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內容簡介： 《化工计算与软件应用》（第三版）以Aspen Plus 及其系列软件为计算工具，以实例为线索，介绍化工计算过程中的基本原理、计算方法与解题技巧。全书共分6章：第1章介绍模拟软件用于物性数据查询与估算、相平衡模拟、实验相平衡数据处理；第2章介绍稳态条件下各种化工过程的模拟方法；第3章介绍节能技术在化工分离过程中的应用；第4章介绍化工设备的工艺计算；第5章介绍化工过程的动态控制模拟；第6章介绍间歇反应、间歇精馏、固定床吸附、色谱过程和移动床吸附过程模拟。本书可作为高等学校化工类专业本科生与研究生学习Aspen Plus系列软件的教材，也可供从事化工过程开发与设计的工程技术人员参考。 關於作者： 包宗宏，南京工业大学化工学院研究员。主要从事化工分离过程的教学与研究工作。为本科生和研究生讲授数门专业课程。曾获化工部1990和1991年度科技进步三等奖两项。主编《化工计算与软件应用》等。 目錄： 第1章 物性数据和相平衡数据的查询与估算 1 1.1 化工物性数据的查询 1 1.1.1 从文献中查找 1 1.1.2 从Aspen 软件数据库中查找 3 1.1.3 用NIST-TDE 热力学数据搜索引擎查找 3 1.1.4 物性查询例题 4 1.2 纯物质的物性估算 6 1.2.1 基础物性常数 6 1.2.2 与温度相关的热力学性质 7 1.2.3 与温度相关的传递性质 8 1.2.4 纯物质物性估算例题 8 1.3 混合物的物性估算 10 1.3.1 估算热力学性质的模型 11 1.3.2 估算传递性质的模型 12 1.3.3 混合物物性估算例题 12 1.4 相平衡数据查询、计算与参数估算 18 1.4.1 从相平衡数据手册中查询 18 1.4.2 从NIST-TRC 软件数据库中查询 18 1.4.3 用软件计算相平衡数据与绘制相图 21 1.4.4 活度系数方程参数估算 30 1.4.5 立方型状态方程参数估算 39 习题 43 参考文献 45 第2章 稳态过程的物料衡算与能量衡算 47 2.1 衡算方法 47 2.1.1 衡算方程式 47 2.1.2 衡算的基本步骤 48 2.1.3 用软件进行物料衡算与能量衡算的要点 49 2.2 简单物理过程 52 2.2.1 混合过程 52 2.2.2 单级相平衡过程 55 2.2.3 机械分离过程 62 2.3 含化学反应过程 65 2.3.1 含反应器的组合流程 65 2.3.2 反应精馏过程 67 2.4 含循环流过程 71 2.4.1 萃取精馏 72 2.4.2 变压精馏 75 2.4.3 非均相共沸精馏 80 2.4.4 反应器与精馏塔的组合流程 83 2.5 非平衡级分离过程 85 2.5.1 物理吸收过程 86 2.5.2 化学解吸过程 88 2.6 分离复杂组成混合物 91 习题 95 参考文献 99 第3章 节能分离过程 100 3.1 流体换热与热集成网络 100 3.1.1 冷热流体换热 100 3.1.2 热集成网络分析 102 3.2 蒸汽优化配置 111 3.3 多效蒸发 114 3.4 精馏过程 117 3.4.1 多效精馏 117 3.4.2 热泵精馏 120 3.4.3 热耦精馏 123 3.4.4 中段换热精馏 128 习题 134 参考文献 136 第4章 设备工艺计算 138 4.1 塔设备 138 4.2 换热器 145 4.2.1 管壳式 145 4.2.2 板翅式 159 4.2.3 绕管式 168 4.3 反应器 175 4.3.1 釜式反应器 175 4.3.2 管式反应器 178 4.3.3 流化床反应器 184 4.4 