化工過(guò)程分析與合成

1、化工過(guò)程分析與合成一，化工系統(tǒng)的定常態(tài)模擬與分析（一）模擬是對(duì)過(guò)程系統(tǒng)模型的求解1.過(guò)程系統(tǒng)的模擬分析：對(duì)某個(gè)給定的過(guò)程系統(tǒng)模型進(jìn)行模擬求解，可得出該系統(tǒng)的全部狀態(tài)變量，從而可以對(duì)該過(guò)程系統(tǒng)進(jìn)行工況分析參數(shù).t.決策過(guò)程系統(tǒng)模型狀態(tài)變I圖2T過(guò)程系統(tǒng)的模擬分析2,過(guò)程系統(tǒng)設(shè)計(jì)：當(dāng)對(duì)某個(gè)或某些系統(tǒng)變量提出設(shè)計(jì)規(guī)定要求時(shí)，通過(guò)調(diào)整某些決策變量使模擬結(jié)果滿足設(shè)計(jì)規(guī)定要求,V我小/史中I壯志*、魄”特貝.I過(guò)鼻樂(lè)統(tǒng)椎陰一滿足過(guò)丁覘史百?：-iTf，調(diào)整I鍬2過(guò)叁泰托|近13,過(guò)程系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化：過(guò)程系統(tǒng)模型與最優(yōu)化模型聯(lián)解得到一組使工況目標(biāo)函數(shù)最佳的決策變量（優(yōu)化變量）。從而實(shí)施最佳工況（二）過(guò)程系統(tǒng)模

2、擬的三種基本方法：序貫?zāi)K法、面向方程法、聯(lián)立模塊法方法思路優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)與實(shí)際過(guò)程的直觀計(jì)算效率較按照由各種單元模塊組成的聯(lián)系強(qiáng)；低，尤其是解決序貫?zāi)K過(guò)程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，序貫的對(duì)各模擬系統(tǒng)軟件的建設(shè)計(jì)和優(yōu)化問(wèn)題法單元模塊進(jìn)行計(jì)算，從而完成立、維護(hù)和擴(kuò)充都很時(shí)計(jì)算效率更低該過(guò)程系統(tǒng)模擬計(jì)算。方便，易通用化；計(jì)算出錯(cuò)時(shí)易于診斷出錯(cuò)位置解算快；要求給定較好模擬型計(jì)算與設(shè)計(jì)型的初值，否則可計(jì)算一樣；能得不到解。將描述整個(gè)過(guò)程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)適合最優(yōu)化計(jì)算，效計(jì)算失敗后診面向方程方程式聯(lián)立求解，從而得出模率局；斷錯(cuò)誤所在困法（又稱擬計(jì)算結(jié)果便于與動(dòng)態(tài)模擬聯(lián)合難；聯(lián)立方程實(shí)現(xiàn)形成通用化程法）序困難，難以繼承已有單元操

3、作模塊?？梢岳们叭碎_(kāi)發(fā)將嚴(yán)格模型做的單元操作模塊；成簡(jiǎn)化模型時(shí)需將過(guò)程系統(tǒng)的近似模型方可以避免序貫?zāi)K要花費(fèi)機(jī)時(shí)。聯(lián)立模塊程與單元模塊交替求解法中的循環(huán)流迭代。用簡(jiǎn)化模型來(lái)法（又稱比較容易實(shí)現(xiàn)通尋求優(yōu)化時(shí)，其雙層法）用。解與嚴(yán)格模型優(yōu)化解是否一致有爭(zhēng)論。1.-序貫?zāi)K法：基本部分是單元模塊（子程序），用以描述物性、單元操作以及系統(tǒng)其它功能。單元模塊具有單向性特點(diǎn)。（1）斷裂：通過(guò)迭代把高維方程組降階為低維方程組的辦法。它適用于不可分割子系統(tǒng);-不可分割子系統(tǒng)：過(guò)程系統(tǒng)中，若含有再循環(huán)物流，則構(gòu)成不可分割子系統(tǒng)。-實(shí)施序貫?zāi)K法進(jìn)行過(guò)程系統(tǒng)模擬計(jì)算中必須要解決的問(wèn)題一一如何選擇斷裂物流、如何確

4、定迭代序列。-判斷最佳斷裂的準(zhǔn)則： 斷裂的物流數(shù)最少； 斷裂物流的變量數(shù)最少；斷裂物流的權(quán)重因子之和最少;斷裂回路的總次數(shù)最少。P產(chǎn),網(wǎng)Z%吃7=1i=1，m,代表回路；j=1,F0,流股j未斷裂x二j11,流股j被斷裂f0,流股j不屬于回路ia；二iji1,流股j屬于回路i,n,代表物流(2)回路矩陣簡(jiǎn)單回路：一個(gè)不可分割子系統(tǒng)包含若干個(gè)再循環(huán)回路。中的任何單元只被通過(guò)一次，稱作簡(jiǎn)單回路?；芈肪仃嚕哼^(guò)程系統(tǒng)中的簡(jiǎn)單回路可以用回路矩陣表示。矩陣：行一回路；列一物流。若某回路i中包括有物流j則相應(yīng)的矩陣元素包含兩個(gè)以上再循環(huán)物流，且其aji=1,否則為空白或零。SIS2S3AV1B11C111D

