化工過程分析與綜合

1、過程系統(tǒng) -通俗化理解：具有特定功能的單元過程，按照一定方式相互聯(lián)結(jié)所形成的網(wǎng)絡(luò) 過程系統(tǒng) -功能 實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)中的物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)換，保證物流的輸送和儲(chǔ)存。 化工過程的模型化： 在現(xiàn)有理論、實(shí)驗(yàn)研究、工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，通過分析研究及科學(xué)、合 理簡化，抽象出能夠深刻、正確反映過程系統(tǒng)本質(zhì)的數(shù)學(xué)描述 模擬的定義 ：采用一能反應(yīng)研究對(duì)象本質(zhì)和內(nèi)在聯(lián)系， 與原型具有客觀一致性， 且可再現(xiàn)原 型發(fā)生的本質(zhì)過程和特性的模型，來研究和設(shè)計(jì)原型過程的方法 數(shù)學(xué)模型分類和依據(jù) ：（1）穩(wěn)態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型 （_變量是否隨時(shí)間而變 ）（ 2）機(jī)理模型和 “黑 箱”模型（經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?（機(jī)理模型：根據(jù)化學(xué)工程學(xué)科及其相

2、關(guān)學(xué)科的理論與方法，對(duì)反應(yīng)進(jìn) 行分析研究而建立的模型； “黑箱”模型：即經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，不能?duì)過程機(jī)理進(jìn)行進(jìn)行正確的描 述，將研究對(duì)象當(dāng)作“黑箱”處理，根據(jù)過程輸入、輸出數(shù)據(jù)，采用回歸分析方法確定輸出 與輸入數(shù)據(jù)的關(guān)系） （ 3）集中參數(shù)模型與分布參數(shù)模型（過程的變量是否隨空間坐標(biāo)改變） （4）確定性模型和隨機(jī)模型（輸入與輸出是否存在確定性關(guān)系；若時(shí)間不作為變量- 統(tǒng)計(jì)的數(shù)學(xué)模型） 機(jī)理模型：由過程機(jī)理出發(fā)，經(jīng)推導(dǎo)得到，并得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 統(tǒng)計(jì)模型：根據(jù)小試或工業(yè)實(shí)際數(shù)據(jù)擬合或回歸得到純經(jīng)驗(yàn)的數(shù)學(xué)關(guān)系式?；旌夏Ｐ停?對(duì)實(shí)際過程進(jìn)行抽象概括和合理簡化， 然后對(duì)簡化的物理模型加以數(shù)學(xué)描述得到 的數(shù)學(xué)關(guān)系式

3、。又稱半經(jīng)驗(yàn)半理論模型。單元機(jī)理模型的建立步驟 ：（ 1）建立數(shù)學(xué)模型的假定條件（ 2）機(jī)理模型的建立方法（ 3）數(shù) 學(xué)模型的求解 過程系統(tǒng)模擬基本結(jié)構(gòu)及作用：輸入模塊： 提供模擬計(jì)算中所需要的所有信息，包括過程系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息 。輸入方式：批處理、一次輸入形式或用戶人機(jī)對(duì)話形式。 單元過 程模塊 ：過程系統(tǒng)模擬的重要組成部分。 根據(jù)輸入流股及單元結(jié)構(gòu)信息，通過過程速率或 平衡級(jí)的計(jì)算，對(duì)過程進(jìn)行物料流及能量流的衡算，獲得輸出流的信息 。 優(yōu)化方法庫 ： 為系統(tǒng)模擬提供優(yōu)化計(jì)算方法 。無約束最優(yōu)化方法：一維搜索（黃金分割法、消去法、拋物 線法）、變量輪換法、負(fù)梯度法、單純形法等，有約束最優(yōu)化

4、方法：lagrange 乘子法、罰函數(shù)法、既約梯度法等。 經(jīng)濟(jì)分析模塊 ： :將生產(chǎn)操作費(fèi)用與設(shè)備投資費(fèi)用與市場進(jìn)行聯(lián) 系，對(duì)系統(tǒng)生產(chǎn)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià) 。技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析：原料、反應(yīng)、工藝流程、化學(xué)工程、設(shè)備、 操作控制、產(chǎn)品、環(huán)境污染、資源利用。 管理系統(tǒng)執(zhí)行模塊 ： :過程系統(tǒng)模擬的核心。 控制計(jì)算順序及整個(gè)模擬過程 。 輸出模塊 ： :按照單元過程模塊或流股輸出的中間結(jié)果 或最終結(jié)果 ，按照用戶所需要的輸出方式和所需要的結(jié)果進(jìn)行輸出。 物性數(shù)據(jù)庫 熱力 學(xué)數(shù)據(jù)庫 計(jì)算方法庫為單元過程模塊求解提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和求解方法。 物性數(shù)據(jù)庫 ：各 種輸入模塊中涉及到物流的物性， 包括密度、 粘度等。 熱力學(xué)數(shù)

