化工过程分析与合成3

化工过程分析与合成

一、选择题.下列不属于化工过程的部分的是（A）A物理反应B原料制备C化学反应D产品分离.化工过程中的化学反应不包括（B）A氧化B吸收C还原D磺化3化工过程中的物理加工不包括（C）A加热B冷凝C硝化D精微4•个不是均一体系气相分离的过程？（C）A.吸收B.吸附C气提D膜分离

5.化工过程系统的合成包括反应路径合成、分离序列的合成、过程控制系统的合成和（C）A.反应控制系统B.过程流程系统C.换热网络合成D.换热网络系统

6.哪个不是模拟计算求解方法？（D）A.SMMB.联立模块法C.EOMD.序列模块法.下列哪一项不是对均一系物料的液相分离的方法（D）A.蒸储.蒸发C.膜分离D.吸收

8.以下哪项不是构成化工过程生产工艺流程中最重要的单元过程（C）别写出三种模型的表达形式，并分别列举应用实例（写出一种即可）答服从于约束条件―—~1^0芭20答案解可行域是由Xj=0三边所围成的区域，最优解只能是可行域内与点

（32）距离最近的点

（21）

6.Pl{

1、

2、

3、

8、

9、答案则Pl计算次序为.统计调优法简单实用，易于普及推广，经济效果显著，一直受到国内外的普遍重视请简述其原理三部分中的‘确定调优目标’答:

①确定过程系统操作的调优目标，往往是在经营总目标的指导下完成的

②从经营角度看，总决策对系统的运行要求达到一些指标，产量、质量、能耗、环境要求等，都有一些规定的指标在调优模型中，可选择一个或几个主要指标作为调优目标（多个指标可通过加权合并成一个综合调优B标），其余的指标处理为约束条件

③在确定调优目标之前，还需要划分调优对象系统的范围通过过程系统分析，选择对经营目标有重大影响的子系统或装置作为调优对象，往往可以收到事半功倍的效果.请简述分离过程的操作类别以及最常用的操作答:

①分离过程要依据分离物料是属于非均一系的还是均一系的，从而确定采用哪种单元操作

②对于非均一系物料的气固相分离，可考虑采用沉降、过滤、湿法除尘、电除尘等单元操作

③液固相分离可用过滤、干燥、沉降等

④对于均一系物料的气相分离，可采用吸附、吸收、膜分离液相分离则可用蒸储与精储、蒸发、结晶、汽提、萃取、膜分离等

⑤在分离过程中最多用的是采用蒸储塔或精储塔实施的蒸馄或精储操作9•简述过程系统模拟的基本结构答

①输入模块提供模拟计算中所需的所有信息，包括过程系统的拓扑结构信息输入方式可以是批处理或一次性输入，也可以采用用户人机对话的方式

②物性数据库、热力学数据库、计算方法库为单元模块求解提供基础数据及求解方法

③单元过程模块根据输入流股及单元结构信息，进行物料及能量衡算，获得所有输出流股的信息（如换热器、精僧塔）

④优化方法库系统模拟需要进行优化时，提供优化计算方法

⑤经济分析模块将生产操作费用与设备投资费用与市场联系起来，对系统生产进行经济评价

⑥管理系统执行模块过程系统模拟的核心，用以控制计算顺序及整个模拟过程

⑦输出模块按照过程单元或流股输出用户所需的中间结果及最终结果等

10.写出系统分隔的邻接矩阵通路搜索法步骤答

①由图建立邻接矩阵；

②由邻接矩阵第1列开始检查有无其元素全为零的列，如某元素全为零则该列所对应的单元为一个除了具有来自系统外面的信息之外不接受来自系统本身的信息的独立单元，不需要与系统中其他单元联立求解，即所谓输入端单元，独立构成一个不可再分块.可将该列及其对应的行从邻接矩阵中剔除，同时将该列所代表的单元号码依次记录在计算顺序表中;（降低阶数）

③重复进行第

②步，直至不能再找到列元素全为零的列为止，并将剔除先后次序记录在案；

④用同样的方法剔除那些行元素全为零的行及其对应的列.即输出端单元，同样可单独解算对邻接矩阵进一步降阶.依次记录被剔除行的相应单元的号码（从后往前记录）直至不能再降阶为止；

⑤用通路搜索法找出环路用前溯法搜索环路，并以组合单元（拟结点）代替环路所包含的单元组构成简化邻接矩阵；

⑥回到第

②步重新执行第

②〜

⑤步，直至将邻接矩阵降阶为1*1的矩阵，并将每次剔除的组合单元或不可再分块按先后次序记录在计算顺序表中.