5、I1S4S5S6SI1111Upadyhe-Grens斷裂法需要解決的兩個(gè)問(wèn)題：一是要有一種能把所有的有效斷裂物流組都能搜索出來(lái)的辦法；二是要能把最優(yōu)斷裂組從中選擇出來(lái)有效斷裂組：能夠把全部簡(jiǎn)單回路至少斷裂一次的斷裂流股組。多余斷裂組：如果從一個(gè)有效斷裂組中至少可以除去一個(gè)流股，而得到的斷裂組仍為有效斷裂組，則原有效斷裂組為多余斷裂組。或，存在二次斷裂。非多余斷裂組：除多余斷裂組外，為非多余斷裂組。代規(guī)則*令fDJ為一有效斷裂組,4為全部輸入流均屬于的單兀（至少有一個(gè)這樣的單兀存在.否則（DJ為無(wú)效斷裂組）將餐的所有輸入流用A1的全部輸山流替代，構(gòu)成新的斷裂組口令得到的新的斷裂組為，則也是有效

6、斷裂組工對(duì)于直接迭代，&與（DJ具有相同的收斂性質(zhì)。由腫代幌則取事題點(diǎn)聃所有斷裂報(bào)的集哈.走火為斷裂趣（5）尋求最優(yōu)斷裂組的算法 從任一有效斷裂開(kāi)始，運(yùn)用替代規(guī)則土 如果在任何一步中出現(xiàn)有兩次被斷裂的物流（二次斷裂組），則消去其中的重復(fù)物流。消去重復(fù)后斷裂組則作為進(jìn)行下一步的新起點(diǎn)口 重復(fù)步驟、,直到不再有二次斷裂組出現(xiàn)，且每個(gè).樹(shù)枝”上有重復(fù)的斷裂組出現(xiàn)時(shí)為止。從最后個(gè)新的起點(diǎn)開(kāi)始，其后山觀的所有不重復(fù)的斷裂組成為非多余斷裂族，非多余斷裂族中總權(quán)最小的斷裂組為最優(yōu)斷裂組.例題:解：回路矩陣為:流股序號(hào)1234567（權(quán)重因子Wf）圖2T3不可分隔子系統(tǒng)A010100751100C1110/?

7、0110Wj2923342替代規(guī)則列表:單元1:S5,S6一S1單元2:S1,S4,S7-S2單元3:S2-S3,S4,S5單元S3S6,S74:s4.sS)IFI.s4s苦5.甄s?sisA,s7非多余斷裂族:斷裂組SI,S4,S7）為最優(yōu)斷裂組.通過(guò)的瞿可以把小山分隔r系經(jīng)中的回路物流打”，從而可以利用印黃模塊法對(duì)該過(guò)程系線進(jìn)行模福汁算一”這種模楨訃算的開(kāi)始是首先要設(shè)定起始物流變誠(chéng)的范伯.計(jì)算的終點(diǎn)剜在j讀精伸與計(jì)算怡的收效.(3)收斂單元模塊：執(zhí)行斷裂物流變量收斂功能的模塊。斷裂物流變量的收斂問(wèn)題實(shí)際上是個(gè)迭代求解非線性方程組的問(wèn)題。適合于收斂單元應(yīng)滿足要求：對(duì)初值的要求不高；數(shù)值穩(wěn)定性

8、好；收斂速度快；占用計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)空間少。(4) Wegstein方法與割線法有何關(guān)聯(lián)？為什么ASPEN手冊(cè)中，遇到斷裂問(wèn)題推薦前者，遇到設(shè)計(jì)問(wèn)題又推薦后者？Wegstein法與割線法是相通的.隱式方程具有更大的普遍性，所以割線法常為人們所熟知。在流程模擬領(lǐng)域中，物流回路多用顯式方程描述的。因而多用Wegstein法。2.面向方程法(1)面向方程法的核心問(wèn)題是求解超大型稀疏非線性方程組，求解方法大致分為兩類：降維求解法聯(lián)立求解法(2)方程組的分解方法有回路搜索法和矩陣法兩大類。大型稀疏非線性方程組的另一種求解方法是把非線性方程組線性化。然后聯(lián)立求解線性方程組。由于線性化引入了誤差，所以要借助迭代使

9、線性化方程組的解逐漸逼近非線性方程組的解.二.化工過(guò)程系統(tǒng)的優(yōu)化1 .過(guò)程系統(tǒng)中優(yōu)化的分類：參數(shù)優(yōu)化；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；管理優(yōu)化參數(shù)優(yōu)化：在流程結(jié)構(gòu)給定的條件下，對(duì)象為過(guò)程系統(tǒng)參數(shù)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化：流程方案的優(yōu)化；在多種可行方案中找出費(fèi)用最小的流程結(jié)構(gòu)，保證該方案滿足安全、環(huán)保、易操作等方面的要求不論是結(jié)構(gòu)優(yōu)化還是參數(shù)優(yōu)化，最終目的都是為了以最小的投入獲得最大的收益。2 .最優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述(1)在數(shù)學(xué)上，求解最優(yōu)化問(wèn)題就是要找到一組使得目標(biāo)函數(shù)J達(dá)到最大或最小的決策變量.(2)求最小值的方法完全可以用于求解最大值問(wèn)題minJ=max-JminJ=minF(y)(3)服從于不等式約束條件：g(y)-o(4

