宜宾学院2009——2010学年度上期《化工过程分析与合成》试题（B卷）答案
得分 阅卷人 一、判断题（每小题2分，共20分）
（1）采用夹点设计法设计换热网络时，为保证系统的最大热回收，应避免热物流穿越夹点。（N）
（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 ） （8）穿越夹点的热流量为零，则夹点处的传热推动力为零。（N ）
（9）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 ） （10）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 ）
得分 阅卷人 二、分析讨论题（每小题4分，共20分）
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。 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。 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。 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。
1
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）
得分 阅卷人 三、分析计算题（每小题20分，共60分）
1. 一换热网络有2个工艺热物流和2个工艺冷物流，数据如下表所示。若热、冷物流间最小允许传热温差?Tmin?10?C，试用问题表格法确定该过程的夹点温度、最小公用工程冷负荷和最小公用工程热负荷。
物流标号 热容流率 初始温度 终了温度 热流量 CP/(kW/?C) TS/?C Tt/?C Q/kW H1 4.0 150 60 360
H2 2.5 160 50 275 C1 3.5 50 170 420 C2 2.0 40 150 220
[解]
（1）根据所给数据作出问题表格（1）
问题表格（1）子网络序号冷物流及其温度热物流及其温度kC1 C2 H1 H2170 180SN1 150 160SN2 140 150SN3 105 115SN4 50 60SN5 40 50
（2）对各个子网络进行热量恒算，得到问题表格（2）
问题表格（2）子网络序号赤字Dk热量kW 热量kWkW 无外界输入热量I k Q k外界输入最小热量I k Q kSN1 70 0 -70 100 30SN2 30 -70 -100 30 0 SN3 -35 -100 -65 0 35SN4 -55 -65 -10 35 90 SN5 -5 -10 -5 90 95 得到如下信息：
在?T min=10oC的情况下，夹点温度在热流体夹点温度150oC和冷流体夹点温度140 oC之间，故 夹点温度 T = 145 oC
2
最小公用工程加热量 Q H min = 100 kw 最小公用工程冷却量 Q C min = 95 kw （3）夹点上方子网络匹配
热端设计：物流标号热容流率kW/ oCCP初始温度oC目标温度oC热负荷kWQTs TtH2 2.5 160 150 25C1 3.5 140 170 105C2 2.0 140 150 20
夹点H1H2C1C2H1180H22520
（4）夹点下方子网络匹配
冷端设计：物流标号热容流率kW/ oCCP初始温度oC目标温度oC热负荷kWQTs TtH1 4.0 150 60 360H2 2.5 150 50 250C1 3.5 50 140 315C2 2.0 40 140 200
夹点23C45C50315200
H1H2C1C2
3
（5）整个初始网络为：
整体设计方案：H1H2C1C2H1夹点213C1H45C2H5080H225315200 20
2. 识别下图中的不相关独立子系统；断裂所有最大循环网；画出迭代计算顺序图。
S15 S4 S1 1 S2 2 9 S16 S3 3 S6 S11 S5 4 S7 S14 8 S13 7 S9 S10 6 S12 S8 5
解：(1) 识别不相关独立子系统。
(2) 单元串搜索法或矩阵法识别出6，(1,2,3,4,5) 断裂循环网(Lee-Rudd法) 回路矩阵
?S2?A?1B?0?C?0f??1S31102S41001S50101S60101S70011S8?R?0?30?3 ?1?21??除去不独立的列
断S3，S7，或S3，S8 (3) 迭代计算顺序图
0
① 断开S3，S7，是否满足︱S3－S3︱＜ξ2
4
S1 S2 S30S11S4S5S10S8S9 S3S6S7S70
是否满足︱S70－S7︱＜ξ
1
② 断开 S3，S8，是否满足︱S30－S8︱＜ξ2，
S1S2S30S11S80S4S5S10S3S6S9S8S7
是否满足︱S80－S8︱＜ξ1
3. 现有一六组分碳氢化合物的混合物，其组成和各组分的相对挥发度如下表所示： 序号 A B C D E F 流量（kmol/h） 4 30 100 32 24 10 相邻组分相对挥发度 2.45 1.18 2.89 1.45 2.50 标准沸点（oC） -42.1 -6.3 -0.5 15.0 21.0 36.1
工艺要求分离出5个产品A，B，C，DE，F，拟采用常规蒸馏，试利用分离度系数有序探试法综合分析，找出最优的分离序列，分离该5个组分为纯组分。 解：
（1）根据经验规则1、2，分离采用常规精馏，加压。
（2）根据规则3，DE不用分开。 （3）规则4 未采用。
（4）根据规则5，B/C的分离应放在最后。
（5）根据规则6，C组分应优先分出，但规则5优先于规则6，故C放在最后分离。 （6）计算分离易度系数 CES ( A/BCDEF)=0.73 CES ( AB/CDEF)=1.19
5
CES ( ABC/DEF)=7.63 CES ( ABCDE/F)=0.79
根据规则7 ABC/DEF分离应优先，因为此处分离易度系数最大 （7）考虑前面的步骤，得到以下分离序列：
ABC|DEF A|BC A B B|C C
DE DE|F F 6