(完整版)化工过程分析与合成

1、名词解释1、夹点的意义（夹点处，系统的传热温差最小（等于ATmin）,系统用能瓶颈位置。夹点处热流量为0,夹点将系统分为热端和冷端两个子系统，热端在夹点温度以上,只需要公用工程加热（热阱），冷端在夹点温度以下，只需要公用工程冷却（热源）；）2、过程系统能量集成（以用能最小化为目标的考虑整个工艺背景的过程能量综合）3、过程系统的结构优化和参数优化（改变过程系统中的设备类型或相互间的联结关系，以优化过程系统；参数优化指在确定的系统结构中，改变操作参数，是过程某些指标达到优化。）4、化工过程系统模拟（对于化工过程，在计算机上通过数学模型反映物理原型的规律）5、过程系统优化（实现过程系统最优运行，包括

2、结构优化和参数优化）6、过程系统合成（化工过程系统合成包括：反应路径合成；换热网络合成；分离序列合成;过程控制系统合成；特别是要解决由各个单元过程合成总体过程系统的任务）7、过程系统自由度（过程系统有m个独立方程数，其中含有n个变量，则过程系统的自由度为：d=n-m,通过自由度分析正确地确定系统应给定的独立变量数。）填空题稳态模拟的特点是，描述过程对象的模型中（不含）时间参数（集中参数模型）认为状态变量在系统中呈空间均匀分布，如强烈搅拌的反应罐就可以用这一类模型来描述.（统计模型）又称为经验模型，纯粹由统计、关联输入输出数据而得。（确定性模型）又称为机理模型（结构）优化和（参数）优化是过程系统

3、的两大类优化问题，它们贯穿于化工过程设计和化工过程操作。换热网络的消耗代价来自三个方面：（换热单元（设备）数）（传热面积）（公用工程消耗）TOC o 1-5 h z过程系统模拟方法有、.和。试判断图a中换热匹配可行性1,2,3,4。在夹点分析中，为保证过程系统具有最大热回收，应遵循三条基本原则：避免夹点之上热物流与夹点之下冷物流间的匹配；夹点之上禁用冷却器；夹点之下禁用加热器。判断：自由度数只与过程系统有关。（Y）换热网络的夹点设计，要尽量避免物流穿过夹点。（N）在换热夹点分析中，没有物流穿过夹点，就无热流量穿过夹点。（N）在夹点上方尽量避免引入冷物流，夹点下方尽量避免引入热物流（N）穿过夹点

4、热流量为零，则夹点处传热量为零（N）夹点上方热流股数NH.NC,热流股总热负荷QHQC，不能实现夹点匹配（N）精馏塔跨过夹点，则塔底要用热公用工程，塔顶要用冷公用工程。（Y）&对于冷热流股换热系统，传热量一定的前提下，传热温差愈小，过程不可逆程度愈小,有效能损失愈小，但要求较大的热交换面积。（Y）利用能量松弛方法对换热器网络的调优，并不影响冷热公用工程负荷。（N）热物流穿过换热网络的夹点，必有热流量穿过夹点。（N）热物流在夹点上方,冷物流在夹点下方。（N）换热网络的设计要尽量避免冷、热物流穿过夹点。N进行过程系统模拟既要输入流股参数，也要提供过程单元的操作参数。Y穿过换热网络夹点的热流量为零，

5、则夹点处传热推动力为零。N试判断以下换热网络中哪些匹配是可行的，哪些是不可行的。可行（2）热泵与系统热集成时，将热泵穿越夹点放置是有效的热集成。（Y）（3）两个或两个以上相连的循环回路一定构成最大循环网。（N（4）采用断开热负荷回路的方法调优换热器网络，合并换热器后的结构除了需要保证每个单元设备热负荷为非负外，还要检验每个单元设备的传热温差是否大于或等于最小的允许传热温差。（Y）（5）R组分简单塔精馏分离序列的综合问题，可以看成是R-1阶段决策问题。（Y）（6）系统的自由度为系统变量数减去描述系统的所有方程数。（N（7）能够把全部简单回路至少断裂一次的断裂组定义为多余断裂组。（N穿越夹点的热流