5、據(jù)庫 ：各種輸入模塊中 涉及到物流的熱力學(xué)性質(zhì)，包括焓、熵和Gibbs 自由能、化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)性質(zhì)。計(jì)算方法庫 ：為系統(tǒng)模擬提供數(shù)學(xué)計(jì)算方法，主要用于非線性方程的求解。 主要方法有： 直接迭 代法、松弛法、維格斯坦法、牛頓法、擬牛頓法、最小二乘法等。矩陣表示 （ a）過程矩陣 Rp 表達(dá)過程系統(tǒng)單元設(shè)備與流股之間的關(guān)系，由流股將相關(guān)設(shè)備 關(guān)聯(lián)起來。（列：設(shè)備單元號(hào)；行：相關(guān)物流號(hào)） （b） 鄰接矩陣 RA ：一個(gè)由 n 個(gè)單元或節(jié) 點(diǎn)組成的系統(tǒng)，其鄰接矩陣或相鄰矩陣可表示為nn 的方陣。 空的列 （元素都為零） ：系統(tǒng)中沒有輸入的節(jié)點(diǎn)； 空的行 （元素都為零） ：系統(tǒng)中沒有輸出的節(jié)點(diǎn)。 （c

6、） 關(guān)聯(lián)矩陣 RI 流 股與設(shè)備之間的關(guān)系：設(shè)備輸出為負(fù)，設(shè)備輸入為正。注意：.若有向圖中有 n 個(gè)節(jié)點(diǎn) m條邊，則關(guān)聯(lián)矩陣為 n 行 m 列的矩陣 .每一流股 （邊）在矩陣中標(biāo)出兩次，即同一條邊可是 一個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出又是另一節(jié)點(diǎn)的輸入邊 .列的元素之和為零過程系統(tǒng)的分解： 將一個(gè)結(jié)構(gòu)已定的系統(tǒng)分割成一些更小的次一級(jí)系統(tǒng)的方法。 目的就是方 便數(shù)學(xué)模型的求解。 系統(tǒng)分解 步驟 ：（1）系統(tǒng)的分隔（或分割 ）（2）子系統(tǒng)（循環(huán)回路或最大循環(huán)網(wǎng)）的斷裂系統(tǒng)的分隔 （或分割 ） 從系統(tǒng)中識(shí)別出獨(dú)立的子系統(tǒng)或者不相干的子系統(tǒng)目的：該子系統(tǒng)可以獨(dú)立求解 從識(shí)別出的子系統(tǒng)中進(jìn)一步識(shí)別必須同時(shí)求解的方程組。該

7、方程組對(duì)應(yīng)著系統(tǒng)中的一些循環(huán)回路或由幾個(gè)循環(huán)回路鏈接成的最大循環(huán)網(wǎng)， 并以擬節(jié)點(diǎn)表示這些循環(huán) 回路或者最大循環(huán)網(wǎng) 把系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)、擬節(jié)點(diǎn)按信息流方向排出沒有環(huán)路的序列，確定 有利的求解順序。獨(dú)立的子系統(tǒng) /不相干的子系統(tǒng) ：該子系統(tǒng)中包含的變量在系統(tǒng)的其他部分不出現(xiàn)，系統(tǒng)其 他部分所包含的變量也不在該系統(tǒng)中出現(xiàn)子系統(tǒng)的斷裂 斷裂的含義：選擇斷裂該組最大循環(huán)網(wǎng)中的某些流股，使這些流股所包含 的變量作為迭代變量， 使該股最大的循環(huán)網(wǎng)中的環(huán)路全部打開， 即可按照信息流方向逐個(gè)計(jì) 算該子系統(tǒng)的各單元。斷裂要做的 工作 就是尋找這個(gè)最優(yōu)的斷裂流股不相干子系統(tǒng)的識(shí)別： Himmelblau 方法：（1）列

