沈阳化工大学-期末复习-化工过程分析与综合
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二、夹点处过程系统的热流量为零，从热物流的角度（或从 温位角度），它把过程系统分为两个独立的子系统。为保证过程 系统具有最大的能量回收，设计中应遵循三原则：夹点处不能有 热流量穿过；夹点上方不能引入冷却公用工程；夹点下方不能引 入加热公用工程。 （3）夹点具有两个特征：一是该处热、冷物流间的传热温差最小， 刚好等于ΔTmin；另一是该处（温位）过程系统的热流量为零。 4.2 基本公式
规则（1）~（7）略
6.2 基本公式
（1）分离序列数：含有 R 个组分的混合物分离成 R 个单组分产品，
其分离序列的总数目。
SR
[2(R 1)]! R!(R 1)!
（2）分离序列的子群数（相邻的流股）：分离过程中产生的流股数
1 G R(R 1)
2
（3）分离子问题数（独立分离单元数 ）：所有分离序列中不重样的
二、组分 j 的物料平衡
组分 j 累积速率=由外界环境进入该系统的组分 j 的速率-由系统排出的组分 j 的速率
三、能量平衡
系统能量积累速率=外界物流带入系统能量-系统流出物流带出能量+环境 通过系统边界传递能量+系统中反应产生能量+通过环境做功产生的能量
（3）几个重要的自由度（P8）
单元操作 示意图 混合器
第七分之二章 信号流图
7/2.1 基本概念 （1）信息流图：可以用结点代表方程，有向线代表在方程之间传送 的变量的信息，这种有向图是一种信息流图 （2）信号流图：可以用有向图中的结点代表向量，而用有向线表明 变量之间的变换关系—这就构成了信号流图 （3）支路：结点间的有向线称为支路. （4）传输比：每条支路均带有称为传输比的某一数值，它代表线性 方程中变量前的系数。 （5）始端点和末端点：一条支路两端（始端和末端）的结点，分别 称为该支路的始端点和末端点。 （6）输入支路和输出支路：指向和离开一个结点的支路，分别称为 该结点的输入支路和输出支路。 （7）自环：始端和末端为同一结点的支路，称为自环支路，或简称 “自环”。 （8）源结点：只有输出支路的结点，称为源结点。 （9）汇结点：只有输入支路的结点，称之为汇结点。 （10）残图：经过简化只剩下源结点和汇结点的图，称为残图。
loglk, hk
W
D D
B
1
DB DB
Fra Baidu bibliotek
6.3 重要例题 【例题 6.2.2】设有丙烷、1-丁烯、正丁烷、反 2-丁烯、顺 2-丁烯、 正戊烷等 6 组分混合物，温度为：37.8℃，压力为 1.03MPa，各组分 的摩尔流量如下（见 PPT）
第七章 过程系统集成
知识点： （1）热机：利用热能产生动力的装置 （2）热泵（冰机）：利用动力提供一定温度（不同于环境）的热 （冷）能的装置。
一、进行系统的分隔（或分割）； 二、进行子系统（指循环回路或最大循环网）的断裂。 （4）最大循环网断裂的基本判断准则（P62）： 一、断裂流股数目最少； 二、断裂流股包含的变量数目最少； 三、对每一流股选定一个权因子，该权因子数值反映了断裂该 流股时迭代计算的难易程度，应当使所有的断裂流股因子数值 总和最小； 四、选择一组断裂流股，使直接代入法具有最好的收敛特性。
第四章 夹点技术的基础理论
4.1 基本概念 （1）温焓图：以温度为纵轴，以焓为横轴，简明地描述过程系统中 的工艺物流及公用工程的热特性的图。P102 （2）夹点意义（P113）：
一、夹点处热、冷物流间传热温差最小，为ΔTmin，它限制了 进一步回收过程系统的能量，构成了系统用能的“瓶颈”，若想 增大过程系统的能量回收，减小公用工程负荷，就需要改善夹点， 以“解瓶颈”；
第二章 单元过程的模拟
2.1 基本概念
（1）化工单元过程数学模型分类（P6）：
一、按对象的时态本质来看，可以分为稳态模型与动态模型。
