化工过程分析与合成计算题

绪论1化工过程：原料经过物理或化学加工制成产品的过程。

2化工过程分析：化工过程系统的分析主要是分析过程系统的运行机制、影响因素、过程模型的数学描述、目标函数的建立、优惠工况下的最佳操作参数；目标是使决择方案，技术上先进、可行，经济上优越、合理，对于操作工况的分析也就是通常说的生产操作调优。

的线性关系，然后将各单元简化模型与系统的机构模型联立求解。以低阶的线性方程组的解逼近原非线性方程组的解。

3序贯模块法的基本思想： 从流程的第一个单元设备开始计算，即调用与该单元所对应的单元模块，由已知的输入与参数求输出流股变量，而该输出变量即为下一个单元的输入，再依次调用各单元模块，直至流程的最后一个单元模块，就可优化1过程系统优化（实现过程系统最优运行，包括结构优化和参数优化）可用于管理、过程设计和装置规范、车间操作。

2结构优化：改变过程系统中的设备类型或相互间的联接，以优化过程系统。 3参数优化：对于一确定的过程系统，对其中的操作参数进行优选，以使某些指标达到最优。（最终目的是以最小的投入获得最大的收益） 它的三个核心部分是确定最优目标、调优因素的分析、统计模型的建立。

换热网络 1换热网络的作用：换热是化工过程不可或缺的单元操作过程，换热器与

绪论1化工过程：原料经过物理或化学加工制成产品的过程。

2化工过程分析：化工过程系统的分析主要是分析过程系统的运行机制、影响因素、过程模型的数学描述、目标函数的建立、优惠工况下的最佳操作参数；目标是使决择方案，技术上先进、可行，经济上优越、合理，对于操作工况的分析也就是通常说的生产操作调优。

的线性关系，然后将各单元简化模型与系统的机构模型联立求解。以低阶的线性方程组的解逼近原非线性方程组的解。

3序贯模块法的基本思想： 从流程的第一个单元设备开始计算，即调用与该单元所对应的单元模块，由已知的输入与参数求输出流股变量，而该输出变量即为下一个单元的输入，再依次调用各单元模块，直至流程的最后一个单元模块，就可优化1过程系统优化（实现过程系统最优运行，包括结构优化和参数优化）可用于管理、过程设计和装置规范、车间操作。

2结构优化：改变过程系统中的设备类型或相互间的联接，以优化过程系统。 3参数优化：对于一确定的过程系统，对其中的操作参数进行优选，以使某些指标达到最优。（最终目的是以最小的投入获得最大的收益） 它的三个核心部分是确定最优目标、调优因素的分析、统计模型的建立。

换热网络 1换热网络的作用：换热是化工过程不可或缺的单元操作过程，换热器与

1、 过程系统的三种基本方法

a、 序贯模块法：通过对单元模块的依次计算来求解系统模型的方法 特点：（1）针对树形结构的过程系统（2）以单元模块为基础，定向性很强 （3）模拟计算的顺序由流程结构决定（4）对于含不可分隔子系统（再循环回路）的过程系统，必须通过断裂和收敛技术处理，才能用序贯模块法进行计算 (5)序贯模块法求解含有多个不可分隔子系统的过程系统时，各个回路分别单独收敛

b、 联立方程法：将描述一化工流程的所有方程汇总在一起，然后联立求解

特点：模拟时不受实际物流和流程结构影响，可灵活地确定输入坏人输出变量

c、 联立模块法：采用两种设备单元模型（严格模型和简化模型）交替进行模拟计算的方法 特点：利用单元模块的严格模型获取简化模型的系数，建立模块输入与输出的线性关系，然后将各单元简化模型与系统的机构模型联立求解。以低阶的线性方程组的解逼近原非线性方程组的解。

2、 序贯模块法的基本思想

从流程的第一个单元设备开始计算，即调用与该单元所对应的单元模块，由已知的输入与参数求输出流股变量，而该输出变量即为下一个单元的输入，再依次调用各单元模块，直至流程的最后一个单元模块，就可求得各单元设备的输出

