精细化学品的现代分离与分析 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:化学工业出版社

作者:张卫红

出品人:

页数:254

译者:

出版时间:2000-6-1

价格:28.00元

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787502526535

丛书系列:

图书标签:

• 精细化学品
• 分离技术
• 分析化学
• 现代分析
• 化学工程
• 色谱分析
• 光谱分析
• 质量分析
• 化学工业
• 分析方法

化学工程的基石：化工过程的优化与控制 本书聚焦于化工生产的核心环节——过程的优化与控制，旨在为化学工程领域的专业人士、研究人员及高年级学生提供一套全面而深入的理论框架与实践指导。在当前对效率、安全和环境可持续性要求日益严苛的工业背景下，掌握先进的过程控制策略和优化技术已成为确保化工企业核心竞争力的关键。 本书系统地涵盖了化工过程控制的各个层面，从基础的数学模型建立到复杂的、非线性的系统控制，再到前沿的先进过程控制（APC）技术。我们摒弃了对纯粹分离技术（如蒸馏、萃取、吸附等）的详尽阐述，转而将重点放在如何动态地管理和调控涉及这些单元操作的整个生产流程。 第一部分：过程建模与动态特性分析（Foundations of Process Modeling and Dynamic Analysis） 本部分奠定了理解和控制化工过程的理论基础。化工过程的本质在于其动态变化特性，任何有效的控制都必须基于精确的数学描述。 1. 化工过程的机理建模： 详细阐述了如何利用质量守恒、能量守恒和组分守恒定律，结合流体力学和热力学原理，建立描述典型反应器、换热器和储罐等基本单元操作的微分代数方程组（DAE）。重点讨论了在建立模型时如何处理相平衡、反应动力学（包括复杂的多相反应）以及非理想流体行为对动态响应的影响。我们着重分析了模型简化过程中应遵循的原则，例如准稳态假设的适用性边界。 2. 线性时不变（LTI）系统的动态特性： 深入探讨了线性化技术在线性系统分析中的应用。读者将学习如何对非线性过程模型进行泰勒级数展开，获取局部线性模型。随后，通过拉普拉斯变换，系统地分析了系统的固有动态特性，包括一阶、二阶系统的响应特性，时间常数、阻尼系数和固有频率的物理意义。对于高阶系统，本书侧重于“主导极点”理论的应用，即如何识别影响系统动态响应的关键环节。 3. 过程的辨识与参数估计： 在实际工程中，精确的机理模型往往难以获取或参数未知。本章详细介绍了基于工业现场数据的过程辨识方法。内容包括激发信号的设计（如阶跃、脉冲和伪随机二进制序列 PBRS），以及参数估计的统计学基础，如最小二乘法（LS）及其对噪声和模型误差的鲁棒性分析。我们还探讨了基于卡尔曼滤波器的在线参数跟踪技术。 第二部分：经典控制理论与回路设计（Classical Control Theory and Loop Implementation） 此部分是过程控制的基石，专注于单回路（SISO）和简单多回路（MIMO）系统的设计与实现。 1. PID 控制器的设计与整定： PID控制器因其简单性和有效性，仍是工业界应用最广泛的控制算法。本书提供了多种PID整定方法，包括基于经典频率响应分析的Ziegler-Nichols法，以及基于过程模型（如二阶加纯过程延迟模型）的内模控制（IMC）整定法。特别强调了在存在过程延迟（Dead Time）情况下，如何优化积分项以避免过度超调和振荡。 2. 频率响应分析与稳定性判据： 详细讲解了波德图（Bode Plot）和奈奎斯特图（Nyquist Plot）的应用。通过分析开环系统的频率响应，读者可以直观地评估闭环系统的相对稳定性，确定增益裕度（Gain Margin）和相位裕度（Phase Margin）。这对于评估现有控制回路在面对不同频率扰动时的鲁棒性至关重要。 3. 过程的交互性与解耦控制： 针对具有多个相互影响变量的MIMO系统，如精馏塔的塔顶和塔底组分与回流比、加热量之间的耦合，本书介绍了处理耦合问题的基本策略。重点讲解了相对增益数组（RGA）的计算及其在选择最佳反馈结构中的作用。在此基础上，深入探讨了反馈解耦器的设计，包括前馈解耦和反馈解耦矩阵的构建，旨在将一个复杂的MIMO问题转化为一组更易于控制的SISO问题。 第三部分：先进过程控制（APC）策略（Advanced Process Control Strategies） 随着计算能力的提升，APC技术已成为现代大型化工装置实现最优操作的关键。本书将APC视为对经典控制的扩展和深化。 1. 模型预测控制（MPC）： MPC是当前工业应用中最成功的先进控制技术。本书详细拆解了MPC的核心原理：利用系统的动态模型，在每一步采样时，对未来一段时间的操作进行优化求解，并仅执行第一步的控制动作。内容涵盖： 核心优化问题： 如何构建包含输入/输出约束、软约束和目标函数的二次规划（QP）或线性规划（LP）问题。 约束处理： 重点讨论了如何通过松弛变量（Slack Variables）和惩罚项，在确保操作安全（例如，设备运行限度）的同时，灵活地处理不希望违反的约束。 模型失配与鲁棒性： 讨论了当实际过程偏离预测模型时，MPC性能下降的问题，并介绍了模型误差补偿和自适应MPC的初步概念。 2. 过程优化与控制的集成： 先进控制的终极目标是实现过程的经济性优化。本章阐述了如何将实时优化（RTO）的结果无缝集成到APC框架中。RTO确定了系统的经济最优设定点（如目标温度、目标转化率），而APC则负责在保证操作约束的前提下，将这些设定点精确地维持住。这需要理解优化目标函数（如最小化能耗或最大化利润）在控制空间中的表达。 3. 间歇过程（Batch Process）的控制挑战： 与连续过程不同，间歇过程具有明确的阶段转换和时间依赖性。本书介绍了专用于间歇过程的控制方法，如轨迹跟踪控制（Trajectory Following Control），其中控制器的任务是使过程变量的轨迹严格遵循预先确定的时间曲线。这对于制药、精细化工等需要严格批次一致性的领域至关重要。 第四部分：安全与可靠性分析（Safety and Reliability in Process Control） 过程控制的设计必须以安全为前提。本部分探讨了如何通过控制系统增强工厂的固有安全性。 1. 安全仪表系统（SIS）与控制系统的区分： 明确区分了基本过程控制系统（BPCS）和安全仪表系统（SIS）的功能、设计标准（如IEC 61511）和独立性要求。强调了控制层面的优化不应以牺牲安全冗余为代价。 2. 故障检测与诊断（FDD）： 介绍了几种检测传感器或执行器故障的常用技术，包括基于残差的检测方法、基于观测器的故障隔离，以及利用统计过程控制（SPC）工具（如Shewhart图和CUSUM图）来监控过程漂移和异常事件。 3. 冗余与容错控制： 探讨了传感器和执行器冗余配置（如2oo3投票系统）在提高控制可靠性方面的作用。此外，还简要介绍了在传感器或执行器发生部分失效时，如何通过切换到降低复杂度的控制模式（如降级控制）来维持基本稳定运行的策略。 总结： 本书通过严谨的数学推导和贴近工业实际的案例分析（涵盖了化工、石油炼制和聚合物生产的典型场景），为读者提供了一个从基础到前沿的、完整的化工过程优化与控制技术路线图。它强调的是“如何让一个给定的化学反应或分离过程在经济、安全和环境约束下，以最佳动态性能运行”，而非单纯地分离或分析化学品本身。

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