流体输送设备 191 习题 192 参考文献 198 第5章 过程的动态控制 199 5.1 常用控制器模块 200 5.2 储罐的液位控制 201 5.2.1 常规液位控制结构 201 5.2.2 越权液位控制结构 212 5.2.3 含外部复位反馈功能的越权液位控制结构 215 5.3 反应器的换热控制 218 5.3.1 全混流反应器 219 5.3.2 平推流反应器 228 5.4 单一精馏塔控制 241 5.4.1 判断灵敏板位置 241 5.4.2 确定设备尺寸 243 5.4.3 安装独立作用控制器 245 5.4.4 安装串级作用控制器 250 5.4.5 安装比例作用控制器 253 5.4.6 几种控制结构的比较 257 5.4.7 压差控制 259 5.5 耦合精馏塔控制 262 5.6 动态换热器与精馏塔联合控制 271 5.7 任务语言的应用 280 5.7.1 进料流率扰动任务 281 5.7.2 进料组成扰动任务 282 5.7.3 进料温度扰动任务 284 5.7.4 改变控制器设定值的扰动任务 285 习题 286 参考文献 290 第6章 间歇过程 291 6.1 间歇反应 291 6.1.1 单一间歇反应器 292 6.1.2 含间歇反应器的组合流程 297 6.1.3 反应动力学模型参数拟合 302 6.2 间歇精馏 307 6.2.1 恒定回流比操作 308 6.2.2 变回流比操作 315 6.2.3 均相共沸精馏 320 6.2.4 非均相共沸精馏 325 6.2.5 半连续反应精馏 329 6.3 吸附过程 334 6.3.1 固定床的吸附波、浓度波与透过曲线 335 6.3.2 吸附实验数据拟合 346 6.3.3 固定床变压吸附过程 350 6.4 色谱过程 356 6.4.1 色谱柱的流出曲线 357 6.4.2 制备色谱分离 359 6.4.3 模拟移动床 364 习题 370 参考文献 376 內容試閱： 前言 《化工计算与软件应用》按照“卓越工程师教育培养计划”对专业课程教学内容改革的要求，适应化工流程模拟软件应用日益普及的现状，选用Aspen 系列软件作为计算工具进行教材编写，以克服传统化工计算教材内容的不足，有助于学生掌握先进的计算工具，提升化工计算的能力和水平。 从本书发行以来的反应来看，《化工计算与软件应用》不仅可以作为高校本科生的化工计算教材，而且在全国大学生化工设计竞赛中，也被众多学校的师生选用来学习化工设计及Aspen 系列软件的使用方法与技巧。另外，本书对于就职于化工企业从事化工过程开发与设计的工程技术人员也有一定参考价值。 Aspen 软件每年都有新版推出，软件内容与形式都有程度不等的更新，包括后台数据库的更新、软件界面的更新与软件功能的提升，也包括Aspen 系列软件中部分子软件的重组与更替。后台数据库的更新可使模拟计算结果更加准确，但软件使用者更关心软件界面的更新、使用方法的变化、软件功能的提升与部分子软件的重组与更替。本书第二版是以软件AspenOne V7.3 为计算工具编写的，现在看来软件已经有点过时。趁此次第三版修订机会，采用目前较为流行的AspenOne V12 为计算工具，在保持编写风格一致的基础上，对全书各章内容进行了多少不等的改写。同时，在控制不增加版面数量的前提下，对第二版的部分内容进行了适当的调整，删去原书最后一章的“工业装置流程模拟案例”与附录。 本书第三版共分6 章。第1 章介绍Aspen 软件和热力学数据搜索引擎NIST-TDE 用于化工物性数据查询、纯物质与化合物的性质估算、实验相平衡数据处理。新增知识点包括易燃溶液的闪点估算、立方型状态方程参数拟合、用软件的图形功能简化计算难度等。