《化工過程分析與綜合》復習題及習題期末及答案一、填空題（每空2分，共20分）1.化工過程系統的三要素包括變量、方程和約束條件。2.過程系統自由度分析的基本公式為Nv-Neq，其中Nv為獨立變量數，Neq為獨立方程數。3.夾點技術中，熱夾點處的最小傳熱溫差ΔTmin對應的熱物流與冷物流的焓變速率相等，此時系統的最小加熱負荷QHmin和最小冷卻負荷QCmin達到理論最小值。4.分離序列合成的啟發(fā)式規(guī)則中，“優(yōu)先分離含量少的組分”的目的是減少后續(xù)分離過程的處理量，降低設備投資和操作成本。5.過程優(yōu)化問題中，若目標函數和約束均為線性，則屬于線性規(guī)劃；若目標函數或約束包含非線性項，則屬于非線性規(guī)劃。6.換熱網絡合成的“問題表法”核心步驟是構建組合曲線，通過計算各溫度區(qū)間的熱負荷確定夾點位置。7.對于連續(xù)穩(wěn)態(tài)過程，物料平衡的基本方程為輸入物料量=輸出物料量+累積量，當系統無累積時，方程簡化為輸入=輸出。二、選擇題（每題3分，共15分）1.以下關于過程系統分解的描述，錯誤的是（）A.分解的目的是降低系統復雜度，便于求解B.子系統間的連接變量需通過迭代或聯立方程求解C.序貫模塊法中，子系統按流程順序依次計算，無需迭代D.聯立方程法直接求解所有變量的方程組，計算效率可能更高答案：C（序貫模塊法可能因循環(huán)回路需要迭代）2.某精餾塔分離A、B、C三元混合物（A最輕，C最重），根據啟發(fā)式規(guī)則，最優(yōu)分離序列應為（）A.先分離A（塔頂），剩余B+C再分離BB.先分離C（塔底），剩余A+B再分離AC.先分離中間組分B（側線采出），再分離A和CD.直接采用復雜塔同時分離三組分答案：A（優(yōu)先分離輕組分，減少后續(xù)塔的處理量）3.夾點技術中，若熱物流的熱容流率Cp_h=2kW/℃，冷物流Cp_c=3kW/℃，ΔTmin=10℃，則夾點處熱物流溫度T_h與冷物流溫度T_c的關系為（）A.T_h=T_c+10B.T_c=T_h+10C.T_h=T_c-10D.無固定關系，需結合焓變計算答案：A（熱物流溫度高于冷物流，溫差為ΔTmin）4.過程系統建模時，以下變量中屬于狀態(tài)變量的是（）A.進料流量B.操作壓力C.塔板數D.塔頂產品組成答案：D（狀態(tài)變量由系統內部決定，進料流量、壓力、塔板數為操作或設計變量）5.關于分離過程的熱力學效率，正確的描述是（）A.實際分離功與最小分離功的比值B.最小分離功與實際分離功的比值C.實際能耗與最小能耗的比值D.最小能耗與實際能耗的比值答案：B（熱力學效率=理想功/實際功，數值≤1）三、簡答題（每題8分，共32分）1.簡述過程系統模擬的主要目的及常用方法。答：過程系統模擬的主要目的是通過數學模型描述實際化工過程，預測系統在不同操作條件下的性能（如產量、能耗、產品質量），為設計、優(yōu)化和操作提供依據。常用方法包括：（1）序貫模塊法：按流程順序依次調用各單元模塊（如精餾、換熱器）計算，循環(huán)回路需迭代求解；（2）聯立方程法：將系統所有方程聯立求解，直接計算全部變量，適用于強耦合系統；（3）聯立模塊法：結合前兩者，將單元模塊方程與系統方程聯立，平衡計算效率和靈活性。2.說明夾點技術在能量集成中的核心原則及違反原則的后果。答：核心原則：（1）夾點上方（高溫區(qū)）僅使用加熱公用工程，禁止使用冷卻公用工程；（2）夾點下方（低溫區(qū)）僅使用冷卻公用工程，禁止使用加熱公用工程；（3）熱冷物流在夾點處的匹配需滿足最小傳熱溫差ΔTmin，且熱容流率匹配（避免局部溫差過?。?。違反原則的后果：會導致額外的加熱或冷卻負荷，增加公用工程消耗；可能造成換熱網絡中局部傳熱溫差小于ΔTmin，導致換熱器面積無限大（理論上不可行）。3.分離序列合成中，“易分離優(yōu)先”規(guī)則的具體含義及應用場景。答：“易分離優(yōu)先”指優(yōu)先分離相對揮發(fā)度大（或分離因子高）的組分對，因為其所需理論板數少、回流比小，能耗和設備投資更低。應用場景：當混合物中存在多個可分離的組分對時（如A-B-C三元體系中，A/B的相對揮發(fā)度α1=3，B/C的α2=1.2），應優(yōu)先分離A/B，降低后續(xù)分離B/C的難度和成本。4.簡述過程優(yōu)化中“可行域”與“最優(yōu)解”的關系，并舉例說明。答：可行域是滿足所有約束條件（如物料平衡、設備限制、操作條件）的變量取值范圍。