二、按模型建立的方法来看，可以分为机理模型与经验模型。
三、按过程对象的数学描述方法不同，可以分为集中参数模型和
分布参数模型。
四、按对象的属性不同，可以分为确定性模型和随机模型。
2.2 基本公式
（1）自由度计算公式：
n
d (Ci 2) (S 1) e r g i 1
n——输入流股数
e——与物料无关的能量流
Ci——第 i 个输入流股组
和压力引入的自由度
分数
r——独立反应数
S——分支输出流股数
g——几何自由度，通常=0
（2）守恒关系式（P35）
一、物料质量平衡
质量累积速率=质量流入系统速率-质量流出系统速率
分割器
闪蒸器
独立方程数 m=C+2
自由度
d=n—m=3(C+2)-(C+2)= 2(C+2)
m=2C+3
分割成 2 股物流，自由度： d=(C+2)+1 分割成 S 股物流，自由度： d=(C+2)+(S-1)
d=3(C+2)+1-（2C+3） =C+4
换热器
反应器 压力变化 单元
d c1 c2
独立变量数 1 1 1 C-1 1 1 1 N N
C+5+2N
解： 独立变量数：n=3(C+2)+1 独立方程：物料衡算 C 个、热量衡算、温度平衡、压力平衡、 相平衡 C 个。故：独立方程数：m=2C+3 自由度：d=n-m=3(C+2)+1-2C+3=C+4
方法：独立变量数=流股×（C+2）+能量交换 独立方程式=物料守恒+能量方程+相数+化学反应+内在约束
分离器总数。
U 1 R(R2 1) 6
（4）如果考虑采用多种分离方法，分离方法数为 N ：
SR
[2(R 1)]! R!(R 1)!
N R1
（5）分离易度系数（CES）
定义：CES=f×△
f (≤1)为塔顶与塔釜产品摩尔流量比
（6）分离难度系数
定义：
CDS
log
xlk x hk
D
xlk x hk
第六章 分离序列综合
6.1 基本概念
（1）简单塔定义：
① 指一个进料分成两个产品；
② 每一个组分只出现在一个产品中——锐分离 ；
③ 塔顶设全凝器以及塔底设再沸器。
（2）分离点（切分点） ：可以分离开的相邻组分之间 如 A/B B/C
R 组分混合物分离成 R 个纯组分产品，存在 R-1 个分离点
（3）直观推断（P175）
化工过程分析与综合
化工优创 1202 班
前言
一、考试题目类型：
1.填空
3.问答
2.选择
4.大题
二、考试重点
1.自由度计算（必有大题）
2.信息流图、信号流图、矩阵等转化（必有大题）
3.最大循环网络断裂（必有大题）
4.信号流图与方程转化（必有大题）
5.分离序列
6.夹点技术
三、考试类型：开卷考试（=_=||），红色的都是重点！！！
第一章 绪论
1.1 基本概念 （1）化工过程：用适当的原料经过一系列物理单元操作和化学反应 的单元过程而转化为合乎需要的产品的过程。P1 （2）过程系统工程：是一门综合性的边缘学科，它以处理物料—— 能量——资金——信息流的过程系统为研究对象，其核心功能是过程 系统的组织、计划、协调、设计、控制和管理；P1 （2）化工过程工业要求：最优设计、最优规划、最优决策、最优控 制、最优管理；P1 （3）过程系统工程研究内容：过程系统模拟，包括稳态过程系统模 拟和动态过程系统模拟；过程系统综合；过程系统操作与控制，包括 数据筛选与校正、过程操作优化、过程安全监控及事故诊断、操作模 拟培训系统；间歇过程的设计与操作优化；人工智能技术应用。P3 （4）系统：为了在给定条件下实现一定目的，由若干互有联系、彼 此影响的事物组成的一个统一整体。 （5）参数优化：在一已确定的系统流程中，对其中的操作参数（如， T、P、Vs）等进行优选，以满足某些指标（如，费用、能耗、环境 影响等）达到最优。 （6）结构优化：改变过程系统中的设备类型或相互间的联结，以优 化过程系统。
第三章 过程系统模拟
