中国石油大学（北京）远程教育学院
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
成复合回路）。
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=I 2，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
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） } 。
S4 (2)
S1 S2
C S3
A B D
(3) (8) (9)
S5 (4)
S6 (7)
11.下图所示的换热匹配中，夹点之下子系统的夹点匹配是（该处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器）。
夹点
H1 1 5
H2 2 3 4 6
C1
C2
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）
5 5 A(B,C)
放空
压缩机 5 5
4 5 5
5 5
进料反应器闪蒸A(B) C,A(B)
水调压阀
3 5 产品
C(A,B)
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。
A : x1 x4 10 0
B : x22 x3 x4 x5 6 0
方程组 2：C : x1 x2 ( x4 5) 8 0 （学号为偶数学员答题）
D : x1x3 x5 14 0
E : 3x1 +x4 6 0
解：
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；
结果：
方程组可分解为以下可按次序分别求解的子系统：
{f1,f4}x1,x4x1=3, x4=5
{f3}x2x2=2
{f2,f5}x3,x5x3=0.8, x5=8.1
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
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（ Tmin=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。
答案：夹点温度热流： T→ 150℃；冷流： 140℃← t
最小公用工程加热量Q H min = 99.9 kw
最小公用工程冷却量Q C min = 93 kw
整个初始网络为：
整体设计方案：
夹点
H1 2 C1
H
H2 1 3 45
C 2
H
50
C1 H1
80 25 315
C2 H 2
20 200
夹点设计法的三个基本原则：（为保证热能的最大回收）
原则一：尽量避免热流量通过夹点。
原则二：夹点上方尽量避免引入公用设施冷却物流，但可引入加热设施。