計算機在化學工程中的應用（簡體書）

化學工程專業以講授化工基本原理和簡單計算過程為主，強調掌握基本概念和基本公式。化工專業的學生雖然重點學習了這些規律，但往往局限於理論理解或手工計算，距解決實際複雜工程問題還有一定的差距。

《計算機在化學工程中的應用》按照資料處理與繪圖軟件、工程程序設計軟件、數值類比軟件分類，介紹化學工程計算中的常用軟件，包括Origin、Excel、GAMS、MATLAB、Fluent、Aspen Plus。詳細介紹了MATLAB和Aspen Plus軟件在化工專業中的應用，通過實例分析、計算框圖講解和程式編制,說明計算機技術在化工過程中的應用，提高化工專業學生利用計算機解決複雜工程問題的能力。每章均給出了例題的程式，代碼較長的程式列於附錄中。部分例題配套了講解視頻，可掃描例題附近的二維碼觀看。

《計算機在化學工程中的應用》結合化工計算實例介紹軟件，培養學生熟練使用數學算法和程序設計語言分析問題和解決問題的能力。本書適用於高等院校化工、石油、材料、製藥、生物、食品、環境等專業的本科生和研究生，也可供相關專業的科研、設計、管理及生產人員參考。

介紹化學工程計算中常用的軟件，包括Matlab、Aspen Plus、Fluent、GAMS、Origin、Excel等；

以化學工程計算中常用的工程軟件為主線，立足動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞和反應工程四大基礎專業知識；

結合課程設計、畢業設計、實習和實驗等教學環節；

將豐富的數值計算方法與先進的計算機技術和工業應用軟件相結合；

通過實例分析、計算框圖繪製以及程式編制，詳述計算機技術在化工過程中的應用；

提高學生自己動手解決實際問題的能力。

化學工程專業以講授化工基本原理和簡單計算過程為主，強調掌握基本概念和基本公式。然而，現代社會對大學畢業生的實際動手能力要求越來越高，傳統的教學模式和教材已經不能滿足應用型人才培養的需要。為了解決這一問題，在化工專業的教學計畫裡逐漸出現了一些計算機輔助類課程，試圖通過講授高級計算軟件來提高學生解決實際問題的能力。

青島科技大學化工學院通過分析化工專業的知識結構以及化工過程開發和產品研製對該專業的切實需求，提出了如下教學思路：立足學生所熟知的專業知識，首先向學生展示利用計算機進行複雜專業計算和流程模擬的過程，然後講解其中所體現的計算原理和計算機知識，最終使化工專業的學生具備運用數學和計算機解決實際化工問題的能力。

為了實現這一設想，青島科技大學化工學院早在2003年就開設了“過程工程計算機應用基礎”專業選修課，課程網址為https://mooc1-2.chaoxing.com/course/98122817. html。該課程共40學時（其中課堂授課30學時，上機10學時），2.5學分，授課物件為化學工程與工藝專業三年級本科生。該課程內容實用，很受學生的歡迎，每學期都有近200人選修。課程教研內容還獲批為2018年度國家虛擬模擬實驗教學項目和山東省本科教改重點項目，課程被評為青島科技大學2012年度精品課程，2013年獲首屆山東省高等學校教師微課教學比賽一等獎，2018年獲山東省教學成果二等獎。

為了進一步提升教學效果，我們決定編寫一本合適的教材來滿足授課要求。本書的編寫思路是：以化學工程計算中常用的工程軟件為主線，立足動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞和反應工程四大基礎專業知識，結合課程設計、畢業設計、實習和實驗等教學環節，將豐富的數值計算方法與先進的計算機技術、工業應用軟件相結合，通過實例分析、計算框圖繪製以及程式編制，詳述計算機技術在化工過程中的應用，以提高學生自己動手解決實際問題的能力。

《計算機在化學工程中的應用》按照資料處理與繪圖軟件、工程程序設計軟件、數值類比軟件分類，介紹化學工程計算中的常用軟件，包括Origin、Excel、GAMS、MATLAB、Fluent、Aspen Plus。考慮到MATLAB和Aspen Plus軟件在化工計算中應用十分廣泛，本書重點介紹這兩種軟件。MATLAB是一種專門用於工程計算的高階語言，使用者接口友好，擁有豐富的數值算法庫和強大的圖形繪製功能。該語言對使用者的數學知識和計算機程序設計能力要求很低，卻能輕鬆地完成複雜計算，已成為國內外大學化工專業學生所必須掌握的基本程序設計語言之一。對於複雜的流程模擬和優化問題，本書介紹了著名的商用流程模擬軟件Aspen Plus。作為較高層次的計算工具，學生無需程序設計便能通過Aspen Plus進行實際流程和設備的設計工作。Aspen Plus是世界性標準類比軟件，也是目前國際上功能最強的商品化流程模擬軟件。利用Aspen Plus進行穩態模擬，主要有三個方面的作用：①為改進裝置操作條件、降低操作費用、提高產品質量和實現優化運行提供依據；②指導裝置開工，節省開工費用，縮短開工時間；③分析裝置“瓶頸”，為設備檢修與設備更換提供依據。

本書以分析典型例題、剖析計算過程和演示程式實現為核心，重點介紹計算過程的實現機制，切實培養學生運用計算機解決實際問題的能力。並將一些科研方法和實例介紹給學生，使其對科研有一個清晰的認識。書中的部分例題配套了講解視頻，可掃描例題附近的二維碼觀看。

