1中国石油大学化工系统工程第一阶段在线作业答案.docx

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1中国石油大学化工系统工程第一阶段在线作业答案

中国石油大学（北京）远程教育学院

《化工系统工程》复习题

一、选择题

1）过程是对原料进行某些物理或化学变换，使其性质发生预期变化。

以下哪个不属于过程的范畴

A.烃类裂解,B.不锈钢棒加工成螺栓

C.海水晒盐,D.颗粒筛选

2）化学工程是过程系统工程的

A.研究工具B.服务和研究对象C.优化手段D.实施方法

3）由乙醇-水组成的混合物，可用以下哪种方程来预测其汽液气液平衡

A.PRB.SRKC.SHBWRD.NRTL

4）在一个绝热封闭体系中，投入了5种已知质量的化合物，这些物质在其中发生了3个化学反应，产生了2种新化合物。

当系统稳定下来后，生成了2个液相层、1个固相，1个气相，要确定系统的状态需要几个变量？

A.2B.5C.7D.11

5）某车间有5股流量稳定的物料同时进入一个带搅拌器的储罐中，储罐底部有一台带出口阀的离心泵将混合物料输送到其它车间。

有什么手段可以维持储罐内液位稳定？

A.关闭阀B.阀全开C.调节阀开度使出料量等于总进料量D.无法控制

6）一股有8个组分的物流，被分割成5股，可写出的独立物料平衡方程数量是几个？

A.4B.5C.6D.7

7）液相混合物中有5mol/h的A与10mol/h的B，温度为40℃，压力为1MPa。

进入反应器后发生液相化学反应生成产物C，要控制产物C的收率，你能调节哪些变量？

A.反应温度B.反应压力C.出口物料冷却温度D.什么都控制不了

8）一股有8个组分的物流，其自由度等于

A.8B.9C.10D.11

9）一股有8个组分的物流，进料条件已知。

进入闪蒸罐进行闪蒸分离，能够影响闪蒸罐操作的独立变量数是多少个？

A.2B.4C.8D.10

10）某车间有一常规精馏塔，进料中有8个组分。

当操作压力一定时，在日常生产中能够用来独立控制产品质量的手段有几种？

A.3B.2C.15D.5

11）一块无进料、无侧线抽出、无外取热的平衡级单元，已知气液相进料条件，其自由度是多少个？

A.1B.2C.3D.4

12）从平衡级分离的角度来看，闪蒸分离相当于几块理论板

A.1B.2C.3D.4

13）下面哪个单元不适合用公式法分析单元自由度？

A.分割器B.两相闪蒸C.3相闪蒸D.精馏塔

14）在进行闪蒸计算前，必须先确认体系处于两相区。

怎样才能判断体系的状态？

A.将汽化分率=0及=1代入方程f（）=0，可直接判断

B.计算出所处压力下的泡点温度、露点温度,再与体系温度对比可判断

C.由于计算相平衡常数需知气液组成，而计算气液组成又需知相平衡常数，构成循环，故无法判断

D.不知道

15）一股热物料与一股冷物料进行热量交换，换热量固定，下面哪种情况是正确的

A.冷、热物流的出口温度均可独立指定

B.出口温度可指定，但出口压力不可随意变化

C.出口温度不能改变，压力与流动压降有关

D.出口温度、压力均可随意调整

16）分析过程系统结构时可根据哪一种图直接写出节点相邻矩阵:

A.原则流程图B.节点-边有向图C.方框图D.以上3种图形均可

17）从过程系统的节点相邻矩阵怎样才能发现流股“汇集单元”

A.行有多个非零元素B.列有多个非零元素

C.行有1个非零元素D.列有1个非零元素

18）从过程系统的节点相邻矩阵怎样才能发现“分支单元”

