化工系统工程（王帅）

《化工系统工程》包括过程系统工程的基本概念、化工物性计算方法、单元过程模拟、过程系统模拟、化工系统优化、化工系统综合、化工系统安全分析、化工系统技术经济分析、过程系统仿真等。《化工系统工程》以化工系统工程理论为主线，以数学建模、计算机辅助技术、图形化方法为工具，灵活运用化学工程和系统工程等相关知识解决化工问题，形成了从理论到应用的知识和方法体系。《化工系统工程》兼顾知识的深度与广度，注重理论与应用的结合，方便读者了解化工系统工程的基本思想与方法。《化工系统工程》可作为化工类及相关专业高年级本科生和研究生教材,也可供相关研究人员参考。

王帅，中南大学化学化工学院化工系副教授，矿冶工程化学虚拟仿真实验教学中心副主任，锰资源高效清洁利用湖南省重点实验室副主任，矿冶工程化学虚拟仿真工作室（中南大学校级创客空间）负责人，中南大学”531″人才工程第三层次人才计划人才。。

1绪论1

【本章学习要点】1

1.1过程系统工程的发展历程与发展趋势1

1.1.1系统工程的发展历程1

1.1.2过程系统工程的发展历程2

1.1.3过程系统工程的发展趋势2

1.2基本概念3

1.2.1系统工程3

1.2.2过程工程4

1.2.3过程系统工程4

1.3过程系统工程的主要内容6

1.3.1过程系统分析6

1.3.2过程系统设计6

1.3.3过程系统优化6

1.3.4过程系统综合7

1.3.5过程系统控制7

1.3.6过程系统仿真7

1.4过程系统模拟工具7

1.4.1流程模拟软件7

1.4.2数学计算软件11

1.4.3过程仿真软件12

1.4.4过程系统软件开发工具12

【本章习题】13

2化工物性计算方法14

【本章学习要点】14

2.1化工物性数据14

2.1.1化工物性数据的分类14

2.1.2化工物性数据的来源14

2.1.3Aspen Plus物性数据库15

2.2物性方法15

2.2.1热力学模型16

2.2.2Aspen Plus物性方法19

2.3物性分析22

2.3.1纯组分的物性分析22

2.3.2多元体系的物性分析29

2.4物性估算34

2.4.1物性估算常用方法34

2.4.2Aspen Plus物性估算35

2.5物性数据回归38

【本章习题】41

3单元过程模拟42

【本章学习要点】42

3.1单元过程模型概述与分类42

3.2单元过程模拟方法44

3.2.1稳态模拟与动态模拟44

3.2.2模拟步骤45

3.3稳态过程模拟48

3.3.1单元过程稳态模型及模块概述48

3.3.2混合器49

3.3.3分流器52

3.3.4泵与压缩机54

3.3.5通用分离器59

3.3.6闪蒸器62

3.3.7精馏塔67

3.3.8换热器78

3.3.9反应器80

3.3.10反应精馏89

3.4动态过程模拟94

3.4.1动态模拟的作用94

3.4.2过程动态模型95

3.4.3搅拌槽动态过程模拟95

3.4.4搅拌釜传热过程模拟97

3.4.5精馏动态过程模拟98

3.4.6反应过程动态模拟112

【本章习题】113

4过程系统模拟115

【本章学习要点】115

4.1过程系统模拟概论115

4.1.1过程系统模拟的基本方法115

4.1.2过程系统的结构表达116

4.1.3过程系统的自由度分析118

4.2序贯模块法118

4.2.1序贯模块法的基本思想118

4.2.2过程系统的分解118

4.2.3不可再分块的迭代121

4.2.4含循环物流系统的模拟122

4.3联立方程法133

4.3.1联立方程法的基本原理133

4.3.2降维求解法134

4.3.3拟线性方程组法137

4.3.4含循环物流系统的模拟138

4.4联立模块法139

4.4.1联立模块法的基本思想139

4.4.2过程单元简化模型139

4.4.3过程系统简化模型140

【本章习题】143

5化工系统优化145

【本章学习要点】145

5.1化工系统优化目的和任务145

5.2化工系统优化问题的类型146

5.2.1系统参数优化146

5.2.2系统管理优化146

5.3化工系统优化问题的数学模型147

5.3.1化问题的数学表达147

5.3.2系统优化的基本要素147

5.3.3化数学模型求解方法149

5.3.4化工系统优化问题数学建模实例151

5.4单元设备的优化153

5.4.1精馏塔的优化153

