化工过程分析与合成-5
《化工过程分析与合成》习题
《化工过程分析与合成》习题第一章1.化工过程分析的含义是什么？化工过程合成的含义是什么？2.常见化学反应过程的类型有哪些？请举例说明。
3.化工PID是什么请解释DCS的含义和作用。
4.稳态模拟和动态模拟的特征分别是怎样的？5.人工智能技术的含义是什么？6.人工神经网络的含义和用途。
第二章1.过程系统模拟有哪几类问题？2.过程系统的模拟分析是指什么，用流程框图画出其示意图。
3.过程系统设计的含义是怎样的？用流程框图画出其示意图。
4.过程系统参数优化的含义是怎样的？用流程框图画出其示意图。
5.请解释过程系统模拟的序贯模块法含义，特点，适用范围。
6.请解释过程系统模拟的面向方程法含义，特点，适用范围。
7.请解释过程系统模拟的联立方程法含义，特点，适用范围。
8.在计算再循环物流时，需要对某些物流进行“断裂”，此处“断裂”的含义是什么？9.判断最佳断裂的准则是什么，如何用数学表达式表示？10.请解释有效断裂组、多余断裂组、非多余断裂组。
11.请描述搜索断裂组的替代规则。
12.解释断裂族的概念。
13.再循环物流断裂处设置收敛单元，其功能有哪些？14.适合于收敛单元的数值计算方法一般应满足哪些条件？15.直接迭代法的原理和优缺点是什么？16.阻尼迭代的含义是什么，请用公式表达，阻尼因子的选择对迭代收敛有何影响？17.一个大型稀疏方程组，阶数为60,非零系数个数为240,求稀疏比和方程中为零的单元有多少个？18.请画出下面不可分割子系统的回路矩阵，并寻求最优断裂组。
19.直接迭代法求解下列方程组。
20.直接迭代法求解下列方程组。
2X 1＋X 23=35.568X 12－0.5X 2=0.36 第四章1. 某工厂甲、乙两种产品，每件甲产品要耗钢材2kg 、煤2kg 、产值为120元；每件乙产品要耗钢材3kg ，煤1kg ，产值为100元。
现钢厂有钢材600kg ，煤400kg ，试确定甲、乙两种产品各生产多少件，才能使该厂的总产值最大？2. 某工厂在计划期内要安排甲、乙两种产品。
化工过程分析与合成期末考试试卷
《化工过程分析与合成》期末考试试卷一、填空题（每空1分，共10分）1．稳态模拟的特点是，描述过程对象的模型中__________(包括、不包括)时间参数2．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3．又称为经验模型，纯粹由统计、关联输入输出数据而得。
又称为机理模型4．优化和优化是过程系统的两大类优化问题，它们贯穿于化工过程设计和化工过程操作。
5．换热网络的消耗代价来自三个方面：，，6．在分离序列的综合中，根据试探法的经验规则M1，在所有分离方法中，优先采用使用方法二、判断正误，并用1—2句话说明原因（每题2分，共10分）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。
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？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。
4．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。
5．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，可以通过采用高效率的换热器，并增大换热面积来实现。
三、简答题，列出详细步骤，不需要具体求解（5分）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？四、对于一个需要三级压缩机的工况，目标函数如下（p 是压力）：286.034286.023286.012)()()(p p p p p p f ++= 11=p atm 和104=p atm 。
每级压缩率的最小值是310。
