北京化工大學(xué)2025年強(qiáng)基計(jì)劃化學(xué)工程與工藝化工系統(tǒng)工程試題及答案考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述過程系統(tǒng)工程的定義及其與傳統(tǒng)化學(xué)工程設(shè)計(jì)的區(qū)別。二、在過程合成中，什么是“夾點(diǎn)技術(shù)”？它主要解決什么問題？請簡述其核心思想。三、對于一個包含反應(yīng)器、分離單元（精餾塔）和換熱器的簡單流程，描述如何應(yīng)用靈敏度分析來識別系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵變量和瓶頸。四、以一個典型的精餾塔為例，說明水集成（WaterIntegration）的基本原理及其可能帶來的經(jīng)濟(jì)效益。簡述水集成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的主要步驟。五、描述過程安全與系統(tǒng)工程的聯(lián)系。列舉兩種常用的過程風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)（如FTA或FMEA），并簡要說明其基本原理和適用場景。六、某化工過程包含三個主要單元，單元間的能量需求如下：單元A需冷卻，釋放熱量Q_H（高溫）；單元B需加熱，吸收熱量Q_C（低溫）；單元C需加熱，吸收熱量Q_D（中溫，Q_D<Q_C）。已知Q_H=100kJ，Q_C=80kJ，Q_D=40kJ。請計(jì)算該過程的最大可能熱集成潛力（即最小熱負(fù)荷）。假設(shè)環(huán)境溫度為T_L（低溫）和T_H（高溫），且Q_H>T_H，Q_C>T_L。七、定義過程系統(tǒng)優(yōu)化中的目標(biāo)函數(shù)和約束條件。請舉例說明在優(yōu)化一個精餾塔設(shè)計(jì)時，可能遇到哪些類型的目標(biāo)函數(shù)（至少兩種）和約束條件（至少三種）。八、什么是過程系統(tǒng)建模？試區(qū)分機(jī)理模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诮⒎椒?、適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)方面的主要差異。在過程系統(tǒng)工程中，選擇哪種模型通常取決于哪些因素？九、結(jié)合你所學(xué)知識，論述過程系統(tǒng)工程的思維方法如何有助于解決一個大型、復(fù)雜的化工生產(chǎn)問題（例如，提高整體能效、降低成本、增強(qiáng)安全裕度等）。十、設(shè)想一個生產(chǎn)某產(chǎn)品的化工過程，該產(chǎn)品市場需求發(fā)生變化，需要提高產(chǎn)量20%。請簡述你會如何運(yùn)用過程系統(tǒng)工程的原理和方法來分析并實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，可能涉及哪些方面（如單元操作調(diào)整、流程重組、集成新單元等）？試卷答案一、過程系統(tǒng)工程是研究如何對大型復(fù)雜化工過程進(jìn)行整體性、系統(tǒng)性分析和設(shè)計(jì)的科學(xué)，旨在優(yōu)化系統(tǒng)的整體性能（如成本、能耗、安全、環(huán)境等）。它強(qiáng)調(diào)從整體的角度出發(fā)，協(xié)調(diào)各個子系統(tǒng)（單元操作、物流網(wǎng)絡(luò)）之間的關(guān)系，而傳統(tǒng)化學(xué)工程設(shè)計(jì)往往側(cè)重于單個單元操作的優(yōu)化，缺乏對整個過程的系統(tǒng)考慮和集成優(yōu)化。二、夾點(diǎn)技術(shù)是一種用于過程集成（特別是熱集成）的圖解方法。它通過確定過程在操作溫度范圍內(nèi)的“夾點(diǎn)”（即無法通過簡單換熱實(shí)現(xiàn)熱耦合的溫度區(qū)間）來最大限度地減少外部公用工程（蒸汽和冷卻水）的消耗。夾點(diǎn)技術(shù)主要解決過程熱效率低、能耗高的問題。其核心思想是：在夾點(diǎn)兩側(cè)進(jìn)行有效的內(nèi)部熱回收，對于夾點(diǎn)內(nèi)部的溫差，則必須使用高能耗的公用工程。三、靈敏度分析用于評估系統(tǒng)輸出對輸入?yún)?shù)變化的敏感程度。在過程系統(tǒng)工程中，通過計(jì)算目標(biāo)函數(shù)（如成本、能耗）相對于關(guān)鍵設(shè)計(jì)變量（如溫度、壓力、流量、設(shè)備尺寸）的偏導(dǎo)數(shù)（或敏感度系數(shù)），可以識別對系統(tǒng)性能影響最大的變量。這些關(guān)鍵變量往往是系統(tǒng)優(yōu)化的重點(diǎn)。