5.4.2Aspen Plus单元过程优化157

5.5分布参数系统的优化162

【本章习题】164

6化工系统综合166

【本章学习要点】166

6.1概述166

6.2反应系统合成167

6.2.1反应路径合成概述168

6.2.2反应路径合成案例168

6.2.3反应器网络合成概述171

6.2.4反应器网络合成案例171

6.3分离序列合成178

6.3.1分离序列组合问题的提出与简化179

6.3.2分离序列的候选方案评价182

6.3.3分离序列合成的单元组合规则182

6.3.4分离序列合成的单元优化设计186

6.4换热网络合成189

6.4.1温-焓图和复合曲线189

6.4.2换热网络的夹点191

6.4.3换热网络的设计目标197

6.4.4换热网络的设计方法201

6.4.5Aspen Energy Analyzer软件使用介绍206

6.5用水网络合成216

6.5.1用水网络合成的基本概念217

6.5.2用水单元模型与极限曲线218

6.5.3水夹点提出与确定方法220

6.5.4直接回用网络合成223

6.5.5再生回用与再生循环网络合成227

6.6资源回收网络合成231

6.7生态工业园234

【本章习题】237

7化工系统安全分析239

【本章学习要点】239

7.1概述239

7.1.1化工系统安全工程239

7.1.2化工系统安全分析的特点240

7.1.3安全评价程序241

7.2危险、有害因素辨识241

7.3危险性定性分析242

7.3.1安全检查表242

7.3.2预先危险性分析法243

7.3.3危险可操作性研究分析法245

7.4危险性定量分析247

7.4.1作业条件危险性分析法247

7.4.2道化学火灾、爆炸危险指数分析法249

7.4.3故障树分析法259

7.4.4事件树分析法266

【本章习题】269

8化工系统技术经济分析271

【本章学习要点】271

8.1技术经济学271

8.1.1基本原理271

8.1.2技术经济分析的一般步骤273

8.2化工系统技术经济分析274

8.2.1确定性分析方法274

8.2.2不确定性分析方法278

8.3乙苯-苯乙烯分离过程的经济分析280

【本章习题】291

9过程系统仿真293

【本章学习要点】293

9.1计算机仿真293

9.1.1计算机仿真的概念与特点293

9.1.2仿真模型294

9.2过程系统仿真294

9.2.1过程仿真模型294

9.2.2过程仿真系统295

9.2.3过程仿真的一般步骤295

9.2.4虚拟仿真工厂的设计296

9.3电解锰过程仿真297

9.3.1电解锰原理298

9.3.2仿真系统的结构298

9.3.3三维模型的建立298

9.3.4过程仿真300

【本章习题】303

参考文献304

 

化工系统工程是化学工程与系统工程、信息技术等多学科交叉形成的综合性学科。它以化工过程系统为研究对象，研究对其进行分析、设计、优化、合成、仿真等的方法，目的是建立整体上化的化工过程系统。为了适应我国化工类工程人才培养的需求，作者在对化工系统工程知识体系进行归纳、总结的基础上，编写了本书。

《化工系统工程》介绍了过程系统工程的基本概念、化工物性计算方法、单元过程模拟、过程系统模拟、化工系统优化、化工系统综合、化工系统安全分析、化工系统技术经济分析和过程系统仿真等内容。本书以化工系统工程理论为主线，以数学建模、计算机辅助技术、图形化方法为工具，灵活运用化学工程和系统工程等相关知识解决化工问题，形成了从理论到应用的知识和方法体系。

《化工系统工程》第1章由王帅编写，第2、第5章由韩凯编写，第3章由岳海荣、吉俊懿、韩凯编写，第4章由陈菓、韩凯编写，第6章由何畅编写，第7章由李昌新编写，第8章由曹晓燕编写，第9章由曹占芳编写。张冰剑教授、邓春副教授审阅了全书，提出了宝贵的建议，特此致谢。

《化工系统工程》相关工作得到了国家科技支撑计划课题（编号：2015BAB17B01）、国家自然科学基金（编号：21606261）和中南大学精品教材项目等项目的支持，特此致谢。

《化工系统工程》编写过程中，借鉴了大量的文献资料，并得到了钟宏教授、褚良银教授、李海普教授、韩路长教授、金一粟副教授等多位老师和同行的大力支持，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，恳请读者给予批评指正。

编者

2018年1月