化工過程分析與合成

化工過程分析與合成化工系統(tǒng)的定常態(tài)模擬與分析（一）模擬是對(duì)過程系統(tǒng)模型的求解1.過程系統(tǒng)的模擬分析：對(duì)某個(gè)給定的過程系統(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)該過程系統(tǒng)進(jìn)行工況分析2，過程系統(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3，過程系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化：過程系統(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）過程系統(tǒng)模擬的三種基本方法：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)序貫?zāi)K法按照由各種單元模塊組成的過程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，序貫的對(duì)各單元模塊進(jìn)行計(jì)算，從而完成該過程系統(tǒng)模擬計(jì)算。與實(shí)際過程的直觀聯(lián)系強(qiáng)；模擬系統(tǒng)軟件的建立、維護(hù)和擴(kuò)充都很方便，易通用化；計(jì)算出錯(cuò)時(shí)易于診斷出錯(cuò)位置計(jì)算效率較低，尤其是解決設(shè)計(jì)和優(yōu)化問題時(shí)計(jì)算效率更低面向方程法（又稱聯(lián)立方程法）將描述整個(gè)過程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)方程式聯(lián)立求解，從而得出模擬計(jì)算結(jié)果解算快；模擬型計(jì)算與設(shè)計(jì)型計(jì)算一樣；適合最優(yōu)化計(jì)算，效率高；便于與動(dòng)態(tài)模擬聯(lián)合實(shí)現(xiàn)要求給定較好的初值，否則可能得不到解。計(jì)算失敗后診斷錯(cuò)誤所在困難；形成通用化程序困難，難以繼承已有單元操作模塊。聯(lián)立模塊法（又稱雙層法）將過程系統(tǒng)的近似模型方程與單元模塊交替求解可以利用前人開發(fā)的單元操作模塊；可以避免序貫?zāi)K法中的循環(huán)流迭代。比較容易實(shí)現(xiàn)通用。將嚴(yán)格模型做成簡(jiǎn)化模型時(shí)需要花費(fèi)機(jī)時(shí)。用簡(jiǎn)化模型來尋求優(yōu)化時(shí)，其解與嚴(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)行過程系統(tǒng)模擬計(jì)算中必須要解決的問題——如何選擇斷裂物流、如何確定迭代序列。-判斷最佳斷裂的準(zhǔn)則：① 斷裂的物流數(shù)最少；② 斷裂物流的變量數(shù)最少；③ 斷裂物流的權(quán)重因子之和最少；④ 斷裂回路的總次數(shù)最少。i=1，…，m，代表回路；j=1，…，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。包含兩個(gè)以上再循環(huán)物流，且其中的任何單元只被通過一次，稱作簡(jiǎn)單回路。。回路矩陣：過程系統(tǒng)中的簡(jiǎn)單回路可以用回路矩陣表示。矩陣：行→回路；列→物流。若某回路I中包括有物流j則相應(yīng)的矩陣元素aji=1，否則為空白或零。Upadyhe－Grens斷裂法需要解決的兩個(gè)問題：一是要有一種能把所有的有效斷裂物流組都能搜索出來的辦法；二是要能把最優(yōu)斷裂組從中選擇出來。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。