五、名词解释.定态局部稳定性定态局部稳定性，是指由瞬时干扰引起的对定常态的偏离，在干扰因素消失后，系统能自动回复原始定常态.约束条件变量的取值范围一般都要给以一定的限制，称为约束条件.在线操作优化测试系统根据检测仪表送来的信息进行优化计算，然后将计算结果信息直接送往控制系统，则称为“在线操作优化”.分离序列综合给定已知状态的进料流股（流量、温度、压力和组成），系统化设计出能从进料中分离出所要求的产品，并使总费用最小.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通过自由度分析可以正确地确定系统应给定的独立变量数.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.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.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.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，以优化过程系统参数优化对于一确定的过程系统，对其中的操作参数进行优选，以使某些指标达到最优.什么是化工过程化工过程是以天然物料为原料经过物理或化学的加工制成产品的过程

六、旧简答题

1、过程系统模拟的序贯模块法优缺点优点

①与实际过程的直观联系强模拟系统软件的建立、维护和扩充都很方便，易通用化;

②计算出错时易于诊断出错位置缺点计算效率较低，尤其是解决设计和优化问题时计算效率更低

2、断裂准则

①断裂的物流总数最少；

②断裂物流所含的变量总数最少；

③断裂回路的总次数最少（无多余切断）；

④断裂物流的权重因子之和最少；

3、简述联立模块法兼有序贯模块法和联立方程法的优点？1）计算效率较高；2）对初值要求较低；3）迭代循环圈较少；4）计算出错时诊断较容易；5）能利用大量原有的软件

4、过程系统模拟的三类问题及三种基本方法是什么？三类问题1）过程系统的模拟分析，2）过程系统设计，3）过程系统参数优化三种基本方法1）过程系统模拟的序贯模块法，2）过程系统模拟的面向方程法，3）过程系统模拟的联立模块法

5、计算机集中式控制技术的优缺点优点计算机用于化工过程控制，可以把各个控制回路的运算、控制、显示都集中于计算机来实现这种集中控制可以大大的节省硬件成本，便于同时分析各个控制回路的信息，为实现全系统的优化控制提供了条件缺点一旦发生计算机故障则将出现全控制系统瘫痪的危险

6、化工过程系统最优化方法有几种分类原则1）无约束最优化与有约束最优化2）线性规划与非线性规划3）单维最优化与多维最优化4）解析法与数值法5）可行路径法与不可行路径法

7、化工过程的核心部分？

①催化反应过程

②热裂解反应过程

③电解质溶液离子反应过程

④生化反应过程

8、根据对过程系统中状态变量分布特征的不同描述方式？

①集中参数模型状态变量在系统中呈空间均匀分布（强烈搅拌的反应罐）

②分布参数模型状态变量在系统内呈非均匀，但一般是连续的空间分布（管式反应器、变压吸附塔）

③多级集中参数模型一般用于描述多级串连、级内状态变量均匀分布的过程（板式塔内的传质分离过程）

9、过程系统的动态模型分类根据对过程系统中状态变量分布特征的不同描述方式集中参数模型分布参数模型多级集中参数模型根据建立模型的不同方法统计模型（经验模型）确定性模型（机理模型）介于两者之间的半经验模型

