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出版者:清华大学出版社

作者:王弘轼

出品人:

页数:287

译者:

出版时间:2006-3

价格:39.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787302123514

丛书系列:

图书标签:

• 化工工程
• 过程系统工程
• 化工过程控制
• 系统建模
• 优化
• 模拟
• 自动化
• 化工设备
• 工业应用
• 过程设计

《工业流程优化与控制》 本书深入探讨现代工业生产流程的优化与控制理论及其在实际应用中的关键技术。我们将从基础的热力学、流体力学和化学动力学原理出发，逐步过渡到复杂系统的建模、仿真与分析。全书共分为五个主要部分： 第一部分：工业过程基础理论回顾与深化 本部分旨在为读者打下坚实的理论基础。我们将重点回顾和深化与工业过程紧密相关的核心科学原理。 热力学与相平衡： 详细阐述热力学第一、第二、第三定律在化工过程中的应用，包括能量守恒、熵增原理以及吉布斯自由能的概念。重点介绍多组分体系的相平衡理论，如气液平衡（VLE）、液液平衡（LLE）和固液平衡（SLE），以及影响相平衡的关键因素，如温度、压力和组分浓度。我们将引入活度系数模型（如Wilson、NRTL、UNIQUAC）和状态方程（如Peng-Robinson、SRK）来预测和描述实际体系的相平衡行为，并探讨其在分离过程设计中的重要性。 流体力学基础： 深入讲解流体静力学和流体动力学。我们将分析牛顿流体和非牛顿流体的流动特性，包括层流和湍流的判据（如雷诺数）及其对传质传热的影响。重点介绍伯努利方程、能量方程和动量方程在管道流动、泵和压缩机选型中的应用。此外，还将讨论多相流（如气液、液液、固液两相流）的特性和在反应器、分离设备中的行为。 化学反应动力学与催化： 详细介绍化学反应速率方程，包括零级、一级、二级反应等基本模型。我们将分析反应器内传质传热对反应速率的影响，引入本征速率、扩散控制和传热控制的概念。对于多相催化反应，将深入探讨催化剂的表面性质、孔道结构以及催化动力学模型（如Langmuir-Hinshelwood、Eley-Rideal模型）。还将讨论催化剂的选择、失活机理与再生技术。 单元操作原理： 系统梳理化工生产中的基本单元操作。包括蒸馏（精馏、萃取精馏、加压精馏）、吸收、吸附、萃取、结晶、干燥、过滤、沉降、离心分离、膜分离等。针对每种单元操作，我们将详细介绍其基本原理、设备类型、操作参数的选择以及效率影响因素，并结合具体案例分析其在工业生产中的应用。 第二部分：工业过程建模与仿真 本部分聚焦于如何利用数学模型来描述和预测工业过程的行为，以及如何通过仿真工具进行分析和优化。 稳态与动态过程建模： 介绍建模的基本思路和方法，包括质量守恒、能量守恒、动量守恒以及组分守恒方程的建立。详细讲解如何构建描述稳态操作的代数方程组，以及如何建立描述过程随时间变化的微分-代数方程组（DAE）来表征动态过程。我们将介绍多种建模技术，如基于守恒定律的机理模型、基于实验数据的黑箱模型以及介于两者之间的灰箱模型。 建模工具与软件： 介绍当前主流的工业过程模拟软件，如Aspen Plus, HYSYS, gPROMS等。讲解如何利用这些软件进行流程模拟，包括物性数据库的使用、单元操作模块的搭建、流程的收敛求解以及结果的分析。