8、出事件（關(guān)聯(lián)）矩陣 S（ 2）找出非零元素最多的列（ 3）k 列元素值為零行保留； 元素為 1 的行用布爾加法合并（ 4）重復(fù)第（ 2）步，找出非零元素最多的列， k=2 或 k=4 再重復(fù)第三步。 最后該矩陣每列只含 1 個(gè)非零元素， 說明此時(shí)各行間沒有共同的變量， 每行 對(duì)應(yīng)了 1 個(gè)不相關(guān)的子系統(tǒng)。不相關(guān)子系統(tǒng)的分隔：1.Sargent 和 Westerberg 的單元串搜索法 從有系統(tǒng)輸入流的單元開始，或由序號(hào)小的單 元開始， 沿著輸出流股搜索下去， 搜索過的單元形成一單元串； 當(dāng)發(fā)現(xiàn)某一個(gè)單元在單元 串中出現(xiàn)兩次時(shí)， 則將單元串中重復(fù)出現(xiàn)的單元之間所有單元合并為一擬節(jié)點(diǎn)， 該擬節(jié)點(diǎn)可

9、 以按照單個(gè)單元處理； 若該單元有幾個(gè)輸出流股的話， 按照輸出流股的序號(hào)從小到大， 依 次搜索下去， 搜索順序同上所述； 系統(tǒng)中所有的單元及物流都搜索過之后， 則搜索工作結(jié)束， 得到計(jì)算各單元組的順序。2. 矩陣方法 （ 1）鄰接矩陣法 步驟 除掉“一步循環(huán)回路” 指由一節(jié)點(diǎn)經(jīng)其輸出流股又直接回到 該 節(jié)點(diǎn)，也稱“自身回路” （主對(duì)角線元素為 1）。 除掉沒有輸入流股的節(jié)點(diǎn)。鄰接矩陣中只含零元素的列，則把該 節(jié)點(diǎn)排在計(jì)算順序表中的最前面。：除掉沒有輸出流股的節(jié)點(diǎn)， 除掉對(duì)應(yīng)的行和列， 并除 去相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。 鄰接矩陣中只含零元素的行即代表這樣的節(jié)點(diǎn)。 該節(jié)點(diǎn)排在計(jì)算表中的最后 面（因?yàn)檫@樣的節(jié)點(diǎn)

10、沒有向系統(tǒng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)輸出流股只有向系統(tǒng)外的節(jié)點(diǎn)輸出流股） ： 鄰接矩陣中已經(jīng)沒有全為零元素的列或全為零元素的行了， 說明系統(tǒng)中存在循環(huán)回路。 尋找 “2 步回路”合并為一擬節(jié)點(diǎn)，再返回步驟。若一過程系統(tǒng)已用 方程組 的形式來描述，先用事件矩陣表示該 方程組，再轉(zhuǎn)化成鄰接矩陣 （方程式當(dāng)節(jié)點(diǎn)） ，則用上述方法即可把方程組進(jìn)行分隔。事件矩陣轉(zhuǎn)換成鄰接矩陣 的前提：確定每一方程的“輸出變量” 。方法 ：首先選擇非零元素最少的列（或行） ，非零元素相同時(shí)，則按序號(hào)先后來選取，以列A 表示：在列 A 中非零元素所在的行中選含最少非零元素的行，以行 B 表示。位于列 A 與 行 B 的元素對(duì)應(yīng)的變量即為行

11、B 對(duì)應(yīng)方程的輸出變量。除去列 A 與行 B ，重復(fù)上述過程， 依此確定其他方程的輸出變量。鄰接矩陣的冪具有如下性質(zhì) ： 若 A 為一有向圖的鄰接矩陣時(shí)，其 n 次冪將能如下表明：從 有向圖中一節(jié)點(diǎn)經(jīng)過 n 步通路能否達(dá)到另一節(jié)點(diǎn)。 A 的 n 次冪的（ i,j ）主對(duì)角線上元素 為 1 時(shí)，表明從結(jié)點(diǎn) i 經(jīng)過 n 步通路可以達(dá)到結(jié)點(diǎn) j；A 的 n 次冪的（ i,j ）主對(duì)角線上元素為 0 時(shí)，表明從結(jié)點(diǎn) i 經(jīng)過 n 步通路達(dá)不到結(jié)點(diǎn) j。（2）可及矩陣法 ：可及矩陣的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)： R中所有的（ i,j ）元素為 1時(shí)，表明從結(jié)點(diǎn) i 經(jīng) 過至多 n 步通路可達(dá)到結(jié)點(diǎn) j；R 中所有的（