计算题

1.一输水系统，将敞口容器中的水送到吸收塔顶作吸收剂，贮槽水面至塔顶喷嘴的垂直距离为38m，塔内的表压强为4 m H2O柱，采用Φ100*5的钢管输送，连接在管路中孔板流量计两侧的U形管压差计读数为R=158mmHg, 已知：孔径d0=0.045m，孔流系数C0=0.7，SH2O=1，Hf =3mH2O柱，泵效率η= 0.75，求泵所需轴功率Pa。

2. 用离心泵将水池中的水送到高位槽,高位槽和水池均为敞口容器,高位槽水面高出池面50m,采用Φ100*5的管道输送,泵的送水量为34m3/h，输送过程中管路磨擦阻力损失为2.4m, 若泵的效率为60%, 计算泵所需的实际功率Pa。 3.一输水系统，用泵从水池送水到高位槽，水池和高位槽均为敞口容器，水池到泵入口处的垂直距离为4.8m，水池到泵出口处的垂直距离为5m，要求qv=36m3/h，管道为Φ80*2的钢管，已知泵前的进水管道的阻力压头损失为Hf1=0.2m水柱，出水管道的阻力压头损失为Hf2 =0.5m水柱，泵出口处压强计的读数为2.5at，SH2O=1。试求：①水池到高位槽的垂直距离H。②泵所需的实际功率Pa (η=0.7)。

4. 两液体在套管换热器中逆流换热，冷热流体

水平串联的两直管1、2，管径d=d/2，管道1长为100m， 已知流体在管道1中的雷诺数(Re)=1800，今测得某流体流经管道１的压强降为0.64(m液柱)，流经管道２的压强降为64(m液柱)，试计算管道２的长度(设局部阻力可略去)。(各5分) 如图,离心泵将敞口槽中的碱液打入吸收塔,泵吸入管路为φ108×4mm，长2m的钢管。泵压出管路为 φ76×3mm,长30m的钢管, 压出管路上装有标准阀一只，闸阀一只，90℃弯 头4 只。在压出管路上还装有孔板流量计，孔板孔径为40mm，孔流系数C=0.62，水银差压计读数R=456mm。吸收塔喷咀处压力为0.5kgf/cm(表压)，碱液密度 ρ=1100kg/m，泵的效率η=0.6，直管阻力系数λ=0.02(吸入、压出管道取近似相同值)，ξ弯头=0.75， ξ标准阀=6，ξ闸阀=0.17，ξ孔板=8，试求泵所需功率。 以复式水银压差计测量某密闭容器内的压力P。已知各液面标高分别为△1 =2.6m，△2=0.3m，△3=1.5m，△4=0.5米,△5=3.0米。求此密闭容器水

计算题

1.一输水系统，将敞口容器中的水送到吸收塔顶作吸收剂，贮槽水面至塔顶喷嘴的垂直距离为38m，塔内的表压强为4 m H2O柱，采用Φ100*5的钢管输送，连接在管路中孔板流量计两侧的U形管压差计读数为R=158mmHg, 已知：孔径d0=0.045m，孔流系数C0=0.7，SH2O=1，Hf =3mH2O柱，泵效率η= 0.75，求泵所需轴功率Pa。

2. 用离心泵将水池中的水送到高位槽,高位槽和水池均为敞口容器,高位槽水面高出池面50m,采用Φ100*5的管道输送,泵的送水量为34m3/h，输送过程中管路磨擦阻力损失为2.4m, 若泵的效率为60%, 计算泵所需的实际功率Pa。 3.一输水系统，用泵从水池送水到高位槽，水池和高位槽均为敞口容器，水池到泵入口处的垂直距离为4.8m，水池到泵出口处的垂直距离为5m，要求qv=36m3/h，管道为Φ80*2的钢管，已知泵前的进水管道的阻力压头损失为Hf1=0.2m水柱，出水管道的阻力压头损失为Hf2 =0.5m水柱，泵出口处压强计的读数为2.5at，SH2O=1。试求：①水池到高位槽的垂直距离H。②泵所需的实际功率Pa (η=0.7)。

4. 两液体在套管换热器中逆流换热，冷热流体

1 如图所示，水通过倾斜变径管段（A-B），dA=100mm，dB =240mm，水流量为2m3/min，在截面A与B处接一U形水银压差计，其读数R=20mm，A、B两点间的垂直高度差为h=0.3m。试求：

