书名：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
定价：118.0
ISBN：9787511480019
作者：Michael Bortz,Norbert Asprion张蕾
版次：1
出版时间：2025-07

内容提要：
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*然要求。本书聚焦于过程系统工程这一交叉学科的*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*来自工业或科研一线，以*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。



作者简介：
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*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**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*水平，并实现了工业应用，创造了显著的经济效益。

目录：

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*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**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*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*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*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*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*实验设计167

10.1引言167

10.2模型结构辨识的*实验设计169

10.3参数估计的*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OED/PE174

10.3.3OED/PE实例176

10.4*实验设计的前沿进展178

10.4.1用于参数估计的健壮*实验设计178

10.4.2多准则的*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*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