产成本最低，并能保证平安牢靠，对环境的污染最小。过程系统的合成（系统的综合）概念系统合成过程过程系统合成

●反应路径的合成反应路途确定化工流程基本面貌(依据：△G)。●分别序列的合成●反应器网络的合成★换热网络的合成（重点驾驭）●公用工程网络的合成●资源支配网络的合成资源配置●生产全流程的合成●限制系统的合成。

6.1典型系统综合问题

过程系统综合的洋葱模型洋葱模型工艺装置用能优化能量回收再利用蒸汽动力系统优化主要单元过程之间的逻辑依存关系（1）反应路径的合成

化学反应路径综合？NaCl+CaCO3=Na2CO3+CaCl2

?1860年，索尔维制碱法：

CaCO3=CaO+CO2

1000℃CaO+H2O=Ca(OH)2

100℃Ca(OH)2+2NH4Cl=CaCl2+2NH3+2H2O

120℃2NH3+2H2O+2CO2=2NH4HCO3

60℃

2NH4HCO3+NaCl=2NaHCO3+2NH4Cl

60℃2NaHCO3=Na2CO3+H2O+CO2

200℃索尔维簇食盐、氨、二氧化碳为原料制取碳酸钠的“索尔维制碱法”,即:氨碱法）在给定的原料和产品之间的依次反应步骤成为反应路径。侯氏制碱法

侯德榜先生冲破了“索尔维法”的技术封锁，并加以改进，用NaCl固体代替生石灰，加入母液使NH4Cl晶体析出，生产出纯碱和NH4Cl，这便是著名遐迩的“侯氏制碱法”。．氨气与水和二氧化碳反应生成一分子的碳酸氢铵，这是第一步。其次步是：碳酸氢铵与氯化钠反应生成一分子的氯化铵和碳酸氢钠沉淀，碳酸氢钠之所以沉淀是因为它的溶解度较小。依据NH4Cl在常温时的溶解度比NaCl大，而在低温下却比NaCl溶解度小的原理，在278K～283K(5℃～10℃)时，向母液中加入食盐细粉，而使NH4Cl单独结晶析出供做氮肥。优点：保留了氨碱法的优点，消退了它的缺点，使食盐的利用率提高到96％；NH4Cl可做氮肥；可与合成氨厂联合，使合成氨的原料气CO转化成CO2，革除了CaCO3制CO2这一工序。化学原理侯氏制碱法又名联合制碱法（1）NH3+H2O+CO2=NH4HCO3

（2）NH4HCO3+NaCl=NH4Cl+NaHCO3↓（3）2NaHCO3（加热）=Na2CO3+H2O+CO2↑即：①NaCl(饱和)+NH3+H2O+CO2=NH4Cl+NaHCO3↓②2NaHCO3（加热）=Na2CO3+H2O+CO2↑（2）分别序列合成问题（分别工程问题）过程合成的目的是从大量的可行方案中选择一个或者几个次优的方案。然而，过程合成可行的系统结构、设备排列常常呈现方案数的组合爆炸。例如把有N个组分的混合物分别成N个纯组分的分别问题，其可能的分别序列数Z可按下式计算（ThompsonandKing）：组分数N方法数P序列数ZNPZ312911430328955585937504240101/24862/2489344511411116792(3)换热网络化工生产过程中换热网络的作用和意义高压蒸汽310℃303℃185℃H230℃21℃脱甲烷塔冷凝罐H2乙烯裂解气甲烷化流程中，必需将氢气加热到310℃，以便在反应器中进行反应。出反应器的物流先与进反应器的物流换热，以便回收热量，然后接着冷却，以完成气-液相的分别。组成了换热网络。冷却水丙烯甲烷化塔CO+3H2

CH4+H2Ofoucs换热过程是化工生产中的基本过程可能的匹配数P（冷热交换数）表示为

若构成换热网络的换热器数为N，则网络的合成问题即是从P个换热匹配中选出N个构成网络，可能的方案数为：

网络中所用换热器数在和之间。最大换热器数等于可能的匹配数P，最小换热器数可由下式求得：可能的组合方案数为：其中，总费用最小的方案即为最佳方案换热网络的困难性质量流率与比热之积。NwNs最简洁的换热网络---投资最小（4）反应器网络的合成

任务：给定动力学和进料条件下寻求适宜的反应器类型、流程结构和关键设计参数，以使特定的目标函数最优。手段:增设旁路、循环流；单股或多股进料；单股或多股出料；多种反应器类型组合；反应器网格结构优化；多段反应器;反应精馏；…….