最優(yōu)解是可行域內使目標函數（如利潤最大、能耗最?。┻_到極值的點。例如，某反應器的優(yōu)化問題中，溫度T的可行域為200-400℃（受材料耐溫限制），目標函數為轉化率最大化。通過計算發(fā)現，當T=350℃時轉化率最高，且350℃在可行域內，則350℃為最優(yōu)解；若最優(yōu)溫度為450℃（超出可行域），則需調整至可行域邊界（400℃）作為實際最優(yōu)解。四、計算題（共25分）題目1（10分）：某連續(xù)穩(wěn)態(tài)反應-分離系統包含反應器（R）、精餾塔（T）和換熱器（E），已知：-反應器進料F=100kmol/h，組成為A:30%、B:70%（摩爾分數）；-反應器中A的轉化率為80%，反應式A→C（100%選擇性）；-精餾塔塔頂采出為未反應的A（純度95%），塔底為B和C的混合物（B純度98%，C純度2%）；-換熱器將精餾塔塔頂A全部循環(huán)至反應器入口。試計算：（1）反應器出口物料中A、B、C的流量（kmol/h）；（2）精餾塔塔底物料流量及組成（摩爾分數）；（3）循環(huán)量與新鮮進料量的比值（循環(huán)比）。解答1：（1）反應器入口A流量：F_A0=100×30%=30kmol/h；轉化率x=80%，則反應消耗A：ΔA=30×80%=24kmol/h；反應器出口A流量：A_out=30-24=6kmol/h；B不參與反應，出口B流量：B_out=100×70%=70kmol/h；生成C流量：C_out=ΔA=24kmol/h；故反應器出口物料：A=6，B=70，C=24（kmol/h）。（2）設精餾塔塔頂采出A的流量為D（kmol/h），純度95%，則D中A=0.95D，其他組分（主要是B）=0.05D；塔底物料流量為W=反應器出口總量-D=(6+70+24)-D=100-D；塔底組成要求B純度98%，C純度2%，即：塔底B流量=0.98W=70-0.05D（反應器出口B總量減去塔頂B）；塔底C流量=0.02W=24（反應器出口C全部進入塔底）；由C的平衡：0.02W=24→W=1200kmol/h？顯然矛盾，說明假設塔頂含B的量可忽略（因A純度95%，可能B含量極低）。修正：塔頂主要為A，B含量可忽略（0.05D≈0），則塔底B流量≈70kmol/h，C流量=24kmol/h；塔底總流量W=70+24=94kmol/h；塔底組成：B=70/94≈74.47%（與題目要求的98%不符，說明需重新考慮）。正確思路：精餾塔分離A（輕組分）與B、C（重組分），塔頂A純度95%，即塔頂中A占95%，B+C占5%；塔底為B和C，其中B純度98%（即B/(B+C)=98%），C純度2%。物料平衡：總物料：反應器出口總量=6+70+24=100kmol/h=D+W；A平衡：6=0.95D+0（塔底無A）→D=6/0.95≈6.316kmol/h；B平衡：70=0.05D+0.98W（塔頂B=0.05D，塔底B=0.98W）；C平衡：24=0+0.02W（塔底C=0.02W）→W=24/0.02=1200kmol/h（與總物料平衡矛盾，說明題目中“塔底B純度98%”應為B在塔底中的純度，即B/(B+C)=98%，而塔底無A）。重新整理：塔底只有B和C，設塔底B流量為B_w，C流量為C_w，則B_w/C_w=98/2=49/1；反應器出口B=70，C=24，全部進入塔底（因塔頂主要是A），故B_w=70，C_w=24→B_w/C_w=70/24≈2.917≠49，說明需循環(huán)物流補充。實際應為：循環(huán)物流中A返回反應器，精餾塔處理的是反應器出口物料（含A=6，B=70，C=24），塔頂采出A（純度95%），即塔頂中A=0.95D，B=0.05D（少量）；塔底為B=70-0.05D，C=24，總塔底流量W=70-0.05D+24=94-0.05D；根據塔底B純度98%：(70-0.05D)/(94-0.05D)=0.98→70-0.05D=0.98×94-0.049D→70-92.12=0.001D→D=-2212（不合理，說明題目條件可能簡化為塔底無B損失，即塔頂僅含A）。簡化處理：假設塔頂A純度100%（忽略B），則D=6kmol/h（反應器出口A全部被分離），塔底物料=100-6=94kmol/h，其中B=70，C=24，組成B=70/94≈74.47%，C=24/94≈25.53%（題目條件可能存在設定誤差，此處按簡化計算）。