过程工程中的模拟与优化：数学方法应用于化学工业的成果

"跨学科融合：紧密结合工程实践与数学方法，展示如何用数学工具解决实际工业问题。




多尺度覆盖：从微观物性预测到宏观生产调度，涵盖过程工程全链条。




实用性强：提供工业案例、开源代码与工具信息，便于读者直接应用或二次开发。




前沿性与代表性：包含数字孪生、多目标优化、动态控制等当前热点技术。




双视角编写：由企业工程师与学术研究者合作撰写，兼顾实用性与理论深度。




适用群体广：既适合工程师解决实际问题，也适合高校师生作为教学与研究参考。"

从现实世界的难题中提炼其隐含的科学或技术问题，并用适当的数学形式表达，再寻找合适的求解方法，已成为当代高水平过程工业的必然要求。本书聚焦于过程系统工程这一交叉学科的最新研究进展和典型应用案例，具有范围广和实用性强两个特点，主要包括化工、生物、冶金、环境、能源等不同行业、多个细分领域的内容，所有案例都来自工业或科研一线，以最新的数学工具予以解决。本书可供化工、生物、冶金等相关领域的科研人员学习借鉴，也可供高等院校相关专业的师生们学习参考。

"迈克尔·博尔茨（Michael Bortz）曾在多特蒙德和格勒诺布尔攻读物理学，并于2003年在多特蒙德大学获得博士学位。此后，他先后在伍珀塔尔、堪培拉（澳大利亚国立大学）、牛津和凯泽斯劳滕的多所大学从事博士后研究。2009年，他加入位于凯泽斯劳滕的弗劳恩霍夫工业数学研究所，现任技术过程优化部门负责人。他的研究兴趣涵盖多个应用领域的建模、模拟与优化，包括医疗治疗方案规划、机械工程及化学工程等领域。


诺伯特·阿斯普里恩（Norbert Asprion）在德国凯泽斯劳滕大学攻读机械工程专业，并于1996年在导师格奥尔格·毛雷尔（G. Maurer）教授的指导下获得博士学位，研究领域为氢键溶液的热力学。此后，他加入位于路德维希港的巴斯夫股份公司（BASF SE）。在历任工艺开发和六年技术营销等多个职位后，他目前负责研发数字化部门中化学过程建模团队的领导工作。他的研究兴趣集中于过程建模、模拟与优化，以支持工艺开发中的决策制定。阿斯普里昂是巴斯夫的高级首席科学家，同时担任欧洲化学工程联合会（EFCE）计算机辅助过程工程工作组的成员。


张蕾，中石化石油化工科学研究院有限公司资源优化与工业智能研究中心副主任，主要研究方向为炼油化工领域的计算机应用技术研究、产品研发和工业项目实施，具体包括炼油过程的模型开发、装置实
时优化和先进控制、资源优化和运营策略与技术、专业智能化技术研发等。
参与多项重要科研项目，获得中国石化集团公司科技进步一等奖 1 项，二等奖 2 项。所研发的技术，通过鉴定达到国际或国内领先水平，并实现了工业应用，创造了显著的经济效益。"