6、量为零，则夹点处的传热推动力为零。(N)利用能量松弛法调优换热器网络，调优前后系统所需的冷、热公用负荷不变。(N对于已给定热交换量的情况，通过热交换面的传热温差愈小，过程的不可逆性愈小，有效能损失小。(Y)1间间歇过程的瓶颈问题很容易就能找到，因此，只需要对给定的设备加工顺序进行排序，就可以得到最优的操作方案了。答：错误(1)间歇过程的瓶颈问题随产品及操作策略而有所不同，因而很难找到。(1)2化工过程的优化因其所含变量太多而难以进行，为了简化计算的难度，某人建议只考虑决策变量对目标函数的影响，这种方式是否可行？答：对(1)状态变量是决策变量的函数，因而，只考查决策变量对目标函数的影响，不会改变

7、优化过程的性质，但能缩小问题的求解难度。(1)3非线性规划的求解比线性规划困难的多，因此，对于非线性规划问题，不可能通过求取目标函数的一阶导数，并令其为0，来得到最优解。答：错误(1)无约束的非线性最优化问题可以通过令一阶导数为0来进行。(1)有约束的非线性规划问题可以通过拉格朗日或罚函数法转化为无约束问题。对于存在三个加工设备的间歇过程，是无法通过Johnson规则来求解的。答：错误(1)对于特殊的n/3/F/Fmax问题，可以通过Johnson规则求取。(1)即在第二个设备上最长的加工时间，小于在第一(或第三)个设备上最短的加工时间。在一个工厂的设计中，要想最大限度的减少公用工程的用量，可

8、以通过采用高效率的换热器，并增大换热面积来实现。答：错误(1)要想最大限度减少公用工程的用量，应通过夹点匹配方法进行。(1)间歇过程的瓶颈问题很容易就能找到，因此，只需要对给定的设备加工顺序进行排序，就可以得到最优的操作方案了。对于存在三个加工设备的间歇过程，是无法通过Johnson规则来求解的。简答题对于一个复杂的、有多个反馈回路的化工过程，采用序贯模块法进行求解时，应当如何进行计算？通过回路矩阵或其他方法，找出全部回路用回路搜索法，找出最优断裂族为各断裂流股设定初值建立各单元的模型，利用模型序贯的求解(即将前一单元的出口物流作为后一单元的入口参数)，循环计算，求出断裂流股的计算值比较所求得

9、的断裂流股的计算值，并与上一次的值比较，如果小于所设定的误差，迭代结束，否则，重复步骤4，直至收敛.有必要的时候，可以采用各种收敛算法，也包括改变初始猜值。北京化【大F20胖2009学年第学期化丄过程彷析口合成期末考试述卷、填空题(每空1分1-化工过:程分析，】孩是分析过程系缭的运行机24彩陀园黃、过程榄型的数学描述、目杯隔数的建才、优患丄况下的愎任操柞参数卻氛化工过程聚统合霸代括有：反应路径合成、匕丄；宀江，:m書.过程控制系统合成.特別是要將决由各个单元过程合成总体过程泵统的仃:铮.3-稳态模拟的特山站拥述过程对象附模型4-时间郵数借助电了计算机技术,求解稳态模拥问赳的方敢育甲贾模块沐，m

10、il可方程法、相联立模块沬-种KT序贯模块法和联立模块法中的单九模块具右单向性的特点0乜血优化考虑的是流程方秦的优优，在多种对存方案中找出费用展小的流桂结构，还要保证该方案满足安全、环保、站操作等方面的亜求。杵火点Z1“换热网絡便而要黒公用工程，相对于环境是个热阱；在夹点之2换热网络只需耍拎仝用工程.机对于环境足个叫源=农分离塔序列综合屮，按婕经验规则C2规则,等摩尔分割蜀有利。采乩种分肉方法把-牛E组分混舍物用简单甫分离成8W组分的分离过程，共含个分离器，羽_个分离序列数，含有36个分离子群,旦个分离子何题。:.判断題(同题2分人悄判断对错J或X),并简单琳释原因，序贯模块袪是将模型方程柞为

11、个大型IE线性方程组进行求解叫充分利用模型方程的稀疏性特点.从而降低求解难度。错。此芮面向方程法的描述TOC o 1-5 h z间嵌过程足典型的稳态操作过程，其过程变虽伍随吋同发生变彳匕()错。间航过程是肌型的动态操作过程，苴过程变最馳时问发出变化：联立模块法的基木思想是，肥描述过程系统的所有数学模型汇集到起，形成个卜:线性方利组进再求解。因而其求解难度比庁贞模块法小，但讣JT工柞倉较大。()错联立橈块法的用木思想是*把描述过程系统的所有数学模黑汇集到-起，形成一个非线杵方程组进行求解。因而其求解速摟比庁:贵模块法快，但计算工作难度较大。1.狀态空I訓分析屮，相图描堆的是蛀程从杲牛初始状态出发

