化工过程分析与合成
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spContent=《化工过程分析与合成》是从系统的角度对化工过程进行研究。过程分析是自上而下的观点(top-down)对化工过程系统进行分解;过程合成是自下而上的观点(bottom-up)对过程单元进行集成。因此,该课程是基于系统的观点研究化工问题,是化学工程学生及相关从业人员必备课程。
—— 课程团队
课程概述

1996年,由天津大学、浙江大学、北京化工大学等7校联合提出改革化学工程与工艺专业本科生的培养方案,增设《化工过程分析与合成》;

2001年,北京化工大学在全国首次开设《化工过程分析与合成》;

20026月,本项目组主编的面向21世纪课程教材《化工过程分析与合成》由化学工业出版社正式出版;

20027月,在北京化工大学召开了面向21世纪教材《化工过程分析与合成》教学观摩交流研讨会30余所高校的教师参与这次研讨会;

2003年,在原面向21世纪课程教材的基础上,《化工过程分析与合成》(修订版)得到了北京市精品教材建设项目立项;

2004812—15日,在天津大学和北京化工大学举办了《化工过程分析与合成》等课程的教学成果推广及师资培训研讨会。全国共200余位同行参加了会议;

20048月,本课程被评为北京市精品课程;

200410月,《化工过程分析与合成》课程建设与改革被评为北京化工大学教学成果二等奖;

200412,本项目组所编写的《化工过程分析与合成》被评为北京市精品教材;

20061月,出版了《化工过程优化》,作为本课程的辅助教材,并于20071月被评为中国石油和化学工业协会优秀教材二等奖;

2006年,《化工过程分析与合成》被列入国家十一五规划教材;

20075月,本课程主讲教师张卫东教授被评为北京化工大学教学名师。

2010年,本课程被评为国家精品课程;

2016年,本课程被评为首批国家级精品资源共享课

    《化工过程分析与合成》是由天津大学、华东理工大学、浙江大学、北京化工大学、大连理工大学、四川大学、华南理工大学、清华大学、香港科技大学9校化工类专业教学的专家学者,在总结化学工程发展的历史与前沿的基础上,借鉴国外化工专业人才培养模式,顺应国内人才培养需求而提议设立的一门化学工程与工艺专业综合性专业基础课,并得到了国内数十所院校的积极响应。北京化工大学在这门课程的建设中进行了改革与尝试,并取得了一定的成果。这一切都是在各校专家、教授的指导和协助配合下所完成的。

化学工程正在走向多尺度和多层次,我国的化学工业也在从资源消耗型转向产品主导的技术密集型企业。起步于高起点的《化工过程分析与合成》课程面临着更多、更大的机遇与挑战。北京化工大学将与全国化工专业的专家、教师共同努力,继续把这门课程建设的更好!


授课目标

掌握过程系统分析与合成的基本概念、基本原理与方法。培养学生发现主要矛盾和矛盾主要方面的能力,对工业实际问题的综合、抽象化能力。培养学生抽象思维和演绎分析的能力。培养学生从技术经济的各个方面分析、解决实际问题的能力。

课程大纲


1绪论
 1.1 化工过程
      1.1.1 
化学反应过程
      1.1.2 
换热过程
      1.1.3 
分离过程
   1.2 
化工过程生产操作控制
      1.2.1 
集散系统(DCS)
      1.2.2 DCS
的先进控制与优化控制
   1.3 
化工过程的分析与合成
      1.3.1 
化工过程系统的分析
      1.3.2 
化工过程系统的合成
   1.4 
化工过程模拟系统
      1.4.1 
化工流程稳态模拟系统
      1.4.2 
动态模拟系统
   1.5 
化工企业CIPS技术
      1.5.1 CIMS
技术
      1.5.2 CIPS
技术
   1.6 
人工智能技术在化工过程中的应用
      1.6.1 
人工智能技术
      1.6.2 
专家系统
      1.6.3 
人工神经网络
      1.6.4 
人工智能技术在化工过程系统中的应用
   1.7 
本教材的目的与内容