A.行有多个非零元素B.列有多个非零元素

C.行有1个非零元素D.列有1个非零元素

19）某节点相邻矩阵中第3列没有非零元素，则说明该列对应单元属于：

A.孤立单元，与其它单元无关B.无法解释

C.输入端单元D.输出端单元

20）某关联矩阵中，节点所对应的行有2个“+”物流，3个“-”物流，则该节点有：

A.0个输入，5个输出B.5个输入，0个输出

C.2个输入，3个输出D.3个输入，2个输出

21）某过程系统的联接表共有30行，其中节点D所对应的代码在左列出现了3次，则：

A.该系统共有30个单元B.该系统共有3条弧

C.该系统共有30个单元，节点D有3个输出弧

D.从目前信息看不出有多少个单元，但该系统共有30条弧，且节点D有3条输出弧

22）一股已知所有进料条件的物料经过一个电加热器加热后进入一个带调节阀的闪蒸器进行气液分离，该系统在操作时的自由度是多少个？

（不考虑流动压降）

A.0B.1C.2D.3

23）如果某过程系统节点相邻矩阵A连乘3次，得到一个新的矩阵B，即B=AAA。

如果B中的元素b58=1,b37=0，则说明：

A.从节点5经过3段弧可到达节点8；从节点3经过3段弧终点不是节点7，但途中可能路过节点7

B.从节点5经过3段弧可到达节点8；从节点3经过3段弧中途一定没有经过节点7

C.只要在A、A*A中出现过一次1，在以后再相乘时相应位置均会为1

D.无法说明任何信息

24）某节点相邻矩阵A经过运算得到AA、AAA两个新的矩阵，将A、AA、AAA三个矩阵布尔相加后得到可及矩阵A*，其中元素值a35=a53=1、a37=a73=1、a57=1、a75=0，则说明：

A.节点3与5组成一个独立回路、节点3与7组成一个独立回路，且这两个回路没有任何关系

B.节点3与5组成一个简单回路、节点3与7组成一个简单回路，且这两个回路构成复合回路

C.节点3、5、7共同组成一个尺寸为3的简单回路

D.节点5与7构成回路

25）在节点相邻矩阵A中全零列表示输出端单元，该节点在AA、AAA等运算中仍会为全零列。

在某可及矩阵A*中依次删除的全零列顺序及相应的拟节点为{3}、{1,6}、{2,4,5},则该系统：

A.还无法判断该系统能否分解

B.不可分解，必须整体求解

C.可分解为{3}、{1,6}、{2,4,5}三个子系统，依次求解

D.可分隔为{3}、{1,6}、{2,4,5}三个子系统，逆序求解

26）由描述过程系统结构的原始索引矩阵I运用乘幂法则通过比较与替代获得了新的矩阵J=I*I，其中，出现了4个相同的节点对{3-3}、{6-6}、{8-8}、{7-7}，则：