10、)及n個(gè)等式約束條件：e(y)=0y=(yy2,，yn)Tn維優(yōu)化變量向量最優(yōu)化問(wèn)題的組成要素：目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化變量，約束條件與可行域。目標(biāo)函數(shù)：(又稱性能函數(shù)，評(píng)價(jià)函數(shù))是最優(yōu)化問(wèn)題所要達(dá)到的目標(biāo)。如：系統(tǒng)的產(chǎn)量最大；系統(tǒng)的原料利用率最高；系統(tǒng)的穩(wěn)定操作周期最長(zhǎng)。優(yōu)化變量：對(duì)于過(guò)程系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，優(yōu)化變量向量就是過(guò)程變量向量。過(guò)程變量向量包括決策變量和狀態(tài)變量。決策變量等于系統(tǒng)的自由度，它們是系統(tǒng)變量中可以獨(dú)立變化以改變系統(tǒng)行為的變量;狀態(tài)變量是決策變量的函數(shù)，它們是不能獨(dú)立變化的變量，服從于描述系統(tǒng)行為的模型方程自由度為零的系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題就是系統(tǒng)模擬問(wèn)題約束條件：當(dāng)過(guò)程變量向量y的各分量為一

11、組確定的數(shù)值時(shí)，稱為一個(gè)方案變量y的取值范圍一般都要給以一的限制，這種限制稱為約束條件。約束條件有等式約束和不等式約束。（狀態(tài)方程也可以看作是一種約束條件。對(duì)于設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，設(shè)計(jì)規(guī)定要求也是一種約束條件。）等式約束條件由等式設(shè)計(jì)規(guī)定要求和尺寸成本關(guān)系式兩部分組成不等式約束條件包括過(guò)程變量的不等式約束條件和不等式設(shè)計(jì)規(guī)定要求可行域：滿足約束條件的方案集合?？尚杏蛑械姆桨阜Q為可行方案。最優(yōu)解：過(guò)程系統(tǒng)最優(yōu)化問(wèn)題是在可靠域中尋求使目標(biāo)函數(shù)取最小值的點(diǎn)，這樣的點(diǎn)稱為最優(yōu)化問(wèn)題的最優(yōu)解例4-1求一個(gè)受不等式約束的最優(yōu)化問(wèn)題in/(X3)=區(qū)-3+(%-2f+1min服從于約束條件：上：7,一0x2-

12、10解：可行域是由:X-,-1=0再=三邊所圍成的區(qū)域,最優(yōu)解只能是可行域內(nèi)與點(diǎn)(3,2)距離最近的點(diǎn)(2,1)3 .最優(yōu)化問(wèn)題的建模方法最優(yōu)化問(wèn)題的建模方法：機(jī)理模型、黑箱模型、混合模型適用范圍：(1) 機(jī)理模型：對(duì)于過(guò)程機(jī)理清楚的問(wèn)題，一般采用機(jī)理模型進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)果比較精確(2) 黑箱模型：對(duì)于過(guò)程機(jī)理不很清楚，或機(jī)理模型復(fù)雜，難以建立數(shù)學(xué)方程組或方程組求解困難的問(wèn)題。常用的就是統(tǒng)計(jì)模型優(yōu)化方法優(yōu)點(diǎn)是模型關(guān)系式簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是外延性能較差4 .化工過(guò)程系統(tǒng)最優(yōu)化方法的分類1 .無(wú)約束最優(yōu)化與有約束最優(yōu)化對(duì)于決策變量及狀態(tài)變量無(wú)任何附加限制，則稱為無(wú)約束最優(yōu)化；直接或間接的對(duì)決策變量施以某

13、種限制，則稱為有約束最優(yōu)化，又可分為等式約束最優(yōu)化和不等式約束最優(yōu)化。2 .線性規(guī)劃LP和非線性規(guī)劃NLP目標(biāo)函數(shù)約束條件全部都為線性函數(shù)稱為線性規(guī)劃，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)或約束條件中至少有一個(gè)為非線性函數(shù)時(shí)，則稱為非線性最優(yōu)化。過(guò)程系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化通常都屬于非線性規(guī)劃3 .單維最優(yōu)化和多維最優(yōu)化4 .解析法與數(shù)值法解析法又稱為間接最優(yōu)化方法。只適用于目標(biāo)函數(shù)(或泛函)及約束條件有顯函數(shù)表達(dá)的情況。古典的微分法、變分法、拉格朗日乘子法和龐特里亞金最大值原理等都屬于解析法。數(shù)值法又稱為直接最優(yōu)化方法，或優(yōu)選法。5 .可行路徑法與不可行路徑法可行路徑法的整個(gè)搜索過(guò)程是在可行域內(nèi)進(jìn)行的，對(duì)變量的每次取值，約束條

