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第一章 绪论1

1.1 系统工程1

1.2 过程系统工程2

1.3 现代过程系统工业的特点3

1.4 过程系统工程的有关基本术语3

1.5 过程系统工程研究的问题5

1.6 过程系统工程的应用6

1.7 系统优化的灵敏度分析7

参考文献7

第二章 化工过程系统数学模拟方法8

2.1 单元过程数学模型概述10

2.1.1 机理模型、统计模型和混合模型11

2.1.2 模型的简化13

2.1.3 模型参数14

2.1.4 模型的建立和检验15

2.1.5 模型的数学描述16

2.1.6 模型的自由度17

2.2 化工单元模型和模块17

2.3 化工系统的结构模型25

2.3.1 结构单元图25

2.3.2 图论的基本概念26

2.3.3 系统的结构模型28

2.4 化工系统模型求解方法概述33

2.4.1 序贯模块法33

2.4.2 联立方程法35

2.4.3 联立模块法35

2.5 流程模拟软件及其用途39

2.5.1 流程模拟软件的分类41

2.5.2 流程模拟软件的组成42

2.5.3 几种主要商业化流程模拟软件45

参考文献47

第三章 过程系统的分解49

3.1 系统分隔51

3.1.1 邻接矩阵法52

3.1.2 通路搜索法55

3.1.3 表格法62

3.2 不可再分块的切断70

3.2.1 环路矩阵法71

3.2.2 无多余切断74

3.2.3 切断流股的变量数最少的切断法76

3.2.4 切断边对收敛特性的影响77

3.3 过程系统结构分析实例79

参考文献84

第四章 非线性代数方程组解法85

4.1 概述85

4.2 预备知识87

4.3 直接迭代法91

4.4 曲线拟合一维搜索方法93

4.4.1 二次拟合一维搜索法94

4.4.2 三次(立方)拟合插值法97

4.6 韦格斯坦法99

4.5 松弛法99

4.7 牛顿法102

4.7.1 牛顿法的构成102

4.7.2 牛顿法的收敛性103

4.7.3 牛顿法的修正104

4.8 离散型牛顿法和割线法106

4.8.1 离散型牛顿法106

4.8.2 割线法108

4.9 拟牛顿法113

4.9.1 一般讨论113

4.9.2 秩1算法114

4.10 最小二乘法118

4.10.1 最小二乘法的一般形式119

4.10.2 高斯-牛顿法120

4.10.3 阻尼最小二乘法121

参考文献122

第五章 序贯模块法125

5.1 系统自由度126

5.2 不可再分块迭代收敛的序贯模块法128

5.2.1 直接迭代法130

5.2.2 用Wegstein法解X=F(X)131

5.2.3 离散Newton法135

5.2.4 拟Newton法136

5.2.5 非线性方程组数值解法的改进140

5.2.6 其他可用于过程系统稳态模拟的算法143

5.3 序贯模块法解设计型问题144

参考文献147

第六章 联立方程法148

6.1 过程系统数学模型的特点148

6.2 过程系统数学模型方程组的建立149

6.3 联立方程组中微分方程的处理150

6.4 初值的选取及变量物理意义的限制150

6.5 过程系统非线性方程组的降阶151

6.6.1 线性化的方法155

6.6 非线性方程组迭代解法的应用155

6.6.2 基本迭代法156

6.7 稀疏矩阵的消去法159

6.7.1 Gauss消去法160

6.7.2 三角形(LU)分解法161

6.7.3 选主元的Gauss消去法163

6.7.4 病态系数矩阵的迭代改进164

6.7.5 稀疏矩阵的压缩存储166

6.7.6 消去过程中稀疏性的保持与解的精度的兼顾169

参考文献177

6.8 联立方程法的潜在优势177

第七章 联立模块法179

7.1 联立模块法的基本思想及发展概况179

7.2 两种不同的切断方案及三种不同程式的近似线性方程组181

7.3 不同程式的讨论185

7.4 摄动求近似线性方程组Jacobian矩阵的线性化方法186

7.4.1 解析法求子Jacobian矩阵186

7.4.2 模块摄动求近似Jacobian矩阵187

7.4.3 对角块摄动法求近似Jacobian矩阵188

7.4.4 组合单元 摄动法188

7.5 联立模块法结构分析(系统分解)的特点189

7.6 联立模块法与序贯模块法的比较190

7.7 联立模块三层法191

参考文献193

第八章 过程系统的最优化193

8.1 化工过程系统最优化问题的提出及其数学模型193

8.2 过程系统的最优化问题数学描述的一般形式200

8.3 最优化问题及最优化方法概述202

8.4 无约束最优化方法204

8.4.1 单变量函数的优化--一维搜索206

8.4.2 无约束多变量函数的优化策略218

8.4.3 变量轮换法219

8.4.4 负梯度法222

8.4.5 单纯形法224

8.4.6 牛顿型法227

8.4.7 拟牛顿法228

8.4.8 变尺度法229

8.5 有约束多变量函数的最优化方法231

8.5.1 解有约束优化问题的策略231

8.5.2 Lagrange乘子法233

8.5.3 罚函数法234

8.5.4 既约梯度法235

8.5.5 广义既约梯度法(GRG)237

8.5.6 逐次二次规划(SQP)241

8.6 化工大系统的最优化策略245

8.6.1 化工大系统最优化的基本策略245

8.6.2 基于不可行路径法的两级分解协调法248

8.6.3 黑箱法251

8.6.4 可行路径的联立方程法252

8.6.5 单元模块逼近法252

8.6.6 不可行路径序贯模块法253

8.6.7 不可行路径联立方程法254

8.6.8 不可行路径双层法254

参考文献257

第九章 其他优化问题简介258

9.1 单元设备的优化计算258

9.1.1 目标函数258

9.1.2 数学模型(约束方程)260

9.1.3 自由度分析262

9.1.4 优化方程及计算框图263

9.2 分布参数系统的优化263

9.2.1 分布参数系统优化问题的典型示例264

9.2.2 分布参数系统优化问题的数字描述265

9.2.3 无约束优化问题的求解--变分法265

9.2.4 带约束优化问题的求解266

参考文献277

第十章 过程系统的合成278

10.1 过程合成的基本步骤和方法278

10.2 分离序列的合成280

10.2.1 基本概念280

10.2.2 分枝定界法合成分离序列283

10.2.3 调优法合成分离序列287

10.3 换热网络的合成290

10.3.1 问题的提出290

10.3.2 基本概念293

10.3.3 最优能量回收换热网络的合成方法300

10.3.4 以节能与设备投资为综合目标的换热网络调优302

10.3.5 流股分割303

10.4 系统的热集成305

10.4.1 热泵精馏系统的热集成305

10.4.2 热机与换热网络的系统匹配309

10.4.3 热泵与换热网络的系统匹配311

10.4.4 精馏塔的冷凝器、再沸器与换热网络的匹配313

10.5 其他类型的过程合成314

参考文献316

习题317