化工过程分析与合成
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spContent=《化工过程分析与合成》是化工及其相关专业的重要核心课程,是“化工系统工程”学科的主要组成部分,而“化工系统工程”是将系统工程学的理论和方法应用化工领域的边缘交叉学科。本课程注重基本概念、原理、方法和策略的论述,贯穿系统、整体的观点和全局优化的思想进行过程系统的操作分析与设计。
—— 课程团队
课程概述

  《化工过程分析与合成》是化工类及其相关专业的重要核心课程,在教学脉络上是相关基础课与专业课的融会贯通,以高等数学、物理学、物理化学、化工原理、化工工艺学、传递原理、反应工程等课程为基础。《化工过程分析与合成》讲授的内容是化工系统工程学科的主要组成部分,而化工系统工程是将系统工程学的理论和方法应用化工领域的边缘交叉学科,属于化学工程学或系统工程学的分支。本课程的主要教学内容有:化工过程系统模拟分析与优化综合的基本概念;化工过程的自由度分析和系统结构的表达及分解;建立化工单元操作与过程系统数学模型的方法和过程系统模拟的基本方法;基于夹点技术的换热网络综合;基于直观推断法的分离序列综合;过程系统能量集成和质量集成的基础知识与策略。

   本课程注重基本概念、原理、方法和策略的论述,结合工程实际与研究项目,贯穿系统、整体的观点和全局优化的思想进行过程系统的操作分析与设计,以便使学生掌握系统的知识和综合能力去应对变化的环境世界的挑战。本课程采用的研究方法是系统的方法论,即把研究的对象系统看作一个整体,同时把研究过程也看作一个整体,并贯穿着优化的思想,即把系统中可调的部分调节到获得可能的最优性能。本课程的一个最基本的目的是讨论化工过程系统设计的现代化方法和策略,即建立过程系统的数学模型,描述出系统中每一部分及总体性能,并给以评价,应用过程集成技术、数学规划方法和人工智能技术等对过程系统进行综合优化。

   在化工过程分析与合成的教学过程中注重学生实践能力、应用能力和终身学习能力的培养,实践环节分为仿真计算和专题设计,培养学生对化工过程系统工程的研究兴趣,提高学生开展解决化工过程实际问题的能力。力求使学生能够通过本课程的学习掌握化工单元及流程模拟分析与综合优化的基本方法,以适应可持续发展战略的要求。掌握多种大型通用化工流程模拟软件的使用方法,培养学生的工艺流程系统工程观念,提高其分析问题和解决实际问题的能力。

   本课程是化工类化学工程与工艺的必修课程、限选课程(化学工程与工艺、材料化工、工业催化等)或跨专业限选课(化机、应用化学专业),量大面广,开课对象为化工与制药类各专业学生。



授课目标

注重学生实践、应用和学习能力的培养,培养学生对化工过程系统工程的研究兴趣,提高学生开展解决化工过程实际问题的能力。力求使学生能够通过掌握化工单元及流程模拟分析与综合优化的基本方法,掌握多种大型通用化工流程模拟软件的使用方法,培养工艺流程系统工程观念,提高分析和解决实际问题的能力。