我们将重点介绍如何利用这些软件进行流程设计、优化和故障诊断。 模型验证与辨识： 讨论如何利用实际生产数据对模型进行验证，以确保模型的准确性和可靠性。介绍模型辨识技术，包括参数估计、系统辨识方法（如最小二乘法、最大似然法）以及如何处理实验数据的噪声和不确定性。 第三部分：过程优化理论与方法 本部分探讨如何通过数学优化方法来改进工业过程的性能，实现经济效益最大化或资源消耗最小化。 优化基础： 介绍优化问题的基本概念，包括目标函数、约束条件、决策变量以及可行域。讲解单变量和多变量函数的极值求解方法，如梯度下降法、牛顿法等。 线性与非线性规划： 详细介绍线性规划（LP）及其求解算法（如单纯形法）。深入讲解非线性规划（NLP）的特点，介绍求解NLP的常用算法，如序列二次规划（SQP）、内点法等。讨论在实际工业过程中遇到的非线性问题和多目标优化问题。 过程优化应用： 结合实际工业案例，演示如何利用优化方法来解决具体问题。例如，优化反应器操作条件以最大化产率，优化分离过程以最小化能耗，优化换热网络以最小化投资和运行成本，以及优化生产计划以最大化利润。 第四部分：工业过程控制理论与技术 本部分将深入探讨如何设计和实现有效的控制系统，以保证工业过程的稳定运行、提高产品质量并确保安全。 过程控制基础： 介绍反馈控制、前馈控制、串级控制、比值控制等基本控制策略。详细讲解PID控制器的原理、参数整定方法（如Ziegler-Nichols法、IMC法）及其在工业中的应用。 模型预测控制（MPC）： 深入介绍模型预测控制（MPC）的核心思想，包括预测模型、优化算法和滚动优化。详细阐述MPC的优势，如能够处理多变量耦合系统、约束条件以及提前预测未来过程行为。讲解MPC在化工、炼油、电力等行业的广泛应用。 先进控制技术： 介绍其他先进控制策略，如自适应控制、鲁棒控制、模糊逻辑控制和神经网络控制等。讨论这些控制方法在处理非线性、时变或参数不确定性过程中的优势。 控制器设计与实现： 讨论控制器的选型、设计流程以及在分布式控制系统（DCS）或可编程逻辑控制器（PLC）中的实现。介绍控制回路的调试、性能评价和故障诊断。 第五部分：工业过程集成与安全 本部分将从更宏观的角度审视工业过程，关注过程之间的相互作用、资源优化以及安全生产。 过程集成： 介绍过程集成（Process Integration）的概念，特别是传热网络优化（Pinch Technology）的原理与应用。讲解如何利用显热和潜热在不同过程流之间进行有效传递，从而最大化能量回收，降低能耗和投资。 生产计划与调度： 探讨如何结合市场需求、原料供应和设备能力，对生产过程进行有效的计划和调度，以实现整体效益最大化。 过程安全与风险评估： 详细介绍工业过程中的潜在危险，如易燃易爆、有毒有害物质的泄漏，以及高压高温操作的风险。讲解风险评估方法，如危险与可操作性分析（HAZOP）、故障模式与影响分析（FMEA）。介绍安全仪表系统（SIS）的设计与应用，以及事故预防和应急响应措施。 可持续发展与绿色工艺： 探讨如何在工业过程中融入可持续发展的理念，如减少污染物排放、提高资源利用效率、开发环境友好型工艺。介绍绿色化学和绿色化工的原则及其在过程优化中的体现。 本书旨在为化工、石油、制药、冶金等行业的工程师、研究人员和学生提供一个全面而深入的视角，帮助他们理解和掌握现代工业过程系统工程的核心技术，从而有效地进行过程设计、优化、控制和安全管理，推动行业的可持续发展。