12、i,j ）元素不為 1 時(shí)，表明從結(jié)點(diǎn) i 經(jīng)過至多 n步通路達(dá)不到結(jié)點(diǎn) j；n 趨于無窮大時(shí)： R 中所有的（ i,j）元素為 1時(shí)，表明從結(jié)點(diǎn) i 總有通 路可達(dá)到結(jié)點(diǎn) j；R 中所有的（ i,j）元素不為 1時(shí)，表明從結(jié)點(diǎn) i 沒有任何通路達(dá)到結(jié)點(diǎn) j； 步驟：寫出網(wǎng)絡(luò)的節(jié) 點(diǎn)鄰 接矩 陣 R，然 后求 R 的二次冪和 三次 冪， 求R* R R 2 R 3。從可及矩陣 R* 中得到不可分隔子系統(tǒng)，含有多個(gè)不獨(dú)立的同規(guī)模的循環(huán)回路不易采用鄰接矩陣法易采用可及矩陣法最大循環(huán)網(wǎng)的斷裂斷裂的 實(shí)質(zhì) ：選出再循環(huán)單元組中的一條或幾條流線， 為其數(shù)據(jù)預(yù)設(shè)初始值， 形成可著手對(duì) 其后的單元進(jìn)行求解的

13、局面。選擇最優(yōu)斷裂流股的 準(zhǔn)則 ：I. 斷裂的流股數(shù)目最少； II. 斷裂流股包含的變量數(shù)目最少； III. 對(duì)每一流股選定一個(gè)權(quán)因子， 該權(quán)因子數(shù)值反映了斷裂該流時(shí)迭代計(jì)算的難易程度， 應(yīng)當(dāng)使 所有的斷裂流股權(quán)因子數(shù)值總和最?。?IV. 選擇一組斷裂流股，使直接代入法具有最好的 收斂特性。（說明：準(zhǔn)則 I 和 II ：直觀，比較經(jīng)驗(yàn)性。 準(zhǔn)則 III ：應(yīng)當(dāng)是比較完善的，但各流 股權(quán)因子的估計(jì)是困難的。準(zhǔn)則 IV ：具有相當(dāng)?shù)膶?shí)用性，如何選擇斷裂流股是個(gè)難題。）1. Lee-Rudd 斷裂法（斷裂的流股數(shù)目最少）回路矩陣 （行-流股號(hào) 列-回路。 f： 回路頻率，某一流股出現(xiàn)在各回路的次數(shù)。

14、對(duì)應(yīng)于 回路矩陣中的各列元素之和。 R：回路的秩，某一回路中包含的流股總數(shù)。對(duì)應(yīng)于回路矩陣 中的各行元素之和。 ）步驟 I . 除去不獨(dú)立的列 k 。II. 選擇斷裂流股（剩下的獨(dú)立列構(gòu)成的 回路矩陣中， 秩為 1 的行說明該行所對(duì)應(yīng)的回路只剩下一股物流， 為此打開該回路， 必須將 該行非零元素對(duì)應(yīng)的流股斷裂。 ）2. 雙層圖斷裂法 - 方程組斷裂 上下兩層均為節(jié)點(diǎn)，其中上層節(jié)點(diǎn)為方程，下層為變量。 從方程開始，尋找方程中的變量，兩者進(jìn)行連接。節(jié)點(diǎn)的局部度收斂： 迭代求解不能保證收斂到真實(shí)解的特性就叫做局部收斂 對(duì)于迭代求解， 如待求解的非線性方程無論只有一個(gè)解還是多個(gè)解， 算法均能保證方程的

15、求解收斂在唯一正確的解 時(shí)，則稱迭代求解具有 全局收斂性 。 收斂判據(jù) ：用來判定迭代計(jì)算收斂精度的目標(biāo)函數(shù) 值稱之收斂判據(jù)。對(duì)于隱式方 程和顯式方程，按絕對(duì)量考慮提出如下收斂判據(jù)：( (X)(k) X (k) )f （ X ） （k ）或 按 相對(duì)量考慮而提出如下 收斂 判據(jù) ：f (XX (k)(k)（X ） （k） X （k）X （k ）收斂容差 ：在方程的迭代求解過程中，在收斂判據(jù)中設(shè)定的前后兩次迭代結(jié)果的差值， 就叫做收斂容差， 也稱收斂誤差。 收斂容差 收斂速度： 求解方程的任何迭代法的收斂速度可用下式來衡量：直接迭代法X (k 1) ( X (k) )特點(diǎn)： 1）并不總是收斂的

