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第1章 绪论1

1.1　系统工程与过程系统工程1

1.2　现代化工过程工业的特点和过程系统工程的基本术语3

1.3　过程系统工程的研究对象和内容5

1.4　化工过程系统的模型构造及其求解方法6

1.5　过程系统工程的应用及流程模拟系统简介7

参考文献15

2.1.1　机理模型、统计模型和混合模型16

2.1　模型化的基本概念16

第2章 化工单元过程的模型化及其单元模块16

2.1.2　模型的数学描述18

2.1.3　单元模型的自由度19

2.2　化工单元模型和模块20

参考文献34

第3章 过程系统的结构分析35

3.1　过程系统的结构描述36

3.1.1　图论的基本概念37

3.1.2　图的矩阵表示法40

3.2　系统的分隔与块间排序41

3.2.1　系统分隔的升幂法42

3.2.2　系统分隔的邻接矩阵通路搜索法48

3.2.3　系统分隔的树搜索法52

3.3　不可再分块的切断与块内排序54

3.3.1　无多余切断56

3.3.2　变量数最少无多余切断57

3.3.3　切断流股变量数最少的切断58

3.3.4　切断后不可再分块内的排序58

3.3.5　不同切断方式对收敛特性的影响59

3.4.1 甲醇合成系统的结构分析60

3.4　系统结构分析实例60

3.4.2　环氧乙烷提纯系统的结构分析63

参考文献66

第4章　序贯模块法67

4.1 经典序贯模块法的迭代层次与系统的自由度67

4.2　不可再分块迭代的收敛方法71

4.2.1　直接迭代法72

4.2.2　加权直接迭代法74

4.2.3　严格Wegstein法74

4.2.4　Newton法78

4.2.5 离散Newton法80

4.2.6　一维搜索法82

4.2.7 拟Newton法84

4.2.8　一种改进的非线性方程组数值解法88

4.2.9　其他可用于过程系统稳态模拟的算法88

4.2.10　各种算法性能比较89

4.3　用序贯模块法解设计问题91

4.4　序贯模块法系统模拟应用实例94

4.4.1 CO2吸收、再生工段的综合模拟策略94

4.4.2　微加压与升压氨合成回路的模拟96

参考文献99

第5章　联立方程法100

5.1　过程系统数学模型的特点100

5.2　过程系统数学模型方程组的建立102

5.3　联立方程组中微分方程的处理102

5.4　初值的选取及变量物理意义的限制103

5.5　过程系统非线性方程组的降阶103

5.6　非线性方程组迭代解法108

5.6.1　线性化的方法108

5.6.2　基本迭代法109

5.7　稀疏矩阵的Gauss消去法111

5.7.1　Gauss消去法112

5.7.2　三角形（LU）分解法113

5.7.3　选主元的Gauss消去法115

5.7.4　病态系数矩阵的迭代改进117

5.7.5　稀疏矩阵的压缩存储118

5.7.6　消去过程中稀疏性的保持与解的精度兼顾121

5.8　联立方程法的潜在优势128

参考文献129

6.1　联立模块法的基本思路及发展概况130

第6章　联立模块法130

6.2　两种不同的切断方案及三种不同程式的近似线性方程组132

6.2.1　全切断方案132

6.2.2　环路切断方案133

6.2.3　程式一：全切断全方程形式133

6.2.4　程式二：全切断去连接形式135

6.2.5　程式三：环路切断形式135

6.2.6　不同程式的讨论136

6.3.1　摄动法求Jacobi矩阵137

6.3　线性化方法137

6.3.2　解析法求子Jacobi矩阵138

6.3.3　模块摄动法求近似Jacobi矩阵138

6.3.4　对角块摄动法求近似Jacobi矩阵139

6.3.5　组合单元摄动法140

6.4　联立模块法结构分析的特点140

6.5　联立模块法与序贯模块法的比较141

6.6　三层法142

6.7　模拟方法研究实例——环氧乙烷生产过程模拟143

参考文献148

第7章 化工系统的最优化150

7.1　化工系统最优化问题的数学描述151

7.2　化工系统最优化问题数学模型的一般形式159

7.3　最优化数学方法分类162

7.4　无约束最优化方法164

7.4.1 目标函数的几何形态164

7.4.2　单变量函数的优化165

7.4.3　多变量函数的优化策略175

7.4.4　变量轮换法176

7.4.5 负梯度法178

7.4.6　单纯形法180

7.4.7　Newton法183

7.4.8　拟Newton法——秩一逆修正法184

7.4.9　变尺度法185

7.5　有约束多变量函数的最优化方法187

7.5.1　有约束多变量函数的最优化问题的表达187

7.5.2　有约束优化问题的求解策略及极小的必要条件187

7.5.3　Lagrange乘子法189

7.5.4　罚函数法191

7.5.5　既约梯度法——一种求解线性规划问题的方法192

7.5.6 广义既约梯度法（GRG）193

7.5.7　逐次二次规划（SQP）197

7.6　化工大系统的最优化策略202

7.6.1　大系统最优化的基本策略202

7.6.2　两级分解协调法——一种不可行路径法204

7.6.3　黑箱法208

7.6.4　可行路径的联立方程法208

7.6.5　单元模块逼近法209

7.6.6　不可行路径序贯模块法209

7.6.7　不可行路径联立方程法211

7.6.8　不可行路径双层法212

7.6.9　过程系统最优化实例——低压脱甲烷系统优化分析213

7.7　过程系统的统计调优217

7.7.1　调优目的及应用场合218

7.7.2　调优方法简介218

7.7.3　化工过程统计调优的思路219

7.7.4　附加试验点的设计——均匀试验设计222

7.7.5　不良数据剔除——数据筛选224

7.7.6　统计回归——模型参数估值和逐步回归方法227

7.7.7　模型的判别——统计检验231

7.7.8　统计调优举例234

参考文献236

第8章 化工过程系统的合成237

8.1　过程合成的基本概念238

8.2　分离序列的合成240

8.2.1　分离序列的基本概念240

8.2.2　分支定界法合成分离序列244

8.2.3　调优法合成分离序列248

8.3　换热网络的合成250

8.3.1　问题的提出251

8.3.2　基本概念253

8.3.3 以能量回收最优为目标的换热网络合成方法260

8.3.4 以节能与设备投资为综合目标的换热网络合成262

8.3.5　流股分割换热器网络合成方法263

8.4　系统的热集成265

8.4.1　热泵精馏系统的热集成266

8.4.2　热机与换热网络的系统匹配270

8.4.3　热泵与换热网络的系统匹配271

8.4.4　精馏塔的冷凝器、再沸器与换热网络的匹配272

8.5　其他类型的过程合成简介274

8.5.1 复杂反应系统中提高主产物选择性的策略275

8.5.2　反应器网络合成276

8.5.3　用水网络的合成277

8.5.4　反应路径的合成277

8.5.5　全流程合成的策略278

参考文献279

附录A　上机作业与习题280

附录B 学习思考要点285