化工过程分析与综合习题答案

3 4
，6,5），7，1,2,3-------合并 1，2，3，4，5，6，
7----------（（7，1，2，
3 4
），6,5）
（4）加上 8
所以计算顺序为（1， 2, 3，4 5,6
A
，7）， 8
7
1
2
3C 4
B
5
6
Loop Matrix：
S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 R
所以计算顺序为：5，（1,2,3,4,6,8,9），7
2.
6
B
1
2C 3 A 4
5
注意：回路 C 是指回路（1,5,4,3,6）
Loop Matrix：
S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 R
A
11
2
B1 1
1 14
C
11111 16
f1 1 1 2 1 1 1 2 2
S9 和 S10 之间断开 S10（考虑权因子 2<5）,回路 B,C 打开
习题解答
2-1 （1）d=n-m n=4(c+2) m=c+c+1+1=2c+2 d=4(c+2)-(2c+2)=2c+6
给定流入流股：2(c+2) 平衡级压力：1
所以没有唯一解
（2）存在热损失 n=4(c+2)+1 m= =2c+2 d=2c+7
给定 2c+5
所以没有唯一解
（3）n=2(c+2)+2+2+1=2c+9 m=1+c+2=c+3 d=c+6
础，逐步调优。 （2） 夹点技术法：以热力学原理和分析方法为基础，以最小能耗为
S4 和 S5 之间断开 S4（权因子 1<2）,回路 A 打开
用邻接矩阵法确定计算顺序：
010010
001000
R=
000101 001000
010100
100000
将 3.4 看做一个节点：
01010 00100 R= 0 0 0 0 1 01100 10000
01100 00001 R2= 1 0 0 0 0 00101 01010
A1 1
11 4
B
1
111
4
C
11
2
f1 2 1 1 1 1 1 1 1
S2，S6，S7，S8，S9，S10 包含于 S3
S5 包含于 S4
断开 S3,A,B 回路打开，断开 S4,C 回路打开。
2
系统的邻接矩阵：
0100000 0010001 0001010 R= 0 0 0 0 0 0 1 0100000 0000100 1010000
V1
L2 x2i
计算顺序如下：
F2 V2
F3
Qc
F4
X2i
F1
Y1i
T1 P1 T2 P2
4-1 如何理解 T-H 图中横坐标 H（焓）的物理意义？
T-H 图上横坐标 H 的物理意义不同于物理化学中的焓，其物理意
义为每秒钟流过管横截面（与流体流动的方向垂直的截面）的流体所
具有的焓（热量）。
4-2 当一过程流股的比热容随其温度变化较大时，如何在 T-H 图上标
为一下弯曲线；若 Cp 随 T 减小，图形为一上弯曲线；
4-3 当一过程流股被加热时由液态变为气态，试举例说明如何在 T-H
图上标绘该流股？
T
T
H
纯组分
H
混合物
4-4 什么是过程系统的夹点？
过程系统中传热温差最小的地方或热通量为 0 的地方。
4-5 如何准确的确定过程的夹点位置？
有两种方法：
1.采用单一的△Tmin 确定夹点位置。
（2）1，（2,3,4,6），9,1-----（1，（2,3,4,6），9）
（3）（1，（2,3,4,6），9），8,3-----（1，（2,（3,4,8），6），9）
在（1,2,3,4,6,8,9）中有 3 个回路分别是（1,2,9），（3,4,8），（2,3,4,6）
（4）5 不在任何回路中，可首先计算。
2-3 Nxu
压力等级数 1
进料变量数 2(c+2)=4+3=7
合计
9
Nau 串级单元数 1
回流分配器 2
侧线采出单元数 2
传热单元数 5
合计
15
Nvu=9+15=24
d=24
给定的不满足要求，还需给定入塔混合物的温度，两塔的操作压力，塔 2
的回流比。
2-4 Nxu
压力等级数 N+M+1+1+1(N 和 M 为两个塔的塔板数)
0011
R=
1000 0100
1000
7 为一步循环回路，去掉，则邻接矩阵为：
001 R= 1 0 0
010 010 R2= 0 0 1 100 100 R3= 0 1 0 001