16、2）收斂性與具體化工過程系統(tǒng)的非線性特征有關(guān)部分迭代法X (k 1) (1 w)X (k) w ( X (k)X (k 1) X(k) w( (X (k) X (k)w 是用來調(diào)節(jié)兩部分大小的一個(gè)系數(shù)，叫 松弛因子 。實(shí)際使用部分迭代法時(shí)，要對(duì) w 的數(shù) 值進(jìn)行合理的估計(jì)。韋格施坦法 ：用于顯式方程、具有顯式迭代形式的割線法。割線法：割線法的迭代方案，利 用連接函數(shù)曲線上 x 值等于的兩個(gè)點(diǎn)的割線與橫坐標(biāo)相交，定出下一輪的 x 值，即X ( k 1) X (k)f (X )f (X )(k )需要前部分迭代法公式：X (k 1) X (k) w( (X (k) X(k)Wegstein 方 法

17、代公式為：X (k 1) X(k)w(k)( (X (k)X(k)1(k)w (k) (k )1 S(k )割線法迭代求解的特點(diǎn) ：在各輪迭代中只需進(jìn)行函數(shù)值的計(jì)算。 在作每一輪計(jì)算時(shí)， 兩輪的信息。在迭代求解開始前，需設(shè)置兩個(gè)初始點(diǎn)（初值）S (k) (X (k) ) (X (k 1)X (k ) X ( k 1)此法的收斂速度，具有超線性收斂的性質(zhì)，比部分迭代法 （包括直接迭代法）快。X X(J (k) ) 1 f (X)(k)牛頓拉夫森法XfXX(k)J (k)該方法的實(shí)質(zhì)：X ( k1) X (k )f ( X (k)f ( X (k)函數(shù)所代表的，就是原函數(shù)曲線在X X (k)處的切

18、線。該切線與橫坐標(biāo)軸的交點(diǎn)給出的X 處的切線；盡管還不是原方程的解，但是已經(jīng)大大逼近了一步。優(yōu)勢點(diǎn)：收斂速度快！序貫?zāi)K法 的優(yōu)點(diǎn)：所采用的常規(guī)的化工單元操作模塊，以及選用這些模塊按照“搭積木” 的方式模擬整個(gè)流程，因而便于應(yīng)用。缺點(diǎn)： 若是采用設(shè)計(jì)型問題中， 由于控制模塊和收斂 模塊的存在， 導(dǎo)致了三層迭代嵌套。 聯(lián)立方程組法 的優(yōu)點(diǎn)： 不存在設(shè)計(jì)型問題和操作性問題 的選擇。缺點(diǎn)：變量太多時(shí)變量初值問題比較困難。通用型過程系統(tǒng)模擬基本步驟 1） 分析模擬問題 針對(duì)具體要模擬的問題，確定模擬的范圍 和邊界，了解流程的工藝情況，收集必要的數(shù)據(jù)（院士物流數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)、物 性數(shù)據(jù)等），確

19、定模擬要解決的問題和目標(biāo)2） 選擇過程模擬系統(tǒng)軟件，準(zhǔn)備輸入數(shù)據(jù) 選擇合適的軟件 -是否包括流程設(shè)計(jì)的組分基礎(chǔ)物性、是否有合適與流程的熱力學(xué)性質(zhì)計(jì)算方 法、是否有描述流程的單元模塊收集流程信息、數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備輸入數(shù)據(jù)3）繪制模擬流程 利用圖示的方法建立過程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，描述流程的聯(lián)結(jié)關(guān)系，描述所有的單元模型4）定義流程涉及組分 針對(duì)繪制的模擬流程， 利用模擬流程系統(tǒng)的基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)庫， 選擇模擬流程涉 及的組分。 實(shí)質(zhì)： 給定組分的基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)若涉及到中間組分的物性參數(shù)， 要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行 估值。 5）選擇熱力學(xué)性質(zhì)計(jì)算方法 目前沒有一種通用性的計(jì)算混合物在各種條件下的熱力 學(xué)性質(zhì)計(jì)算方法原則：對(duì)于