12、，狀态滨变的历史。是过程的劫态特订的总结用1农现姑稳态信息却没何包括在其中.错线性规划问題如风川行域打在.则H基木M行斛-的牛数是市线性独立的零式约束的个数决定的。在间歌过程的排产优化小，其II标是充分保血工产的稳定，使产詁质晟不前批次监生变化*(错U在间砒过程的排产优化中，其訂标是充分和冋设备资淋减少设帑闲置倜间.谨而祢校短时辽内完成规定的纶产任务TOC o 1-5 h z7-最小传热温差是热力学笫.：定締的体现，耳具林过程无关)钳.哑小也热址差怵现的是工程设计屮传热速率的密求，与具休过程相关。夹点法的最大优点是能够同时获得系统公川工程消耗最小和使用换热器个数就少两牛目标.即系统的总体最优,

13、()钳。夹点法能墟了求到系统公用工和的消耗最小9-探视法是分离序列综合最有:效的方法，它对以便系统优化得到全局最优弊。()错n探视法悬使用儿牛简单的、但帝有普遍此的经验规则产生-些接近最优的序列然右再对它们进行仔细的评价，以确定最终的分离序列OIdW化工过程分析X合成属于系统工程的范誹，并不涉及传统化丁.中的叮：战亦的内容a()错口农化工过程分析与合成属于系统工程的范崎,是以传统化工中的“二传反”的内容为基础的口-，填空题:每空1分)I稳态模拟的持蔦是，菇述过程対象的模空屮不含含环窃时间蔘数匸2就其棋拟计算求解方法时菊过程系统模拟町以典纳为：库盟摸块法、面向打淞、联欖映江3序贯模块法的基础是屮

14、心良映诂门。4求解超大型柿疏非线性方程俎的方法大致分为降维求解法、联疗拟线性方理组求解法两类。5根据对过秤系统中漱态变最好柑特徂的不同描述齐戒，一般可以把动态模林N的数学槿型分为集中参数攬型分布醪数欖型和名级集中参数楝型根抿建立模翅的不同方法.-般可以将数学摸塑分为统计模魁、统计模刑和弁于两甘之间的半经验模胡-连续搅拧罐反应辭(CSTRL)的动态模型可以用憔巾参数模里进疔描述.优化和二优化足过程束统的两大类优化问題，它们贯穿于优工过程设计和化工过程操柞。求解非我性育约束条件最优化问題的方法很梦，比较常用的有拉格朗日棗子壮和册甬数法“它们的共拥门在于都是将有约束诫优化问題转变成无约如堆优化问题。

15、10在分离序列的综合屮.根据试探法的经验规则貶：难分离的组分应X蛊片分离。判断题毎题2分h请判断対借fJ或小.并简单解释原因aI忙序矣模块进屮的单兀模块具有单向性的特魚。(7儿2联立模块法的基本思想足，耙描述过样条统的所有数学模里汇集到一起，形成一亍申线性苗程组进行求解.凶啲其求醉堆度比序贯模块法小计算T作量较大。(X人联立模块法的思想是利片严格模型严格模块产半相应的简化模型方程的系数，然后把所有的简化槌型方程汇集到-起进行联解，得到系统的一组狀态变虽3间歇过程是典型的泄常态操作过程(X儿动态特性是间歇过程的本质其操作条件和产品质量都会随时间而变化4在化工过程系统的优化屮应坨最厂泛的数学方法就是线性规划的求解(X人线性规划是最优化方法中土较成熟的优化方法但在过程系统的优化的模型比线性方程更普遍。5在夹点之上*物流温度较高因此换热网络仅蛊要冷公用工程&(X人夹点把整牛系统分解成刖个独立的子系统，7夹点之换热网络仅需要热公用6在连续化大规模比产中诫优操作条件的确定只需要在设计过程中计算、给定.在以蒂的生产中，只耍把操件条杵梓制在这个绘优点就丐以了。凶此，优化问题只出规在设计过程屮。(X)結构优化和参数优化是过程系统的两大优化诃题，它门赏穿于化工过程设计和化工过程操作。7线性规划的求解方法肯牛顿法、拟彳顿法和最速下降袪。(X).线性规划的求解方法有图解法和单纯形法。&