第2 章介绍稳态条件下各种化工过程的模拟方法，包括简单物理分离、含化学反应、含循环流、非平衡级过程和含复杂进料组成的流程模拟。新增知识点包括非平衡级模型的物理吸收塔与化学解吸塔的模拟计算。第3 章介绍节能技术在化工分离过程中的应用，包括Aspen Energy Analyzer（AEA）软件在热集成网络分析过程的应用、蒸汽优化配置、多效蒸发过程、各种节能精馏过程等。新增知识点包括AEA 软件能耗分析面板的应用介绍。第4 章介绍化工设备的工艺计算，包括Aspen 系列软件进行塔设备、换热器、反应器、流体输送设备的工艺设计。新增知识点包括Aspen EDR 软件对板翅式、绕管式换热器的设计应用，Aspen Plus 软件在流化床反应器模拟计算中的应用。第5 章介绍了Aspen Plus Dynamics 软件在化工过程控制中的应用方法，包括储罐的液位控制、反应器的换热控制、单一精馏塔和耦合精馏塔的控制、动态换热器与精馏塔联合控制等。新增知识点包括任务语言的应用介绍。第6 章介绍了三个Aspen 系列软件的使用方法，包括Aspen Plus 软件在间歇反应、间歇精馏过程中的应用，Aspen Adsorption 软件在吸附过程中的应用，Aspen Chromatography 软件在色谱过程和模拟移动床吸附过程中的应用。新增知识点包括BatchOp 模块在间歇反应过程中的应用、BatchSep 模块在间歇精馏过程中的应用、间歇模块与稳态模块的组合应用、半间歇半连续过程的应用等。 本书是南京工业大学化学工程与工艺专业国家级一流本科专业建设成果教材。第三版由南京工业大学包宗宏、武文良负责修订编写。中石化南京工程有限公司为本书提供了部分工程案例并参与部分例题的编写工作；南京力恒工程科技有限公司为本教材提供了部分工程案例；许多使用本教材的高校教师、本科生、研究生和企业工程设计人员以不同方式、通过不同途径对教材内容提出了宝贵的修改建议；作者在改编过程中参考了大量的文献资料。在此对以上单位、人员和参考文献资料的作者一并致以衷心的感谢。 本书可以作为化学化工类专业高校本科生的化工计算课程或相近课程的教材，可作为化工课程设计、化工本科毕业设计、化工设计竞赛培训等的参考用书，可作为化工类研究生相关课程的选修教材。作为中高级Aspen Plus 及其系列软件的学习教材，对从事化工过程开发与设计的工程技术人员有一定参考价值。 由于编者的水平所限，书中难免有疏漏，敬请读者批评指正。 编者 2024 年1 月 第一版前言 化工计算是化学工程与工艺专业学生的一门专业技术课程，一般包括物性数据的查询与估算、物料衡算和热量衡算、设备工艺计算、稳态过程的物料与能量联合衡算等。化工计算的目的，一是取得设备设计所需要的数据，二是为流程单元操作的调节和生产过程的控制提供依据，三是掌握原材料消耗量，中间产品和产品的生成量，估计能量以及水、电、蒸汽等动力消耗以及对生产操作进行经济分析。在化工厂设计时，化工计算是工厂或车间设计由定性规划转入定量计算的第一步；在现有装置进行技术改造时，对存在问题进行评价和对生产流程的经济性评价也是必不可少的。开设化工计算课程，可以训练学生的运算能力以及将化工专业理论知识运用于工程实际的能力。 化工过程涉及的计算问题大多较繁杂，求解大型非线性方程组、常微分方程组或偏微分方程组、大型矩阵等司空见惯。例如，对含C 个组分的混合物进行绝热闪蒸计算时，涉及的Jacobian 偏导数矩阵共有（2C 2）2 个元素，每个元素都要进行超越函数的偏导数计算。又比如用Naphtali-Sandholm 同时校正法计算含C 个组分、N 块理论板的精馏塔时，需要求解N (2C 3)维非线性方程组。这些计算工作量巨大，手工难以完成。 