14、件均必須滿足。不可行路徑法的不要求必須在可行域內(nèi)進(jìn)行，可以從不可行域向最優(yōu)解逐步逼近，但在最優(yōu)解處必須滿足條件。5 .化工過(guò)程系統(tǒng)最優(yōu)化問(wèn)題的類型(1)過(guò)程系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化：包括設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化和操作參數(shù)優(yōu)化過(guò)程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化優(yōu)化的是設(shè)計(jì)變量，操作參數(shù)優(yōu)化優(yōu)化的是操作變量，但就應(yīng)其數(shù)學(xué)本質(zhì)而言并什么本質(zhì)上的區(qū)別，優(yōu)化的對(duì)象都是決策變量。穩(wěn)態(tài)優(yōu)化模型和動(dòng)態(tài)優(yōu)化模(2)機(jī)理模型描述過(guò)程系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題時(shí)，模型方程分為型。動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型一般適用于解決動(dòng)態(tài)過(guò)程（如間歇過(guò)程、開(kāi)停車過(guò)程等）的優(yōu)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化操作問(wèn)題，從控制論的角度稱其為連續(xù)系統(tǒng)優(yōu)化。穩(wěn)態(tài)優(yōu)化模型通常適用于穩(wěn)態(tài)過(guò)程系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化和離線操作參數(shù)

15、優(yōu)化。從控制論的角度，稱穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化為離散系統(tǒng)優(yōu)化。動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型與穩(wěn)態(tài)優(yōu)化模型的主要區(qū)別在于前者的解不是一組簡(jiǎn)單的數(shù)值，而是時(shí)間的函數(shù)6,線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型的標(biāo)準(zhǔn)形式例43?化為標(biāo)準(zhǔn)形maxJ=*+4x.xy+2x2+60W0一J1解*該問(wèn)題是求目標(biāo)函數(shù)的極大值,將它轉(zhuǎn)化成等價(jià)的極小形式：min（一/）.Y1-3Xt4x約束條件中,X1沒(méi)有非負(fù)限制，因此X1是自由變量，設(shè)X)=；_演N0工；之0為第一個(gè)約束引入松弛變量，為第二個(gè)約束引入剩余變量,則問(wèn)題化為如下標(biāo)準(zhǔn)形式inin(/)=一(.vt)-3x24x3xjv；+2x2+M=52f2x；+3x2+x3-v2=6x,0x；20x20%m。y之

16、。乃二。也可以通過(guò)消去，將問(wèn)題化成如下標(biāo)準(zhǔn)形式rn111(#/)Xr3x%+15%十三+2yl+y2=4a,o與xom之。y?二。第七章：換熱網(wǎng)絡(luò)合成一，化工生產(chǎn)流程中換熱網(wǎng)絡(luò)的作用和意義1,對(duì)于一個(gè)含有換熱物流的工藝流程，將其中的換熱物流提取出來(lái)，組成了換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中被加熱的物流稱為冷物流，被冷卻的物流稱為熱物流。2 .換熱的目的不僅是為了使物流溫度滿足工藝要求，而且也是為了回收過(guò)程余熱，減少公用工程消耗。基于這種思想進(jìn)行的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)稱為換熱網(wǎng)絡(luò)合成3 .換熱網(wǎng)絡(luò)合成的任務(wù),是確定換熱物流的合理匹配方式，從而以最小的消耗代價(jià)，獲得最大的能量利用效益。4 .換熱網(wǎng)絡(luò)的消耗代價(jià)來(lái)自

17、三個(gè)方面：換熱單元（設(shè)備）數(shù)，傳熱面積，公用工程消耗換熱網(wǎng)絡(luò)合成追求的目標(biāo)，是使這三方面的消耗都為最小值。二.換熱網(wǎng)絡(luò)合成問(wèn)題的描述一組需要冷卻的熱物流H和一組需要加熱的冷物流C,每條物流的熱容流率FCp,熱物流從初始溫度TH初冷卻到目標(biāo)TH終，冷物流從初始溫度TC初加熱到目標(biāo)溫度TC終。通過(guò)確定物流間的匹配關(guān)系，使所有的物流均達(dá)到它們的目標(biāo)溫度，同時(shí)使裝置成本、公用工程（外部加熱和冷卻介質(zhì)）消耗成本最少。三，換熱網(wǎng)絡(luò)合成一夾點(diǎn)技術(shù)1,第一定律分析：Q=FCp（T初-T終）2,溫度區(qū)間溫度區(qū)間特性：可以把熱量從高溫區(qū)間內(nèi)的任何一股熱物流傳給低溫區(qū)間內(nèi)的任何一股冷物流。熱量不能從低溫區(qū)間的熱物流

18、向高溫區(qū)間的冷物流傳遞3.最小公用工程消耗問(wèn)題表：(1)設(shè)第一個(gè)溫區(qū)從外界輸入的熱量I1為零，則該溫區(qū)的熱量輸出Q1為:Qi=Ii_Di=_D1(2)a+i=a。川二射-。*=。-d+(3)若Qi為正值，則表示熱量從第i個(gè)溫區(qū)向第i+1個(gè)溫區(qū)若Qi為負(fù)值，可取計(jì)算得到的所有Qi中負(fù)數(shù)絕對(duì)最大值作為第一個(gè)溫區(qū)的輸入熱量，重新計(jì)算。列12345溫區(qū)流股與溫度TiTi+1ECPc.ECPhDiIiQi最大允許熱流量，kW熱流股(2)(4)T,C冷流股(1)(3)180輸入輸出11801701103.0+300-30I+60J+302150140301.0+30-30-60+300311510535-

