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期 末 考 试
《 化工系统工程》
学习中心：_______ 姓名：________ 学号：_______
关于课程考试违规作弊的说明
1、提交文件中涉嫌抄袭内容（包括抄袭网上、书籍、报刊杂志及其他已有论文），带有明显外校标记，不符合学院要求或学生本人情况，或存在查明出处的内容或其他可疑字样者，判为抄袭，成绩为“0”。
2、两人或两人以上答题内容或用语有50%以上相同者判为雷同，成绩为“0”。
3、所提交试卷或材料没有对老师题目进行作答或提交内容与该课程要求完全不相干者，认定为“白卷”或“错卷”，成绩为“0”。
一、 填空题（每空2分，共30分）
1.在一个绝热封闭体系中，投入了9种已知质量的化合物，这些物质在其中发生了4个化学反应，产生了3种新化合物。当系统稳定下来后，生成了2个液相层、1个气相，要确定系统的状态需要（ 2 ）个变量？
2.一股已知条件的工艺物流（组分数为20），进入带进料阀和换热盘管的气液分离器进行气液分离，有哪些手段能够影响分离器的操作效果（ 调节阀开度 ），（ 调整换热判盘管温度 ）。
3.某设计院进行一个常规精馏塔的设计，设计师需要考虑的设计变量有（ 2 ）个。
4.过程系统节点相邻矩阵中流股汇集单元的特征是：（ 列有多个非零元素 ）。
5.
某节点相邻矩阵A经过运算得到A´A、A´A´A两个新的矩阵，将A、A´A、A´A´A三个矩阵布尔相加后得到可及矩阵A*，其中元素值a25=a52=1、a27=a72=1、a57=1、a75=1，则说明：（
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，且这两个回路构成符合回路 ）。
6.采用序贯模块模拟法进行流程计算时，最佳断裂流股要保证相关子系统中所有回路（ 被切断 ）。
7.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=I2，其中，出现了4个相同的节点对{3-3}、{5-5}、{8-8}、{9-9}，则说明：（
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 ）。
8.某工艺物流，其流率为100 kg/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3 kJ/(kg.K)，其热容流率是（ 600 ）kW/K，换热热负荷是（ 12000 ）kW。
9.计算夹点时，温度按照从高到低的顺序排列。其中温区1向温区2输出热负荷是160kW，温区2内热流的负荷是200kW，冷流的负荷是300kW，则温区2向温区3输出的热负荷是（ 20 ）kW。
10.对于下图所示流程，有（ 2 ）个简单回路，最佳断裂流股是{ S2(8) }。
11.下图所示的换热匹配中，夹点之下子系统的夹点匹配是（
该出过程系统的热流量为零 ）。换热匹配①是一个错误的夹点匹配，原因是（ 夹点之下不应设置任何公用工程加热量
）。
二、简答题（每题10分，共30分）
1. 某装置工艺流程如下图所示。其中进料含反应物组分A与杂质组分B，经过反应器后A发生化学反应生成产物C。请分析该流程有哪些变量可作为独立变量，并列出各单元的具体控制参数。（图中数字表示物流的自由度）
要求：
应用描述规则法分析系统的自由度，请详细说明每个单元操作的自由度和典型决策变量。
评分标准：
（1）针对每个单元操作的自由度分析情况酌情给分（6分）
（2）正确描述整个系统的典型控制参数（4分）
2. 请用索引矩阵法分解下列方程组，并求解。
方程组1： （学号为奇数学员答题）
方程组2： （学号为偶数学员答题）
要求：
（1）列出方程组事件矩阵、输出变量、索引矩阵；
（2）写出详细解题过程；
（3）给出方程组求解结果。
评分标准：
事件矩阵（2分），输出变量（4分），索引矩阵（2分），结果正确（2分）。
学号为奇数学员答题如下：
偶数答案：
解：
（1）解题思路
① 列出事件矩阵；② 指定输出变量；③ 画出有向图；④ 写出索引矩阵；⑤ 运用乘幂法则找回路；⑥用拟节点代替回路继续运用乘幂法则；⑦确定子方程组求解顺序；⑧ 按顺序求解子方程组；
（2）求解过程：
方程组可分解为以下可按次序分别求解的子系统：
{A,E}x1,x4 x1=4, x4=6
{C}x2 x2=2
{B,D}x3,x5 x3=1, x5=18
（3）求解结果：x1=4, x2=2，x3=1，x4=6，x5=18
3. 简要介绍一下工作背景，谈一谈你对化工系统工程在工程实践应用中的一些见解和建议。
要求：先介绍工作背景（或学习背景），结合课程相关知识点谈几个应用机会。
评分标准：结合论述，综合给分。
答：我在重庆康普化学工业股份有限公司从事一线工作有将近三个年头了。由于工作中深感专业知识的匮乏，因此报读了中石油北京的化学工程与工艺专业进修。在工作实践中，有许多体会。以化工过程系统的优化为例，一个化工过程中的各单元设备可能有许多组合方式，不同的化工过程直接对企业经济效益有很大的影响。以两股加热物流和两股冷却物流构成的换热系统,总共有4200种结合方式。炼油厂常减压装置中,为了提高原油预热温度和增加热量回收而建立的换热网络中,油品有数种,其温度和数量各异,需要换热器达几十台,其可能的连接方式的数目是相当大的。在蒸馏过程中,将一种原料分馏为4种产品,通常需三座塔,可构成五种流程,而有四座蒸馏塔的过程,有14种流程可供选择,如原料中有10个组份要进行分离,则可比较的方案将有4862个。一个化工过程包含的化工单元的种类和数量越多,这个过程的合成越加复杂,寻找最优的流程也越加困难,需要用专门的合成方法。
三、课程设计题
1.（学号为奇数学员答题）
请计算下表中换热过程的夹点和最小公用工程量（DTmin=20℃），画出T-H图，并用夹点设计法设计一个最优换热网络。并请简要叙述夹点法设计换热网络的原则。
流股及类型 热容流率CP, kW/K 入口温度,℃ 出口温度，℃ 热量，kW
H1 2.0 360 60 600
H2 180 180 500
C1 2.0 40 260 440
C2 3.0 40 290 750
注：H2为纯组分饱和蒸汽冷凝物流。
2.（学号为偶数学员答题）
请计算下表中换热过程的夹点和最小公用工程量（DTmin=20℃），画出T-H图，并用夹点设计法设计一个最优换热网络。并请简要叙述夹点法设计换热网络的原则。
流股及类型 热容流率CP, kW/K 入口温度,℃ 出口温度，℃ 热量，kW
H1 2.0 360 60 600
H2 180 180 450
C1 2.0 40 260 440
C2 3.0 40 290 750
注：H2为纯组分饱和蒸汽冷凝物流。
要求：
（1）给出温度区间、温区净需热量计算、温区传热计算
（2）给出夹点位置，最小工程负荷
（3）计算冷、热组合曲线关键节点的（热负荷、温度）点，绘制T-H曲线
（4）分别进行夹点之上和夹点之下的换热网络设计
（5）简要叙述夹点法设计换热网络的原则
评分标准：（非原则性错误，酌情扣分）
1）正确划分温度区间，5分；
2）正确完成夹点计算10分；
3）画出T-H图10分；
4）画出换热网络10分。
5）完整回答夹点法设计换热网络的原则，5分；