根据计算工具的发展沿革，化工计算课程的发展可以划分为三个阶段：20 世纪70 年代以前，化工计算的工具是计算尺，借助于这些原始计算工具，人们可以对一些简化、理想的数学模型进行求解，再借助于实际工作经验，工程师们进行化工厂的设计计算；20 世纪70年代以后，小型、微型数字计算机开始普及，人们可以自己动手编制一些小型的、独立的汇编语言程序，求解一些复杂一点的、手工难以计算的化工计算问题，比如固定床反应器的温度分布、泡点法精馏塔核算等。在此阶段，编制计算程序往往依赖个人的知识与经验，编制的程序也缺乏普遍性，只适用于个例；20 世纪80 年代以后，美国、加拿大、英国的一些公司开发了基于流程图的过程稳态、动态模拟软件，这些软件经过不断的发展、更新、融合，功能越来越强大，应用范围越来越广泛，准确性、实用性越来越好，其中最具代表性的软件是美国AspenTech 公司的Aspen Plus 化工流程模拟软件。 古人说，“工欲善其事，必先利其器”。化工流程模拟软件就是化工计算的有力利器，它用严格和最新的计算方法，提供近似准确的单元操作模型，进行单元和全过程的计算，还可以评估已有装置的优化操作或新建、改建装置的优化设计。软件系统功能齐全，规模庞大，可应用于化工、炼油、石油化工、气体加工、煤炭、医药、冶金、环境保护、动力、节能、食品等许多工业领域。可以毫不夸张地说，使用模拟软件的水平，反映了一个人化工计算能力的高低。 化学工程与工艺专业的大四年级本科生、参加卓越工程师教育培养计划的学生已经学完了专业基础课程和部分专业课程，对化学工程的基础理论知识已有一定的掌握，但综合应用各门课程的知识去研究、分析实际化工问题仍需要一定训练，化工计算是一个很好的训练途径，同时又是一项实用的专业技能。针对此背景，本书以Aspen Plus 及其系列软件为计算工具，以实例为线索，侧重于介绍如何应用化工专业知识结合软件求解化工计算中的一般问题，包括化工物性数据、相平衡数据的查询与估算、物料衡算与能量衡算、节能分离技术应用、设备工艺计算、综合流程模拟等内容。 书中的例题与习题部分来源于编者为本科生、研究生讲授化工原理、化工分离工程、化工设计等课程准备的例题与习题，部分取材于编者指导本科生、研究生毕业论文的课题，部分取材于编者指导在校生参加全国大学生化工设计大赛提交的作品。这些例题与习题涵盖了化工设计过程中常见的一般计算问题，读者可以在学习例题、完成习题的基础上举一反三，以解决化工设计、技术改造中的其他问题，提高自己的化工工艺设计能力。 本书编写过程中，注意把物理化学、化工原理、化工热力学、化学反应工程、分离工程、化工设计等先修课程的专业知识与软件解题过程相结合，灵活应用这些知识对软件解题过程中、解题完成后的数据进行分析，以提高读者分析问题与解决问题的能力。学习一个软件的操作并不难，而正确使用软件并不容易。把所学的化工专业知识用于软件的操作过程、对软件中间计算数据分析、对计算结果正确性的评判，这才是难点所在。 本书以 Aspen Plus 及其系列软件为计算工具，以化工过程实例为线索，介绍化工计算中的基本原理、计算方法与解题技巧。全书共分5 章，第1 章介绍化工物性数据、相平衡数据的查询、估算与数据处理方法；第2 章介绍化工过程物料衡算与能量衡算方法；第3 章介绍节能技术在化工分离过程中的应用；第4 章介绍化工设备的工艺计算；第5 章介绍工业装置流程模拟方法。书后附录中有Aspen Plus 物性术语对照表、综合过程数据包“Datapkg”和电解质过程数据包“Elecins”中的物性数据文件简介，以供读者在解题或在扩展学习中查询、应用。本书第5 章的5.2 节由南京中图数码科技有限公司范会芳编写，其余章节由南京工业大学包宗宏、武文良编写，在读研究生张少石、张杰等编译了附录1，在读研究生汤磊对书稿进行了校验。 