化工過程分析與合成

1、名詞解釋1.夾點的意義（夾點處，系統(tǒng)的傳熱溫差最?。ǖ扔贏T min ）,系統(tǒng)用能瓶頸位置。夾點處熱流量為0 , 夾點將系統(tǒng)分為熱端和冷端兩個子系統(tǒng)，熱端在夾點溫度以上，只需要公用工程加熱（熱阱）， 冷端在夾點溫度以下，只需要公用工程冷卻（熱源）；）2 .過程系統(tǒng)能量集成（以用能最小化為目標的考慮整個工藝背景的過程能量綜合）3 .過程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和參數(shù)優(yōu)化（改變過程系統(tǒng)中的設(shè)備類型或相互間的聯(lián)結(jié)關(guān)系，以優(yōu)化過程系統(tǒng)；參數(shù)優(yōu)化指在確定的 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，改變操作參數(shù)，是過程某些指標達到優(yōu)化。）4、化工過程系統(tǒng)模擬（對于化工過程，在計算機上通過數(shù)學模型反映物理原型的規(guī)律）5、過程系統(tǒng)優(yōu)化（實現(xiàn)過程系

2、統(tǒng)最優(yōu)運行，包括結(jié)構(gòu)優(yōu)化和參數(shù)優(yōu)化）6、過程系統(tǒng)合成（化工過程系統(tǒng)合成包括：反應(yīng)路徑合成；換熱網(wǎng)絡(luò)合成；分離序列合成;過程控制系統(tǒng)合 成；特別是要解決由各個單元過程合成總體過程系統(tǒng)的任務(wù)）7、過程系統(tǒng)自由度（過程系統(tǒng)有m個獨立方程數(shù)，其中含有n個變量，則過程系統(tǒng)的自由度為：d=n-m,通過 自由度分析正確地確定系統(tǒng)應(yīng)給定的獨立變量數(shù)。）填空題1 .穩(wěn)態(tài)模擬的特點是，描述過程對象的模型中（不含）時間參數(shù)2 .（集中參數(shù)模型）認為狀態(tài)變量在系統(tǒng)中呈空間均勻分布，如強烈攪拌的反應(yīng)罐就可以用 這一類模型來描述.3 .（統(tǒng)計模型）又稱為經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，純粹由統(tǒng)計、關(guān)聯(lián)輸入輸出數(shù)據(jù)而得。（確定性模型） 又稱為機

3、理模型4 .（結(jié)構(gòu)）優(yōu)化和（參數(shù)）優(yōu)化是過程系統(tǒng)的兩大類優(yōu)化問題，它們貫穿于化工過程設(shè)計 和化工過程操作。5 .換熱網(wǎng)絡(luò)的消耗代價來自三個方面：（換熱單元（設(shè)備）數(shù)）（傳熱面積）（公用工程消 耗）6 .過程系統(tǒng)模擬方法有、和 。7 .試判斷圖a中換熱匹配可行性1, 2 ,3 ,4 。圖8.在夾點分析中，為保證過程系統(tǒng)具有最大熱回收，應(yīng)遵循三條基本原則：避免夾點之上 熱物流與夾點之下冷物流間的匹配；夾點之上禁用冷卻器；夾點之下禁用加熱器。判斷：1 .自由度數(shù)只與過程系統(tǒng)有關(guān)。（丫 ）2 .換熱網(wǎng)絡(luò)的夾點設(shè)計，要盡量避免物流穿過夾點。（N ）3 .在換熱夾點分析中，沒有物流穿過夾點，就無熱流量穿過

4、夾點。（N ）4 .在夾點上方盡量避免引入冷物流，夾點下方盡量避免引入熱物流（N ）5 .穿過夾點熱流量為零，則夾點處傳熱量為零（N ）6 .夾點上方熱流股數(shù)NH.>NC,熱流股總熱負荷QH<QC,不能實現(xiàn)夾點匹配（N ）7 .精餾塔跨過夾點，則塔底要用熱公用工程，塔頂要用冷公用工程。（Y ）8 .對于冷熱流股換熱系統(tǒng)，傳熱量一定的前提下，傳熱溫差愈小，過程不可逆程度愈小, 有效能損失愈小，但要求較大的熱交換面積。（丫）9 .利用能量松弛方法對換熱器網(wǎng)絡(luò)的調(diào)優(yōu)，并不影響冷熱公用工程負荷。（N ）10 .熱物流穿過換熱網(wǎng)絡(luò)的夾點，必有熱流量穿過夾點。（N ）11 .熱物流在夾點上方,