基本要求:

l  掌握的内容:化工过程分析与合成的任务和内容,化工过程生产操作控制,化工过程的模拟,DCS技术

l  熟悉的内容:化工过程分析与合成的主要研究方法及化工过程的放大方法

l  了解的内容:化工过程的CIPS技术及人工智能在化工过程分析与合成中的应用


化工过程系统稳态模拟与分析
  
2.1 过程系统模拟的三种基本方法
     2.1.1 
过程系统模拟的序贯模块法
     2.1.2 
过程系统模拟的面向方程法
     2.1.3 
过程系统模拟的联立模块法
  2.2 
过程系统模拟的序贯模块法
     2.2.1 
序贯模块法的基本原理
     2.2.2 
再循环物流的断裂
     2.2.3 
断裂物流变量的收敛
     2.2.4 
序贯模块法解设计问题
  2.3 
过程系统模拟的面向方程法
     2.3.1 
面向方程法的原理
     2.3.2 
大型稀疏非线性方程组的降维解法
     2.3.3 
联立拟线性方程组法解大型稀疏非线性方程组
  2.4 
过程系统模拟的联立模块法
     2.4.1 
联立模块法的原理
     2.4.2 
建立简化模型的两种切断方式   2.5 氨合成工艺流程的模拟与分析
     2.5.1 
氨合成工艺流程的模拟
     2.5.2 
氨合成工艺生产工况的模拟分析

基本要求:

l  掌握的内容  稳态系统模拟的特点及其重要性;过程系统模拟的基本方法及各自的特点;序贯模块法的原理及建立方法;再循环物流的断裂与收敛;面向方程法的原理及建立方法;大型稀疏性方程的降维求解与联立求解联立模块法的原理

l  熟悉的内容联立模块法的建模方法建立简化模型的两种切断方式

l  了解的内容化工单元的建模方法(重点在第三章介绍,此处仅需了解);一些主要的模拟软件及生产厂商情况

l  自学及实践的内容(大作业):合成氨过程的模拟;三级闪蒸过程的三种不同模拟方法


化工过程系统动态模拟与分析
  3.1 
化工过程系统的动态模型
    3.1.1 
化工过程系统的动态特性
    3.1.2 
化工过程系统的动态模型
    3.1.3 
确定性动态模型的数学处理
 3.2 
连续搅拌罐反应器的动态特性
    3.2.1 
动态数学模型
    3.2.2 
模型的数学处理与应用 (I)
    3.2.3 
模型的数学处理与应用(II)
 3.3 
精馏塔的动态特性
    3.3.1 
动态数学模型
    3.3.2 
模型的数学处理与应用
    3.3.3. 
更实际的问题
 3.4 
变压吸附过程的模拟与分析
    3.4.1 
数学模型的建立
    3.4.2 
动态模型的数学处理
    3.4.3 
模型的应用


基本要求:

l  掌握的内容动态系统模拟的特点及其重要性过程系统模拟的建模方法确定性模型的数学处理与应用数学模型及模拟在实际问题分析中的应用集中参数模型的建立多级集中参数模型的建立

l  熟悉的内容分布参数模型的建立集中参数模型的求解方法多级集中参数模型的求解方法

l  了解的内容化工动态响应技术一些主要的动态模拟软件及生产厂商情况

l  自学及实践的内容(大作业):CSTR的动态模拟的计算机求解精馏塔动态模拟的计算机求解变压吸附过程的动态模型,模型求解,加权残差法

 

化工过程系统的优化

4.1 概述
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
   4.2 2 
最优化问题的建模方法
   4.2.3 
化工过程系统最优化方法的分类
4.3 
化工过程系统最优化问题的类型
   4.3.1 
过程系统参数优化
   4.3.2 
过程系统管理最优化
4.4 
化工过程中的线性规划问题
   4.4.1 
线性规划问题的数学描述
   4.4.2 
求解线性规划的图解法
   4.4.3
求解线性规划问题的单纯形法
   4.4.4 
按原料资源供应、市场需求价格等因素,进行的排产计划
4.5 
化工过程中的非线性规划问题
    4.5.1 
无约束条件最优化问题的经典求解方法
    4.5.2 
有约束条件最优化问题的经典求解方法
    4.5.3 
动态系统参数的变分优化法
4.6 
化工过程大系统的优化
   4.6.1 
可行路径优化法
   4.6.2 
不可行路经


基本要求:

l  掌握的内容化工过程系统优化问题基本概念,数学描述与建模方法化工过程中的线性规划问题,单纯形法化工过程中的非线性规划问题,拉格朗日乘子法,罚函数法可行路径优化法

l  熟悉的内容化工过程大系统的优化不可行路径优化法有约束条件最优化问题的经典求解方法

l  了解的内容动态系统参数的变分优化法按原料资源供应、市场需求价格等因素,进行的排产计划过程系统管理最优化

 