20、非極性或弱極性物質(zhì)， 采用狀態(tài)方程法；對(duì)于極性物質(zhì)，則氣相 采用狀態(tài)方程、液相采用活度系數(shù)方程，兩者相結(jié)合的方法6） 輸入原始物流及模塊參數(shù)原始物流：流量、溫度、壓力、組成等。模塊參數(shù)：設(shè)備數(shù)據(jù)、操作參數(shù)、模塊功能、選擇 信息等 7）運(yùn)行模塊 單擊模擬工具條實(shí)際進(jìn)行的運(yùn)算：利用構(gòu)建的流程模型提供的基礎(chǔ)物性 數(shù)據(jù)，選擇的熱力學(xué)性質(zhì)計(jì)算方法、輸入的數(shù)據(jù)，采用一定的模擬計(jì)算方法（序貫?zāi)K法、 聯(lián)立方程法、聯(lián)立模塊法） ，進(jìn)行計(jì)算，得到物料、能量衡算結(jié)果。8） 分析模擬結(jié)果 必要性原則： 確保結(jié)果的合理性和正確性 9） 運(yùn)行模擬系統(tǒng)的其他功能 工況分析、設(shè)計(jì)規(guī)定、 靈敏度分析、優(yōu)化、設(shè)備設(shè)計(jì)等其他計(jì)算

21、10） 輸出最終結(jié)果熱級(jí)聯(lián) ： 每個(gè)單元都是相似的傳熱過程組成的串級(jí)結(jié)構(gòu)。每一級(jí)相當(dāng)于一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)。熱級(jí) 聯(lián) 虛擬的結(jié)構(gòu)，同一溫位的物流集中于同一級(jí)。第 k 級(jí)的熱平衡（k =1 、2、 3、4、 .K） 輸出 = 輸入- 赤字 O=I -D ；D = （ CPC- CPH ）（T k-T k+1）夾點(diǎn)的意義 ：（1）夾點(diǎn)處，系統(tǒng)的傳熱溫差最小（等于 T min ），系統(tǒng)用能瓶頸位置； （2） 夾點(diǎn)處熱流量為 0 ，夾點(diǎn)將系統(tǒng)分為熱端和冷端兩個(gè)子系統(tǒng)，熱端在夾點(diǎn)溫度以上，只需 要公用工程加熱（熱阱）冷端在夾點(diǎn)溫度以下，只需要公用工程冷卻（熱源）；（ 3）在一定的T min 下，確定了系統(tǒng)最小的公

22、用工程加熱負(fù)荷QH min 和系統(tǒng)最小的公用工程冷卻負(fù)荷 QC min ，以及系統(tǒng)最大的熱回收量 QR,max ；（ 4）夾點(diǎn)處溫度差的影響 T min 大，QH, min 、 QC min 增大， QR,max 減小。系統(tǒng)具有最低公用工程消耗以及最大熱回收的原則：（1）熱量不能穿透夾點(diǎn)（ 2）夾點(diǎn)上方不能設(shè)置公用工程冷卻（ 3）夾點(diǎn)下方不能設(shè)置公用工程加熱確定操作型夾點(diǎn)： 采用單一的 T min （或 HRAT ，Heat Recovery Approach Temperature） ， 確定夾點(diǎn)位置的計(jì)算 步驟 如下：（ 1）收集過程系統(tǒng)中熱、冷物流數(shù)據(jù)，包括其熱容流 率、初溫、終溫等；

23、（2）選擇一最小允許的傳熱溫差初值 T min，按 4.1.4節(jié)介紹的問題表 格法確定夾點(diǎn)位置，并得到系統(tǒng)所需的熱、冷最小公用工程負(fù)荷QH, min 、QC min ；（3）修正T min ，直至 QH, min、QC min 與現(xiàn)有過程系統(tǒng)所需的熱、冷公用工程負(fù)荷相符， 此時(shí)即確定了該過程系統(tǒng)的夾點(diǎn)位置。 采用現(xiàn)場過程中各物流間匹配換熱的實(shí)際傳熱溫 差進(jìn)行計(jì)算。采用“虛擬溫度法”法，具體 步驟 ：（1）按現(xiàn)場數(shù)據(jù)推算各熱、冷物流對(duì)傳熱 溫差的貢獻(xiàn)值 TCH,i、TCC,j ，i、j 分別表示熱、冷物流的序號(hào)； （ 2）確定各物流的虛擬溫度（ 3） 按問題表格法進(jìn)行夾點(diǎn)計(jì)算，但不同之處是全過程