且101 ,10132≤≤≤≤p p ？ 列出最优化问题的模型，并选用合适的方式求出目标函数的最小值。
（列出详细步骤，不需要求出最后的结果。
）（5分）五、下图是乙醇发酵生产的一个流程图，乙醇在反应器中通过发酵法生产。
化工过程分析与合成课程设计
化工过程分析与合成课程设计1. 简介本课程设计旨在通过对化工过程分析与合成的学习，进一步了解化工生产中的重要过程，并掌握相关的计算方法和实验技能。
本文将基于本课程设计的基本要求，提出设计方案，并对该方案进行详细分析和讨论，以期为读者提供有用的参考和帮助。
2. 设计方案2.1 设计目标本课程设计的主要目标包括：•理解化工生产中的重要过程，如反应器、分离器等；•掌握化工过程计算和模拟技能；•学习化工实验的基本原理和技巧，包括实验的计划、操作和分析等；•培养科研思维和创新能力，提高信息检索和应用能力；•培养沟通和合作能力，实现团队合作。
2.2 实施步骤本课程设计可以分为以下步骤：2.2.1 课程学习首先，需要学习相关的课程知识，包括化学反应原理、化工过程模拟方法等。
可以采用多种方式进行学习，如上课、听讲座、阅读相关书籍、论文等。
2.2.2 选题其次，需要进行选题。
选题的过程中，可以考虑以下因素：兴趣、实际应用、研究前景等。
同时需要考虑选题的难度和可行性，以及所需的资源和技术条件。
2.2.3 文献检索在确定选题之后，需要进行文献检索和资料收集，以获取相关的信息和科研前沿。
可以利用学术期刊、书籍、网络资源等进行检索和获取。
2.2.4 设计方案制定在充分了解选题背景和研究现状的基础上，可以制定课程设计方案。
方案中需要明确研究目标、研究方法和实验计划等内容。
同时，需要考虑实验材料和设备的准备，以及实验过程中的安全措施。
2.2.5 实验操作在制定好方案后，可以进行实验操作。
实验操作需要遵守相关的实验规范和安全操作要求。
实验过程中应注意记录各项数据和实验结果，以便后续分析和研究。
2.2.6 数据分析和讨论在实验结束后，需要对实验数据进行分析和讨论。
数据分析主要包括数据统计、绘图和数据模拟等。
在讨论过程中，需要考虑实验结果的意义和科研价值，以及实验中可能存在的误差和改进措施等。
2.2.7 结果展示在完成实验和数据分析后，可以对实验结果进行总结和展示。
化工过程分析与合成考点
化工过程分析与合成考点1.化工过程基本原理：包括质量守恒、能量守恒以及物质守恒等基本原理。
考生需要掌握物质在化工过程中的转化过程，掌握流体力学、传热传质以及反应工程的基本原理。
2.化工过程流程分析：对化工过程进行流程分析，包括对物料流动、能量传递、物质传递以及反应转化等的分析。
考生需要理解流程图、平衡图以及相图等工具的使用方法，用以分析化工过程中的流程特点与问题。
3.化工过程的参数确定：化工过程中的参数确定是化工工程设计的重要环节。
考生需要了解不同参数对化工过程的影响，并能根据过程需求确定合理的参数范围。
此外，还需要了解参数确定的方法与技巧，包括试验方法、模型分析以及经验公式等。
4.化工过程的合成方法：化工过程的合成方法是实现化学转化与物质变换的重要手段。
考生需要了解常见的合成方法，包括物性分析、反应机理分析以及催化剂的设计与选择等内容。
此外，还需要了解合成方法的优化与控制策略，以便能够根据具体过程需求设计合适的合成方法。
在准备化工过程分析与合成的考试时，考生需要重点掌握以下知识点：1.物料平衡的计算方法：根据不同的化工过程，需要掌握不同的计算方法，包括闭式系统的物料平衡、开式系统的物料平衡以及多元物料平衡等。
2.能量平衡的计算方法：了解化工过程中的能量转化与传递过程，掌握能量平衡的计算方法，包括热平衡、热效益以及不同热传导方式的计算等。
3.反应动力学与反应工程：了解反应动力学的基本原理，掌握反应速率与反应物浓度的关系，了解反应器的选型与设计原则。
4.分离与纯化技术：了解不同的分离与纯化技术，包括蒸馏、吸附、萃取、结晶等方法，掌握其原理与应用。