第1章PC-SAFT状态方程对传输和界面性质等物性的预测和关联1
1.1PC-SAFT的模型方程2
1.2参数化5
1.2.1纯组分参数5
1.2.2二元交互参数6
1.3用于PC-SAFT的基团贡献法10
1.4传输性质11
1.5界面性质13
参考文献15
第2章求解！而非搜索——应用IDAES的过程优化建模24
2.1引言24
2.2求解算法和优化模型27
2.3应用于微分代数的高级优化28
2.4IDAES优化建模软件平台30
2.5碳捕集优化案例研究32
2.5.1优化问题的公式描述34
2.5.2问题初始化和实现35
2.6结论与未来展望36
致谢38
免责声明38
参考文献38
第3章多准则思考——优化方面的万用工具40
3.1引言40
3.2过程设计42
3.2.1连续设计变量43
3.2.2离散的方案选择44
3.2.3不确定性的影响44
3.2.4扩展至最优控制47
3.3模型调整、模型比较和基于模型的实验设计48
3.4决策支持49
致谢50
参考文献50
第4章电弧炉炼钢过程的集成建模及能量优化：工业应用实例52
4.1引言52
4.2混合电弧炉过程模型53
4.2.1模型动力学54
4.2.2电弧模型55
4.2.3电弧辐射传热55
4.2.4视角系数的蒙特卡洛计算56
4.2.5富氧燃烧嘴56
4.2.6炭燃烧58
4.2.7金属氧化58
4.2.8熔融金属飞溅58
4.3熔融曲线的动态优化59
4.3.1问题描述59
4.3.2动态优化问题的通用公式59
4.3.3电弧炉过程动态优化问题的公式59
4.4应用控制向量参数化求解61
4.4.1模型的数值解61
4.4.2终止条件61
4.4.3模型验证和参数估计61
4.4.4优化问题的数值解63
4.4.5批次时间约束63
4.5结果与讨论63
4.5.1数值案例分析63
4.5.2实际工业过程的应用结果65
4.6结论66
参考文献66
第5章间歇精馏溶剂回收——多元灵敏度分析在高维多目标优化问题中的应用68
5.1引言68
5.1.1丙酮和甲醇的分离68
5.1.2连续分离工艺68
5.1.3间歇分离工艺69
5.2问题定义69
5.2.1产品规格和约束69
5.2.2装置介绍69
5.3文献综述71
5.4研究方法73
5.4.1选择合适多用途装置的启发式规则73
5.4.2流程模拟工具73
5.4.3流程模拟优化算法74
5.4.4多变量灵敏度分析工具74
5.5流程模拟的建立74
5.5.1热力学模型75
5.5.2筛选模型75
5.5.3低保真模型77
5.5.4高保真模型77
5.6结果78
5.6.1筛选模型79
5.6.2低保真模型82
5.6.3高保真模型87
5.6.4经济评价93
5.7总结95
参考文献95
第6章动态网络建模与优化：在过程工程和能源供应中的应用99
6.1引言99
6.2AD-Net100
6.3在能源供应中的应用101
6.3.1电力传输101
6.3.2区域供暖102
6.4在间歇精馏中的应用102
6.4.1正向模拟104
6.4.2参数估算105
6.4.3优化控制107
6.5结论109
致谢109
参考文献109
第7章使用数字孪生克服过程数据整定中的低冗余问题111
7.1引言111
7.2数据整定112
7.2.1变量分类112
7.2.2稳态数据整定112
7.2.3粗差检测113
7.2.4粗差影响和解决方法114
7.2.5粗差检测：统计学方法114
7.2.6粗差统计学检测算法115
7.2.7用于低冗余度系统的数值算法115
7.3巧均值和巧方差（cm和cv）116
7.4中位数和中位数绝对偏差117
7.4.1动态数据整定118
7.4.2移动时间窗口方法118
7.4.3正交矩阵法求解动态数据整定119
7.4.4数字孪生的实施和作用120
7.5案例研究：Itelyum再生胺洗涤装置122
7.5.1流程描述122
7.5.2假设123
7.6结果124
7.6.1稳态数据整定结果的讨论124
7.6.2粗差检测结果的讨论127
7.6.3动态数据整定案例研究：胺溶液罐的动态129
7.7结论133
7.7.1稳态数据整定133
7.7.2动态数据整定134
致谢135
参考文献135
第8章采用优化反馈控制的间歇过程实时优化137
8.1引言137