10、过程系统的定性分析L由于化工过程系统通常具有很强的非线性性质，因而有可能出现定常态多重性、定常态稳定性、参数敏感性、自激振荡，甚至更复杂的时间序列结构

2.原则上都可以通过确定性模型来分析、处理3归结为动态微分方程（组）的定性分析，对应于现代应用数学中非常活跃的一个分支一非线性分析或非线性现象与复杂性分析A.换热过程.分离过程C.制备过程D.化学反应过程.模拟计算求解的方法不包括（B）oA.序贯模块法B.结构参数法C.面向方程法D.联立模块法.重质油催化剂裂化制轻质油的反应过程是（B）oA脱氢过程B裂化反应C热裂解反应过程D催化过程.乙苯脱氢制苯乙烯的反应过程是（A）oA脱氢反应B制苯乙烯C裂解反应过程D催化过程.对均一系物料的气相分离，可采用（A）A吸附吸收B汽提C蒸发D萃取.搅拌器罐体长径比对夹套传热有显著影响，容积一定时长径比越大，则夹套的传热面积（A）oA.越大B.越小C.不变D.以上答案均不对.与填料密封相比，机械密封的（A）大约为填料密封的百分之一A.泄漏率B.密封性C.磨损率D.使用率.塔设备设计中最需要设置地脚螺栓的工况是（A）oA.空塔检修B.水压试验C.满负荷操作D.其它.以下哪个不是生产方法选择的原则（D）A.先进性B.可靠性C.合理性D.系统性.在化工设计过程中，下面的哪个步骤不需要主管部门批准（C）oA.编制项目建议书B.可行性研究报告C.施工图设计，提出预算D.扩大初步设计，提出总概算.不是间歇过程的特点的是（B）oA.生产灵活性高；B.易实现自动化；C.适合有固相的物流；D.适合生产季节性产品.天然气中的主要成分（B）A氤B甲烷C氢气D氮气.对均一系物料的气相分离可以采用（A）A吸附吸收B汽提C蒸发D萃取.重质油催化剂裂化制轻质油的反应过程是（B）A脱氢过程B裂化过程C热裂解反应过程D催化过程.模拟计算求解的方法不包括（A）A.计算方程法B.序贯模块法C.面向方程法D.联立模块法.若（B）自由度等于决策变量数rA.I1B.I=0C.KlD.OI

1.过程系统优化问题不包括（C）A.参数优化B.结构优化C.操作优化D.管理优化.下列不属于对模型根据对过程系统中状态变量分布特征的不同描述方式进行分类的是（C）A、集中参数模型B、分布参数模型C、确定性模型D、多级集中参数模型.自由度为d二决策变量数.等式设计约束方程数二r-L若（B）是最优化问题有解的必要条件之一A、l=rB、lrClrD1=

0.属于直接优化方法的是（B）A、微分法B、数值法C、变分法D、解析法.过程系统模拟的基本方法中，解算快、效率高的方法是（A）A、面向方程法B、双层法C、序贯模块法D、联立模块法29下列模型表达形式为代数-常微分方程组、应用于板式塔内的传质分离过程的是（C）A、集中参数模型B、混合模型C、多级集中参数模型D、分布参数模型30蔡氧化制苯肝，乙烯氧化制环氧乙烯等的反应过程称为（A）A氧化反应B脱氢反应C合成反应D裂化反应.面向方程法的基本思想是把描述过程系统的所有数学模型汇集到一起，形成一个（B）组进行求解A物性方程B非线性方程C设计规定方程D线性方程.（C）是化工过程系统最基本的特征之一A定态多重性B参数敏感性C动态特性.在高温高压条件下，换热器的管板与管子一般采用（A）连接保持紧密性A.胀焊结合B.胀接C.搭接D.对接.膨胀节是装在固定管板换热器上的挠性元件，其作用是（B）A消除壳体薄膜应力B.消除或减小不利的温差应力C.消除管子中的拉脱力D.增大换热器的换热能力.塔设备设计中最需要设置地脚螺栓的工况是（A）A.空塔检修B.水压试验C.满负荷操作D炭它.实验数据归纳的模型被称为（A）oA经验模型B半经验模型C特定模型D多级参数模型.泡点温度是指气液平衡时与液相组成相对应的（C）oA液相起泡时温度B沸腾温度C平衡温度D气相温度.变压吸附是工业上已得到广泛应用的（B）oA.气体分离技术B.吸附分离技术C.非定态技术D.节能分离技术

39.提高化工过程速率的基本方法是（B）A.减小过程阻力B.提高过程的推动力C.优化操作方案D.改善操作条件

40.处理解决多阶段最优化问题的数学方法（D）A.非线性规划B.多目标规划C.线性规划D.动态规划.求解线性规划问题的单纯形法是由谁提出的？（B）A.韦伯B.丹捷格C.英美OR小组D.泰勒.对确定性动态模型的数学处理可以解决（D）A.对模型方程组的求解，可预测其状态变量在时间域内的变化情况B.动态模型参数的估计C.过程系统的定性分析D.以上都对