瓶頸則可以通過分析物流網(wǎng)絡(luò)中的最小流通能力或最大累積阻力來識別。例如，通過逐步改變某個變量的值，觀察目標(biāo)函數(shù)的變化速率，變化率大的變量即為關(guān)鍵變量；而流量受限的單元或路徑即為瓶頸。四、水集成利用水作為通用介質(zhì)，在不同單元之間進(jìn)行熱量和質(zhì)量的傳遞與回收，以降低系統(tǒng)的冷卻水或工藝水的消耗量。其基本原理是利用水在不同溫度下具有不同的熱容和潛熱，通過換熱網(wǎng)絡(luò)將高溫工藝?yán)鋮s水中的熱量傳遞給需要加熱的低溫工藝物流。經(jīng)濟(jì)效益體現(xiàn)在節(jié)省水處理、輸送和耗電的費(fèi)用，并可能減少廢水排放相關(guān)的環(huán)境成本。水集成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的主要步驟通常包括：收集各單元的冷卻和加熱負(fù)荷數(shù)據(jù)，繪制負(fù)荷-溫度圖，確定夾點(diǎn)，設(shè)計(jì)內(nèi)部水網(wǎng)絡(luò)（包括冷凝器網(wǎng)絡(luò)和再沸器網(wǎng)絡(luò)）以實(shí)現(xiàn)最大程度的熱回收，最后可能還需要設(shè)計(jì)外部水網(wǎng)絡(luò)以連接夾點(diǎn)與環(huán)境。五、過程安全與系統(tǒng)工程緊密聯(lián)系，系統(tǒng)工程方法（如流程分析、模擬、優(yōu)化）可以識別潛在的危險(xiǎn)源、評估風(fēng)險(xiǎn)、提出緩解措施，從而提高過程的安全性。常用的風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)包括：事故樹分析（FTA），通過自上而下的邏輯演繹，分析導(dǎo)致不期望事件（事故）發(fā)生的各種原因組合及其概率；故障模式與影響分析（FMEA），通過系統(tǒng)性的方法識別潛在的故障模式，評估其嚴(yán)重性、發(fā)生概率和可探測性，并確定相應(yīng)的預(yù)防和改進(jìn)措施。這兩種技術(shù)適用于不同階段的風(fēng)險(xiǎn)評估，F(xiàn)TA更側(cè)重于事故后果分析，F(xiàn)MEA更側(cè)重于故障預(yù)防。六、最大可能熱集成潛力即最小熱負(fù)荷，等于所有需要加熱的單元所需熱量的總和減去所有可以釋放熱量的單元所能提供熱量的總和。在此例中，需要加熱的單元是B（Q_C=80kJ）和C（Q_D=40kJ），可以釋放熱量的單元是A（Q_H=100kJ）。因此，最小熱負(fù)荷=Q_H-(Q_C+Q_D)=100-(80+40)=100-120=-20kJ。由于結(jié)果為負(fù)值，說明理論上存在正的熱集成潛力。根據(jù)夾點(diǎn)理論，最大可回收的熱量等于所有需要加熱的單元所需熱量的總和，即Q_C+Q_D=80+40=120kJ。但這只是理論上的最大值，實(shí)際可回收量取決于夾點(diǎn)位置和可用的換熱溫差。如果假設(shè)此過程存在一個有效的夾點(diǎn)，使得A釋放的熱量可以滿足B和C的部分或全部加熱需求，那么實(shí)際最小熱負(fù)荷將小于120kJ，但題目問的是“最大可能熱集成潛力”（最小熱負(fù)荷），根據(jù)計(jì)算，理論最小值為-20kJ，表明存在120kJ的理論最大回收潛力。更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拇鸢笐?yīng)區(qū)分理論潛力與實(shí)際可實(shí)現(xiàn)的潛力。按題目字面計(jì)算最小熱負(fù)荷為-20kJ，表明總供熱量超過總需熱量。若理解為最大可能*節(jié)省*的公用工程熱量，則應(yīng)為Q_C+Q_D=120kJ。此處按字面計(jì)算結(jié)果：最小熱負(fù)荷=Q_H-(Q_C+Q_D)=100-120=-20kJ。這表示如果熱集成做得很好，理論上可以完全不用外部加熱，甚至A放出的熱量過多。最大潛力是120kJ（即總需熱=80+40=120kJ，總供=100kJ，集成可回收100-120=-20kJ，即最小需外部補(bǔ)充20kJ，或說最大可節(jié)省外部供熱120kJ）。題目問“最大可能熱集成潛力（即最小熱負(fù)荷）”，按公式計(jì)算為-20kJ。更符合題意的“潛力”可能是總可回收量，即120kJ。需與題目措辭確認(rèn)。此處按公式直接計(jì)算：最小熱負(fù)荷=ΣQ_out-ΣQ_in=100-(80+40)=-20kJ。表示總供熱量大于總需熱量，最小外部熱負(fù)荷為-20kJ（即最多可節(jié)省20kJ外部熱負(fù)荷）。最大潛力是總需熱量120kJ。若題目指“最大可能減少的外部熱負(fù)荷”，則應(yīng)為120kJ。若指“最小外部熱負(fù)荷”，則為-20kJ。