24、系統(tǒng)取T min值為零，這是因?yàn)楫?dāng)所有物流轉(zhuǎn)換成虛擬溫度后，都已經(jīng)考慮了各物流間的傳熱溫差值；（ 4）打印輸出計(jì)算結(jié)果。設(shè)計(jì)型夾點(diǎn)計(jì)算 ：目的： 得到合理的過程系統(tǒng)中熱流量沿溫度的分布， 從而減小公用工程負(fù) 荷，達(dá)到節(jié)能的目的。 方法： 改進(jìn)各物流間匹配換熱的傳熱溫差以及對(duì)物流工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào) 優(yōu)。如何確定各物流適宜的傳熱溫差貢獻(xiàn)值， 從而改善夾點(diǎn)？具有一個(gè)熱阱 （或熱源） 和多個(gè)熱 Ua ii T i源（或熱阱） ，滿足下式（Ui-第 i 臺(tái)換熱器傳熱系數(shù)； ai-第 i 臺(tái)換熱器單位傳熱面積的價(jià)格； Ti- 第 i-常數(shù)），則單位熱負(fù)荷所需要的a j Tj 傳熱面積最小。多個(gè)熱源與多個(gè)熱阱匹

25、配換熱：（Hj-物流 j 側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，已經(jīng)包括該側(cè)的污垢熱阻的影響； ai- 物流 jTi- 物流 j 側(cè)h r aT jhhrj aa rj Tr- 常數(shù)），找到一參照物流 r，則：每一物流的傳熱溫差貢獻(xiàn)值都確定以后， 按操作型夾點(diǎn)計(jì)算步驟進(jìn)行夾點(diǎn)計(jì)算， 確定改進(jìn)后的夾 點(diǎn)位置，進(jìn)行熱回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。總組合曲線 在 T H 圖上描述過程系統(tǒng)中的熱流量沿溫度的分布，熱流量為零處就是夾 點(diǎn)。繪制的 目的 ：主要是為了合適的公用工程 總組合曲線的意義： 總組合曲線表達(dá)了溫位與熱流量的關(guān)系， 描述熱流量沿溫度的分布； 需 要補(bǔ)充熱量的溫位； 可以回收熱量的溫位；夾點(diǎn)上方熱阱， 只需要熱公用工程

26、； 夾點(diǎn)下方 熱源，只需要冷公用工程；過程能量綜合的背景。熱袋 意味著過程流股間的熱交換就可以達(dá)到工藝要求， 不需要外加冷熱公用工程。 過程設(shè)計(jì) 人員用“熱袋” 中的高溫位的過程物流產(chǎn)生高品位的中壓蒸汽， 用低品位的低壓蒸汽加熱 “熱袋”中的低溫位的過程物流，從而達(dá)到降低操作費(fèi)用的目的。換熱器網(wǎng)絡(luò)綜合 ：確定具有最小設(shè)備投資， 最小操作費(fèi)用， 能達(dá)到過程要求的換熱器網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu)。具有可控性、穩(wěn)定性和可操作性。 方法 ：夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法；有效能法；溫度間隔法；熱力學(xué) 溫差貢獻(xiàn)法；數(shù)學(xué)規(guī)劃法。換熱器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)步驟： （1）選擇工藝流股和公用工程流股 ;（ 2） 確定經(jīng)濟(jì)合理的夾點(diǎn)溫差 和公用工程用量 ;（

27、3） 綜合出初步的候選換熱網(wǎng)絡(luò)； （4） 將候選網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化成最好的換熱網(wǎng) 絡(luò);（5）對(duì)換熱器進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，得出工程網(wǎng)絡(luò);（ 6）模擬計(jì)算，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)和系統(tǒng)操作性分析，對(duì)結(jié)果不滿意，返回第（2）步，直至滿意。理論基礎(chǔ) -有效能 給定輸入溫度 Tki 、tji 的換熱系統(tǒng)，使冷物流的輸出溫度tje 最大，熱物流的輸出溫度 Tke 最小，則系統(tǒng)有效能的損失最小。 傳熱溫差愈小，過程不可逆性 愈小，有效能損失愈小，但要求較大的熱交換面積。 換熱系統(tǒng)物流的質(zhì)量流量及輸入、 輸出溫度一定時(shí)，有效能損失不隨熱交換網(wǎng)絡(luò)的變化而變化。 處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)的過 程物流相混合，則不存在有效能的損失。 應(yīng)合理分配

