化工过程分析与综合（第二版）

前言
《化工过程分析与综合》第一版于2017年3月出版，为充分利用教育信息化高速发展带来的机遇，使数字化教学资源更好地发挥作用，因此对本书进行了更新再版。
新版教材具有如下特色：
（1）以新形态教材的形式呈现。新版教材将正文所涉及的动画、拓展阅读、模拟程序、科学家介绍、工程案例、教学课件等以数字化资源呈现，读者只要扫描本书封底二维码就能方便地获取相应的数字化资源，极大地方便了读者的学习。
（2）突出了理论和实践的结合。通过增加模拟程序及工程案例等内容，提高学生分析和解决实际问题的能力。
（3）在内容上增加了学科相关的研究热点和难点问题，拓展学生的视野。例如，第5章在过程系统能量集成的基础上增加了功集成知识；新增第7章化工产品设计知识。
各章编写与修订工作分工如下：第1章都健，第2章都健、董亚超，第3章肖武，第4章董宏光、邹雄，第5章王瑶、庄钰，第6章刘琳琳，第7章张磊。全书由都健统稿、数字化资源由刘琳琳负责统筹制作。
本书的编写得到了大连理工大学姚平经教授及“化工原理”教研室各位老师的支持和帮助，在此一并表示衷心感谢！
限于作者的学识水平，书中难免有不妥之处，敬请广大读者批评指正。

编者
2021年3月




第一版前言
《化工过程分析与综合》是在过程系统工程学的基础上建立起来的，是高等学校化工类专业的必修课。为适应高等化工类人才培养的需求，作者总结了十余年来讲授该课程的教学经验，并充分借鉴国内外相关教材、专著和文献，组织编写了本书。
本书介绍了过程系统工程学的发展历史及研究进展，过程系统工程的基本概念和特点，过程系统综合的方法和策略，过程系统集成和优化的理论和最新研究成果，包括过程系统能量集成、过程系统质量集成（包括水系统集成)。本书的编写注重传统内容与现代内容的兼顾；通过实际工程案例的研究和应用，将知识点与兴趣点结合，以培养学生分析和解决实际问题的能力；体系上注重教材的科学性、实用性、通用性。
本书由都健主编。第1章由都健编写,第2章由都健、韩志忠编写,第3章由肖武编写,第4章由董宏光、邹雄编写,第5章由王瑶编写,第6章由刘琳琳编写。姚平经教授审阅了全书，并提出了宝贵的建议，在此深表谢意。
由于作者水平有限，书中难免有不妥和疏漏之处，敬请指正。

编者
2016年12月

《化工过程分析与综合》(第二版)介绍了过程系统工程学的发展历史及研究进展，过程系统工程的基本概念和特点,重点介绍了过程系统的稳态模拟、换热器网络综合、分离序列综合、过程系统能量集成、过程系统质量集成、化工产品设计的基本方法，兼顾传统内容与现代内容。通过实际工程案例的研究和应用，将知识点与兴趣点结合，培养学生分析和解决实际问题的能力。本教材配有动画、拓展阅读、模拟程序、科学家介绍、工程案例、教学课件等数字化资源，读者可扫描封底二维码获取，提升学习感受与效果。
《化工过程分析与综合》（第二版）可作为化工类及相关专业高年级本科生及研究生教材,也可供相关研究人员参考。

第1章绪论/1
1.1过程系统工程的进展1
1.2基本概念2
1.2.1过程系统2
1.2.2过程系统分析2
1.2.3过程系统综合2
1.2.4过程系统优化3
1.3本课程的特点3
参考文献4

第2章过程系统的稳态模拟/6
2.1过程系统的稳态模拟概述6
2.1.1过程系统的数学模型6
2.1.2过程系统模拟的基本任务7
2.1.3过程系统稳态模拟的基本方法8
2.1.4流程模拟软件简介9
2.2过程单元与过程系统的自由度分析10
2.2.1自由度概念10
2.2.2过程单元的自由度分析10
2.2.3过程系统的自由度分析15
2.3过程系统模拟的序贯模块法16
2.3.1序贯模块法的基本问题16
2.3.2不相关子系统的分隔17
2.3.3不可分隔子系统的断裂23
2.3.4断裂流股变量的收敛27
2.4过程系统模拟的联立方程法29
2.4.1联立方程法的基本思想和特点29
2.4.2稀疏线性方程组的解法32
2.5过程系统模拟的联立模块法37
2.5.1联立模块法的基本思想和特点37
2.5.2简化模型建立中问题的描述方式38
2.5.3单元简化模型的形式39
习题41
本章符号说明43
参考文献43