5、冷物流在夾點下方。（N ）12 .換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計要盡量避免冷、熱物流穿過夾點。N13 .進行過程系統(tǒng)模擬既要輸入流股參數(shù)，也要提供過程單元的操作參數(shù)。Y14 .穿過換熱網(wǎng)絡(luò)夾點的熱流量為零，則夾點處傳熱推動力為零。N15 .試判斷以下?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)中哪些匹配是可行的，哪些是不可行的。（2）熱泵與系統(tǒng)熱集成時，將熱泵穿越夾點放置是有效的熱集成。（Y（3）兩個或兩個以上相連的循環(huán)回路一定構(gòu)成最大循環(huán)網(wǎng)。（N（4）采用斷開熱負荷回路的方法調(diào)優(yōu)換熱器網(wǎng)絡(luò)，合并換熱器后的結(jié)構(gòu)除了需要保證每個 單元設(shè)備熱負荷為非負外，還要檢驗每個單元設(shè)備的傳熱溫差是否大于或等于最小的允 許傳熱溫差。（Y（5） R組分簡單塔精餾

6、分離序列的綜合問題，可以看成是R-1階段決策問題。（Y（6）系統(tǒng)的自由度為系統(tǒng)變量數(shù)減去描述系統(tǒng)的所有方程數(shù)。（N（7）能夠把全部簡單回路至少斷裂一次的斷裂組定義為多余斷裂組。（N（8）穿越夾點的熱流量為零，則夾點處的傳熱推動力為零。（N（9）利用能量松弛法調(diào)優(yōu)換熱器網(wǎng)絡(luò)，調(diào)優(yōu)前后系統(tǒng)所需的冷、熱公用負荷不變。（N（10）對于已給定熱交換量的情況，通過熱交換面的傳熱溫差愈小，過程的不可逆性愈小，有效能損失小。（Y1 .間間歇過程的瓶頸問題很容易就能找到，因此，只需要對給定的設(shè)備加工順序進行排序， 就可以得到最優(yōu)的操作方案了。答：錯誤（1）間歇過程的瓶頸問題隨產(chǎn)品及操作策略而有所不同，因而很難找

7、到。（1）2 .化工過程的優(yōu)化因其所含變量太多而難以進行，為了簡化計算的難度，某人建議只考慮 決策變量對目標函數(shù)的影響，這種方式是否可行？ 答：對（1狀態(tài)變量是決策變量的函數(shù)，因而，只考查決策變量對目標函數(shù)的影響，不會改變優(yōu)化過程 的性質(zhì)，但能縮小問題的求解難度。（1）3 .非線性規(guī)劃的求解比線性規(guī)劃困難的多，因此，對于非線性規(guī)劃問題，不可能通過求取 目標函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)，并令其為0,來得到最優(yōu)解。答：錯誤（1無約束的非線性最優(yōu)化問題可以通過令一階導(dǎo)數(shù)為0來進行。（1）有約束的非線性規(guī)劃問題可以通過拉格朗日或罰函數(shù)法轉(zhuǎn)化為無約束問題。4 .對于存在三個加工設(shè)備的間歇過程，是無法通過Johnson

8、規(guī)則來求解的。答：錯誤（1對于特殊的n/3/F/Fmax問題，可以通過Johnson規(guī)則求取。（1）即在第二個設(shè)備上最長的加工時間，小于在第一（或第三）個設(shè)備上最短的加工時間。5 .在一個工廠的設(shè)計中，要想最大限度的減少公用工程的用量，可以通過采用高效率的換 熱器，并增大換熱面積來實現(xiàn)。答：錯誤（1要想最大限度減少公用工程的用量，應(yīng)通過夾點匹配方法進行。（1）1 .間歇過程的瓶頸問題很容易就能找到，因此，只需要對給定的設(shè)備加工順序進行排序， 就可以得到最優(yōu)的操作方案了。2 .對于存在三個加工設(shè)備的間歇過程，是無法通過Johnson規(guī)則來求解的。簡答題1.對于一個復(fù)雜的、有多個反饋回路的化工過程

9、，采用序貫?zāi)K法進行求解時，應(yīng)當如何進 行計算？1 .通過回路矩陣或其他方法，找出全部回路2 .用回路搜索法，找出最優(yōu)斷裂族3 .為各斷裂流股設(shè)定初值4 .建立各單元的模型，利用模型序貫的求解（即將前一單元的出口物流作為后一單元的入 口參數(shù)），循環(huán)計算，求出斷裂流股的計算值5 .比較所求得的斷裂流股的計算值，并與上一次的值比較，如果小于所設(shè)定的誤差，迭代 結(jié)束，否則，重復(fù)步驟4,直至收斂.有必要的時候，可以采用各種收斂算法，也包括改變 初始猜值。北京化:【大學200K2009學年第：學期 化_L過程分析與仃成期末考試試卷、填空題（年空1分）L化工過程分析，1：要是分析過程系統(tǒng)的運行機制&quo