5.废水处理与废气治理技术：了解废水处理与废气治理的基本原理和技术，包括生物处理、化学处理、物理处理以及催化氧化等方法。
6.过程设计与控制：了解化工过程设计与控制的原则与方法，包括流程设计原则、安全设计原则以及自动化控制等。
准备化工过程分析与合成的考试，需要考生从理论与实践两个方面进行综合准备。
化工过程分析与合成作业
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分别用直接迭代法和阻尼直接迭代法计算气相和液相产品的流
量和组成。阻尼因子分别取值为 0.5,0.3，-0.2，-0.3，-0.7，-0.9。
依据闪蒸条件设该闪蒸过程为理想体系， 三个闪蒸器均为等温闪
蒸过程，建成相应的单元模块并将图 1 绘成图 2 的三级闪蒸过程模拟
分别对每个单元建立简化模型， 然后把单元简化模型、 联结方程、
设计规定方程集合到一起组成过程系统的简化模型， 由于切断了全部
联结物流，描述整个过程的系统的简化模型方程数为：
n
n e 2 (c i 2) nd
i1
如果不考虑设计规定方程， 用线性增量模型作为单元的简化模型， 则
过程系统的简化模型如下：
单元模型 :
从上例可见，阻尼因子 q 值的选取具有较大的任意性和经验性。 1958 年 Wegstien 提出了一种简便的方法，可以弥补这种阻尼因子取 值困难的弱点。
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用联立模块法对三级闪蒸过程进行稳态模 拟
一、 建立简化模型
严格单元模块的输入流股变量向量 x 与输出流股变量 y 之间有严格模
型：
y=G(x)
化工过程分析与合成
（三级闪蒸的模拟）
组员：0815010115 尹小莉 0815010114杨秋静 0815010113 张志莉 0815010119 罗浩 0815010130 李家翔 0815010131 杜秦
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一、序贯模块法简介：
1. 序贯模块法的基本原理 序贯模块法的基础是单元模块 （子程序），通常单元模块与过程
从系统入口物流开始，经过接受该物流变量的单元模块的计算 得到输出物流变量， 这个输出物流变量就是下一个相邻单元的输入物 流变量。依次逐个的计算过程系统中的各个单元， 最终计算出系统的 输出物流。 3.序贯模块法的优点：
名词解释—化工过程分析与合成
名词解释夹点的意义1.T min ），系统用能瓶颈位置。
夹点处热流量为（夹点处，系统的传热温差最小（等于Δ 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、夹点技术夹点技术是以热力学为基础，从宏观角度分析过程系统中能量流沿温度的分布，从中发现系统用能的“瓶颈”所在，并给与解瓶颈的方法。
夹点设计法三条原则：（1）应该避免有热流量穿过夹点（2）夹点上方应该尽量避免引入公用工程冷却物流（3）夹点下方应该尽量避免引入公用工程加热物流夹点匹配的可行性规则及经验规则3、过程系统能量集成过程系统综合是以合理利用能量为目标的全系统能量综合问题，它从总体上考虑过程中能量的供求关系以及系统结构，操作参数的调优处理，已达到全过程系统能量的优化综合。
（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）设备在系统中的合理放置：（1）分离器与过程系统热集成时，分离器穿越夹点是无效的热集成；（2）分离器完全在夹点上方或完全在夹点下方均是有效的热集成。
（3）热机不穿越夹点的设置，是有效的热集成。
（4）热泵穿越夹点的设置是有效热集成。
4、过程用能一致性原则利用热力学原理，把反应、分离、换热、热机、热泵等过程的用能特性从用能本质的角度统一起来，把全过程系统能量综合问题转化为有约束的化热网络综合问题。