按字面“最小熱負(fù)荷”，答案為-20kJ。七、目標(biāo)函數(shù)是衡量過程系統(tǒng)性能優(yōu)劣的數(shù)學(xué)表達(dá)式，通常是要求最大化（如利潤、產(chǎn)量）或最小化（如成本、能耗、排放）。約束條件是過程設(shè)計(jì)和操作必須滿足的限制條件，可以是等式約束（如物料衡算、能量衡算、相平衡方程）或不等式約束（如設(shè)備操作范圍、環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)、安全限制）。八、過程系統(tǒng)建模是指使用數(shù)學(xué)語言（如方程式、算法）來描述化工過程的行為和特性。機(jī)理模型基于對過程涉及的物理和化學(xué)定律的理解，通過推導(dǎo)或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)擬合建立模型，通常具有較好的預(yù)測能力，但建模復(fù)雜。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突跉v史數(shù)據(jù)或?qū)嶒?yàn)結(jié)果，通過關(guān)聯(lián)或插值等方法建立模型，通常較簡單易建，但預(yù)測精度受數(shù)據(jù)質(zhì)量和適用范圍限制，且缺乏物理意義上的解釋。選擇哪種模型取決于過程復(fù)雜性、數(shù)據(jù)的可獲得性、建模目的、計(jì)算資源以及對模型解釋性的要求。對于復(fù)雜、關(guān)鍵的過程，傾向于使用機(jī)理模型；對于快速評估或數(shù)據(jù)豐富的過程，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂赡芨线m。九、過程系統(tǒng)工程的思維方法強(qiáng)調(diào)整體性、系統(tǒng)性、優(yōu)化和多目標(biāo)權(quán)衡。它有助于解決大型復(fù)雜化工問題時：1）系統(tǒng)視角：從全局出發(fā)，識別整個系統(tǒng)（包括物料流、能量流、信息流、資金流、物流）的相互作用和關(guān)鍵瓶頸，而不是孤立地看待單個單元。2）集成優(yōu)化：通過流程集成（熱、水、物料）和系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)整體性能（如能耗、成本、安全）的最優(yōu)化，而非局部最優(yōu)。3）多目標(biāo)決策：能夠同時考慮多個相互沖突的目標(biāo)（如降低成本與提高安全裕度），并通過權(quán)衡分析找到滿足多種需求的平衡方案。4）模型化與仿真：利用模型和仿真工具進(jìn)行“What-if”分析，評估不同方案的影響，降低決策風(fēng)險(xiǎn)，支持創(chuàng)新設(shè)計(jì)。例如，在提高能效方面，可以通過夾點(diǎn)分析找到熱回收潛力，通過過程優(yōu)化調(diào)整操作參數(shù)，通過流程重構(gòu)引入更高效的單元；在增強(qiáng)安全方面，可以通過系統(tǒng)分析識別風(fēng)險(xiǎn)源，通過集成設(shè)計(jì)提高系統(tǒng)的容錯能力。十、面對提高產(chǎn)量20%的目標(biāo)，我會運(yùn)用過程系統(tǒng)工程方法：1）需求分析：確定產(chǎn)量增加對物料衡算、能量需求、設(shè)備容量、公用工程消耗、環(huán)境影響等提出的新要求。2）流程分析：檢查現(xiàn)有流程是否存在瓶頸，是否有單元操作能力未充分利用。3）過程模擬：使用模擬軟件建立或校核現(xiàn)有流程模型，評估當(dāng)前能力，預(yù)測直接提高現(xiàn)有單元負(fù)荷可能帶來的問題（如能耗增加、產(chǎn)品質(zhì)量下降、操作不穩(wěn)定）。4）優(yōu)化分析：對現(xiàn)有流程進(jìn)行優(yōu)化，如調(diào)整操作參數(shù)、改善分離效率等，看能否在不增加投資的情況下達(dá)到部分增產(chǎn)目標(biāo)。5）集成與重組：*熱集成：檢查是否可通過熱集成回收熱量用于預(yù)熱反應(yīng)物或產(chǎn)生蒸汽，降低增產(chǎn)帶來的額外能耗。*水集成：檢查水網(wǎng)絡(luò)是否可以擴(kuò)展或優(yōu)化以支持增產(chǎn)。*物料集成/合成：考慮是否可以通過引入新的反應(yīng)單元或分離單元，將副產(chǎn)物或其他低價(jià)值物料轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的產(chǎn)品，提高整體效率。*流程重組：探索更優(yōu)的流程結(jié)構(gòu)，如增加反應(yīng)路徑、改變分離順序、引入新型設(shè)備（如膜分離、反應(yīng)精餾）等，以更經(jīng)濟(jì)、高效