化学反应综合？6.2系统合成基本方法与关键系统合成的目的：方案优选，"可行"中取"优"系统合成的关键:＊过程问题的描述：表达方式，既包含各种方案，又简明，自动避开荒谬的方案，便于计算机上实现；＊评价和推断决策：找出个方案可比的准则----在计算精度和计算速度之间的平衡。（够用，满足要求）＊搜寻策略：如何使搜寻空间缩小，计算量最少。系统合成的途径：①由一种或数种初始流程方案动身，经过不断搜寻改进取的方案；②没有流程初始方案，依据任务要求和一些指导性法则，得出原始可行方案或最佳方案。过程合成问题的基本方法（sec）

对于无初始方案的过程综合，有如下3种方法。●分解法（Decompositionmethod)分解法的基本思想是将一个大的、比较困难的、难于求解的问题，分解成一些小的、比较简洁的、易于求解的问题，然后分别求解。如换热器网络综合中的温度区间法就属于分解法。●探试法（Heuristicmethod）在探试规则的指导下进行系统合成的方法、这种方法是应用探试规则作出推断，从众多的可行结构中选出少数最有希望的结构方案，然后对这几个方案进行深化分析，从中找出最优的方案。亦称启发式方法，基于不能严格证明的半阅历法则。●数学规划法（干脆优化法）把全部可能的方案组成一个大的方案，并抽象成数学问题，然后用最优方法进行搜寻，除去其中不必要的方案、最终找到最优方案。通常接受的最优化方法包括线性规划法、动态规划法、分枝界限法、树搜寻法等。举例：●在全部的分别方法中，优先接受能量分别剂（精馏），避开接受质量分别剂（如萃取）；当关键组分相对挥发度小于1.1时，可接受后者。●首先除去腐蚀性、有毒有害的产品；●最终处理难分别或分别要求高的的产品；●进料中最多的组分应当首先分别出去；…..分别过程合成中的一些阅历规则对于有初始方案的过程综合，可接受：●调优合成法（Evolutionarysynthesismethod）该方法是对某个结构已定的化工系统进行修正，以便逐步改进目标函数，合成新的化工系统。调优合成法首先依据调优策略从最初的流程起先，经过修正、改善，从而逐步找寻到经济上更为合理的较为优秀的新流程。调优合成法的工作步骤＊设计一个流程初始方案（类似初值…..）＊建立过程流程目标函数＊找寻系统中的薄弱环节，改进之，构成新流程＊计算新流程目标函数，推断是否优化6.2.1换热网络的合成

6.2.1.1问题描述高压蒸汽310℃303℃185℃H230℃21℃脱甲烷塔冷凝罐H2冷却水丙烯甲烷化塔CO+3H2

CH4+H2Ofoucs●换热的目的：不仅是为了使物流温度满足工艺要求，而且为了回收过程余热，削减公用工程消耗。基于这种思想进行换热网络设计称为换热网络合成。●换热网络合成的任务：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。6.2.1.2换热网络的合成问题※换热网络合成问题的描述（典型）一组须要冷却的热物流H和一组须要加热的冷物流C，热物流从初始温度TH初冷却到目标TH终，冷物流从初始温度Tc初加热到目标Tc终。通过确定物流间的匹配关系，以使全部的物流均达到他们的目标温度，同时使装置成本、公用工程（外部加热和冷却介质），消耗成本最小。如何实现?》冷物流tc初tc终热物流TH终TH初温焓图（H---T）※解决方法：热力学方法(有效能分析(Exergy),挟点技术）数学规划法人工智能、专家系统（20世纪80年头）(Artificialintelligenceandexpertsystem)以接受热力学方法的夹点技术法(PinchDesignMethod)应用最为广泛。(linnhoff,1970’s)

夹点(PinchPoint)：又称窄点，狭点，挟点。在过程合成（或集成）中，狭点是指整个换热系统中传热推动力最小的温度截面。该温度将系统中的一切冷源和热源划分为两个子系统，其间没有热量流淌。夹点技术是从能量回收的极限值动身,通过温焓曲线或问题表找出能量回收的瓶颈,然后经调优得到换热网络（教材p181）。换热网络中狭点的发觉不但是换热器网络合成方法的重要进展，对于整个能量集成理论具有推动作用。专家系统是人工智能的重要分支

6.2.2夹点技术（Pi