【正文】 與合成 單元過程自由度分析 （ 1）混合器 獨立方程： 壓力平衡方程 : ),m in( 213 PPP ?物料衡算方程 : 332211321FxFxFxFFFjjj ????)1(,. ...,2,1 ?? Cj熱量衡算方程 : 332211HFHFHF ??C+2 F1,P1,T1,x11,x21, …,xc1 F2,P2,T2,x12,x22, …,xc2 F3,P3,T3,x13,x23, …,xc3 Liaoning Shihua University 化工過程分析與合成 所以上述混合器的獨立方程數(shù) ： 2?? Cm混合器的自由度： )2(2)2()2(3 ???????? CCCmnd 兩獨立流股混合過程的自由度為兩個獨立流股自由度之和 。 mnd ???? 獨立方程數(shù)變量數(shù) d0 不定方程組，有無窮個解 d0 過度設(shè)定，形成矛盾方程，割除冗余方程 d=0 正確設(shè)定，方程組有唯一解 （ 2）相律 22 ?????? PCd 相數(shù)組分數(shù) 只包括強度性質(zhì)（ T、 P等），不含容量性質(zhì)。 流股聯(lián)結(jié)方程： ? ?? ?? ?? ? ),1(1,123411 uxGuxggggx ?? 設(shè)計規(guī)定方程： ? ?? ?? ? srxggr ?123 簡化模型優(yōu)點 ： 簡化模型在流程水平上聯(lián)立求解，便于設(shè)計 和優(yōu)化問題的求解。 流股聯(lián)結(jié)方程： ),()。()。Liaoning Shihua University 化工過程分析與合成 聯(lián)立模塊法 又稱雙層法： 取序貫?zāi)K法及聯(lián) 立方程法兩者之長。 Liaoning Shihua University 化工過程分析與合成 b. 方程線性化法 Taylor展開法 稀疏陣通常避開求逆方法， LU（高斯消去法的改進）因次 分解。 Liaoning Shihua University 化工過程分析與合成 聯(lián)立方程法 將描述過程系統(tǒng)的所有方程組織起來，形成一大型非線性方程組，進行聯(lián)立求解。 回路（環(huán)路） —輸入流股與后續(xù)的單元設(shè)備輸出有關(guān)。 鄰接矩陣： Liaoning Shihua University 化工過程分析與合成 （ c）關(guān)聯(lián)矩陣（ Incidence Matrix)RI 元素 Sij= 1，邊（流股） j為節(jié)點（單元設(shè)備） i的輸出流股 1，邊（流股） j為節(jié)點（單元設(shè)備） i的輸入流股 0，邊（流股） j與節(jié)點（單元設(shè)備） i無關(guān)聯(lián) RI= j 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 i 2 1 4 3 5 7 6 8 9 10 12 11 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 –1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 關(guān)聯(lián)矩陣 Liaoning Shihua University 化工過程分析與合成 說明： Ⅰ .若有向圖中有 n個節(jié)點 m條邊，則關(guān)聯(lián)矩陣為 n行 m列的矩陣。 單元設(shè) 備序號 相關(guān)物流號 流入 該節(jié)點的流股 + 流出 該節(jié)點的流股 1 2 3 4 11 12 1 1 2 Liaoning Shihua University 化工過程分析與合成 (b) 鄰接矩陣（ Adjacency Matrix) RA 一個由 n個單元或節(jié)點組成的系統(tǒng)，其鄰接矩陣或相鄰矩陣 可表示為 nn的方陣。 即： 建立過程系統(tǒng)的數(shù)學模型， 應(yīng)用過程集成技術(shù)、數(shù)學規(guī) 劃方法、人工智能技術(shù)對 過程系統(tǒng)進行綜合優(yōu)化。 化學工藝和化學工程相配合，可以解決化工過程開發(fā)、裝置設(shè)計、流程組織、操作原理及方法等方面的問題；也可以解決化工生產(chǎn)實際中的問題。 本課程“過程系統(tǒng)分析與綜合”講授的內(nèi)容是“過程系統(tǒng)工程”分支學科的主要組成部分。 手段： 現(xiàn)代數(shù)學和計算工具 ——計算機等。 （ 2）系統(tǒng)工程學 以系統(tǒng)（特別是大系統(tǒng)）為對象的一門跨學科的邊緣科 學。 包括 化工熱力學 、 傳遞過程 、 分離過程 、 反應(yīng)工程 和 過程系統(tǒng)工程 等分支學科。 對象： 系統(tǒng) —由一信息聯(lián)系的一個整體。 （ 3）過程系統(tǒng)工程學 將系統(tǒng)工程學的理論、方法應(yīng)用于化工過程領(lǐng)域的一門 邊緣學科，是化學工程學的一個分支。 Liaoning Shihua University 化工過程分析與合成 化學工程 主要研究化學工業(yè)和其他過程工業(yè)生產(chǎn)中所進行的化學過程和物理過程的共同規(guī)律，它的一個重要任務(wù)是研究有關(guān)工程因素對過程和裝置的效應(yīng)，特別是放大中的效應(yīng)。 （ 2）過程系統(tǒng)分析（ Analysis) 給定的過程系統(tǒng) 指定的輸入 待求的輸出 Liaoning Shihua University 化工過程分析與合成 （ 3）過程系統(tǒng)綜合 (Synthesis) 過程系統(tǒng)綜合的主要課題： （ a） 反應(yīng)路徑的綜合 （ b）反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)綜合 （ c） 換熱器網(wǎng)絡(luò)綜合 （ d）分離序列綜合 （ e） 公用工程系統(tǒng)綜合 （ f） 控制系統(tǒng)綜合 （ g） 全流程系統(tǒng)綜合 （ h）過程系統(tǒng)能量、質(zhì)量集成 待綜合的過程系統(tǒng) 給定的或可選擇的輸入 所要求的或希望的輸出 Liaoning Shihua University 化工過程分析與合成 綜合方法： (a) 直觀推斷法 (Heuristic) (b) 調(diào)優(yōu)法 (Evolutionary) (c) 分解法 (Deposition) (d) 結(jié)構(gòu)參數(shù)法 (Structural parameter approach) (e) 人工智能 (Artificial intelligence) （ 4）過程系統(tǒng)優(yōu)化（ Optimization) 參數(shù)優(yōu)化：如溫度、壓力和流量等 結(jié)構(gòu)優(yōu)化：設(shè)備類型、設(shè)備更新、設(shè)備間的聯(lián)結(jié)等 Liaoning Shihua University 化工過程分析與合成 本課程的特點 特點：系統(tǒng)的方法論、研究對象為一個整體、優(yōu)化的思想 課程目的：研究化工過程系統(tǒng)設(shè)計的方法和策略。 數(shù)學模型： （ 1）穩(wěn)態(tài)模型和動態(tài)模型 （ 2）機理模型和“黑箱”模型（經(jīng)驗?zāi)Ｐ停? （ 3）集中參數(shù)模型與分布參數(shù)模型 （ 4）確定性模型和隨機模型 Liaoning Shihua University 化工過程分析與合成 過程系統(tǒng)模擬的基本任務(wù) （ 1）過程系統(tǒng)的模擬分析（ Operating Problem） （ 2）過程系統(tǒng)的設(shè)計（ Design Problem） 過程系統(tǒng)模型 輸入流股向量 輸出流股向量 設(shè)備參數(shù)向量 過程系統(tǒng)模型 控制模型 輸入流股向量 設(shè)備參數(shù)向量 輸出流股向量 設(shè)計要求指標 可調(diào)設(shè)備參數(shù)向量 可調(diào)輸入向量 輸出設(shè)計結(jié)果向量 Liaoning Shihua University 化工過程分析與合成 （ 3）過程系統(tǒng)的優(yōu)化 過程系統(tǒng)模型 輸出流股向量 經(jīng)濟分析模型 優(yōu)化程序 給定輸入 給定參數(shù) 經(jīng)濟參數(shù) 輸出優(yōu)化結(jié)果 優(yōu)化變量 性能指標 約束條件 約束條件 Liaoning Shihua University 化工過程分析與合成 過程系統(tǒng)模擬的基本結(jié)構(gòu) 管理系統(tǒng)執(zhí)行模塊 單元過程模塊 物性數(shù)據(jù)庫 熱力學數(shù)據(jù)庫 輸入模塊 輸出模塊 優(yōu)化方法庫 經(jīng)濟分析模塊 計算方法庫 Liaoning Shihua University 化工過程分析與合成 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的表達方式：工藝流程圖 單元 i， j之間的聯(lián)系稱為聯(lián)結(jié)方程： xy njmi ?1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 12 10 9 11 10 12 11 13 Liaoning Shihua University 化工過程分析與合成 （ 1）圖形表示 工藝流程圖的有向圖或信息流程圖（ Information flow diagram) 基本概念：節(jié)點 —— 設(shè)備單元 邊 —— 流股 子圖 路徑 循環(huán)回路或環(huán)路 ），（邊：節(jié)點：14211221 ),(),(eeeExxxXEXG???1 2 7 12 11 1 2 14 3 5 4 6 7 8 9 10 11 12 13 6 8 3 5 4 9 10 Liaoning Shihua University 化工過程分析與合成 （ 2）矩陣表示 （ a）過程矩陣 (Process Matrix) Rp 表達過程系統(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。,1][1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 流入節(jié)點 j 流 出 節(jié) 點 i 1 2 11 12 1 1 10 1 1 Liaoning Shihua University 化工過程分析與合成 RA= j 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 i 2 1 4 3 5 7 6 8 9 10 12 11 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1