19、3.0-105-60+450+10547060:45-0.4-18+45+63+105+12351403030-3.4-102+63|+165J+123+225FCP2.04.03.02.6第3列最下面的數(shù)字表示由第一定律得到的該熱回收網(wǎng)絡(luò)所需的最小冷卻量；第4列最上面的數(shù)字表示該熱回收網(wǎng)絡(luò)所需的最小外加熱量；第5列最下面的數(shù)字表示該熱回收網(wǎng)絡(luò)所需的最小外冷卻量；若熱回收網(wǎng)絡(luò)達(dá)到最大能量回收，則所需要的公用工程消耗等于表中最小外加熱、冷卻量。利用問(wèn)題表方法可以計(jì)算換熱網(wǎng)絡(luò)所需的最小公用工程消耗值。此時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部的能量得到最大程度的回收溫區(qū)熱流圖從圖中可以直觀地看到溫區(qū)之間的熱量流動(dòng)關(guān)系和所需最

20、小公用工程用量。其中SN2和SN3間的熱量流動(dòng)為零，表示無(wú)熱量從SN2流從熱流圖中可以看出，夾點(diǎn)將整個(gè)溫度區(qū)間分為了兩部分夾點(diǎn)之上需要從外部獲取熱量，而不向外部提供任何熱量，即需要加熱器；夾點(diǎn)之下可以向外部提供熱量，而不需要從外部獲取熱量，即需要冷卻器。5 .溫始圖與組合曲線對(duì)于熱物流，取所有熱物流中最低溫度T,設(shè)在T時(shí)的H=Hh0,以此作為始基準(zhǔn)點(diǎn)。從T開(kāi)始向高溫區(qū)移動(dòng)，計(jì)算每一個(gè)溫區(qū)的積累崎，用積累始對(duì)T作圖，得到熱物流的組合曲線對(duì)于冷物流，取所有冷物流中最低溫度T,設(shè)在T時(shí)的H=Hc0(HC0HH0),以此作為始基準(zhǔn)點(diǎn)。計(jì)算每一個(gè)溫區(qū)的積累崎，用積累始對(duì)T作圖，得到冷物流的組合曲線例7-

21、3根據(jù)例7-2的數(shù)據(jù)，用T-H圖表示冷、熱物流的組合曲線解：熱物流的最低溫度T=40C,設(shè)其對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)給HH0=0。冷物流的最低溫度T=30C,對(duì)應(yīng)白基準(zhǔn)給HC0=1000。用溫度區(qū)間的端點(diǎn)溫度對(duì)各溫區(qū)的積累給在T-H上作圖，得到冷、熱物流的組合曲線TC積累給HkW熱流40H0=0070H1二=(2+4)(70-40)=180180115H2=(2+4)(115-70)=二270450150H3=(2+4)(150115)=210660180，=2(180150)=60720冷流30H0=1000100060H1二=2.6(6030)=781078105H2=(3+2.6)(10560)=25

22、21330140H3=3(140-105)=1051435180Hl=3(180-140)=1201555將冷物流的組合曲線沿H軸向左平移，這時(shí)兩條曲線之間的垂直距離隨曲線的移動(dòng)而逐漸減小，也就是說(shuō)傳熱溫差ZT逐漸減小當(dāng)兩條曲線的垂直最小距離等于最兩條曲線端點(diǎn)的水平差值分別代表最小冷、熱公用工程，及最大熱回收量（即最大換熱量）這個(gè)位置的物理意義表示為一個(gè)熱力學(xué)限制點(diǎn)。這一點(diǎn)限制了冷、熱物流進(jìn)一步作熱交換,使冷、熱公用工程都達(dá)到了最小值，這時(shí)物流間的匹配滿足能量利用最優(yōu)的要求相同溫度區(qū)間的物流間的組合稱為過(guò)程物流的熱復(fù)合。經(jīng)熱復(fù)合后只剩一個(gè)熱力學(xué)限制點(diǎn),即夾點(diǎn)。這時(shí)，過(guò)程需要的公用工程用量可達(dá)到

23、最小6 .夾點(diǎn)的特性(1)能量特性：夾點(diǎn)限制了能量的進(jìn)一步回收，它表明了換熱網(wǎng)絡(luò)消耗的公用工程用量已達(dá)到最小狀態(tài)。求解能量最優(yōu)的過(guò)程就是尋找?jiàn)A點(diǎn)的過(guò)程。(2)位置特性：夾點(diǎn)把整個(gè)問(wèn)題分解成了夾點(diǎn)上熱端與夾點(diǎn)下冷端兩個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)在夾點(diǎn)之上，換熱網(wǎng)絡(luò)僅需要熱公用工程，因而是一個(gè)熱阱。在夾點(diǎn)之下，換熱網(wǎng)絡(luò)只需要冷公用工程，因而是一個(gè)熱源夾點(diǎn)以上熱物流與夾點(diǎn)下冷物流的匹配(熱量穿過(guò)程夾點(diǎn))，將導(dǎo)致公用工程用量的增加夾點(diǎn)設(shè)計(jì)的三原則：避免夾點(diǎn)之上熱物流與夾點(diǎn)之下冷物流間的匹配夾點(diǎn)之上禁用冷卻器夾點(diǎn)之下禁用加熱器(3)傳熱特性組合曲線上斜率發(fā)生變化的點(diǎn)，稱為角點(diǎn)凡是流股進(jìn)入處或離開(kāi)處，均引起組合曲線熱容

