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1 绪论1

1.1 过程系统工程1

1.2 过程系统工程研究的基本问题3

1.2.1 过程系统模型化与模拟3

1.2.2 过程系统优化3

1.2.3 过程系统综合与集成4

1.2.4 过程系统工程的进展概貌5

1.3 过程系统工程的研究方法6

1.4 学习过程系统工程课程的方法建议7

参考文献7

第一篇 过程系统模拟11

2 过程系统稳态模拟11

2.1 过程系统稳态模拟的基本概念11

2.1.1 过程系统的数学模型11

2.1.2 系统的自由度分析11

2.1.3 过程系统稳态模拟的基本方法12

2.2 过程系统模拟的序贯模块法13

2.2.1 氨合成系统的物料衡算流程模拟13

2.2.2 不可分隔子系统的识别15

2.2.3 不可分隔子系统的断裂19

2.2.4 断裂物流变量的收敛22

2.3 过程系统模拟的联立方程法26

2.3.1 大型稀疏非线性方程组的降维解法26

2.3.2 联立线性方程组法解大型稀疏非线性方程组30

2.4 过程系统模拟的联立模块法33

2.4.1 简化模型的建立方法34

2.4.2 摄动法求简化模型系数矩阵37

2.5 过程模拟的应用37

2.5.1 氨合成工段的流程37

2.5.2 氨合成工段的稳态模型38

2.5.3 氨合成工段的稳态模拟系统42

2.6 过程稳态模拟发展趋势42

符号说明44

参考文献44

思考题44

3 过程系统动态模拟46

3.1 过程系统动态模拟基础46

3.1.1 动态模拟的必要性46

3.1.2 动态模拟与稳态模拟的区别48

3.1.3 如何由稳态模拟过渡到动态模拟49

3.1.4 过程系统动态模型55

3.1.5 过程动态模拟系统65

3.2 过程系统动态模拟方法67

3.2.1 序贯模块法67

3.2.2 联立方程法67

3.2.3 联立模块法68

3.2.4 常微分方程组（ODEs）的求解68

3.2.5 微分代数方程组（DAEs）的求解69

3.3 精馏过程动态模拟70

3.3.1 精馏过程动态模型70

3.3.2 精馏过程动态模型的求解72

3.3.3 精馏过程快速动态模拟73

3.4 过程系统动态模拟实例80

3.4.1 简单闪蒸分离过程动态模拟80

3.4.2 甲苯加氢制苯全流程动态模拟90

3.5 过程仿真培训系统101

3.5.1 国内过程仿真培训系统开发情况102

3.5.2 国外过程仿真培训系统开发情况102

3.5.3 过程仿真培训系统的硬件结构103

3.5.4 过程仿真培训系统的软件结构103

3.5.5 过程仿真培训系统的发展趋势105

3.6 过程系统动态模拟发展趋势105

符号说明106

参考文献108

思考题112

第二篇 过程系统优化115

4 过程系统优化的基本概念及基础最优化方法115

4.1 最优化问题的提出及其模型化115

4.2 过程系统最优化问题数学模型的一般型式122

4.3 最优化数学方法分类124

4.4 无约束最优化方法125

4.4.1 多变量函数的无约束优化策略125

4.4.2 负梯度法126

4.4.3 单纯形法128

4.4.4 牛顿型法129

4.4.5 拟牛顿法——秩-逆修正法130

4.4.6 变尺度法131

4.5 有约束多变量函数的最优化方法132

4.5.1 有约束优化问题的求解策略132

4.5.2 Lagrange乘子法134

4.5.3 罚函数法135

符号说明136

参考文献136

5 线性规划137

5.1 线性规划问题的数学模型137

5.1.1 线性规划问题137

5.1.2 线性规划问题的标准形式140

5.1.3 化为标准形式的方法140

5.1.4 线性规划的基本概念141

5.1.5 二维线性规划的图解法141

5.2 线性规划问题基本理论143

5.3 线性规划问题求解——单纯形法146

5.3.1 单纯形法的基本思想146

5.3.2 基本可行解间的迭代146

5.3.3 基本可行解的改进147

5.3.4 具有标准形式约束方程组线性规划问题求解——单纯形法149

5.3.5 标准线性规划问题求解——两阶段法151

5.3.6 标准线性规划问题求解——大M法154

5.3.7 标准线性规划问题求解——对偶单纯形法154

5.3.8 修正单纯形法154

5.3.9 单纯形法的缺点157

5.3.10 线性规划实例157

5.4 纯性规划求解的其他方法159

参考文献160

思考题160

6 非线性规划162

6.1 非线性规划基础162

6.1.1 非线性规划问题162

6.1.2 拉格朗日（Lagrange）函数162

6.1.3 非线性规划问题的一阶必要条件163

6.1.4 非线性规划问题的二阶充分条件165

6.2 变量变换法166

6.3 罚函数法166

6.3.1 外部罚函数法167

6.3.2 内部罚函数法168

6.4 可行方向法169

6.5 逐次线性规划法171

6.6 逐次二次规划法174

6.7 广义简约梯度法178

6.7.1 简约梯度法178