（3）循環(huán)比=循環(huán)量/新鮮進料量=D/F=6/30=0.2（新鮮進料中A為30kmol/h，循環(huán)量為塔頂A=6kmol/h）。題目2（15分）：某廠有兩股熱物流和兩股冷物流，數據如下表所示：|物流類型|流量（kg/h）|熱容（kJ/kg·℃）|初始溫度（℃）|目標溫度（℃）||----------|--------------|------------------|----------------|----------------||熱物流H1|1000|4.2|150|50||熱物流H2|1500|2.0|120|60||冷物流C1|2000|3.0|30|100||冷物流C2|800|5.0|40|90|設最小傳熱溫差ΔTmin=10℃，試用問題表法計算：（1）各物流的熱負荷（kJ/h）；（2）構建溫度-焓圖的組合曲線，確定夾點溫度；（3）系統的最小加熱負荷QHmin和最小冷卻負荷QCmin。解答2：（1）熱物流H1的熱負荷：Q_H1=m1×Cp1×(T1_in-T1_out)=1000×4.2×(150-50)=420000kJ/h；H2的熱負荷：Q_H2=1500×2.0×(120-60)=180000kJ/h；冷物流C1的熱負荷：Q_C1=2000×3.0×(100-30)=420000kJ/h；C2的熱負荷：Q_C2=800×5.0×(90-40)=200000kJ/h。（2）確定物流的溫區(qū)并排序（考慮ΔTmin=10℃，熱物流溫度需高于冷物流10℃）：熱物流實際溫度區(qū)間（用于組合曲線）：H1（150→50），H2（120→60）；冷物流實際溫度區(qū)間（需+ΔTmin后與熱物流比較）：C1（30+10=40→100+10=110），C2（40+10=50→90+10=100）。將所有溫度點排序（熱物流溫度，冷物流調整后溫度）：50,60,100,110,120,150（℃）。計算各溫區(qū)的熱流量變化（ΔH）：-溫區(qū)1（150→120℃）：僅H1放熱，ΔH_H1=1000×4.2×(150-120)=126000kJ/h；-溫區(qū)2（120→110℃）：H1和H2放熱，H1ΔH=1000×4.2×(120-110)=42000kJ/h，H2ΔH=1500×2.0×(120-110)=30000kJ/h，總ΔH=72000kJ/h；-溫區(qū)3（110→100℃）：H1放熱，H1ΔH=1000×4.2×(110-100)=42000kJ/h；C1需熱量（調整后溫度110→100對應實際C1溫度100→90），C1ΔH=2000×3.0×(100-90)=60000kJ/h；凈ΔH=42000-60000=-18000kJ/h（需補充熱量）；-溫區(qū)4（100→60℃）：H1放熱=1000×4.2×(100-60)=168000kJ/h，H2放熱=1500×2.0×(110-60)=1500×2×50=150000kJ/h（原H2目標溫度60℃，對應調整后溫度60℃）；C1需熱量=2000×3.0×(90-30)=360000kJ/h（原C1目標溫度100℃對應調整后110℃，已處理），C2需熱量=800×5.0×(100-50)=200000kJ/h（調整后溫度50→100對應實際40→90）；凈ΔH=(168000+150000)-(360000+200000)=318000-560000=-242000kJ/h；-溫區(qū)5（60→50℃）：H1放熱=1000×4.2×(60-50)=42000kJ/h；無冷物流需求（冷物流最低調整后溫度40℃，低于50℃），凈ΔH=42000kJ/h（需冷卻）。通過累積熱負荷確定夾點：從最低溫開始累積，當累積熱負荷由負轉正時的溫度即為夾點。計算累積ΔH：-溫區(qū)5（60→50）：累積=42000（需冷卻）；-溫區(qū)4（100→60）：累積=42000-242000=-200000（需加熱）；-溫區(qū)3（110→100）：累積=-200000-18000=-218000（需加熱）；-溫區(qū)2（120→110）：累積=-218000+72000=-146000（需加熱）；-溫區(qū)1（150→120）：累積=-146000+126000=-20000（需加熱）。最小累積熱負荷為-218000kJ/h，說明需在夾點處補充熱量218000kJ/h，夾點溫度