A.不应该出现这种情况，一定是运算错误，重新计算

B.{3、6、7、8}共同组成一个尺寸为4的回路，必须整体处理

C.一定是{3，6}、{7，8}分别构成回路，并形成复合回路

D.这4个节点构成两个简单回路，但目前的信息还无法判断具体组合信息

27）采用面向方程法模拟时，下面哪个优点不是属于面向方程法的

A.循环物流不需迭代B.设计规定不许迭代

C.复杂流程模拟稳定性提高D.建模难度低

28）某过程系统的模型方程组共有100个方程，非零系数数量是2000个。

该方程组的稀疏比是多少？

A.0.02B.0.2C.2D.20

29）一个有5个方程的方程组，要进行分解，则必须指定多少个不同的输出变量

A.1B.2C.3D.5

30）某方程组中，变量x5总共出现在8个方程中，则在将方程组转化为有向图时，选择x5作为变量的那个方程将有几条输出弧

A.5B.6C.7D.8

31）对过程系统最优化问题的描述，下面哪一种表达是错误的？

A.最优化问题必须有优化变量、优化目标和约束条件

B.过程系统优化问题都可以写出代数表达式，用常规的最优化问题求解方法进行求解

C.过程系统优化无法写出具体的数学表达式，所以必须采用数值计算方法

D.过程系统中所有的独立变量都有作为优化变量资格

32）在正常生产时下面哪一种目标不能用于作为过程系统的优化目标

A.系统消耗的循环水、电力和燃料消耗最少。

因为它们是不同的物料，无法对比

B.关键产物的收率最大

C.系统的加工量最大

D.精馏塔的理论塔板数最少

33）正常生产时，工程师不能选择哪个变量作为优化变量

A.设备操作压力B.反应器温度

C.塔的进料位置D.泵的输入功率

34）在对炼油厂进行生产计划优化时，下面哪种叙述是错误的？

A.约束条件包括各设备的物料平衡、生产能力、产品质量、产品供求量等

B.一股物料分成多股去向不同的设备时每个去向都必须设置为变量

C.在价值类目标函数中，可以忽略产量恒定的产品，只保留可变变量，不会对最优解产生影响

D.可以把系统中所有的选定的独立变量作为优化变量

35）关于换热网络设计的最求目标，下面哪种是错误的

A.最少的换热器数量B.最少的换热器总重量

C.最多的热量回收D.传热温差尽量接近0

36）关于最小允许传热温差的叙述，哪种是正确的

A.是热力学传热极限B.是工程上能接受的传热极限

C.数值越大，可回收热量越多D.数值越小，传热推动力越大

37）某换热系统中，有多股工艺物流，其中有一股280℃的饱和水蒸汽放出热量成为饱和水，另有一股饱和状态下的水变为160℃的饱和蒸汽。

现需要计算夹点，规定最小允许传热温差为20℃，有关这两股物流下面哪一个温度区间的划分可能是正确的

A.…,{260，260},…,{160,160},…B.…,{280，280},…,{160,160},…

C.…,{260，260},…,{140,140},…D.…,{280，280},…,{140,140},…

38）某工艺物流，其流率为200kg/s，换热后升温20℃。

在温度变化的范围内其热容变化较小，取其平均值3kJ/（kg.K），其热容流率和热负荷是多少？

A.热容流率600kW/K;热负荷12000kWB.热容流率4000kW/K;热负荷12000kW

C.热容流率600kW/K;热负荷4000kWD.热容流率600kW/K;热负荷400kW

39）划分夹点温度区间的方法是：

A.冷流与热流端点温度按照从大到小的顺序排序，没有潜热的相同温度点只保留一个

B.热流端点温度减去最小允许传热温差与冷流的端点温度一起按照从大到小的顺序排序，没有潜热的相同温度点只保留一个

C.冷流端点温度减去最小允许传热温差与热流的端点温度一起按照从大到小的顺序排序，没有潜热的相同温度点只保留一个

D.热流端点温度减去最小允许传热温差与冷流的端点温度一起按照从大到小的顺序排序，相同温度点只保留一个，有潜热的系统无法计算夹点

40）计算夹点时，温度区间1的输出热负荷是120kW，温度区间2的热流负荷是200kW，冷流负荷是300kW，则温度区间2向温度区间3输出的热负荷是多少？

A.120kWB.200kWC.80kWD.20kW

41）热流H1要求从360℃降温到160℃；H2从300℃降温到180℃；冷流C1要求从60℃升温到220℃。

规定最小允许传热温差为20℃，下面哪个温度区间的划分是正确的？

A.360,300,220,200,160,60B.340,280,200,140,60

C.340,280,200,160,60D.340,280,220,160,140,60

42）某换热系统，当I1=0时，温度区间之间的最小传热负荷为-200kW，最后一个温度区间输出负荷为60kW，则该系统的最小加热负荷和最小冷却负荷是多少kW？

A.0,60B.200,60C.200,260D.0,260

43）换热网络中有一股热流热容流率为4kW/K，温度从180→80℃；另一股冷流热容流率为2kW/K，温度从80→160℃；系统的最小允许传热温差为20℃，这两股物流的最大可交换热量是多少kW？