课程大纲

1. 绪论

1.1 绪论-1

1.2 绪论-2

第一章作业

2. 过程系统模拟概论

2.1 单元过程模拟基本概念和自由度分析

2.2 单元过程的稳态模拟

2.2.1 单元过程的稳态模拟

2.2.2 三对角线矩阵法

2.2.3 松弛法

2.3 单元过程模拟实例

2.4 总结

第二章作业

3. 过程系统自由度分析及系统分解-1

3.1 过程系统稳态模拟基本概念及过程系统结构表达

3.2 过程系统的分解

3.2.1 不相关子系统的识别、分隔 - 单元串搜索法

3.2.2 不相关子系统的分隔 - 矩阵法

3.2.3 最大循环网断裂 - LR法

3.2.4 最大循环网断裂 - UG法

3.2.5 最大循环网断裂 - 双层图法

第三章作业

3. 过程系统自由度分析及系统分解-2

3.3 化工流程模拟计算收敛方法

3.4 过程系统模拟基本方法

3.5 过程系统模拟分析实例

3.6 总结

4. 夹点技术的理论基础-1

4.1 过程系统的夹点及其意义

4.1.1 过程系统的夹点及其意义

4.1.2 过程系统的夹点及其意义例题

4.1.3 用问题表格法确定夹点

4.1.4 夹点的意义

4. 夹点的理论基础-2

4.2 准确地确定过程系统的夹点位置

4.3 过程系统的总组合曲线

4.3.1 总组合曲线的绘制

4.3.2 总组合曲线的意义

4.4 夹点技术的应用

4.5 软件介绍Pinch

4.6 总结

第四章作业

5. 换热器网络综合-1

5.1 根据温焓图综合换热器网络

5.1.1 换热器网络的综合

5.1.2 根据温-焓图综合换热器网络

5.2 夹点设计法

5.2.1 夹点匹配可行性规则

5.2.1.1 夹点匹配可行性规则1

5.2.1.2 夹点匹配可行性规则2

5.2.2 物流间匹配换热的经验规则

5.2 3 物流间匹配换热的经验规则例题

5.2.3.1 例题1

5.2.3.2 例题2

5. 换热器网络综合-2

5.3 换热器网络的调优

5.3.1 最少换热设备个数与热负荷回路

5.3.2 热负荷回路的断开

5.3.3 热负荷路径及能量松弛

5.4 换热器网络综合的结构优化法

5.4.1 转运模型

5.4.2 最小公用工程费用问题

5.4.3 最少换热设备个数问题及综合步骤

5.5 超结构法综合换热器网络

5.6 换热器设计与换热网络综合软件——HEXTRAN

5.7 总结

第五章作业

6. 分离序列综合

6.1 分离序列综合基本概论

6.1.1 问题定义及组合数学

6.1.2 分离过程的能耗

6.2 分离序列综合经典方法

6.2.1 有序直观推断规则

6.2.2 有序直观推断规则例题

6.2.3 渐进调优

6.2.4 渐进调优例题

6.2.5 数学规划

6.2.6 数学规划例题

6.3 总结

第六章作业

8 教学案例——页岩气脱酸过程吸收剂筛选与过程设计

8.7 页岩气脱酸过程设计与模拟-3

8.2 页岩气脱酸吸收剂筛选-1

8.6 页岩气脱酸过程设计与模拟-2

8.4 页岩气脱酸吸收剂筛选-3

8.5 页岩气脱酸过程设计与模拟-1

8.3 页岩气脱酸吸收剂筛选-2

8.1 背景介绍

8.9 页岩气脱酸过程能量集成-2

8.8 页岩气脱酸过程能量集成-1

7. 过程系统集成与优化

7.1 蒸馏过程与过程系统的能量集成

7.1.1 蒸馏过程与过程系统的能量集成

7.1.2 蒸馏过程与过程系统的能量集成

7.1.3 蒸馏过程与过程系统的能量集成

7.2 公用工程与过程系统的能量集成

7.3 夹点分析在过程系统能量集成中的应用

7.3.1 夹点分析在过程系统能量集成中的应用

7.3.2 过程流股及过程系统用能调优

7.3.3 过程系统用能诊断——操作型夹点分析

7.4 工业应用实例

7.5 总结

第七章作业

预备知识
高等数学、物理学、物理化学、化工原理、化工工艺学、传递原理、反应工程
证书要求

本课程为百分制,其中平时单元测验与作业占50%,期末考试占50%。最后总分不低于60分即可获得合格证书;85分以上即可获得优秀证书。


参考资料

参考教材:


1)化工过程分析与综合,都健主编、姚平经主审,大连理工大学出版社,2009

 

      本书为第三版教材,此次编写除保持原书的特色和精华外,对原书体系进行了适当调整,对部分内容进行了增删或简化,同时,加强了通用流程模拟软件和过程综合软件的功能和使用方法的介绍。全书共分7章,主要内容有:化工过程系统模拟与分析的基本概念与原理;建立化工单元操作与过程系统数学模型的方法及过程模拟的基本技能;过程系统综合与集成的基础知识和策略以及该学科领域的有关发展前沿。


2)化工过程分析与综合,都健主编、姚平经主审,化学工业出版社,2017


  本书介绍了过程系统工程学的发展历史及研究进展,过程系统工程的基本概念和特点,重点介绍了过程系统工程的稳态模拟、换热器网络综合、分离序列综合、过程系统能量集成、过程系统质量集成的基本方法,兼顾传统内容与现代内容。通过实际工程案例的研究和应用,将知识点与兴趣点结合,培养学生分析和解决实际问题的能力。


3)化工过程系统工程,姚平经编著,袁一审阅,大连理工大学出版社,1992

 

本书论述了化工过程系统工程学科的基本内容及发展。全书共分四章,第一章介绍化工过程系统工程学科的发展及前沿;第二章讨论了过程系统的模型化及模拟方法;第三章论述了过程系统综合的基本策略;第四章为过程系统最优化方法。附录中简要介绍有关的数学基础知识。

本书是在总结了多年教学与科学研究实践的基础上编写而成,注意阐述基本理论与方法的思维逻辑,注重理论与工程应用之间的分析与推理。


(4)过程系统分析与综合,姚平经主编,大连理工大学出版社,2004

 

