化工系统工程理论与实践

第1章 绪论

1.1 化工系统工程概述

1.1.1 系统工程与化工系统工程

1.1.2 基本任务与内容

1.1.3 基本方法与技术路线

1.1.4 与其他相关学科的关系

1.1.5 常用术语

1.1.6 应用化工系统工程技术的成功范例

1.2 化工系统工程的主要技术手段与工具

1.2.1 流程模拟系统及其用途

1.2.2 流程模拟系统的发展沿革

1.2.3 著名流程模拟系统介绍

1.3 流程模拟系统的分类、系统结构及各部分的作用

1.3.1 流程模拟系统的分类

1.3.2 流程模拟系统的构成及各部分作用

1.4 其他技术手段

1.5 发展前景与方向

1.6 工业应用领域

本章要点

思考题

本章参考文献

第2章 数学模型

2.1 概念、定义与分类

2.1.1 模型

2.1.2 数学模型及分类

2.1.3 运用模型方法的实例

2.1.4 流程模拟系统中的模型

2.1.5 评价模型的标准

2.2 过程系统模型及其自由度13

2.2.1 数学模型的自由度及物理意义

2.2.2 独立化学反应数问题

2.3 机理模型

2.3.1 机理模型的特征

2.3.2 建模手段与实例

2.4 经验模型及其建模方法

2.4.1 建模问题的描述

2.4.2 最小二乘法

2.4.3 多元线性回归

2.4.4 一元线性回归

2.4.5 适用范围与使用单位

2.4.6 线性化方法

2.4.7 统计检验

2.4.8 数值精度与数值稳定性

2.4.9 应用要点

2.5 流程结构模型

2.5.1 图形表达方式

2.5.2 矩阵表达方式

2.5.3 代数表达方式

2.6 流程模拟基本模型

2.6.1 纯组分性质

2.6.2 流体热力学性质模型

2.6.3 流动模型

2.6.4 相平衡模型

2.6.5 反应动力学模型与化学平衡模型

2.6.6 传递过程模型

2.7 过程单元模型

2.7.1 单元过程稳态模型及模块概述

2.7.2 混合器

2.7.3 分流器

2.7.4 平衡闪蒸

2.7.5 换热器

2.7.6 泵与压缩机

2.7.7 精馏塔板

2.7.8 通用分离器

2.7.9 反应器

2.7.10 聚合反应过程模型与链节分析法

2.8 关于数学模型预测性检验的探讨

2.8.1 模型显著性检验的意义及其存在的问题

2.8.2 关于模型预测性能的统计推断

2.8.3 实际应用中的问题

2.8.4 小结

本章要点

思考题

本章参考文献

第3章 数学模型求解方法

3.1 基本概念

3.1.1 隐式与显式代数方程及几何解释

3.1.2 迭代过程与迭代法

3.1.3 与收敛性有关的概念

3.2 线性代数方程组

3.2.1 一般形式

3.2.2 简单迭代法（Jacobi，雅可比法）

3.2.3 超松弛迭代算法（SuccessiveOverRelaxationMethod，SOR法）

3.3 非线性一元方程迭代解法

3.3.1 隐式方程迭代解法

3.3.2 程序设计

3.3.3 显式方程迭代解法

3.3.4 局部收敛性问题与局部收敛条件定理

3.4 非线性代数方程组迭代解法

3.4.1 直接迭代法（DirectSubstitution,DirectIteration）

3.4.2 部分迭代法（PartialSubstitution）

3.4.3 牛顿（Newton）算法

3.4.4 布罗伊登（Broyden）算法

3.4.5 BroydenFletcherShanno算法

3.5 迭代加速技术

3.5.1 DEM（DominantEigenvalueMethod）加速法

3.5.2 王德人加速法

3.5.3 讨论

3.6 方程组求解的切割技术

3.6.1 实例

3.6.2 原理与效果

3.6.3 方程组的分解

3.6.4 方程组分解的算法

3.7 双层法

3.7.1 方法原理与技术关键

3.7.2 泡点计算的双层法