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说实话，我对这本书的评价是“敬而远之，偶尔膜拜”。我个人更偏爱那些工具书性质的、能直接上手解决问题的资料，比如某个特定控制算法的详细实现手册。这本书的体系太宏大了，它试图涵盖从分子层面反应动力学到整个工厂范围的供应链集成优化。初次翻阅时，我感觉像是在爬一座没有标记的陡峭山峰，视野广阔，但每一步都需要极大的体力。特别是关于“智能制造”背景下的过程信息集成章节，提到了很多跨学科的前沿概念，比如信息物理系统（CPS）在化工领域的前景，这部分内容对我来说有些超前了。我更希望看到一些关于如何将这些前沿理论与现有的DCS/MES系统无缝对接的具体技术路线。虽然它提供了理论基石，但从“理解”到“应用”之间，似乎还隔着一道鸿沟，需要读者自己去填补大量的工程实践经验。对于本科生来说可能压力过大，但对于想深入研究理论的博士生，这本书无疑是宝藏。

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这本书，拿到手的时候，那种厚重感就让人觉得不是盖的。内页的纸张质感挺好，装帧也算得上是精良了。我本来是想找点关于精细化工流程优化的新思路，毕竟现在这个行业竞争越来越激烈，不搞点创新，很快就会被淘汰。书里的内容，从理论基础讲起，用了不少篇幅来阐述动态模拟和实时优化技术在反应器设计中的应用。我记得有一章节专门讲了如何建立高保真度的过程模型，特别是针对那些非线性强、耦合关系复杂的单元操作，作者给出的数学描述和求解策略非常详尽，甚至连数值计算方法的收敛性分析都给出来了。坦白说，对于我这种更偏向于实际操作和快速部署的工程师来说，前半部分理论推导有点烧脑，需要静下心来仔细琢磨，不过，一旦理解了背后的逻辑，再去看那些复杂的工艺流程图和控制策略，就会豁然开朗。这本书的深度是毋庸置疑的，它似乎更倾向于培养读者构建和分析大型复杂系统的底层能力，而不是简单地罗列现成的解决方案。

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我是在准备一个国际招标项目时被推荐阅读这本书的。那个项目要求我们提供一套极具创新性的、具有未来五到十年生命力的生产流程设计方案。这本书为我们提供了所需的战略高度和技术深度。它最大的价值在于，它将“工程”与“管理决策”提升到了同一个数学框架下进行权衡。我尤其欣赏它对“全生命周期”视角下化工过程设计的论述，涵盖了从原料采购的经济性分析到最终产品废弃物处理的整体考量。书中提供的多尺度建模方法，让我得以从宏观的市场需求波动，映射到微观的催化剂活性变化，构建了一个跨越数个量级的统一分析平台。虽然书中对具体软件操作的指导非常有限，但它教会了我们如何去“思考”一个复杂的系统，而不是仅仅学会“使用”一个软件。这本书的阅读过程本身，就是一次系统工程思维的深度训练。

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这本书的写作风格非常严谨，学术性非常强，几乎没有一句废话。每一句话都似乎经过了反复的推敲和数学验证。我注意到作者在引用参考文献时非常细致，很多关键的公式推导后面都标注了来源，这保证了其内容的权威性。我印象最深的是关于过程安全性的评估和风险量化那一章。在传统化工安全教育中，风险往往停留在定性的“高、中、低”层面，而这本书则引入了大量的概率风险评估（PRA）工具和方法论，试图将安全性能转化为可量化的指标，并集成到整体的运行优化模型中去。这对于提升安全管理水平至关重要。阅读体验上，如果不是对热力学、流体力学和反应动力学有扎实的背景知识，阅读起来会非常吃力，很多术语和符号需要频繁查阅其他资料来辅助理解。它更像是一本研究生的教材，而不是面向广大工程师的普及读物。

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我是在一个非常偶然的机会接触到这套书的，当时我正在为一个老旧的化工厂进行数字化改造项目。我们面临的最大难题是，老设备参数不全，数据采集系统也不完善，很多优化决策只能依赖经验。这本书的出现，简直像黑夜里的一束光。它没有直接给我现成的“代码”或“软件界面”，但它提供了一套严谨的思维框架。比如，书中对“系统边界”的定义和如何处理不确定性对优化结果的影响，分析得极其透彻。我尤其欣赏它在“容错性设计”部分的处理方式，不仅仅关注最优解，更关注在实际工况波动下系统性能的稳定性。书中引用了大量的案例研究，虽然很多是国际上的标杆企业，但其背后的工程原理是相通的。我尝试将书里提到的“多目标决策”方法应用到我们现有系统的能耗和产品质量平衡上，虽然调整过程很痛苦，但最终效果显著提升了系统的鲁棒性。这本书更像是一位经验丰富的老教授，用最扎实的基础知识为你铺路，让你自己去探索发现。

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