24、流率的變化，從而形成角點(diǎn)夾點(diǎn)一定出現(xiàn)在角點(diǎn)或組合曲線的端點(diǎn)處。夾點(diǎn)是整個(gè)換熱網(wǎng)絡(luò)傳熱推動(dòng)力T最小的占工FCp流出之FFCp流入7 .夾點(diǎn)法設(shè)計(jì)能量最優(yōu)的換熱網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)：在公用工程用量最少的前提下尋求設(shè)備投資最少(即換熱單元數(shù)最少)包括：一是公用工程消耗最少，二是換熱單元數(shù)最少。先找出最小公用工程消耗，即先設(shè)計(jì)能量最優(yōu)的換熱網(wǎng)絡(luò)，然后減少換熱單元數(shù)，從能量和設(shè)備數(shù)上對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)優(yōu)8 .換熱網(wǎng)絡(luò)的調(diào)優(yōu)(1)換熱網(wǎng)絡(luò)不能同時(shí)滿足能量最優(yōu)和單元數(shù)最少的要求，能量最優(yōu)可保證操作費(fèi)用最低，單元數(shù)最少可使設(shè)備費(fèi)用最低，因而存在著操作費(fèi)和設(shè)備費(fèi)之間的權(quán)衡。夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法得到的結(jié)構(gòu)處于最小公用工程消耗狀態(tài)，而勾銷

25、推斷法基本上可以保證兩個(gè)子系統(tǒng)中換熱單元數(shù)最少。當(dāng)兩個(gè)子系統(tǒng)組合成原系統(tǒng)時(shí)引起了換熱單元數(shù)的過(guò)剩C(2)換熱網(wǎng)絡(luò)實(shí)際換熱單元數(shù)比最少換熱單元數(shù)每多出一個(gè)單元，都對(duì)應(yīng)著一個(gè)獨(dú)立熱負(fù)荷回路。換熱負(fù)荷可以沿?zé)嶝?fù)荷回路進(jìn)行“力不“減”“加、減地遷移，而不改變?cè)摶芈返臒崞胶狻?3)能量松弛法：把換熱網(wǎng)絡(luò)從最大能量回收的緊張狀態(tài)“松弛”下來(lái)。通過(guò)調(diào)整參數(shù)，使能量回收減少，公用工程消耗加大，從而使傳熱溫差加大。(4)對(duì)已滿足最小公用消耗的換熱網(wǎng)絡(luò)，如果換熱單元數(shù)不是最少，可采用以下步驟調(diào)整：a)找出獨(dú)立的熱負(fù)荷回路b)沿?zé)嶝?fù)荷回路增加或減少熱負(fù)荷來(lái)斷開(kāi)回路c)檢查合并后的換熱單元是否違反最小傳熱溫差Tmin

26、d)利用能量松弛法求最小能量松弛量，恢復(fù)Tmin9 .匹配的可行性原則:(1)總物流數(shù)可行性原則:夾點(diǎn)一側(cè)1(2) FCp(熱熔流率)可行性原則夾點(diǎn)一側(cè)肉叱10 .換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)步驟有哪些?(1)先找At,判斷是夾點(diǎn)問(wèn)題還是非夾點(diǎn)問(wèn)題;(2)如果是非加點(diǎn)問(wèn)題，必須當(dāng)At大于t域值的時(shí)候才能尋找最優(yōu)的換熱網(wǎng)絡(luò)。(3)如果是夾點(diǎn)問(wèn)題，先找最小傳熱溫差，然后溫度區(qū)間法尋找?jiàn)A點(diǎn)；尋找?jiàn)A點(diǎn)之后進(jìn)行夾點(diǎn)兩個(gè)可行性的匹配，如果不可行進(jìn)行流股分割；匹配完了之后得到能量最優(yōu)的換熱網(wǎng)絡(luò)。再看有沒(méi)有獨(dú)立的熱負(fù)荷回路，如果有用能量松弛法合并該回路得到減少換熱單元。最后在能量最優(yōu)和換熱單元最少之間找到一個(gè)折中。分離塔序列

27、的綜合分離：(方法中精儲(chǔ)過(guò)程較為成熟，使用最廣)原料的精制，產(chǎn)品的提純，產(chǎn)品濃縮分離序列綜合的主要目的：選擇最合理的分離方法，確定最優(yōu)的分離序列，以降低其各項(xiàng)費(fèi)用1 .簡(jiǎn)單塔(1) 一個(gè)進(jìn)料分離為兩個(gè)產(chǎn)品。(2)每一個(gè)組分只出現(xiàn)在一個(gè)產(chǎn)品中，即銳分離。(3)塔底采用再沸器，塔頂采用全凝器。2 .用S種分離方法(簡(jiǎn)單銳分離)，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(1)分離序列數(shù)S:SR-j=2R-11R!(R-1)!(2)分離子群數(shù):(3)分離子問(wèn)題數(shù):R1八j(R-j)=j1R(R-1)(R1)3 .判別指標(biāo)：分離序列中各單元設(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)）可以作為