3.7.3 平衡闪蒸计算的双层法

3.8 常微分方程组初值问题与动态模拟

3.8.1 实例（连续流动搅拌水槽模拟）

3.8.2 常微分方程（组）初值问题的一般形式

3.8.3 显式欧拉（Euler）法及其有关概念

3.8.4 隐式欧拉（Euler）法

3.8.5 预测校正算法

3.8.6 动态算法求解稳态问题及其逆问题

3.8.7 动态流程模拟中的常微分方程组初值问题

3.9 化工装置动态仿真

本章要点

思考题

本章参考文献

第4章 流程模拟基本技术

4.1 流程模拟系统的结构与程序设计

4.1.1 流程模拟系统的数据结构

4.1.2 流程模拟系统的构成

4.1.3 计算步骤

4.2 序贯模块法

4.2.1 基本概念与实例

4.2.2 流程切割与排序技术

4.2.3 收敛模块与控制模块的原理及作用

4.2.4 优化模块的原理与作用

4.3 联立方程法与联立模块法

4.4 动态流程模拟系统

4.4.1 动态模拟的特点

4.4.2 动态模拟的数学描述

4.4.3 动态序贯模块法

4.5 化工装置仿真机

4.5.1 系统构成

4.5.2 关键技术

4.5.3 应用领域

本章 要点

思考题

本章 参考文献

第5章 运筹学方法

5.1 概述

5.1.1 基本概念

5.1.2 常见手段与方法

5.1.3 实例

5.2 无约束极值问题的基本概念

5.2.1 局部极值

5.2.2 局部极值存在条件

5.2.3 凸函数及凸函数极值

5.2.4 迭代算法分类

5.3 一维搜索的原理与方法

5.3.1 （一维搜索）序贯消去法

5.3.2 Fibonacci法（菲波那奇法）

5.3.3 黄金分割法

5.3.4 牛顿（Newton）法

5.3.5 算法讨论

5.4 多维搜索

5.4.1 无约束多变量函数的优化策略

5.4.2 坐标轮换法

5.4.3 负梯度法

5.4.4 单纯形法

5.4.5 牛顿法

5.4.6 其他算法

5.5 线性规划问题

5.5.1 线性规划问题

5.5.2 线性规划问题的基本概念

5.5.3 线性规划问题的求解方法

5.6 非线性规划问题

5.6.1 非线性规划问题

5.6.2 非线性规划数学模型

5.6.3 非线性规划问题图示

5.7 运筹学方法用于实际工程问题的关键

本章要点

思考题

本章参考文献

第6章 系统综合概述

6.1 典型系统综合问题

6.2 系统综合基本方法与关键

6.2.1 换热网络综合

6.2.2 夹点技术

6.2.3 数学规划法设计换热网络

6.2.4 换热网络合成中的局限性

6.2.5 换质网络综合

6.2.6 分离序列综合

6.2.7 反应器网络综合

6.3 系统优化基本方法与关键

6.4 系统优化案例

6.5 系统综合与优化的发展方向

本章要点

本章参考文献

《化工系统工程理论与实践》力图深刻地、相对完整地介绍化工系统工程的理论与实践。撰写《化工系统工程理论与实践 》的主要目的是为初学者提供正确的入门之路、避免陷入误区；为具有一定实践经验的工程师和教师提供深入思考的机会，纠正工作中习惯性的不适当观念，明确某些方法论层面上的基本概念；为从事流程模拟与优化核心技术工作的专业研发人员提供一些算法或理论层面上的具体帮助。总之，完全是为研发和使用流程模拟与优化软件服务，试图辅助读者构造工程上的整体解决方案。书中叙述的特点是从化学工程师的角度出发，研讨相关的数学方法，强调理论联系实际，强调经典和继承经典前提下的创新，对算法的介绍尽量避免堆积罗列，突出解决实际问题的框架、思路以及具体诀窍。许多章节都介绍了作者及作者的老师们在多年研发实践中摸索得到的经验、体会或经过实践考验的成果。各章之后的“本章要点”和“思考题”相信会对读者有重大启发，而关于动态模拟和仿真工厂的介绍也是通常化工系统工程专业著作中不常涉及的重要内容。
　　《化工系统工程理论与实践》适合化工类专业及系统工程等相关专业本科生、研究生教学使用，也可供相关工程技术人员参考。