      为适应21世纪教学内容和课程体系的更新与发展,,组织修订编写此书。全书共分8章,主要内容有:化工过程系统模拟与分析的基本概念与原理;建立化工单元操作与过程系统数学模型的方法及流程模拟的基本技能;过程系统综合与能量集成的基础知识与策略;以及该学科领域的有关发展前沿。作者力求对基本概念与原理的论述准确,结合工程世纪与研究项目,贯穿系统、整体的观点和全局优化的思想进行过程系统的操作分析与设计。




(5)过程系统工程,姚平经主编、杨友麒主审,化工理工大学出版社,2009

 

      本书为“十一五”国家重点图书,为“化学工程与技术”学科硕士研究生教学用书。主编单位为大连理工大学,参加编写的单位有清华大学、天津大学、青岛科技大学、武汉理工大学、华东理工大学和大连理工大学。本书借鉴国内外相关教材与专著;反映参编高校的理论研究与工程技术应用成果,把作者带到学科领域前沿;处理好本科生与硕士研究生在教学内容上的衔接,主要是理论上的加深、内容上扩充前沿领域;加强理论与工程应用的联系,体现科学原理对工程实践的理论指导作用。


相关专著简介:


(1)        全过程系统能量优化综合,姚平经主编,大连理工大学出版社,1995年

 

      本书系统地阐述“夹点技术”的基础理论,并深入介绍采用夹点分析、热力学分析与热经济学分析、数学规划法以及人工智能技术进行过程系统用能状况的诊断与调优,并总结提出具有指导工程实践意义的“过程系统能量集成策略”;最后列出已成功开车的工程改造实例,介绍实施一项现有生产装置节能技术改造的方法与工作步骤,对于节能技术改造中关键换热设备的设计方法也提出了完整的设计计算书。


(2)        化学工程师手册,袁一主编,姚平经、都健任编委并参加编写,机械工业出版社,1999年

 

      本书第24章“过程系统综合”由姚平经编写,该章介绍了过程系统综合研究的主要课题、过程系统综合的基本方法、夹点技术基础、换热器网络的综合、多组分分离序列的综合和全过程系统的能量集成。


(3)        换热器系统的模拟、优化与综合,姚平经、郑轩荣编著,化学工业出版社,1992

 

本书主要介绍换热器系统模拟、优化与综合的基本原理和一些常用的方法。全书分为两大部分:第一部分换热器,重点介绍常用类型换热器的数学模拟与优化设计,有关的传热基本知识也作一简介;第二部分换热器系统,是本书的重点,介绍换热器系统的数学模拟、优化以及有代表性的换热器网络综合的理论和方法。

本书可供从事生产过程系统能量分析与工程设计方面工作的工程技术人员使用,也可供大学生、研究生在学习有关内容时参考。


(4)      Product and process design principles: Synthesis, analysis and evaluation, 4ed. W D Seider, D R Lewin, J D Seader, S Widagdo, R Gani, K M Ng. Wiley, 2017.


  本书系统介绍了化工产品设计与化工过程设计的方法,以及二者的联系,在实际化工设计过程中将二者同时设计的必要性。本书重点介绍了化工产品与过程设计中创新的的系统性研究方法。


(5)        工业用水节约与废水减量Industrial  Water Reuse and Wastewater Minimization),姚平经等译,姚平经审核,中国石化出版社,2001年

本书汇总了近年来水夹点技术的研究、应用成果,通过对基本原理进行详尽的理论剖析与实际应用的逐步指导相结合,使读者明白如何在生产过程中进行水系统和废水系统的分析、综合和改造,实现工业水最大程度地回用和降低废水产生,并使废水处理费用最小化。本书包括了概念开发、软件实施和工业应用三大部分,书中列举了大量的工业应用实例和习题,并配有《用水设计》软件包。

本书系统地对水夹点技术进行了明确的阐述,是化工、土木和环境工程专业学生很好的环境保护工程教材。


(6)        过程系统工程辞典,成思危主编,中国石化出版社,2001年

 

      本辞典收录有关过程系统工程学科的基本概念、原理、技术、方法及相关数学等词条共1200余条,按技术专题分类编排为9章。编排时力求保持学术完整性、系统性、科学性。

      词目释文中,每一词目后均有相应的英文译名,英译后圆括号内的字母为其缩写词。

      书中所有涉及的单位,一律采用法定计量单位制。书后有拼音和英译名索引,以利查找。


(7)        过程系统工程辞典(第二版),王基铭主编,中国石化出版社,2011年

 

      本书在第一版的基础上,充分反映了10年来过程系统工程学科的新进展、新领域、新成果和新应用。如人工智能的应用、产品工程、生态过程系统工程、化工生产安全等。