①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?；颍嬖诙螖嗔?。

②非多余斷裂組：除多余斷裂組外，為非多余斷裂組。例題：解：回路矩陣為：替代規(guī)則列表：

單元1：S5，S6→S1

單元2：S1，S4，S7→S2

單元3：S2→S3，S4，S5

單元4：S3→S6，S7

(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題實(shí)際上是個(gè)迭代求解非線性方程組的問題。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，遇到斷裂問題推薦前者，遇到設(shè)計(jì)問題又推薦后者？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:①降維求解法②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，所以要借助迭代使線性化方程組的解逐漸逼近非線性方程組的解.二．化工過程系統(tǒng)的優(yōu)化1.過程系統(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)化問題的數(shù)學(xué)描述（1）在數(shù)學(xué)上，求解最優(yōu)化問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題（3）服從于不等式約束條件：（4）及n個(gè)等式約束條件：為n維優(yōu)化變量向量最優(yōu)化問題的組成要素：目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化變量，約束條件與可行域?！繕?biāo)函數(shù)：（又稱性能函數(shù)，評(píng)價(jià)函數(shù)）是最優(yōu)化問題所要達(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。。。。——優(yōu)化變量：對(duì)于過程系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化問題，優(yōu)化變量向量就是過程變量向量。過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)化問題就是系統(tǒng)模擬問題——約束條件：當(dāng)過程變量向量y的各分量為一組確定的數(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：過程系統(tǒng)最優(yōu)化問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)化問題的最優(yōu)解3.最優(yōu)化問題的建模方法最優(yōu)化問題的建模方法：機(jī)理模型、黑箱模型、混合模型適用范圍：機(jī)理模型：對(duì)于過程機(jī)理清楚的問題，一般采用機(jī)理模型進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)果比較精確黑箱模型：對(duì)于過程機(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.化工過程系統(tǒng)最優(yōu)化方法的分類1.無約束最優(yōu)化與有約束最優(yōu)化對(duì)于決策變量及狀態(tài)變量無任何附加限制，則稱為無約束最優(yōu)化；直接或間接的對(duì)決策變量施以某種限制，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)搜索過程是在可行域內(nèi)進(jìn)行的，對(duì)變量的每次取值，約束條件均必須滿足。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.化工過程系統(tǒng)最優(yōu)化問題的類型（1）過程系統(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。（2）機(jī)理模型描述過程系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化問題時(shí)，模型方程分為穩(wěn)態(tài)優(yōu)化模型和動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型。動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型一般適用于解決動(dòng)態(tài)過程（如間歇過程、開停車過程等）的優(yōu)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化操作問題，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)過程系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化和離線操作參數(shù)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，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。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。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。換熱網(wǎng)絡(luò)的消耗代價(jià)來自三個(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—夾點(diǎn)技術(shù)第一定律分析：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)間的熱物流向高溫區(qū)間的冷物流傳遞。3.最小公用工程消耗問題表：（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：（2）（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。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)系和所需最小公用工程用量。其中SN2和SN3間的熱量流動(dòng)為零，表示無熱量從SN2流向SN3。這個(gè)熱流量為零的點(diǎn)稱為夾點(diǎn)。對(duì)熱物流來說，此點(diǎn)為150℃，對(duì)于冷物流來說，此點(diǎn)為140℃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。溫焓圖與組合曲線對(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，以此作為焓基準(zhǔn)點(diǎn)。從T開始向高溫區(qū)移動(dòng)，計(jì)算每一個(gè)溫區(qū)的積累焓，用積累焓對(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（HC0＞HH0），以此作為焓基準(zhǔn)點(diǎn)。計(jì)算每一個(gè)溫區(qū)的積累焓，用積累焓對(duì)T作圖，得到冷物流的組合曲線例7-3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=40℃，設(shè)其對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)焓HH0＝0。冷物流的最低溫度T=30℃，對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)焓HC0=1000。用溫度區(qū)間的端點(diǎn)溫度對(duì)各溫區(qū)的積累焓在T－H上作圖，得到冷、熱物流的組合曲線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，也就是說傳熱溫差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，也就是說傳熱溫差△T逐漸減小當(dāng)兩條曲線的垂直最小距離等于最小允許傳熱溫差△Tmin時(shí)，就達(dá)到了實(shí)際可行的極限位置。這個(gè)極限位置的幾何意義就是冷、熱物流組合曲線間垂直距離最小的位置這個(gè)最窄的位置就是夾點(diǎn)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)，過程需要的公用工程用量可達(dá)到最小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)的過程就是尋找夾點(diǎn)的過程。（2）位置特性：夾點(diǎn)把整個(gè)問題分解成了夾點(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)入處或離開處，均引起組合曲線熱容流率的變化，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最小的點(diǎn)。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)的過剩。（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“加”、“減”，“加”、“減”……地遷移，而不改變?cè)摶芈返臒崞胶?。?）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。通過調(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)荷來斷開回路c）檢查合并后的換熱單元是否違反最小傳熱溫差△Tmind）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)（2）FCp（熱熔流率）可行性原則夾點(diǎn)一側(cè)10.換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)步驟有哪些？（1）先找Δt，判斷是夾點(diǎn)問題還是非夾點(diǎn)問題；（2）如果是非加點(diǎn)問題，必須當(dāng)Δt大于Δt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)問題，先找最小傳熱溫差，然后溫度區(qū)間法尋找夾點(diǎn)；尋找夾點(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。二．分離塔序列的綜合分離：（方法中精餾過程較為成熟，使用最廣）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:（2）分離子群數(shù)：（3）分離子問題數(shù)：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），都可以用來作為判別分離子問題的優(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程最優(yōu)化問題的一種方法。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)先采用使用能量分離劑的方法（例如常規(guī)精餾方法）。其次才考慮采用質(zhì)量分離劑的方法（例如萃取精餾、液-液萃取的方法）M2：避免溫度和壓力過于偏離環(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餾及制冷操作。（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α接近1的分割放在分離序列的最后面，即要在沒有非關(guān)鍵組分存在下分離這一對(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6.分離序列綜合過程的評(píng)價(jià)（1）過程綜合問題中的三個(gè)主要問題：過程綜合問題的描述方法。過程綜合問題的評(píng)價(jià)方法。過程綜合問題的決策方法。（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)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)算過程簡(jiǎn)單，而結(jié)果相對(duì)比較精確的優(yōu)點(diǎn)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)使用問題表方法確定該過程的夾點(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?T物流標(biāo)號(hào)熱容流率FCp(kW/℃)初始溫度Ti(℃)最終溫度Tf(℃)熱流量Q(kW)H14.015060360H22.516050275C13.550170420C22.040150220解：假設(shè)最小允許溫差?T（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，（2）列出問題表列12345溫區(qū)流股與溫度Ti－Ti+1PC-PHDiIiQi最大允許熱流量，kW熱流股H1H2T，℃冷流股C1C2170輸入輸出1160150203.5+700-70+100+302150140103.0+30-70-100+3003605090-1.0-90-100-100+904504010-0.5-5-10-5+90+954.02.53.52.0因此，對(duì)于熱物流而言，夾點(diǎn)溫度為150℃，對(duì)于冷物流而言，夾點(diǎn)溫度為140℃。夾點(diǎn)溫度范圍為：140-150℃。最小公用工程熱負(fù)荷為100kW，最小公用工程冷負(fù)荷為95kW。作業(yè)-1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題表法求解夾點(diǎn)。假設(shè)最小允許溫差?T解：假設(shè)最小允許溫差?T1.問題表方法（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