第3章换热器网络综合/45
3.1换热器网络的综合问题45
3.2过程系统的夹点及其意义47
3.2.1温-焓图（T-H图）47
3.2.2组合曲线49
3.2.3在温-焓图上描述夹点50
3.2.4问题表格法确定夹点54
3.2.5夹点的意义59
3.3过程系统夹点位置的确定61
3.3.1操作型夹点计算62
3.3.2设计型夹点计算63
3.4过程系统的总组合曲线64
3.4.1总组合曲线绘制方法分类65
3.4.2问题表格法绘制总组合曲线65
3.4.3图解法绘制总组合曲线67
3.4.4总组合曲线的意义68
3.5根据温-焓图综合换热器网络69
3.5.1热力学最小传热面积网络的分析69
3.5.2热力学最小传热面积网络的综合71
3.5.3热力学最小传热面积网络的改进72
3.6夹点设计法综合换热器网络74
3.6.1夹点处物流匹配换热的可行性规则74
3.6.2物流匹配的经验规则78
3.7换热器网络的调优84
3.7.1最少换热设备个数与热负荷回路84
3.7.2热负荷回路的断开86
3.7.3热负荷路径及能量松弛89
3.8分步综合换热器网络的数学规划法——转运模型法102
3.8.1转运模型103
3.8.2最小公用工程费用问题105
3.8.3最少换热设备个数问题109
3.8.4利用转运模型综合的步骤110
3.9同步综合换热器网络的数学规划法——超结构法110
3.9.1基于分级超结构的混合整数非线性规划模型111
3.9.2基于分级超结构的混合整数非线性规划模型的求解113
习题116
本章符号说明117
参考文献118

第4章分离序列综合/122
4.1分离序列综合概述122
4.2分离序列综合的基本概念123
4.2.1分离序列综合问题的定义123
4.2.2分离序列综合组合问题123
4.2.3分离序列方案评价126
4.2.4分离过程的能耗127
4.3有序直观推断法128
4.4渐进调优法133
4.4.1建立初始分离序列133
4.4.2确定调优法则133
4.4.3制定调优策略133
4.5数学规划法137
4.5.1动态规划法137
4.5.2有序分支搜索法143
4.5.3超结构法145
习题152
本章符号说明152
参考文献153

第5章过程系统能量集成/155
5.1过程系统能量集成概述155
5.2蒸馏过程与过程系统的能量集成156
5.2.1蒸馏塔在系统中的合理设置156
5.2.2蒸馏过程与过程系统的能量集成157
5.3公用工程与过程系统的能量集成164
5.3.1热机与热泵在系统中的合理设置164
5.3.2热机在热集成过程中热负荷及温位的限制166
5.4全局能量集成166
5.4.1全局组合曲线和全局夹点166
5.4.2全局能量集成的加/减原则168
5.5夹点分析在过程系统能量集成中的应用169
5.5.1过程用能的一致性原则170
5.5.2过程流股的提取及参数的确定172
5.5.3过程系统用能诊断174
5.5.4过程系统用能调优177
5.5.5工业应用实例177
5.6过程系统功集成182
5.6.1功交换网络综合182
5.6.2功集成184
习题186
本章符号说明187
参考文献187

第6章过程系统质量集成/188
6.1过程系统质量集成概述188
6.2质量交换网络综合188
6.2.1基本概念188
6.2.2质量交换网络与热交换网络的类比190
6.2.3质量交换网络综合方法190
6.3质量夹点法191
6.3.1最小浓度差与浓度转换191
6.3.2组合曲线法确定夹点192
6.3.3浓度间隔图表法确定夹点195
6.3.4质量交换网络综合准则197
6.3.5质量集成199
6.4水分配网络综合199
6.4.1基本概念199
6.4.2水分配网络综合方法200
习题204
本章符号说明204
参考文献205

第7章化工产品设计/207
7.1化工产品设计概述207
7.1.1化工产品分类207
7.1.2化工产品设计开发流程209
7.2分子与混合物设计方法210
7.2.1分子结构表征211
7.2.2可行分子/混合物生成方法212
7.2.3分子/混合物设计（CAMD/CAMbD）的数学模型217
7.3分子与混合物设计实例218
7.3.1制冷剂分子设计218
7.3.2MBT结晶溶剂设计219
7.3.3页岩气脱酸过程吸收剂产品与过程设计221
习题222
参考文献222