43.氧化氮分离器的工作原理是CA.重力沉降法B.离心沉降法C.惯性分离法D.过滤净制.精储塔的操作压力增大BA.气相量增加B.液相和气相中易挥发组分的浓度都增加C.塔的分离效率增大D.以上都对.重质油催化剂裂化制轻质油的反应过程是BA脱氢过程B裂化反应C热裂解反应过程D催化过程.数值稳定性好，通常，迭代收敛过程有CoA很缓慢B很快C四种可能情况D收敛解.氨合成过程的物料必须进行循环，主要集中在DA制气工段B压缩工段C脱硫工段D氯合成工段.脱硫中间槽的作用是什么？A稳定生产B分离脱硫液与流泡沫C保证足够的反应时间D加入空气答案A49使用机械化澄清槽，对焦油、氨水和焦油渣组成的混合物进行沉降分离最上层的物质是什么？A焦油渣B焦油C氨水D水答案C.ADA湿法脱硫过程中，可以视为催化剂的物质是A ADAB偏钗酸钠C碱D硫答案B.化工生产过程按其操作方法可分为间歇、连续、半间歇操作其中属于稳定操作的是（B）A间歇操作B连续操作C半间歇操作D以上都不是

52、间歇反应器是（A）A一次加料，一次出料B二次加料，一次出料C一次加料•，二次出料D二次加料，二次出料

53、间歇反应器内浓度（A）A只随时间变化，不随位置变化B既不随时间变化也不随位置变化C只随位置变化，不随时间变化D既随时间变化也随位置变化

二、填空题.化工系统工程的基础是（模拟），但其核心内容是过程系统的（最优化）.（模型化）是现代化学工程方法论的重要组成部分，尤其是过程动态学的核心.（化工过程）是以天然物料为原料经过物理或化学的加工制成产品的过程.对于过程机理清楚的问题，一般采用（机理模型）进行优化，其优点是结果比较精确.自由度为

（0）的系统优化问题即系统模拟问题.（lr）是最优化问题有解的必要条件之一.系统中的单元设备只要已知其（所有输入流股）和有关（决策变量），就可通过调用相应的单元模板，解出所有输出流股.系统结构分析的过程是系统模拟使联立求解的变量数逐步（降低）的过程，因此结构分析也称（系统分解）.稳态优化模型通常适用于稳态过程系统（设计参数优化）和（离线操作参数优化）.模拟计算求解的方法包括（序贯模块法）（面向方程法）（联立模块法）.结构单元图由（结构单元）与（流股）构成.对于含有这种再循环物流的不可分隔的子系统，求解有2种方法，即（联立求解）与（断裂迭代收敛）..（联立模块法）又称双层法，将过程系统的近似模型方程与单元模块交替求解.（状态变量）是决策变量的函数，它们是不能独立变化的变量，服从于描述系统行为的模型方程.状态方程限制了状态变量与决策变量间的关系，故是一种（约束条件）.化工过程生产操作工况的调节主要是对物料流（温度，压力，流量，液位），组成的操作参数的调节.系统结构分析的过程是系统模拟式联立求解的，变量数逐步降低的过程，因此结构分析也称（系统分解）.利用结点和边的结合，对系统结构进行数学描述构成（结构单元图）.过程系统模拟计算求解的方法包括（序贯模块法）（面向方程法）（联立模块法）.利用（结点）和（边）的结合对系统结构进行数学描述，构成结构单元图.在一个图中，若两个点由一条边连接起来，则称为（邻接点）.（流程）是一组单元设备的集合，它既包括用于间歇操作的设备，又包括用于辅助操作的设备.单元设备监测有三个功能采集和执行控制配方中的程序元素（或最基本的操作步骤）;（管理设备单元资源）；收集物料和设备单元的加工信息.配方包括五部分内容:品名、程序、（公式）、设备和安全.求解（OPT1）优化问题的优化方法视其处理约束条件的方式分为两大类:可行路径型和（不可行路经型）.结构优化和（参数优化）是过程系统的两大类优化问题，他们贯穿于化工过程设计和化工过程操作.在一个典型的工厂中，优化可用于以下三个方面:管理、（过程设计和装置规范）、车间操作.（动态特性）是间歇过程的本质，其操作条件及产品质量都会随时间而变化.（稳态操作）是连续过程的本质，其操作条件及产品质量都不会随时间而变化.生产化工产品的三要素是产品市场，（生产工艺），生产设备