6.7.2 广义简约梯度法180

6.8 非线性规划方法的简单比较182

6.9 非线性规划软件简介182

6.9.1 独立或嵌入式优化软件183

6.9.2 电子表格优化器184

6.9.3 代数模型化系统184

6.9.4 优化软件使用中的相关问题184

参考文献186

思考题187

7 混合整数规划189

7.1 引言189

7.2 化工过程优化MIP问题的提出190

7.2.1 多项选择约束191

7.2.2 逻辑关系约束191

7.3 求解MIP问题的分支定界法192

7.3.1 分支操作192

7.3.2 定界操作193

7.3.3 深度优先法和广度优先法198

7.4 求解MINLP问题的外部近似原理和方法198

7.4.1 基本定义198

7.4.2 主导问题的导出199

7.4.3 整数切割202

7.4.4 收敛条件202

7.4.5 算法203

7.4.6 计算举例204

参考文献205

思考题205

8 多目标优化206

8.1 多目标优化的基本概念206

8.1.1 多目标优化的解206

8.1.2 多目标优化的绝对最优解（共同最优解）206

8.1.3 多目标优化的非劣解（有效解或Pareto解）和劣解206

8.1.4 多目标优化的弱有效解207

8.1.5 多目标优化的最终解（满意解）207

8.2 多目标优化的基本方法207

8.2.1 化多目标为单目标207

8.2.2 线性加权和法208

8.2.3 目的值规划法（理想点法）209

8.2.4 目标分层法211

8.2.5 直接求非劣解法212

8.3 多目标优化进展及应用212

参考文献212

思考题213

9 间歇过程系统的优化214

9.1 总论214

9.1.1 引言214

9.1.2 间歇过程最优化问题的分类217

9.1.3 间歇过程系统优化的方法218

9.2 间歇过程设计及最优化218

9.2.1 问题定义218

9.2.2 基本的手算设计方法219

9.2.3 间歇过程的最优化设计221

9.3 间歇过程的生产计划和调度235

9.3.1 问题定义235

9.3.2 简单问题的启发算法235

9.3.3 多产品厂的生产排序237

9.3.4 顺序型多目的厂的排序242

9.3.5 考虑环境影响的多产品间歇化工过程优化排序242

符号说明244

参考文献245

思考题247

第三篇 过程系统综合与集成247

10 换热器网络综合251

10.1 夹点设计法综合换热器网络251

10.1.1 T-H图（温-焓图）252

10.1.2 组合曲线（Composite Curve）252

10.1.3 夹点和夹点规则253

10.1.4 问题表格算法256

10.1.5 夹点规则综合换热器网络259

10.2 数学规划法综合换热器网络262

10.2.1 转运模型法综合换热器网络262

10.2.2 超结构法综合换热器网格267

10.3 遗传算法综合无分流换热器网络270

10.3.1 遗传算法270

10.3.2 遗传算法综合无分流换热器网络270

10.4 换热器网络的柔性分析276

10.4.1 换热器网络柔性分析277

10.4.2 换热器网络柔性设计278

符号说明279

参考文献279

思考题280

11 蒸馏分离序列的综合282

11.1 分离序列综合问题282

11.2 直观推断法283

11.2.1 直观推断的规则283

11.2.2 有序直观推断法285

11.3 模糊直观推断法286

11.3.1 模糊集合的基本定义286

11.3.2 规则的量化286

11.3.3 分隔点的选择288

11.4 数学规划法289

11.4.1 动态规划法289

11.4.2 有序分支搜索法290

11.4.3 基于超结构优化蒸馏分离序列的方法291

11.5 考虑热集成的蒸馏序列综合293

11.5.1 蒸馏塔系统之间的热集成293

11.5.2 蒸馏系统与全过程的热集成295

11.5.3 基于优化超结构的蒸馏序列热集成296

11.6 本章小结297

参考文献297

思考题297

12 反应器网络综合300

12.1 反应器在过程系统中的作用300

12.2 反应路径综合300

12.2.1 反应路径的基本类型300

12.2.2 反应路径综合方法300

12.2.3 废物最小化的反应路径综合方法303

12.3 反应器网络综合309

12.3.1 反应器网络综合研究概述310

12.3.2 反应器网络综合方法311

12.3.3 三分布参数通用反应器网络模型314

符号说明318

参考文献318

思考题319

13 过程系统集成320

13.1 过程系统的能量集成320

13.1.1 过程系统能量集成的方法321

13.1.2 过程系统能量集成的策略322

13.1.3 工业应用实例332

13.2 过程系统质量集成336

13.2.1 质量变换网络综合336

13.2.2 质量集成343

13.2.3 水分配网络综合344

13.2.4 质量集成技术在清洁生产中的应用351

符号说明352

参考文献353

思考题354

中文索引356