全書分三部分,共9章。第一部分為資料處理與繪圖軟件，分為2章，分別介紹Origin軟件、Excel軟件及其在管路實驗中的應用；第二部分為工程程序設計軟件，分為4章，分別介紹GAMS軟件和MATLAB軟件，著重介紹運用MATLAB軟件解決流動、傳熱、傳質和反應過程中的典型問題；第三部分為數值類比軟件，分為3章，分別介紹了Fluent軟件和Aspen Plus軟件，著重介紹Aspen Plus軟件及其在精餾塔類比和設計中的應用。

本書由青島科技大學田文德、王英龍、李正勇編寫，其中緒論、第一章至第六章由田文德編寫，第七章和第八章由李正勇編寫，第九章由王英龍編寫。全書由田文德統稿。

由於編者水準有限，書中難免存在疏漏和不足之處,懇請讀者批評指正。



田文德

2019年8月於青島科技大學

緒論/1

一、化工過程的特點1

二、計算機輔助計算的重要意義1

三、數值計算常用計算機軟件介紹2

四、正確選用軟件的意義8



第一部分資料處理與繪圖軟件

第一章Origin軟件/12

第一節Origin軟件介紹12

第二節Origin用於離心泵特性曲線繪製13

一、離心泵特性曲線繪製13

二、管路特性曲線17

三、離心泵工作點19

四、離心泵串並聯特性曲線19

本章小結22



第二章Excel軟件/23

第一節Excel軟件介紹23

一、利用Excel分析各資料間的變化關係23

二、利用Excel繪製二維圖和三維圖24

三、利用Excel進行優化計算25

第二節Excel用於管路摩擦係數測定28

本章小結30



第二部分工程程序設計軟件

第三章GAMS軟件/32

第一節GAMS軟件介紹32

一、GAMS簡介32

二、GAMS程式結構33

三、GAMS使用者接口34

第二節GAMS用於反應器網絡綜合35

一、反應器網絡綜合意義35

二、超結構法反應器網絡綜合36

本章小結42



第四章MATLAB軟件介紹/43

第一節MATLAB實例導入43

一、實例介紹43

二、實現程式介紹44

第二節MATLAB的語言基礎44

一、資料結構44

二、程序設計45

第三節MATLAB的圖形處理功能47

第四節MATLAB中的數值分析與計算功能47

一、變數48

二、方程48

三、自由度48

四、模型48

五、模型求解48

本章小結49



第五章MATLAB常用數值算法/50

第一節非線性方程求根50

一、對分法50

二、直接反覆運算法51

三、韋格斯坦法51

四、牛頓反覆運算法52

五、割線法53

六、拋物線法53

七、單變數非線性方程求解函數fzero54

八、多變數非線性方程組求解函數fsolve55

第二節常微分方程求解56

一、歐拉法56

二、龍格-庫塔法58

三、常微分方程求解函數ode4558

第三節數值積分59

一、矩形積分法和梯形積分法60

二、辛普森積分法61

第四節最優化62

一、一維搜索法63

二、無約束多變數優化方法65

三、其他優化方法70

本章小結73



第六章MATLAB軟件應用/74

第一節MATLAB用於流體基礎計算74

一、流體的可壓縮性74

二、流體輸送管路直徑的選擇78

三、非穩態流動81

第二節MATLAB用於管路計算83

一、簡單管路分析83

二、試差計算85

第三節MATLAB用於換熱器的操作計算92

第四節MATLAB用於換熱器的最優設計96

第五節MATLAB用於單級平衡分離過程計算100

一、等溫閃蒸101

二、部分汽化和冷凝計算103

三、絕熱閃蒸計算104

第六節MATLAB用於精餾操作計算106

一、數學模型的建立107

二、三對角矩陣法108

第七節MATLAB用於精餾和吸收設計112

一、圖解法求解二元精餾塔理論板數112

二、圖解法求吸收塔傳質單元數116

三、簡捷法求解二元精餾塔理論板數119

第八節MATLAB用於反應動力學資料估計和反應器類比124

本章小結132



第三部分數值類比軟件

第七章Fluent軟件/134

第一節Fluent軟件介紹134

第二節Fluent用於換熱器的流體力學計算137

一、流體流動邊界層的模擬137

二、單管程列管式換熱器的模擬143

本章小結147



第八章Aspen Plus軟件介紹/148

第一節Aspen Plus軟件概況148

第二節Aspen Plus基本操作149

一、基本流程模擬149

二、靈敏度分析150

三、設計規定150

四、物性分析151

五、物性估計151

六、物性資料回歸151

七、關於Fortran模組151

第三節Aspen Plus應用實例152

一、二元連續精餾的計算152

二、乙醇-水-苯恒沸精餾計算157

本章小結161



第九章Aspen Plus軟件功能/162

第一節物性分析估計與資料回歸162

一、純組分的物性分析162

二、混合物相圖的繪製164

三、估計非資料庫組分的物性169

四、相平衡實驗資料的回歸175

第二節流程與模型分析工具186

一、靈敏度分析186

二、設計規定191

三、優化195

第三節計算序列與收斂策略199

一、收斂模組的撕裂收斂參數200

二、收斂方法及其適用範圍200

三、撕裂流股與工藝流程的計算序列201

四、規定撕裂流股並提供初值201

五、規定自訂收斂模組203

六、收斂順序與流程計算序列204

七、收斂結果與控制臺信息204

八、流程收斂實例205

九、流程收斂的策略209

第四節工藝流程圖繪製209

一、啟動Aspen Plus並打開現有的模擬210

二、切換到PFD模式210

三、添加圖形211

四、顯示物流資料並添加物流表212

五、添加文本214

六、打印工藝流程圖214

本章小結215



參考文獻/216