热量富裕的物流换热开始或者结束的温度点是多少℃？

A.160,140B.320,100C.100,160D.120,160

44）从分离推动力的角度来说，压力越低，组分之间越容易分离。

但C2、C3、C4等轻烃组分的分离实际上都在加压下进行，主要原因是什么？

A.设计错误B.原料气压力高

C.加压后泡点温度升高，可减少低温操作的程度，降低冷冻负荷

D.减少塔器直径

45）采用萃取分离方法后一般要马上将溶剂脱除，下面哪个因素不是马上脱除溶剂的目的？

A.溶剂发生分解B.溶剂成为杂质，影响产品质量

C.增加后续设备加工负荷D.担心溶剂出现损耗

二、判断题

（True,False）

1）系统工程是一门关于决策方法论的技术科学

2）化工最优化追求的是不同目标的整体优化

3）对于生产车间的主任来说，可运行化工系统工程理论来指导车间的生产管理

4）对于类似于中石化总公司这样的大型企业，过程系统工程是追求整体最优的理论工具

5）对一个过程进行模拟就是列出其模型方程组，并对方程组进行求解

6）实验室微型精馏塔是化工系统工程的一个研究对象

7）核算型模型的特征就是给定输入条件和设备参数，计算出模型的输出结果。

核算型模型也具有预测结果的能力

8）设计型模型能够自动调整某一调节变量，使模型某参数的结果满足规定的要求

9）在实验室微型反应器中所获得的反应过程数学模型都可直接用于设计工业装置

10）某一固定体积的封闭体系中，气体的压力P、温度T均可独立发生变化

11）对于含有30%氢气的烃类混合气体，所有状态方程均可应用于预测其P-V-T性质

12）自由度是系统能够自由指定数值的变量的数目

13）对于方程组来说，变量数等于方程数时，所有类型的方程组都具有唯一解

14）一股有5个组分的物流，被分割成3股，可写出5个物料平衡方程

15）物流在管道内的流动压降必须算作自由度

16）一台泵的出口压力与电机功率可同时指定

17）用描述规则法可以分析出单元的详细特征信息

18）对于一个闪蒸器，可同时指定其T、P和换热器Q作为独立变量

19）精馏塔板平衡级模型的特点是认为离开塔板的气相和液相达到了平衡状态，因此气液相的温度、压力都相同

20）对于理想体系，组分相平衡常数只与温度和压力有关，而与组成无关，可由温度下的组分饱和蒸气压算出。

因此，理想体系的闪蒸模型方程组为线性方程组

21）在自由度分析时，节流阀所产生的压降与管道所产生的压降性质一样，都属于因流动压降，都不能算作自由度

22）通过联立求解闪蒸模型方程组，可线性代数方法计算出理想体系的绝热闪蒸结果

23）如果将气体视为理想气体，压缩机的自由度与离心泵一样，都只有1个

24）当体系中两个组分的相平衡常数相同时，不能由闪蒸的方式将两者分离

25）对过程单元进行模拟时，可列出的模型方程类型主要有：

物料平衡方程、能量平衡方程、反应方程、相平衡方程等

26）节点相邻矩阵的行所对应的非零元素表示列对应的节点向行对应的物流有输出

27）某节点相邻矩阵中元素a38的数值等于1，说明从节点3有一个输出弧直接到达节点8

28）节点相邻矩阵中某一行没有非零元素，则说明该行对应单元与其它单元没有联系

29）关联矩阵了描述节点和弧之间单向联系方式

30）关联矩阵中，所有弧均被表示了两次，一次为输出、一次为输入，因此弧所对应的行只有两个非零元素，且行之和一定为0

31）关联矩阵中节点所对应的行有多个“+”，表示该节点有多个输入弧，为汇集单元；如有多个“-”，则表示有多个输出弧，为分支单元

32）联接表是节点相邻矩阵的压缩存储形式；顺序表是关联矩阵的压缩存储形式。

但两者存储的信息无法用于识别系统结构

33）在分析过程系统的自由度时，可将系统内的所有单元合在一起，视为一个“组合单元”，也可用表述规则法来分析过程系统的自由度

34）过程系统内部单元之间的连接物流在分析自由度可视为独立物料

35）一个方程中指定某一变量为输出变量，在方程组求解时其数值需事先给定

36）根据Hall各异条件，一个N个变量，N个方程构成的方程组，若对每个方程可以指定一个变量作为输出变量，且该变量不再作为其它方程的输出变量，则该方程组必定有解

37）方程系统可以将方程排成为一排，变量排成一排，将有关系的方程和变量间连线，形成拓扑双层图，用以Lee系列算法获得最佳求解结构的独立变量组合

38）某4维方程组，其中只有一个局部度为1的变量，而没有局部度为1的方程，则该方程组分解后必定会出现至少有2个以上方程的环形结构子方程组

39）不相关子系统就是一个大系统内的两个子系统之间没有任何联系，过程系统可在建模时观察、分析出来，方程系统可通过Himmelblau算法识别出来

40）通过各种方法找到的不可分隔子系统的过程实际上就是从一个大系统中找出可以按照一定顺序求解的规模较小的子系统

41）可及矩阵可用于识别相同尺寸的简单回路及多个简单回路共用一个节点所构成的复合回路

42）索引矩阵与联接表是两种完全不同的描述过程系统结构的方法

43）索引矩阵经2次过乘幂法则后得到的矩阵I3,其描述的还是原系统中3步弧的信息，与Berge定理意义相同

44）在原始节点相邻矩阵中找到一条Steward通路，就是找到了一个回路

45）序贯模块法进行流程模拟时，有回路或者有设计规定的流程必须进行迭代

46）序贯法模拟时，如流程中有回路，则必须对返回物流（循环物流）进行切断，迭代处理

47）在写回路矩阵时，必须将流程中所有物流都写进去

48）序贯法流程计算时，必须保证流程中所有回路都至少切断一次。

但最好是每个回路都只切断一次

49）某系统的有效断裂组为{S2,S5,S7}，单元D的输入物流为进料F2和内部物流S5，出口物流为S8、S9。

由于在断裂组{S2,S5,S7}中没有F2，所以无法运用替代规则进行替代

50）对于循环物流较多、或者设计规定较多的流程，采用面向方程法模拟不需迭代，效率更高。

但方程组需将整体系统的方程一同求解，求解难度增加

51）一般说来，过程系统的投资费用越大，将来的运行费用越低。

因此这两者属于对立面，不能将两者同时用做优化目标

52）最优化问题的最优解必须满足所有的约束条件

53）在进行优化计算时，必须等所有流程计算结果都出来后才能得到本次的优化目标数值

54）进行优化问题求解时，所有的优化算法都要求每次迭代都在可行域中进行

55）炼油厂不同装置生产的汽油馏分调合成质量符合国家标准的成品汽油时，只需要质量达标即可，调合方案对销售收益的影响不大

56）在进行生产系统的优化时，要经过系统的自由度分析、确定独立变量、筛选出少量优化变量、识别不可分隔子系统、确定最佳断裂流股、建立流程模拟模型，建立优化模型、选择优化计算方法等过程