本书不仅可以作为高校本科生、参加卓越工程师教育培养计划学生的化工计算教材，也可作为化工类研究生的选修教材，还可作为中级Aspen Plus 及其系列软件的学习教材，对从事化工过程开发与设计的工程技术人员也有一定参考价值。由于编者的水平所限，书中难免有疏漏，敬请读者批评指正。 编者 2013 年3 月于南京 第二版前言 本书自第一版发行以来，受到许多高校本科生、研究生和企业工程技术人员的欢迎，许多读者对本教材表达了肯定。随着AspenOne 工程套装软件在化工专业课程教学、课程设计以及设计竞赛活动中应用的普及与深入，对模拟软件在应用范围和应用深度方面的需求也日益显现。 为顺应这一需求，在保持编写风格一致的基础上，对第一版教材的各章内容进行了一定的改写，把第一版教材的第5 章内容改为“工业装置流程模拟案例”放第6 章后，新增加了第5 章“过程的动态控制”和第6 章“间歇过程”。同时，根据行业进展情况，对第一版教材的部分内容进行了适当调整，配有二维码，部分例题及案例可通过扫描二维码阅读。 本书共分6 章，第1 章介绍Aspen Plus 软件和热力学数据搜索引擎NIST-TDE 工具软件用于化工物性数据查询、基础热力学性质估算与应用、实验相平衡数据处理。第2 章介绍稳态条件下各种化工过程的模拟方法，包括简单物理过程、含化学反应过程、含循环物流过程和分离复杂组成混合物的流程模拟。第3 章介绍节能技术在化工分离过程中的应用，包括Aspen Energy Analyzer 软件在热集成网络分析过程的应用、蒸汽优化配置、多效蒸发过程、各种节能精馏过程等。第4 章介绍化工设备的工艺计算，包括采用Aspen Plus 软件进行塔设备、反应器、流体输送设备的工艺设计，采用Aspen EDR 软件进行管壳式换热器设计，采用Aspen MUSE 软件进行板翅式换热器设计。第5 章介绍了Aspen Plus Dynamics 软件在化工过程动态控制中的应用方法，包括储罐的液位控制、反应器的换热控制、单一精馏塔和耦合精馏塔的控制、动态换热器与精馏塔联合控制等。第6 章介绍了3 个Aspen 系列软件的使用方法，包括Aspen Batch Modeler 软件在间歇反应、间歇精馏过程中的应用，AspenAdsorption 软件在吸附过程中的应用，Aspen Chromatography 软件在色谱过程和模拟移动床吸附过程中的应用。案例部分介绍了4 个综合化工过程的工业装置流程模拟，包括环己烷-环己酮-环己醇混合物的高效分离过程、丙烯腈工艺废水四效蒸发浓缩过程、硫黄制酸过程和从醚后C4 烃中提取高纯异丁烯过程。 本书工业装置流程模拟案例中案例一由南京中图数码科技有限公司范会芳编写，其余章节由南京工业大学包宗宏、武文良编写。南京英斯派工程技术有限公司的谢佳华为第1 章纯物质热力学性质估算提供了新的案例与模拟方法，已毕业研究生汤磊为第5 章过程的动态控制提供了参考资料，南京凯通粮食生化研究设计有限公司的吴鹏对第6 章的“6.5 节模拟移动床吸附”提供了编写建议。本书在修订过程中，许多使用本教材的高校教师、阅读本教材的学生和企业工程设计人员以不同方式、通过不同途径对教材内容提出了宝贵的修改建议。在此对以上人员致以衷心的感谢。 本书可以作为化学化工类专业高校本科生的化工计算、化工软件课程或相近课程的教材，也可作为化工课程设计、化工本科毕业设计、化工设计竞赛培训等的参考用书以及化工类研究生相关课程的选修教材。本书作为中高级Aspen Plus 及其系列软件的学习教材，对从事化工过程开发与设计的工程技术人员也有一定参考价值。 由于编者的水平所限，书中疏漏难免，敬请读者批评指正。 编者 2018 年3 月

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