28、判別指標(biāo)易分離系數(shù)（CES）和分離難度系數(shù)（CDS）,都可以用來(lái)作為判別分離子問(wèn)題的優(yōu)化指標(biāo)4 .分離序列的綜合方法：數(shù)學(xué)規(guī)劃法，探試法和調(diào)優(yōu)法（1）動(dòng)態(tài)規(guī)劃法：最基本也是最原始的最優(yōu)化方法是窮舉法；為了減少計(jì)算工作量，數(shù)學(xué)規(guī)劃法是較好的一個(gè)方法，動(dòng)態(tài)規(guī)劃法是數(shù)學(xué)規(guī)劃法的一種。動(dòng)態(tài)規(guī)劃法是解決多階段決策過(guò)程最優(yōu)化問(wèn)題的一種方法。動(dòng)態(tài)規(guī)劃屬于隱枚舉法，是一個(gè)比窮舉法有效得多的算法。除動(dòng)態(tài)規(guī)劃法以外，常用的數(shù)學(xué)規(guī)劃法還有分枝界限法、有序分枝界限搜索法和有序搜索法等5 .經(jīng)驗(yàn)規(guī)則（1）關(guān)于分離方法的規(guī)則（M類規(guī)則）。主要是對(duì)某一特定的大量任務(wù)，確定較好的分離方法。M1:在所有分離方法中，優(yōu)先采用使用

29、能量分離劑的方法（例如常規(guī)精微方法）。其次才考慮采用質(zhì)量分離劑的方法（例如萃取精儲(chǔ)、液-液萃取的方法）M2:避免溫度和壓力過(guò)于偏離環(huán)境條件。如果必須偏離，也寧可向高溫或高壓方向偏離，而盡量不向低溫、低壓方向偏離。即盡可能避免采用真空精儲(chǔ)及制冷操作。（2）關(guān)于設(shè)計(jì)方面的規(guī)則（D類規(guī)則）。決定最好采用那些具有某個(gè)特定性質(zhì)的分離序列。D1:產(chǎn)品集合中元素最少的分離序列最有利(3)與組分性質(zhì)有關(guān)的規(guī)則(S類規(guī)則)。根據(jù)欲分離組分性質(zhì)上的差異而提出的規(guī)則。S1:為了避免后繼塔系設(shè)備的腐蝕及安全操作，首先應(yīng)移除腐蝕性和危險(xiǎn)性的組分S2:應(yīng)把“接近1的分割放在分離序列的最后面，即要在沒(méi)有非關(guān)鍵組分存在下分離

30、這一對(duì)關(guān)鍵組分(4)與組成和經(jīng)濟(jì)性有關(guān)的規(guī)則(C類規(guī)則)。表示了進(jìn)料組成及產(chǎn)品組成對(duì)分離費(fèi)用的影響C1:首先移除含量最多的組分C2:等摩爾分割最為有利首先進(jìn)行CES數(shù)值最大的分割在寶際應(yīng)用時(shí)裔霞于智富怎CES:f上/產(chǎn)品摩爾流量的比值，取和。/8比值小于等于1的數(shù)值氏七吩別為塔釜、塔頂產(chǎn)品的摩爾流最3一欲分離兩個(gè)組分的淋點(diǎn)差口或：A=(tz-l)x1006 .分離序列綜合過(guò)程的評(píng)價(jià)(1)過(guò)程綜合問(wèn)題中的三個(gè)主要問(wèn)題：過(guò)程綜合問(wèn)題的描述方法。過(guò)程綜合問(wèn)題的評(píng)價(jià)方法。過(guò)程綜合問(wèn)題的決策方法。(2)分離塔的最優(yōu)分離序列應(yīng)該如何尋找？有哪些方法?A.動(dòng)態(tài)規(guī)劃法B.分離度系數(shù)大的優(yōu)先分離的方法C.相對(duì)費(fèi)

31、用函數(shù)的方法三種方法的比較：動(dòng)態(tài)規(guī)劃的計(jì)算結(jié)果可靠性最高，但其計(jì)算工作量十分龐大，工作效率很低；分離度系數(shù)法計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，但往往偏離最佳效果；相對(duì)費(fèi)用函數(shù)法，保持了計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，而結(jié)果相對(duì)比較精確的優(yōu)點(diǎn)6.調(diào)優(yōu)法：按照一定的調(diào)優(yōu)規(guī)則和策略對(duì)某一初始分離序列，進(jìn)行逐步改進(jìn)而搜索最優(yōu)分離序列的一種方法。建立初始分離序列確定調(diào)優(yōu)規(guī)則制定調(diào)優(yōu)策略隨堂測(cè)試與作業(yè)參考答案隨堂測(cè)試(2018,12,4)一換熱網(wǎng)絡(luò)由2個(gè)工藝熱物流和2個(gè)工藝?yán)湮锪鹘M成，相關(guān)數(shù)據(jù)由下表所示。請(qǐng)使用問(wèn)題表方法確定該過(guò)程的夾點(diǎn)溫度、最小公用工程冷負(fù)荷與最小公用工程熱負(fù)荷。假設(shè)最小允許溫差？Tm=10C。物流標(biāo)號(hào)熱容流率初始溫度最終溫