3.1 基本概念 （1）过程系统模拟的基本任务（P44） 化工过程系统的稳态模拟与分析，就是对化工工艺流程系统进行稳态 模拟与分析。模拟是对过程系统模型的求解。包括：物料和能量衡算、 设备尺寸和费用计算、过程的技术经济评价。
通过求解可以解决三类问题： 1、过程系统的模拟分析 2、过程系统的设计 3、过程系统的优化 （2）表述流程结构的其他形式:图形形式，矩阵形式。 （3）化工过程系统分解的基本步骤（P52）：
4：建立数学模型。
（7）化工过程系统稳态模拟软件（P80）：Aspen Plus、PRO/II 和
HYSYS。
3.2 重要例题
看 PPT 习题课：
★★★将下面的流程图分别转化为：
（1）信息流图 （2）信号流图
（3）过程矩阵 （4）邻接矩阵
（5）关联矩阵
A 混合器 B 预热器 C 反应器 D 精馏塔 E 全凝器
（5）化工过程系统模拟的基本方法（P74）：序贯模块法、联立方程
法和联立模块法。
（6）化工过程系统模拟的基本步骤（P78）：
1：提出问题。
5：选择演算方法。
2：从有关的资料和基本原理中寻 6：编写计算程序。
找这一问题的已知规律，奠定这 7：上机演算。
一过程的理论基础。
8：整理计算结果。
3：化工基础数据的收集和整理。 9：与已知结果进行核对。
d=C+r+4
阀
门
d=2(C+1)-(C+2)=C+3
泵、压缩机 d=2(C+2)+2-(C+2)=C+4
（4）精馏塔自由度（P11）
变量名称 总板数 N 进料板位置 NF 进料量 F 进料组成 zi 进料温度 TF 进料压力 pF 压力控制 各板的压力降 Δpj 各板与环境传热量 Qj
2.3 重要例题 求闪蒸罐独立变量数：
在 T-H 图上，多个热物流和冷物流可分别用热组合曲线和冷组合曲线进行表达
T/o
D T/o
C
C
T/o
DC
D
BC
C
2
FC
E
2
B
E
F
1 A
C
C1+ C2
AC
A
C
(a
H/k
)
W
1 (c
H/k
)
W
(b
H/k
)
W
第五章 换热器网络的综合
5.1 基本概念 （1）夹点设计法基本步骤（P124）：
一、给定网络热回收温差 HRAT；确定网络的最小公用工程耗 量及夹点位置； 二、以夹点划分为两个子网络分别设计，然后合并，得到能耗 最小的整体网络； 三、采用能量松弛法，通过断开热负荷回路减少换热单元数目， 进行网络调优。 （2）夹点设计法的基本原则（P130）： 一、避免有热流量通过夹点； 二、夹点上方避免引入公用工程冷却物流； 三、夹点下方避免引入公用工程加热物流。
7/2.2 基本公式 （1）基本规定
（2）并列加法规则
y ax
z 3x 2y 4
（3）串联乘法规则
X2=（a+b+c）X1
（4）自环消除规则
X4=abcX1
X2=a/(1-b) X1
（5）支路移动规则
（6）结点移动与消除规则 7/2.3 重要例题 例 1.图的简化
例 2.利用信号流图求解方程组 答案见 PPT
规则（1）~（7）略
6.2 基本公式
（1）分离序列数：含有 R 个组分的混合物分离成 R 个单组分产品，
其分离序列的总数目。
SR
[2(R 1)]! R!(R 1)!
（2）分离序列的子群数（相邻的流股）：分离过程中产生的流股数
1 G R(R 1)
2
（3）分离子问题数（独立分离单元数 ）：所有分离序列中不重样的
二、组分 j 的物料平衡
组分 j 累积速率=由外界环境进入该系统的组分 j 的速率-由系统排出的组分 j 的速率
三、能量平衡
系统能量积累速率=外界物流带入系统能量-系统流出物流带出能量+环境 通过系统边界传递能量+系统中反应产生能量+通过环境做功产生的能量
（3）几个重要的自由度（P8）
单元操作 示意图 混合器
第七分之二章 信号流图