28、每個(gè)換熱器的有效能損失，使熱交 換面積的總和最小。熱力學(xué)最小傳熱面積網(wǎng)絡(luò)的綜合 ：根據(jù)有效能分析，在 T-H 圖上合理分配傳熱溫差及熱負(fù) 荷，實(shí)現(xiàn)冷熱流體的逆流分配，得到滿足要求的熱力學(xué)最小面積網(wǎng)絡(luò)。具體 步驟：（文字、畫圖、說明） 搜集物流數(shù)據(jù)：流量、溫度、比熱容、汽化熱等； 構(gòu)造冷、熱物流的組合曲線 ； 調(diào)整冷熱物流的組合曲線，使得最小傳熱溫差不小于指 定值； 劃分溫度間隔區(qū)間，進(jìn)行物流匹配。熱力學(xué)最小傳熱面積網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)的總體思路（1） 應(yīng) 使 各 換 熱 器 的 U /a T值相近。（ 2）減少物流的分支與混合，并把小負(fù)荷換熱器合并到相鄰的換熱器上。但應(yīng)當(dāng)盡可能接近最小傳熱面積網(wǎng)絡(luò)時(shí)的溫

29、度關(guān)系，使所需增加的傳熱面積不致太多。影響換熱網(wǎng)絡(luò)綜合費(fèi)用的因素： 換熱器數(shù)量：換熱器臺(tái)數(shù)越多，則設(shè)備費(fèi)用越高；換熱面 積：傳熱溫差越小或總傳質(zhì)系數(shù)越小， 則相同的熱流量所需要的換熱面積越大， 則設(shè)備費(fèi)用 越高；單位換熱面積費(fèi)用 a：不同材質(zhì)和型式的換熱器，單位換熱面積費(fèi)用相差較大 同樣面積和材質(zhì)的浮頭式換熱器價(jià)格為固定管板式換熱器的 1.3-1.5 倍；傳熱過程的總傳熱 系數(shù) U：換熱器的形式和結(jié)構(gòu)影響總傳熱系數(shù)，從而影響傳熱面積，則設(shè)備費(fèi)用不同；公用 工程消耗： 影響操作費(fèi)用；操作性和可控性： 換熱網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)， 則相應(yīng)的操作費(fèi)用和可控性的 成本增大 分離序列綜合問題 定義：在給定進(jìn)料流股狀態(tài)

30、（流量、溫度、壓力和組成）并規(guī)定分離產(chǎn)品 要求的情況下，系統(tǒng)化地設(shè)計(jì)出分離方案并使總費(fèi)用最小 分離點(diǎn)（切分點(diǎn)） 定義：可以分離開的相鄰組分之間 如 A/B B/C ，R 組分混合物分離成R 個(gè)純組分產(chǎn)品，存在 R-1 個(gè)分離點(diǎn)。順序表 ：將進(jìn)料的組分按照一定的規(guī)律排列起來 順序表（排列遵循的依據(jù)主要是：與分離方法有關(guān)的物性值）分離序列數(shù) ：把含有 R 個(gè)組分的混合物分離成 R 個(gè)純組分的產(chǎn)品采用分離方法（簡單銳分離）種數(shù) S，S 的遞推公式：S j SR i12( R 1)! R !(R 1)!分離序列的 子群數(shù) （相鄰的流股） ：分離多組分進(jìn)料時(shí)，產(chǎn)生一些子群，其為各分離器的進(jìn) 料或最終產(chǎn)品

31、。一般情況下，總的不同的分離子群數(shù)（包括進(jìn)料） G 由算術(shù)級(jí)數(shù)求和得到： G j 21 R （ R 1）分離序列方案優(yōu)劣的判別指標(biāo)判別指標(biāo)的 目的 ：選擇最優(yōu)的分離子問題構(gòu)成分離序列統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn) ：單元設(shè)備在最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)下的年度費(fèi)用(設(shè)備折舊費(fèi)+操作費(fèi)用) ；易分離系數(shù)( CES)；分離難度系數(shù)( CDS)(1)分離易度系數(shù)定義： CES=f f ( 1)為塔頂與塔釜產(chǎn)品摩爾流量比； 為相鄰組分間的沸點(diǎn)差絕對(duì)值Tb或 （ 1） 10 0分離易度系數(shù)越大或分離難度系數(shù)越小，表示輕、重關(guān)鍵組分越易被分離；對(duì)特定分離序列， 其中獨(dú)立分離單元分 離易度系數(shù)總和越大分離難度系數(shù)總和越小，該分離序列也就更優(yōu)。分離序列綜合經(jīng)典方法 ： 直觀推斷法 ：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則進(jìn)行系統(tǒng)綜合的方法，沒有堅(jiān)實(shí)的數(shù) 學(xué)基礎(chǔ)，但是含有一定的理論依據(jù)，簡潔高效，迅速得到近優(yōu)解。