8.2间歇过程的表述138
8.2.1区分特点138
8.2.2数学模型138
8.2.3间歇过程的静态视角139
8.3间歇过程的数值优化140
8.3.1问题表述：动态优化140
8.3.2将动态优化问题静态化140
8.3.3批到批解决方案：静态优化141
8.3.4装置-模型不匹配的影响142
8.4不确定间歇过程的基于反馈的优化142
8.4.1离线工作：确定反馈结构142
8.4.2实时工作：实施反馈控制144
8.5示例说明：间歇蒸馏塔145
8.5.1工业间歇蒸馏塔145
8.5.2过程模型146
8.5.3杂质馏分的输入参数化147
8.5.4控制系统设计和效果149
8.6结论151
参考文献152
第9章实现需求侧管理的可切换氯碱电解的经济运行154
术语表154
9.1引言155
9.2氯碱电解的运行模式切换156
9.3可切换氯碱电解最优规模和运行的数学模型158
9.3.1运行模式转换158
9.3.2质量平衡158
9.3.3电力需求159
9.3.4斜率约束159
9.3.5成本函数159
9.4案例研究160
9.4.1可切换氯碱电解的最优运行160
9.4.2可切换氯碱电解与其他灵活性选项的比较162
9.4.3同时优化装置超额产能和运行163
9.5结论164
致谢165
参考文献165
第10章动态过程的最优实验设计167
10.1引言167
10.2模型结构辨识的最优实验设计169
10.3参数估计的最优实验设计172
10.3.1计算参数的方差-协方差矩阵173
10.3.2作为优化控制问题的OEDPE174
10.3.3OEDPE实例176
10.4最优实验设计的前沿进展178
10.4.1用于参数估计的健壮最优实验设计178
10.4.2多准则的最优实验设计180
10.5结论184
参考文献185
第11章自动连续流和生物反应器平台中反应和生长的表征——从线性实验设计到基于模型的方法188
11.1引言188
11.2小型化平台和应用189
11.2.1合成化学中的连续流微反应器平台189
11.2.2具备自动液体处理的生物反应器平台191
11.2.3实验设计的应用、自优化和mbOED——文献综述194
11.2.4总结202
11.3特殊方面和挑战202
11.3.1静态与动态实验条件对比202
11.3.2mbOED中的序贯规划和更新204
11.3.3参数可识别性206
11.3.4贝叶斯统计207
11.3.5数学建模、软件和算法208
11.4工业视角210
11.5讨论与结论211
参考文献212
第12章多准则背景下的产品开发218
12.1引言218
12.2模型拟合219
12.3多准则优化与决策制定221
12.4有效产品设计集的估算221
12.5有效产品设计集的导航222
12.6Qritos在设计过程中的作用223
12.7应用：设计外墙涂料配方224
12.7.1化学配方224
12.7.2实验设计224
12.7.3实验室测量224
12.7.4建模225
12.7.5优化目标(产品规格)226
12.7.6决策过程226
12.8展望227
参考文献228
第13章使用蒙特卡洛模拟的间歇化工过程调度——一种实用的运行调度方法229
13.1引言229
13.1.1问题设置230
13.1.2文献232
13.2建议的解决方案234
13.2.1生产线模拟234
13.2.2调度236
13.3实施241
13.3.1实践中实施决策支持工具的重要步骤241
13.3.2最终应用242
13.4实时运行调度之外的应用243
13.4.1用例1：未来事件和装置状态的预测243
13.4.2用例2：装置扩建或优化的假设分析244
13.5结论与展望244
参考文献245
第14章资源任务网络调度模型在化学工业中的应用247
术语表247
14.1引言249
14.2资源任务网络模型综述250
14.2.1离散时间表示251
14.2.2连续时间表示253
14.2.3离散时间对比连续时间254
14.3行业主导的发展255
14.3.1扩展RTN模型255
14.3.2扩展RTN模型的状态空间重构261
14.3.3空间装箱问题的RTN264
14.3.4事务业务流程优化的RTN266
14.4对行业的影响267
14.5结论268
致谢268
参考文献268