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。

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。

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