所以计算顺序表为：
计算顺序 1 2 3
A
1
2
C
5
7
B
节点 （1,2,3,4）
7 6，5
3
4
6
Loop Matrix:
S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 R
A1
11
3
B
1
1 13
C
1111
4
f1 1 2 1 1 1 1 1 1
S2, S7 包含于 S8
S9, S10, S3, S5, S6 包含于 S4
所以断开 S4，B,C 回路打开，断开 S8，A 回路打开。
计算顺序用单元串搜索法：
（1）1,2,3,4,6,2---------1，（2,3,4,6）
（3）消去ω1 ，x3 ，
F3
F5
ω2 x2 ω3
ω4 x4 x5 p
局部度为 1：ω2 ，ω4
（4）消去ω2 ，ω4
x2 ，ω3，x4 ，x5，p 局部度均为 0，选为设计变量。
求解顺序如下：
F3 ω3
F5 ω4 F6 X4
F4
t
F1 ω1
F2 X1
S F7 3-6 描述过程系统的独立方程有： 物料平衡：V1y1i= V2y2i+ L2x2i
进料变量数 c+2
合计
c+N+M+5
Nau 串级单元数 4
回流分配器 4
侧线采出单元数 1
传热单元数 4
合计
10
Nvu= c+N+M+5+10= c+N+M+15
d= c+N+M+15
2-5
2-6
2-7 简捷算法：Reflex Ratio：-1.3 Light Key：Methanol 0.95
Heavy Key：Ethanol 0.1585 Pressure：Condenser：1.9 公斤 Reboiler：1.8 公斤 最小回流比为：3.529 实际回流比：4.588 最小理论板数：14.47 实际板数：26.18 进料板：10.47 逐板计算：27 块塔板，11 板进料，塔顶采出：31.67kmol/hr，回流比：4.6
F1（V1，V2，L2，y1i，y2i，x2i）=0 V1= V2+ L2 F2（V1，V2，L2）=0 能量平衡：V1H1= V2H2+ L2H3+Qc F3（V1，V2，L2，Qc，T1，P1，T2，P2）=0 相平衡：y2i=kx2i F4（y2i，x2i,T2，P2）=0 （1） 该系统的双图层为：
化物流工艺参数，得到合理的过程系统中热流量沿温度的分布，从而
减小公用工程负荷，达到节能的目的。确定各物流适宜的传热温差贡
献值，从而改善夹点。
具有一个热阱（或热源）和多个热源（或热阱），满足：
Ui ai
Ti
i— 第 i 台换热器。
多个热源与多个热阱匹配换热：
hj aj
T j
j— 第 j 个物流
找到一参照物流 r，则：T j
00101 10000 R3= 0 1 0 1 0 10001 01100
10001 01010 R4= 0 1 1 0 0 11010 00101
计算顺序为：（3,4），（1,2,3,5,6）
3-5
变量数：ω1——ω5，x1——x5，s, t, p 13 个变量。
方程数：7 个
自由度 d=13-7=6 个
(1)收集过程系统中冷热物流数据。
(2)选择一△Tmin 用问题表格法确定夹点位置，并得到 QH,min 及 Q 。 C,min
(3)修正△Tmin，直至 Q 及 H,min QC,min 与现有的冷、热公用工程负荷相 符，则得到该过程系统夹点的位置。
2．采用现场过程中各物流间匹配换热的实际传热温差进行计算。
(1)按现场数据推算各冷、热物流对传热温差的贡献值。
(2)确定各物流的虚拟温度。
(3)按问题表格法进行夹点计算，注意△Tmin 为 0，因为在计算中采
用虚拟温度，已经考虑了各物流间的传热温差值。 （P115）
4-6 如何合理的设计过程的夹点位置？
设计合理的夹点位置，可以改进各物流间匹配换热的传热温差以及优
0010001 1011010 0000101 R2= 1 0 1 0 0 0 0 0010001 0100000 0101010
1011010 0101111 1110000 R3= 0 1 0 1 0 1 0 1011010 0010001 0 0 1 0 1 01
1,2,3,4 看做一个拟节点，所得的邻接矩阵为：
3-1 8
6
5
7
16
1
2
15
17
3
4
13
14
10
11
12 9
3-2
2
4
5
12
11
6
1
3
7