（1） A、B两点的压差等于多少Pa？

（2）若管路水平放置，而流量不变，计算U形水银压差计读数R及A、B两点压差的变化趋势。解：（1）取3-3为等压面，p3=p3’ 且p3 = pA＋?gh1 p3’=pB+?g（h2－R’）+?igR’ 则pA＋?gh1=pB+?g（h2－R’）+?igR’ ∴pA－pB=?g(h2-h1-R’)＋?igR’ =9.81×103×(0.3-0.02)+13600×9.81×0.02 =5420 Pa

（2）在AB之间列柏努利方程

ZA＋（PA/ρg）+(uA2/2g)＝ZB＋（PB/ρg）＋（uB2/2g）＋∑hf′

（PA-PB）/ρg=（ ZB- ZA）+（uB2/2g）-(uA2/2g)+ ＋∑hf′

(h2-h1-R’)+ R’?i/?=（ ZB- ZA）+（uB2/2g）

一、 1 2 3 4 5 6 7 8 9

填空题（每空1分）

10 11 12

13 14 15 16

17

稳态模拟的特点是，描述过程对象的模型中？？时间参数。

就其模拟计算求解方法而言，过程系统模拟可以归纳为： ？？、 ？？ 、 ？？ 。 序贯模块法的基础是 ？？ 。

求解超大型稀疏非线性方程组的方法大致分为 ？？、？？两类。

根据对过程系统中状态变量分布特征的不同描述方式，一般可以把动态模拟时的数学模型分为 ？？、 ？？ 和 ？？ 。

根据建立模型的不同方法，一般可以将数学模型分为 ？？ 、 ？？ 和介于两者之间的 ？？。

连续搅拌罐反应器（CSTR）的动态模型可以用 ？？ 参数模型进行描述。 ？？ 优化和 ？？ 优化是过程系统的两大类优化问题，它们贯穿于化工过程设计和化工过程操作。

求解非线性有约束条件最优化问题的方法很多，比较常用的有 ？？ 和 ？？。它们的共同点在于都是将有约束最优化问题转变成 ？？ 最优化问题。

在分离序列的综合中，根据试探法的经验规则S2，难分离的组分应当 ？？ 分离。

化工分析过程，主要是分析过程系统的运行机制、影响因素、 ？？ 、 ？？ 、优惠工况下的最佳操作参

1. （20分）如图所示，油在光滑管中以u=2m/s的速度流动，油的密度ρ=920kg/m3，管

长L=3m，直径d=50mm，水银压差计测得R=15.0mm。试求： （1）油在管中的流动形态； （2）油的粘度；

（3）若保持相同的平均流速反向流动，压差计读数有何变化？层流：λ=64/Re；湍流：

0.25

λ=0.3164/Re。 解：

1

2 A B R C D （1）列1截面和2截面间柏努利方程，取2截面为基准面

2u12p2u2gZ1???gZ2????hf

?2?2p1

?hf?pD = pD

p1?p2???Z1?Z2?g

pC = p2 +（Z2 – ZA）ρg + Rρ0g

pD = p1 + （Z1 – Z2）ρg +（Z2 – ZB）ρg + Rρg p

第二部分 计算题示例与分析 4-93 已知某精馏塔塔顶蒸汽的温度为80oC，经全凝器冷凝后馏出液中苯的组成 为0.90，甲苯的组成为0.10（以上均为轻组分A的摩尔分数），试求该塔的操作压强。 溶液中纯组分的饱和蒸汽压可用安托尼公式计算，即 lgpo?A?B t?C 式中苯和甲苯的常数为

组 分 A B C 苯 6.898 1206.35 220.24 甲苯 6.953 1343.94 219.58

分析： 求塔内操作压强即是求塔内蒸汽总压p,因此体系为理想体系，可通过道尔顿分压定律

pA?pyA 及拉乌尔定律求得。

解：利用安托尼公式分别计算80℃时苯与甲苯两种纯组分饱和蒸气压，即

1206.35?2.88

80.0?220.240 pA?758.58mmHg?101.14KPa

1343.940 lgpB?6