10、t;上皿_、過程模型的數(shù)學描述、 巨林函數(shù)的建立，優(yōu)惠.況下的最佳操作參數(shù)等等，工化工過程系統(tǒng)合成包括有：反應(yīng)路徑合成“：:成,Im" .過程控制系統(tǒng)合成.特別是要解決由咎個單元過程合成總體過界系統(tǒng) 的江符.3,穩(wěn)態(tài)模擬的特用.是+描述過程對象的模型中時間參數(shù)。借助電子計算機技也 求解穩(wěn)態(tài)模擬問題的方泣書 岸也模塊法、I仙可方程法、相 聯(lián)寸?？旆ㄒ环NH.中 序貫?zāi)K法和聯(lián)立模塊法中的單爐模塊具有單向性的特點01 .2此L優(yōu)化考慮的是流程方案的優(yōu)化，在多種可行方案中找出費用最小的流程結(jié)構(gòu)，還 要保證該方案滿足安全、環(huán)保、易操作等方面的要求.5,在火點上匕換熱網(wǎng)絡(luò)僅需要厘公用工程，相對于

11、環(huán)康是個熱阱；在夾點之匕 換熱網(wǎng)絡(luò)只需要上公用工程,相對千環(huán)墻耳個.取源 u6 .在分離塔序列綜合中，按照經(jīng)驗規(guī)則C2規(guī)則,等摩爾分割最有利。7 .采用種分離方法把-個8組分混合物用簡單塔分離成*個觸蛆分的分離過程，共含？ 個分離器，且二個分離序列數(shù)，含有q個分離子群，上個分離子問題,判斷題（每題2分）口情判斷對錯（J或X）,并簡單解釋原因.，1.序貫?zāi)K法是將模型方程作為個大型出線性方程組進行求解.可充分利用模型方程的 稀疏性特點.從而降低求解難度.鉛。此為面向方程法的描述,.工間歇過程是典型的穩(wěn)態(tài)操作過程，其過程變量隨時間發(fā)生變化。（）錯。間歇過程是典型的動態(tài)操作過程，其過程變量隨時間發(fā)生

12、變化,3,聯(lián)立模塊法的基本思想是，肥描述過程系統(tǒng)的所有數(shù)學模型匯集到起，形成個桂戈 性方程組進行求解。因而其求解難度比序鼠模塊法小，但計算工作最較大。（）錯口聯(lián)立模塊法的兼本思赳是,把描述過程系統(tǒng)的所有數(shù)學模型匯集到一起，形成一個非線 性方程組進行求解。因而其求解速度比序貫?zāi)K法快，但計算工作難度較大。-1.狀態(tài)空I司分析中，相圖描述的是過程從某個初始狀態(tài)用發(fā)，狀態(tài)演變的歷史=是過程的 幼志特征的總結(jié)用表現(xiàn),后穩(wěn)態(tài)信息卻沒有包括在其中.（）錯”狀態(tài)空間分析中，相圖描述的是過程從某個初始狀態(tài)出發(fā)，狀態(tài)演變的歷史”是過程的 動態(tài)特征的總結(jié)和表現(xiàn).M穩(wěn)態(tài)信息也包括在其中.5 .線性規(guī)劃問題中士如果口

13、行域存在.則其基本E行解的個數(shù)是無限的口 C）錯線性規(guī)劃問題中,如果可行域存在,則其基木川,行斛的個數(shù)是由線性獨立的等式均束的 個數(shù)決定的“6 .在間歇過程的排產(chǎn)優(yōu)化中，其目標是充分保證生產(chǎn)的穩(wěn)定，使產(chǎn)品班依不隨批次發(fā)生變 化.（）錯在間歇過程的排產(chǎn)優(yōu)化中,其II標是充分利用設(shè)備資湖,減少設(shè)備閑置時間,進而在:較 短時向內(nèi)完成規(guī)定的生產(chǎn)任務(wù)，7-最小傳熱溫差是熱力學第.二定律的體現(xiàn)，與其體過程無關(guān)。（鉗n最小傳熱溫差體現(xiàn)的是工程設(shè)討中傳熱速率的要求，與具體過程相關(guān).8.夾點法的最大優(yōu)點是能夠同時萩得系統(tǒng)公用工程消耗最小和使兒換熱器個數(shù)最少兩個目標，即系統(tǒng)的總體最優(yōu).（）鉗口夾點法能夠?qū)で蟮较到y(tǒng)