化工生产过程操作工况调优

5.1 化工生产过程操作工况调优的作用与意义
   5.2 
化工生产过程操作工况离线调优的方法
      5.2.1 
机理模型法液体空气精馏塔的操作工况调优
      5.2.2 
统计模型法苯酐生产过程的操作工况调优
      5.2.3 
智能模型法乙苯脱氢反应过程的操作工况调优


基本要求:

l  掌握的内容机理模型法液体空气精馏塔的操作工况调优

l  熟悉的内容统计模型法苯酐生产过程的操作工况调优

l  了解的内容智能模型法乙苯脱氢反应过程的操作工况调优

 

间歇化工过程
  6.1 
间歇过程与连续过程
     6.1.1 
间歇化工的特点
     6.1.2 
间歇过程与连续过程的比较
     6.1.3 
间歇过程的基本概念
  6.2 
过程动态模型及模拟
     6.2.1 
混合过程
     6.2.2 
喷雾干燥过程
     6.2.3 
间歇、半连续反应过程的模型、模拟和优化
  6.3 
间歇过程的最优时间表
     6.3.1 
时间表问题
     6.3.2 
简单多产品和多目的间歇过程的最优时间表的计算规则
  6.4 
多产品间歇过程的设备设计与优化
     6.4.1 
基本定义、原则和术语
     6.4.2 
多产品间歇过程设备的基本计算法
     6.4.3 
多产品间歇过程设备尺寸的最优设计
  6
.间歇过程的控制模型


基本要求:

l  掌握的内容间歇化工的特点时间表问题简单多产品和多目的间歇过程的最优时间表的计算规则

l  熟悉的内容过程动态模型及模拟多产品间歇过程的设备设计与优化

l  了解的内容间歇过程的控制模型


换热网络合成
  7.1 
化工生产流程中换热网络的作用和意义
  7.2 
换热网络合成问题
     7.2.1 
换热网络合成问题的描述
     7.2.2 
换热网络合成的研究
  7.3 
换热网络合成——夹点技术
     7.3.1 
第一定律分析
     7.3.2 
温度区间
     7.3.3 
最小公用工程消耗

     7.3.4 温焓图与组合曲线

 7.3.5 夹点的特性
 7.4 
夹点法设计能量最优的换热网络
    7.4.1 
匹配的可行性原则
    7.4.2 
流股的分割——FCp

7.4.3 流股的匹配——勾销推断法
 7.5 
换热网络的调优
    7.5.1 
最小换热单元数
    7.5.2 
能量与设备数的权衡
    7.5.3 
Tmin的选择
  7.6 
实际工程项目的换热网络合成

  7.6.1 数据提取

  7.6.2 选择物流

  7.6.3 老厂改造

  7.6.4 禁止匹配与强制匹配

  7.6.5 阈值问题

 7.6.6 多品位公用工程


分离塔序列的合成
  8.1 
分离序列合成进展概况
  8.2 
合成分离序贯基本概念
  8.3 
动态规划法
  8.4 
分离度系数法
  8.5 
相对费用函数法
  8.6 
三种分离序列合成法评述
  8.7 
调优法
  8.8 
复杂塔的分离顺序

基本要求:

l  掌握的内容合成分离序贯基本概念动态规划法分离度系数法

l  熟悉的内容相对费用函数法调优法

l  了解的内容复杂塔的分离顺序基于知识的精馏塔分离序列合成简捷算法计算机精馏塔排序

预备知识

《物理化学》、《化工热力学》、《化工原理》、《化学反应工程》、《化工技术经济》、《化工工艺学》、《计算方法》、《最优化理论》等等

证书要求
  1. 完成课程所有内容的学习;

  2. 单元作业 占 20%;

  3. 考试 占 80%;

  4. 60分即达到合格要求。

参考资料

1 化工过程分析与合成,麻德贤,李成岳,张卫东,化工出版社,2002
2
 过程系统工程导论 ,杨冀宏,麻德贤,烃加工出版社,1989.9
3
 石油化工中的分离方法,邹仁鉴等,石油化工出版社
4
 实用化工系统工程,杨友麒,化学工业出版社,1989
5
 R. TurtonAnalysis, Synthesis, and Design of Chemical Process, 1998
6
 W.D. Seider & J.D.SeaderProcess Design Principles
7
 R.SmithChemical Process Design

8. 化工过程优化,张卫东译,化学工业出版社,2006年