57）夹点技术的基础是热力学第二定律

58）夹点就是冷热工艺物流组合曲线在满足工程传热要求的基础上能够最大程度接近的限制点

59）进行换热网络设计时，只要每台换热器的传热温差大于最小允许传热温差，所设计出来的换热网络都能达到最大热量回收的目标，且换热总面积不变

60）在T-H图上，如果一段直线的斜率越小，说明其热容流率越小，温度越容易受到热量的影响

61）在组合曲线图上，热流曲线如果斜率变小，说明有热流达到目标温度

62）在组合曲线图上，冷流曲线如果斜率变小，说明有冷流达到目标温度

63）在计算夹点划分温度区间时，需要将热流端点温度与冷流端点温度一起减去最小允许传热温度，然后一起按照从大到小的顺序排序

64）计算夹点过程中进行温度区间的热量传递时，上级温度区间的热负荷可以与下级温度区间的热负荷双向流通

65）从热量回收与传热速率的角度来看，都希望传热温差越大越好

66）某换热网络的冷流夹点温度为180℃，最小加热负荷为200kW。

目前设置中有一台换热器将一股冷流与一股热流进行热量回收，冷流温度由180℃升温到290℃，加热负荷为240kw。

这是一个合理的加热方案，因为冷流的起始温度已跨过了冷流的夹点温度

67）一股冷流从夹点温度开始与一股热流进行热量交换，则该换热匹配一定是夹点匹配，必须严格遵循夹点匹配的可行性原则进行设计

68）采用夹点设计法进行换热网络设计时，夹点之上的热流必须通过换热的方式降温到夹点温度。

因此，当夹点之上的热流数目多于冷流数目时，则必须将冷流进行分割，才能满足传热温差的要求。

69）换热网络中，冷流与热流的夹点相同

70）换热网络中有一股热流热容流率为2kW/K，温度从180→80℃；另一股冷流热容流率为4kW/K，温度从80→160℃；系统的最小允许传热温差为20℃，热流夹点温度为180℃，这两股物流可以进行夹点匹配。

71）将一股热流与一股冷流进行多次换热，因总面积变化不大，对换热器网络的投资费用影响不大

72）为了降低换热网络的投资，进行换热网络设计时除了要“一次用尽”，还应尽量选择热容流率比较接近的物流进行匹配，以利于选择标准换热器

73）对于丙烷-丙烯的分离操作一般应在没有其它杂质下进行

74）运用线性规划方法确定汽油调合方案属于过程系统工程的内容

75）如果两个组分的相对挥发度相近，即使对产物的纯度要求很高，也必须采用萃取的方式进行分离

三、简答题

一、已知方程组的形式为:

请用Sargent&Westerberg法将方程组分解为维数较小的子方程组，并用组合节点（拟节点）表示出子方程组的计算顺序。

答案：

1

写出方程系统的事件矩阵

2从非零元素最少行与非零元素最少列的交点开始指定每个方程的输出变量，如果有方程不能指定输出变量，也没关系，可通过Steward通路增加

（结果可能有多种）

（图中输出变量下的数字表示指定顺序）

3根据输出变量将方程组转化为有向图

4用图解法分析，最终结果：

删除顺序：

{f2,f4},{f3,f5},{f7}，{f1,f6}

计算顺序：

{f1,f6}→x1,x2{f7}→x5{f3,f5}→x6,x7{f2,f4}→x3,x4

二、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

，试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，并利用夹点设计法设计该换热过程的初始网络。

物流标号热容流率初始温度终了温度热流量

CP/（kW

Q/kW

H14.015060360

H22.516050275

C13.550170420

C22.040150220

答案：

（1）根据所给数据作出问题表格

（1）

（2）对各个子网络进行热量恒算，得到问题表格

（2）

得到如下信息：

在Tmin=10℃的情况下，夹点温度在热流体夹点温度150℃和冷流体夹点温度140℃之间，故

夹点温度热流：

T→150℃；冷流：

140℃←t

最小公用工程加热量QHmin=10