14、公用工程的消耗最小.9-探視法是分圈序列綜合最有效的方法，它可以使系統(tǒng)優(yōu)化得到全局最優(yōu)解, <）錯.探視法是使用幾個藺單的，但帶有普遍性的經(jīng)驗規(guī)則產(chǎn)生一些接近最優(yōu)的序列.然后再 對它們進行仔鯽的評價，以確定最終的分離序列O10.化工過程分析與合成屬于系統(tǒng)工程的范疇,并不涉及傳統(tǒng)化工中的“三傳'反'的 內(nèi)容U1）錯?；^程分析與合成力屬于系統(tǒng)工程的范明，是以傳統(tǒng)化工中的“三傳反”的內(nèi)容 為基礎(chǔ)的.一. 填空題t每空1分）I穩(wěn)態(tài)模擬的持也是，描述過程對象的模里U： 不含（含，不令），間參數(shù)匚2 就其模按計和求解方法而言過程系統(tǒng)模擬可以回納為：序員覆塊法、面向 五汕 、聯(lián)、工棋

15、熱立.3序貫?zāi)K法的基礎(chǔ)是 小壯也艮T程序：）、.4 求解超大型大型非線性方程組的方法大致分為降維降蟀法、/立一擬線性方程組 求解法兩類.5根據(jù)對過程系統(tǒng)中狀態(tài)變量分布特征的不同描述方式，一般山以把動態(tài)模擬時的 數(shù)學數(shù)型分為集中察數(shù)模型、分布參數(shù)模型和多級集中參數(shù)桎型.6 根據(jù)建立模型的不同方法，一般可以將數(shù)學模型分為統(tǒng)計模型， 統(tǒng)計模那 和介于兩者之間的 平舞統(tǒng)模型-7 連續(xù)攪推罐反應(yīng)器（CSTRL）的動態(tài)模型可以用血二參數(shù)模型進行描述.8 優(yōu)化和一優(yōu)化是過程系統(tǒng)的兩大類優(yōu)化問題，它們貫穿于化工過程設(shè)計和化1過程操作。9 求解非線性有約束條件最優(yōu)化問題的方法很多，比較常用的有 拉格朗日乘子法

16、和團函數(shù)法-它們的共同點.在于都是將有約束坡優(yōu)化問題轉(zhuǎn) 變成無力.束最優(yōu)化問題。10在分離序列的綜合中,根據(jù)或探法的經(jīng)驗規(guī)則S乙 難分離的組分應(yīng)、1 最后分離.二、 判斷題（每題2分）.請判斷對.錯（丁或Q.井筒里翩釋原因. I缶序貫?zāi)K法中的單元模塊具有單向性的特點，2 聯(lián)立模塊法的基本思想是，把描述過程系統(tǒng)時所有數(shù)學模型匯集到一起，形成一 個日線性方程組進行求解.因而其求解難度比序貫?zāi)K法小4!計算.作量較大.（X K聯(lián)立模塊法的思想是利用嚴格模型嚴格模塊產(chǎn)生.相應(yīng)的簡化模型方程的系數(shù)，然 后把所有的簡化模型方程;二集到一起進行聯(lián)解,得到系統(tǒng)由一組狀態(tài)變.量03間歇過程是期.型的定常態(tài)操作

17、過程.（X ）0動態(tài)特性是間歇過程的本質(zhì)，其操作條件和產(chǎn)品質(zhì)量都會隨時間而變化。4在化.過程系統(tǒng)的優(yōu)化中應(yīng)用最廣泛的數(shù)學方法就是線性規(guī)劃的求解匚（X 八線性規(guī)劃是最優(yōu)化方法中比較成熟的優(yōu)化方法M3在化:過程系統(tǒng)的優(yōu)化口的模 型小線性方程更普遍.5在夾點之上，物流溫度較高，因此換熱網(wǎng)絡(luò)僅需要冷公用工程0（X L夾點把整個系統(tǒng)分解成兩個獨立的子系統(tǒng)，左夾點之上，換熱網(wǎng)絡(luò)僅需要熱公用 工程。6在連續(xù)化大規(guī)模生產(chǎn)中，最優(yōu)操作條件的確定只需要在設(shè)計過程中計算、給定. 在以后的生產(chǎn)中，只要把操作條件控制在這個最優(yōu)點就可以了口因此，優(yōu)化同題 只出現(xiàn)在設(shè)計過程中。（X ）結(jié)構(gòu)優(yōu)化和參數(shù)優(yōu)化是過程系統(tǒng)的兩大優(yōu)化問題，它口貫穿于化工過程設(shè)計和化 工過程操作。7線性規(guī)劃的求解方法有牛幀法、擬牛頓法和最速下降扶,（X線性規(guī)劃的求解方法有圖解法和單純形法.S非線性規(guī)劃中的罰函