三、判断题.变压吸附的基本原理是利用平衡吸附量随着压力的提高而增加的规律，人为地使吸附塔的操作压力周期性变化，从而实现吸附，解吸分离过程（回）.决策变量等于系统的自由度，它们是不能独立变化的变量，服从于描述系统行为的模型方程（x）.根据目标函数及约束条件线性与非线性性质，可将求解方法分为线性规划LP和非线性规划NLP两大类（团）.序列线性逼近法（SLP）适应性强，能处理大规模的优化问题，且收敛速度快（x）.对于过程系统模型方程组而言，决策变量和状态变量的地位是等同的（对）6输出变量是可通过其所存在的方程中其他变量求解的变量，且每个变量只能被指定一次作为输出变量（对）.所谓最优化就是在给定条件可以下获得最好的结果（对）.稳态又称作定常态，稳态优化模型中的过程变量、目标函数和约束条件均随时间的变化而变化（错）9化工过程生产操作工况的调节，主要是对物料流温度、压力、流量、组成等操作参数的调节（X）

10.模拟计算求解的方法包括序贯模块法、面向方程法、联立模块法（/）1L根据对过程系统中状态变量分布特征的不同描述方式集中参数模型、分布参数模型、多级集中参数模型、确定性模型（机理模型）（X）.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（/）.化工过程分析与合成的任务是以高产、优质、高耗为目标，寻求工艺生产中的设备、流程的合理配置方案以及最优生产工况的操作X.定态局部稳定性，是指由瞬时小干扰引起的对定常态的偏离，在扰动因素消失后，系统能自动回复原始定常态✓15•每个循环分四个阶段:减压、吸附、放空与吹扫X16各种化工过程系统基本上都可用数学模型描述✓.对某个给定的过程系统模型进行模拟求解，可得出该系统的部分状态变量，从而可以对该过程系统进行工况分析（义）.化工过程系统的结构，常表示为化工生产系统的工艺流程图（/）.过程系统模拟的三种基本方法是序贯模块法，面向方程法，联立模块法（/）.过程系统模拟的序贯模块法计算出错时不易于诊断出错位置（X）

四、简答题L简述系统模拟优化采用的最优化方法评述答A.直接搜索法它应用简便，计算比较可靠，但优化方法每迭代一次都要做一次全流程模拟计算，属于可行路径法B.罚函数型和拉格朗日型的优化方法曾被广泛用于处理有约束的非线性问题，但随着问题维数的增多，其数学性质变得复杂，条件变坏，求解困难，而且罚函数的选择和修正带有很大的任意性用以解决大系统参数优化问题C.序列线性逼近法（SLP）该法适应性强，能处理大规模的优化问题，但收敛速度慢D.广义简约梯度法（GRG）适应性好，收敛速度快，特别是可以直接用于处理大规模优化问题，但在过程优化方面应用的报道不多.请说出过程系统稳态模拟三种方法，并对其三种方法的优缺点进行比较答

①序贯模块法、面向方程法、联立模块法

②优缺点.基地式控制技术的优缺点答优点a.特点为各个控制回路都是相互独立的；b.当某一控制回路出现故障时，不致影响其他回路的正常工作，系统的可靠性易于得到保障缺点a.对于规模范围较大被控参数较多的对象来说，较多的控制回路需要相应设置较多的硬件；b.分散控制，难于实现总体优化的控制方案.写出根据对过程系统中状态变量分布特征的不同描述方式，根据写出的不同描述方式分模型类型模型表达形式应用例集中参数模型代数一常微分方程组理想搅拌罐反应器动态模型，等分布参数模型代数一偏微分方程组填料塔、管式反应器动态模型等多级集中参数模型代数一常微分方程组板式塔动态模型，串连CSTR动态模型，等方法优点缺点序贯模块法与工程师直观经验一致，便于学习使用；易于通用化，已积累了丰富的单元模块；需要计算机内存较小；有错误易于诊断检查；再循环引起的收敛迭代很费机时；进行设计型计算时，很费机时；不宜用于最优化计算；面向方程法解算快；模拟型计算与设计型计算一样；适合最优化计算，效率高；易与动态模拟联合实现要求给定较好的初值，否则可能得不到解；计算失败后诊断错误所在困难；形成通用化程序有困难有，故使用不便；难以继承已有的单元操作模块双层法联立模块法可以利用前人开发的单元操作模块；可以避免序贯模块法中的循环流迭代；比较容易实现通用将严格模型做成简化模型时，需要花费机时；用简化模型来寻求优化时，其解与严格与严格模型优化解是否一致，有争论。