8
9
10
3-3 1.单元串搜索法 （1）1,2,3,4,3---合并 3,4---1,2，（3,4）
（2）1,2，（3,4），6,5,2---合并 2,3,4,5,6---1，（2，
3 4
，6,5）
（3）1，（2，
F1
F2
F3
F4
V1 y1i V2 y2i L2 x2i Qc T1 P1 T2 P2
局部度为 1：y1i ，T1，P1，y1i
（2）消去 y1i，Qc，F1，F3
F2
F4
V1
V2 y2i L2 x2i
T1 P1 T2 P2
局部度为 1：V1，V2，y2i，L2，x2i，T2，P2
（3）消去 V2，y2i，F2，F4
给定进料：c+2 冷却水进口温度：1
所以没有唯一解
2-2（1）Nv=3(c+2) （2）物料衡算：FiZFi=VyFi+LxFi (i=1,2……c) 热量衡算：FHF=VHV+LHL 相平衡：yFi=kixFi (i=1,2……c) 温度平衡：TV=TL 压力平衡：PV=PL （3）Ne=2c+3 （4）d= Nv- Ne=c+3 （5）进料（c+2）和节流后的压力（1）
hr a j h j ar
Tr
每一物流的传热温差贡献值都确定以后，按确定夹点位置的两种方法，
确定改进后的夹点位置，进行热回收系统的设计。 4-7 过程系统总组合曲线的物理含义是什么？如何使计算结果符合 现场生产工况？ 总组合曲线表达了温位与热流量的关系。形象的描述了需要补充热量 的温位以及可以回收热量的温位；夹点上方即热阱，只需要热公用工 程；夹点下方即热源，只需要冷公用工程。 可以确定出不同温位的共用工程用量的大小。在实际工况中有指导意 义。 4-8 如何诊断一过程系统的用能状况？ 分析过程系统的夹点，看现有的夹点位置与最优的夹点位置是不是在 同一个位置。绘制总组合曲线，确定不同温位的公用工程用量，与实 际所用的公用工程相比较，确定有没有用能的浪费。举例略。
绘该流股，试举例说明。
∆H Q C W T T
W=1 Ts=10 Cp=10
若 Cp 不随 T 变化 ∆H 10 T 10
若C 10 0.05T 则∆H 0.05T 9.5T 100
若C 10 0.05T 则∆H 0.05T 9.5T 100
可见，若 Cp 不随 T 变化，图形为一直线; 若 Cp 随 T 增大，图形
A1
1
13
B
1
11
3
C
1
111
4
f1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
S2,S8 包含于 S11
S4,S10 包含于 S9
S3,S5,S6 包含于 S7
断开 S11，S9，S7 则回路 A，B，C 打开。
3-4
1.
9
A
8
B
1
2
3
4
C
5
6
7
Loop Matrix:
S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 R
5-1 换热网络综合问题的定义的定义及目标是什么？ 换热器网络综合问题就是确定具有最小设备投资，最小操作费用，能 达到过程要求的换热器网络结构。并能满足每一个过程物流的工艺要 求（从初始温度达到目标温度），具有较好的柔性、可控性和可操作 性。 5-2 换热网络的设计工作一般包括哪些步骤？ 换热器网络设计步骤： （1）选择工艺流股和公用工程流股; （2） 确定经济合理的夹点温差和公用工程用量; （3） 综合出初步的候选换热网络； （4） 将候选网络优化成最好的换热网络; （5）对换热器进行详细设计; （6）模拟计算，进行技术经济评价和系统操作性分析，若对结果不 满意，返回第（2）步，直至满意。 不同的综合方法，体现在（2）、（3）步。 5-3 换热网络综合的方法各有什么特点？ （1） 启发式经验规则法：不能保证一次得到最优解，可以以此为基
工艺给出ω5，还需五个设计变量。
（1） 该系统的双层图为：
ω5
F1
F2
F3
F4
F5
F6
F7
ω1 x1 ω2 x2 ω3 x3 ω4 x4 x5 t p s
局部度为 1：x1，t，p，s
（2）消去 x1，t，s，F2, F4, F7
F1
F3
F5
F6
ω1
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ω2 x2 ω3 x3 ω4 x4 x5 p
局部度为 1：ω1 ，x3 ，x4 ，x5