5、利用夹点分析进行过程系统能量集成，调优策略的原则：设法增大夹点上方总的热流股的热负荷，减少总的冷流股的热负荷；设法减少夹点下方总的热流股的热负荷，增大总的冷流股的热负荷。
即所谓的“加减原理”。
6、化工过程系统模拟采用一反映研究对象本质和内在联系，与原型具有客观一致性，可再现原型发生的本质过程和特性的模型，来进行设计和研究原型过程的方法。
（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）三种基本方法：序贯模块法、联立方程法、联立模块法7、过程系统优化（实现过程系统最优运行，包括结构优化和参数优化）结构优化：改变过程系统中的设备类型或相互间的联接，以优化过程系统。
化工设计第2章化工过程分析
进料 产物1 产物2 反应器 分离器
第二章
化工过程分析
1.间歇/半连续过程的特征 (1)非稳定性 间歇过程具有明显的非线性特征，操作参数随时间不断变化。 (2)周期性 间歇设备的基本操作过程包括进料、加工、等待、排放、清 洗，等待下一批进料，构成了一个操作循环。生产按照一定周 期反复进行。 (3)多样性 间歇过程的一套生产设备可以生产多种产品，或产品的批量 可以少到数千克，也可大到数吨。其操作的控制范围很大，要 求具有较大的操作弹性。
副产品
第二章
化工过程分析
采用不同的分离顺序会改变工艺过程
循环进料
冷却水
蒸汽
进料+产品 +副产品
冷却水 蒸汽 产品
进料
反应器
冷却水
蒸汽
副产品
第二章
化工过程分析
第三层次 增加了热集成的工艺过程（1）
循环进料
冷却水
蒸汽
冷却水
蒸汽
反应器
冷却水 蒸汽 副产品
产品
进料
第二章
化工过程分析
增加了热集成的工艺过程（2）
加热 反应 分离
t
第二章
化工过程分析
间歇过程则是在一个设备（空间）中顺序地完成一系列 工艺操作，从时间上考察是一个连续过程。所以间歇过程 是在一个空间中时间的累积。 进料 加热 反应 分离
产物
间歇过程甘特表 v
加热 反应 分离
t
第二章
化工过程分析
(2)连续过程的操作处于稳态或稳态附近状态，可以保持操 作处于最优状态，能够获得最大的生产效率。 间歇过程操作始终处于不断变化的动态过程，为应对多 产品目标，间歇设备大都采用弹性设计，兼容性大，但不 能保证每种产品的生产操作都处于最优状态。 (3)间歇过程具有周期性。生产按照一定的顺序反复进行， 形成一个循环。
分析与合成
回路搜索法解方程组 ①将方程组表示为事件矩阵
f1 x1 x4 10 0 2 f 2 x2 x3 x4 x5 6 0 1.7 f3 x1 x2 ( x4 5) 8 0 f 4 x4 3x1 6 0 f5 x1 x3 x5 6 0
RA rij
i, j 1,2,, n
其元素的值是这样定义的：
1 有物流从单元 i 流向单元 j rij 0 无物流从单元 i 流向单元 j
这种由0，1 两种元素构成的矩阵称为布尔矩阵 或逻辑矩阵。邻接矩阵虽然比关联矩阵简单，但它 没有反映系统的输入、输出物流是从哪一个单元流 入或流出的。
通用化工流程模拟系统是指并非针对特定流程 开发的、对不同流程均可适用的、带有通用性的化 工流程模拟系统。它备有通用的、可供用户选择的 各种单元操作的计算方法，各种物理性质和热力学 性质的计算方法，系统分解和收敛方法，工程费用 和操作费用的资料以及数值方法程序库等。 由于通用流程模拟系统所能达到的精确程度往往不 能满足工业生产装置的模拟要求，因此，需要能提 供更精确可靠的计算结果的专用流程模拟系统。专 用化工流程模拟系统是针对某特定流程专门开发的， 只用于对该流程进行模拟的流程模拟系统，不具有 通用性。
f1 f2 f3 f4 f5
x1 1 1 1 1
x2 1 1
x3 1
x4 1 1 1 1
x5 1
1
1
在事件矩阵中，行序号与方程序号对应，而列序号与 变量序号对应。矩阵中 i行j列元素的值若为1，表示方 程i含有变量 j; 若为0或空白，表示方程i不含变量 j 。
