化工过程分析与合成期末考试试卷

一、填空题（每空1分，共10分）

1．稳态模拟的特点是，描述过程对象的模型中__________(包括、不包括)时间参数

2．         模型认为状态变量在系统中呈空间均匀分布，如强烈搅拌的反应罐就可以用这一类模型来描述

3．           又称为经验模型，纯粹由统计、关联输入输出数据而得。           又称为机理模型

4．        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。

5．换热网络的消耗代价来自三个方面：               ，             ，              

6．在分离序列的综合中，根据试探法的经验规则M1，在所有分离方法中，优先采用使用

                            方法

二、判断正误，并用1—2句话说明原因（每题2分，共10分）

1．间歇过程的瓶颈问题很容易就能找到，因此，只需要对给定的设备加工顺序进行排序，就可以得到最优的操作方案了。

2．化工过程的优化因其所含变量太多而难以进行，为了简化计算的难度，某人建议只考虑决策变量对目标函数的影响，这种方式是否可行？

3．非线性规划的求解比线性规划困难的多，因此，对于非线性规划问题，不可能通过求取目标函数的一阶导数，并令其为0，来得到最优解。

4．对于存在三个加工设备的间歇过程，是无法通过Johnson规则来求解的。

5．在一个工厂的设计中，要想最大限度的减少公用工程的用量，可以通过采用高效率的换热器，并增大换热面积来实现。

三、简答题，列出详细步骤，不需要具体求解（5分）

对于一个复杂的、有多个反馈回路的化工过程，采用序贯模块法进行求解时，应当如何进行计算？

四、对于一个需要三级压缩机的工况，目标函数如下（p是压力）：

atm和atm。每级压缩率的最小值是。且？

列出最优化问题的模型，并选用合适的方式求出目标函数的最小值。（列出详细步骤，不需要求出最后的结果。）（5分）

五、下图是乙醇发酵生产的一个流程图，乙醇在反应器中通过发酵法生产。在这个简化的生产工艺中，通过发酵，可以把2kg的谷物转化为1kg乙醇和1kg水。已知：

●进料流率是100kg/s，其中含谷物20%(wt)，剩余为水

●发酵产物经过过滤后，在剩下的浆液（滤饼）中仍含有部分乙醇/水溶液，在浆液中，每10kg的谷物中包含有1kg的乙醇/水溶液；

流股编号如图所示，建议分别用S，E，W表示各流股中谷物、乙醇、水的质量流率。

A．分别用序贯模块法、联立方程法、联立模块法来求解该问题，请用文字列出详细的求解步骤（要求用1，2，3，4….分开段落，不要用整段文字）(9分)

提示：

1）说明所建立的模型中包含哪些方程？

2）发酵反应方程可以用y=f(x)的形式表示，即，不必给出明确的函数关系，仅说明哪些是自变量，哪些是因变量即可。其他方程均需明确表示。

3）不考虑热量或能量的平衡。

4）假设过滤器可以一直在定常态操作，且滤液中不含任何谷物

B．设发酵反应器的转化率为0.25，即进入反应器的谷物中只有25%可以转化成乙醇和水。用此简化的反应器模型，利用上述三种方法的任意一种求解。（5分）

提示：

如果采用迭代计算，不需要求出最终结果，只要计算三步即可。但需要说明如何判断计算结束。

C．乙醇的发酵过程中，存在产物抑制现象，即发酵菌种的活性（可近似理解为反应速率常数）会随反应器中乙醇浓度的提高而下降。希望使生产乙醇的总量（谷物提取物中乙醇的流量）最大，需要调整循环流股的流量。试列出此最优化问题，并说明所属的最优化类型（线性规划、非线性规划），应当用什么求解呢？

如果反应器采用B的简化模型，此时产物抑制问题可以简化为反应器出口乙醇浓度不能高于某一个界限c的，列出此时的模型，并说明最优化的类型及求解方法。（6分）

提示：不用具体求解。