7/2.1 基本概念 （1）信息流图：可以用结点代表方程，有向线代表在方程之间传送 的变量的信息，这种有向图是一种信息流图 （2）信号流图：可以用有向图中的结点代表向量，而用有向线表明 变量之间的变换关系—这就构成了信号流图 （3）支路：结点间的有向线称为支路. （4）传输比：每条支路均带有称为传输比的某一数值，它代表线性 方程中变量前的系数。 （5）始端点和末端点：一条支路两端（始端和末端）的结点，分别 称为该支路的始端点和末端点。 （6）输入支路和输出支路：指向和离开一个结点的支路，分别称为 该结点的输入支路和输出支路。 （7）自环：始端和末端为同一结点的支路，称为自环支路，或简称 “自环”。 （8）源结点：只有输出支路的结点，称为源结点。 （9）汇结点：只有输入支路的结点，称之为汇结点。 （10）残图：经过简化只剩下源结点和汇结点的图，称为残图。
loglk, hk
W
D D
B
1
DB DB
Fra Baidu bibliotek
6.3 重要例题 【例题 6.2.2】设有丙烷、1-丁烯、正丁烷、反 2-丁烯、顺 2-丁烯、 正戊烷等 6 组分混合物，温度为：37.8℃，压力为 1.03MPa，各组分 的摩尔流量如下（见 PPT）
第七章 过程系统集成
知识点： （1）热机：利用热能产生动力的装置 （2）热泵（冰机）：利用动力提供一定温度（不同于环境）的热 （冷）能的装置。
一、进行系统的分隔（或分割）； 二、进行子系统（指循环回路或最大循环网）的断裂。 （4）最大循环网断裂的基本判断准则（P62）： 一、断裂流股数目最少； 二、断裂流股包含的变量数目最少； 三、对每一流股选定一个权因子，该权因子数值反映了断裂该 流股时迭代计算的难易程度，应当使所有的断裂流股因子数值 总和最小； 四、选择一组断裂流股，使直接代入法具有最好的收敛特性。
第四章 夹点技术的基础理论
4.1 基本概念 （1）温焓图：以温度为纵轴，以焓为横轴，简明地描述过程系统中 的工艺物流及公用工程的热特性的图。P102 （2）夹点意义（P113）：
一、夹点处热、冷物流间传热温差最小，为ΔTmin，它限制了 进一步回收过程系统的能量，构成了系统用能的“瓶颈”，若想 增大过程系统的能量回收，减小公用工程负荷，就需要改善夹点， 以“解瓶颈”；
第二章 单元过程的模拟
2.1 基本概念
（1）化工单元过程数学模型分类（P6）：
一、按对象的时态本质来看，可以分为稳态模型与动态模型。
二、按模型建立的方法来看，可以分为机理模型与经验模型。
三、按过程对象的数学描述方法不同，可以分为集中参数模型和
分布参数模型。
四、按对象的属性不同，可以分为确定性模型和随机模型。
2.2 基本公式
（1）自由度计算公式：
n
d (Ci 2) (S 1) e r g i 1
n——输入流股数
e——与物料无关的能量流
Ci——第 i 个输入流股组
和压力引入的自由度
分数
r——独立反应数
S——分支输出流股数
g——几何自由度，通常=0
（2）守恒关系式（P35）
一、物料质量平衡
质量累积速率=质量流入系统速率-质量流出系统速率
分割器
闪蒸器
独立方程数 m=C+2
自由度
d=n—m=3(C+2)-(C+2)= 2(C+2)
m=2C+3
分割成 2 股物流，自由度： d=(C+2)+1 分割成 S 股物流，自由度： d=(C+2)+(S-1)
d=3(C+2)+1-（2C+3） =C+4
换热器
反应器 压力变化 单元
d c1 c2
独立变量数 1 1 1 C-1 1 1 1 N N
C+5+2N
解： 独立变量数：n=3(C+2)+1 独立方程：物料衡算 C 个、热量衡算、温度平衡、压力平衡、 相平衡 C 个。故：独立方程数：m=2C+3 自由度：d=n-m=3(C+2)+1-2C+3=C+4
方法：独立变量数=流股×（C+2）+能量交换 独立方程式=物料守恒+能量方程+相数+化学反应+内在约束
分离器总数。
U 1 R(R2 1) 6
（4）如果考虑采用多种分离方法，分离方法数为 N ：
SR
[2(R 1)]! R!(R 1)!