②为每个方程指定一个输出变量 输出变量是可以通过其所在方程中其它变量求解的 变量，且每个变量只能被指定为一个方程的输出变量。 输出变量的指定方法：选事件矩阵中元素最少的行 和元素最少的列的交点处元素对应的变量，作为优先指 定的输出变量，然后从事件矩阵中删去该输出变量对应 的行和列；重复上述过程直至矩阵中所有的行和列都被 删去。
化工过程开发与的设计 第六章 过程分析与合成
化工过程系统的分析
主要是分析过程系统的运行机制、影响 因素、过程模型的数学描述、目标函数的 建立、优惠工况下的最佳操作参数
目标是使决择方案，技术上先进、可行， 经济上优越、合理
对于操作工况的分析也就是通常说的生 产操作调优
2019/12/9
化工过程系统的合成
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；
? 如何从吸收塔底流出的水溶液中分离出丙烯腈和副产物呢？
2019/12/9
方案一：将丙烯腈和各副产物同时从水溶液中 蒸发出来，冷凝后再逐个精馏分离；
？ 丙烯腈与乙腈的沸点相近，普通精馏方法难于将 它们分离（需100块以上理论板）
方案二：采用萃取精馏法先将丙烯腈和HCN解吸出来， 乙腈留在水溶液中，然后再分离丙烯腈和HCN 乙腈与水完全互溶，而丙烯腈在水中的溶解度很小， 用水作萃取剂，使丙烯腈（和水的共沸点为71℃）对乙 腈（水的共沸点为77℃）的相对挥发度大大提高（如当 塔顶水的摩尔分数为0.8时，相对挥发度可达1.8）， 使两者精馏分离变得很容易（约40块实际板）
6、环境保护的要求
2019/12/9
[例]丙烯氨氧化制丙烯腈（沸点77.5℃ ）： 主反应： C3H6+NH3+1/2O2 CH2= CHCN + H2O
主要副产物： HCN(沸点26℃ ) CH3CN（沸点81.6℃ ） C3H6＋NH3＋O2 → CH3CN (g)＋3H2O (g)
C3H6＋3NH3＋3O2 → 3HCN＋6H2O (g)
2019/12/9
2019/12/9
2019/12/9
2019/12/9
2019/12/9
2019/12/9
化工过程开发与的设计 第六章 过程分析与合成
2019/10/31
2019/10/31
2019/10/31
2019/10/31
2019/10/31
以合成氨为例，由N2与H2合成氨这一目标，需要 确定加热加压措施，选择或设计相应设备和反应
器结构，寻求能达到任务纯度要求的原料气。再
下一步寻求制造粗原料的工艺，最终找到以煤或
2019/10/31
2019/10/31
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2019/10/31
2019/10/31
2019/10/31
2019/10/31
2019/10/31
2019/10/31
2019/10/31
2019/10/31
2019/10/31
2019/10/31
2019/10/31
2019/10/31
加热蒸汽
受热2 程度较轻，因5-而除沫加器热；管内溶液汽化
冷凝较水多，形成汽液混6-合冷凝物器的密度小，从而
1
使蒸发器中溶液形成由中央循环管下降
，而由其他加热管上升的循环流动。循
完成液 环主要由溶液受热所水致的密度差引起，
称为自然循环
硝酸铵水溶液蒸发流程
2019/10/31
2019/10/31
2019/10/31
? 如何从吸收塔底流出的水溶液中分离出丙烯腈和副产物呢？
2019/10/31
方案一：将丙烯腈和各副产物同时从水溶液中 蒸发出来，冷凝后再逐个精馏分离；
？ 丙烯腈与乙腈的沸点相近，普通精馏方法难于将 它们分离（需100块以上理论板）
方案二：采用萃取精馏法先将丙烯腈和HCN解吸出来， 乙腈留在水溶液中，然后再分离丙烯腈和HCN 乙腈与水完全互溶，而丙烯腈在水中的溶解度很小， 用水作萃取剂，使丙烯腈（和水的共沸点为71℃）对乙 腈（水的共沸点为77℃）的相对挥发度大大提高（如当 塔顶水的摩尔分数为0.8时，相对挥发度可达1.8）， 使两者精馏分离变得很容易（约40块实际板）