32、度熱流星FCpTi(C)Tf(C)Q(kW)(kW/C)H14.015060360H22.516050275C13.550170420C22.040150220解：假設(shè)最小允許溫差？Tm=10C(1)確定溫度區(qū)間：將熱物流的初始溫度和最終溫度分別減去？Tm,與冷物流的初始和最終溫度一起排序，得至U：170,150,140,50,40C。(2)列出問(wèn)題表列12345溫流股與溫度TiTi+1WPc-ICPhDiIiQi最大允許熱流量，kW熱流股T,C彳流股區(qū)H1H2170C1C2輸入輸出1160150203.5+700-7010。|+3021501401103.0+30-70-100+300360

33、5090-1.0-90-100-100+904504010-0.5-5-10-5+90網(wǎng)FCP4.02.53.52.0因此，對(duì)于熱物流而言，夾點(diǎn)溫度為150C,對(duì)于冷物流而言，夾點(diǎn)溫度為140Co夾點(diǎn)溫度范圍為：140-150C。最小公用工程熱負(fù)荷為100kW,最小公用工程冷負(fù)荷為95kWo作業(yè)-1流股及熱容流率CPkW/CT初CT終C1熱2150602熱890603冷2.5201254冷3.025100對(duì)于以上四個(gè)流股，進(jìn)行（1）溫度區(qū)域劃分；（2）分別利用圖解法和問(wèn)題表法求解夾點(diǎn)。假設(shè)最小允許溫差？Tm=20C。解：假設(shè)最小允許溫差？Tm=20C1 .問(wèn)題表方法(1)確定溫度區(qū)間：將熱物流

34、的初始溫度和最終溫度分別減去？Tm,與冷物流的初始和最終溫度一起排序，得到:130,125,100,70,40,25,20C(2)列出問(wèn)題表列12345溫區(qū)流股與溫度Ti-Ti+1ECPc-ICPhDiIiQi最大允許熱流量，kW熱流股H1H2T,C冷流股C1C2150130輸入輸出11451255-2.0-100-301075+117.52120100250.5+12.5-10-42.5+117.5+10539070303.5+105-2.5-53+105041604030-4.5-135-107.5+820+1354525155.5+82.527.5-0.5+135+52.5402052.

35、5+12.5-55-5.5+52.5FCP2.08.02.53.0因此，對(duì)于熱物流而言，夾點(diǎn)溫度為90C,對(duì)于冷物流而言，夾點(diǎn)溫度為70Co火點(diǎn)溫度范圍為：70-90C。最小公用工程熱負(fù)荷為53kW,最小公用工程冷負(fù)荷為40kW。2 .圖解法(1)熱物流的最低溫度T=60C,設(shè)其對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)烙HH0=0o(2)冷物流的最低溫度T=20C,假設(shè)對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)烙Hco=1000。TC積累烙HkW熱流60H0=0090H1=(2+8)(9060)=300300120H2=(2)(12090)=60360145H3=(2)(145120)=50410150H4=(2)(150145)=10420冷流20Ho

36、=1000100025H2.5(2520)=12.51012.540H2=(3+2.5)(4025)=137.5115070H3=(3+2.5)(7040)=1651315100H4=(3+2.5)(100-70)=1651480125H5=2.5(125-100)=62.51542.5用溫度區(qū)間的端點(diǎn)溫度對(duì)各溫區(qū)的積累烙在TH上作圖，即得到冷、熱物流的組合曲線。固定冷、熱物流的組合曲線中的任意一條，平移另一條，當(dāng)兩條曲線間距離最近點(diǎn)溫差為20C時(shí)，達(dá)到夾點(diǎn)狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的兩個(gè)溫度分別為冷、熱物流的夾點(diǎn)溫度。注意：1),由于圖解法求夾點(diǎn)的偏差較大，該方法部分內(nèi)容僅作為了解即可，關(guān)鍵是問(wèn)題表方法。2

37、).請(qǐng)注意該習(xí)題之后，接下來(lái)對(duì)冷、熱物流匹配的處理。作業(yè)-2二十二，由丙烷（AX異丁烷缶正丁烷異戊烷（D）、正戊烷恒）五個(gè)組分組成的輕姓混合物選料，用簡(jiǎn)單鐵分離器進(jìn)行分離，通過(guò)過(guò)程模擬已得出所有20個(gè)不同分離番的費(fèi)用.如下表所示.糧據(jù)已知條件填表，得出最優(yōu)序列的年總費(fèi)用，并畫(huà)出最優(yōu)公高序列.子物流密切利點(diǎn)完房談切割分離善占用八元/年）包搭孑序列由分甚總費(fèi)用以工1心元/年）孑物及蛆分離費(fèi)用最小值，（K1Q元/年）心郎A/D-H02713但)印CC濫0祝1C琰C/D%D?3Z（口目現(xiàn)七11254仙只。A/hlC以10256AB心%0Q3工&)BCD%0569&BC/D%112521(CX.E)C/DE為0.8752CD/E17456ACD%04gAB/CDC，13354ASC/D口上m但射口E0Ec明09665BC/DE加IE*BCD/Ec比21253（AB,CA上）A/BCDE，】1145mAB用DECjj1JQ338ADC/DEcE。庭5ABCD2心“tMm*i)由內(nèi)穗、*rot.4比”，士憂足、驚幾個(gè)加。“as物必氣.K4XM及為9072km，lh.分爾”1”彳，6A華”KW161s4CIOV.0W君工公叁水師布尸4功力6，社小纏”1*恰舍僮。*小的箝本例所示的忖煙分混介物通融小周