N R1
（5）分离易度系数（CES）
定义：CES=f×△
f (≤1)为塔顶与塔釜产品摩尔流量比
（6）分离难度系数
定义：
CDS
log
xlk x hk
D
xlk x hk
第六章 分离序列综合
6.1 基本概念
（1）简单塔定义：
① 指一个进料分成两个产品；
② 每一个组分只出现在一个产品中——锐分离 ；
③ 塔顶设全凝器以及塔底设再沸器。
（2）分离点（切分点） ：可以分离开的相邻组分之间 如 A/B B/C
R 组分混合物分离成 R 个纯组分产品，存在 R-1 个分离点
（3）直观推断（P175）
化工过程分析与综合
化工优创 1202 班
前言
一、考试题目类型：
1.填空
3.问答
2.选择
4.大题
二、考试重点
1.自由度计算（必有大题）
2.信息流图、信号流图、矩阵等转化（必有大题）
3.最大循环网络断裂（必有大题）
4.信号流图与方程转化（必有大题）
5.分离序列
6.夹点技术
三、考试类型：开卷考试（=_=||），红色的都是重点！！！
第一章 绪论
1.1 基本概念 （1）化工过程：用适当的原料经过一系列物理单元操作和化学反应 的单元过程而转化为合乎需要的产品的过程。P1 （2）过程系统工程：是一门综合性的边缘学科，它以处理物料—— 能量——资金——信息流的过程系统为研究对象，其核心功能是过程 系统的组织、计划、协调、设计、控制和管理；P1 （2）化工过程工业要求：最优设计、最优规划、最优决策、最优控 制、最优管理；P1 （3）过程系统工程研究内容：过程系统模拟，包括稳态过程系统模 拟和动态过程系统模拟；过程系统综合；过程系统操作与控制，包括 数据筛选与校正、过程操作优化、过程安全监控及事故诊断、操作模 拟培训系统；间歇过程的设计与操作优化；人工智能技术应用。P3 （4）系统：为了在给定条件下实现一定目的，由若干互有联系、彼 此影响的事物组成的一个统一整体。 （5）参数优化：在一已确定的系统流程中，对其中的操作参数（如， T、P、Vs）等进行优选，以满足某些指标（如，费用、能耗、环境 影响等）达到最优。 （6）结构优化：改变过程系统中的设备类型或相互间的联结，以优 化过程系统。
第三章 过程系统模拟
3.1 基本概念 （1）过程系统模拟的基本任务（P44） 化工过程系统的稳态模拟与分析，就是对化工工艺流程系统进行稳态 模拟与分析。模拟是对过程系统模型的求解。包括：物料和能量衡算、 设备尺寸和费用计算、过程的技术经济评价。
通过求解可以解决三类问题： 1、过程系统的模拟分析 2、过程系统的设计 3、过程系统的优化 （2）表述流程结构的其他形式:图形形式，矩阵形式。 （3）化工过程系统分解的基本步骤（P52）：
4：建立数学模型。
（7）化工过程系统稳态模拟软件（P80）：Aspen Plus、PRO/II 和
HYSYS。
3.2 重要例题
看 PPT 习题课：
★★★将下面的流程图分别转化为：
（1）信息流图 （2）信号流图
（3）过程矩阵 （4）邻接矩阵
（5）关联矩阵
A 混合器 B 预热器 C 反应器 D 精馏塔 E 全凝器
（5）化工过程系统模拟的基本方法（P74）：序贯模块法、联立方程
法和联立模块法。
（6）化工过程系统模拟的基本步骤（P78）：
1：提出问题。
5：选择演算方法。
2：从有关的资料和基本原理中寻 6：编写计算程序。
找这一问题的已知规律，奠定这 7：上机演算。
一过程的理论基础。
8：整理计算结果。
3：化工基础数据的收集和整理。 9：与已知结果进行核对。
d=C+r+4
阀
门
d=2(C+1)-(C+2)=C+3
泵、压缩机 d=2(C+2)+2-(C+2)=C+4
（4）精馏塔自由度（P11）
变量名称 总板数 N 进料板位置 NF 进料量 F 进料组成 zi 进料温度 TF 进料压力 pF 压力控制 各板的压力降 Δpj 各板与环境传热量 Qj
2.3 重要例题 求闪蒸罐独立变量数：
在 T-H 图上，多个热物流和冷物流可分别用热组合曲线和冷组合曲线进行表达
T/o
D T/o
C
C
T/o
DC
D
BC
C
2
FC
E
2
B
E
F
1 A
C
C1+ C2
AC
A
C
(a
H/k
)
W
1 (c
H/k
)
W
(b
H/k
)
W
第五章 换热器网络的综合
5.1 基本概念 （1）夹点设计法基本步骤（P124）：
一、给定网络热回收温差 HRAT；确定网络的最小公用工程耗 量及夹点位置； 二、以夹点划分为两个子网络分别设计，然后合并，得到能耗 最小的整体网络； 三、采用能量松弛法，通过断开热负荷回路减少换热单元数目， 进行网络调优。 （2）夹点设计法的基本原则（P130）： 一、避免有热流量通过夹点； 二、夹点上方避免引入公用工程冷却物流； 三、夹点下方避免引入公用工程加热物流。
7/2.2 基本公式 （1）基本规定
（2）并列加法规则
y ax
z 3x 2y 4
（3）串联乘法规则
X2=（a+b+c）X1
（4）自环消除规则
X4=abcX1
X2=a/(1-b) X1
（5）支路移动规则
（6）结点移动与消除规则 7/2.3 重要例题 例 1.图的简化
例 2.利用信号流图求解方程组 答案见 PPT