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化工過程系統分析與合成(簡體書)
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化工過程系統分析與合成(簡體書)

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商品簡介
作者簡介
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目次
書摘/試閱

商品簡介

本書是化工過程分析與合成的實用基礎教程,涉及化工過程分析與合成的基本概念、模型建立、模擬求解、過程優化、系統合成等主要內容。本書兼顧課程內容的深度與廣度,注重知識的理論性與實用性。全書共分為7章,每章均有大量的案例與例題,大部分案例均為作者基于Aspen Plus、Matlab、Visual Basic、Excel開發的通用程序,極大地方便了讀者對課程知識的理解及實際應用。
本書可作為化學化工類本科生化工分析與合成、化工系統工程、化工設計等課程的教材或主要參考書,也可作為研究生化工計算機應用技術的主要參考書,同時也可供化學化工科技人員作為化工模擬及優化設計的參考書籍。
本書配有全套輔助學習電子課件。電子課件可免費在www?cipedu?com?cn下載。該電子課件包括1~7章例題的程序、1~7章的多媒體課件以及本書中用到的Aspen Plus、Matlab、Excel主要功能介紹及應用。讀者可在此基礎上進行二次開發,作為教師課件、學生試卷及實際應用時的素材和工具。

作者簡介

方利國,華南理工大學,副教授系副主任,本人長期計算機在化學化工方面的應用研究,發表各種論文40余篇,申請國家專利10項,目前已獲國家授權專利8項,其中發明2項。碩士論文和博士論文選題均與計算機應用有關。目前已積累豐富的有關化工制圖及計算機輔助設計的素材,從事本科生教學已達20年左右,長期主講計算機輔助設計、能源概論、化工系統工程、化工過程分析與合成、化工微機應用、化工企業管理、、化工儀表與自動化等課程,具有豐富的教學經驗,多次獲得華南理工大學優秀教學獎,分別教研論文10篇。

名人/編輯推薦

《高等教育規劃教材:化工過程系統分析與合成》可作為化學化工類本科生化工分析與合成、化工系統工程、化工設計等課程的教材或主要參考書,也可作為研究生化工計算機應用技術的主要參考書,同時也可供化學化工科技人員作為化工模擬及優化設計的參考書籍。

自從留校任教以來,正規全程講授的第一門課就是化工過程分析與合成(當時課程名稱為化工系統工程),到現在已有20余年。歷年的紙質教案摞起來也有幾尺之高,電子文稿也有數百兆,編寫該課程相應的教材的心愿已有10年左右。盡管在這10年左右的時間作者已陸續出版了近10本各種教材和專著,也編寫了該課程的講義,但正式動筆編寫該課程教材的決心遲遲未下。主要原因:一是作者尚未完全把握該課程的核心內容,國內所能見到的教材各有千秋,但總感覺有所缺陷;來自學生的反饋也似乎表明很難將課程的知識用于解決實際問題,因為涉及大量的計算機應用,如果沒有優化及模擬軟件,不借助于計算機計算連最簡單的黃金分割優化方法也只能停留在理論的層次,因為有時一個優化問題可能多次重復調用黃金分割法,如果手工計算將耗費大量時間;二是作者的計算機應用能力尚未具備解決該課程中的所有問題,它涉及諸如Aspen Plus、Matlab之類的模擬軟件,Excel中的規劃求解、宏計算、迭代求解,自主VB開發解算化工優化問題等相對較難而又要全面的計算機應用知識。直至現今,上面兩個問題已基本解決;故決定完成10年來的心愿,編著該教材,也為該課程在國內的發展提高添上一塊不起眼的基石。
經過近一年半的寫作,書稿基本完成。期間有艱辛也有喜悅。為了盡量完善書稿內容,有時為了搞清楚一個概念,需要查找多本參考文獻,通過互相比對,選擇最完善的表述。有時通過比對也無法確定正確與否,只能通過全面計算確定最終結構。如有個別參考文獻上的案例模型,國內多本教材均有引用,本書也想引用,但發現其中一個約束條件是有問題的。為了驗證此問題,作者開發了此案例的計算機模擬計算軟件,將約束條件改為作者的約束條件,模擬結果和國外參考文獻上的一致。進一步分析模擬數據,發現該約束問題在優化過程中是非緊約束,故即使采用錯誤的約束方程,在目前的已知數據下,優化結果也不會變。但當已知數據改變時,原來的非緊約束就有可能變成緊約束,此時模型的錯誤就會影響最優解。基于這種情況,本書中所有的案例,無論是作者平時工作研究中的實際例子,還是引用文獻中的案例,作者均通過自己開發的軟件或應用程序,對數據進行重新計算,驗證結果正確后才采用。
本教材共分7章,第1章主要介紹了化工過程分析與合成的一些基本概念及主要研究內容,其中包含了三個化工過程分析的案例及三個化工過程合成的案例;第2章主要介紹了化工單元模型及結構模型的建立方法,其中對基于量綱分析的方法構建模型做了深入探討;第3章介紹了化工過程模擬的基本策略與方法,同時介紹了模型方程的分割與切斷求解的基本思路和方法;第4章介紹了化工過程分析與合成中涉及的各種優化方法,著重介紹如何利用計算機來解決這些優化問題;第5章則通過十二個具體案例的分析,全面呈現了化工過程分析的方方面面,如模型方程的建立、模擬軟件的選擇、具體計算程序的編寫、對計算或模擬結果的分析等;第6章介紹了化工過程合成的基本策略,并對反應過程合成、分離過程合成及換熱過程合成中的主要內容進行了介紹,其中作者開發的關于挾點溫度及公用工程計算的程序具有很好的通用性;第7章對化工過程節能有關的概念、方法、技術及國家政策方針展開了闡述,可作為化工節能課程的主要內容。原計劃還有智能優化及模擬軟件應用等內容,現將該部分內容放入電子課件,并定期完善更新,讀者可憑書上的注冊碼,到化學工業出版社wwwcipeducomcn網頁免費下載。
本教材由方利國編著,甘景洪、王方嫻、劉婧、吳少如、蘇嘉俊、王少飛等同學參加了教材的部分文本輸入及電子課件開發工作;華南理工大學研究生院、華南理工大學教務處對教材的出版給予了大力支持,在此表示感謝。感謝家人在寫作過程中對本人的大力支持;感謝華南理工大學化學與化工學院多年來選修該課程的同學對本課程教學的支持。
本教材在編寫過程中,作者參考了大量的文獻及教材,在此特表示感謝。參考文獻如有遺漏之處,敬請諒解。本教材雖經作者20多年的資料收集,近2年的編寫,但由于作者水平有限,不妥之處在所難免,望同行及讀者予以批評指正。


作者2013仲夏年于廣州

目次

第1章化工系統分析與合成導論001
【本章導讀】
1.1系統與化工系統
1.1.1系統
1.1.2化工系統
1.1.3系統的特性
1.2化工系統分析
1.2.1基本定義
1.2.2化工系統分析含義
1.2.3化工系統分析具體案例
1.3化工系統合成
1.3.1化工系統合成定義
1.3.2化工系統合成多重同心圓概念
1.3.3化工系統合成關鍵
1.3.4化工系統合成具體案例
1.4化工系統模擬與模型
1.4.1模擬法
1.4.2常用模擬軟件
1.5化工系統優化
1.5.1優化的重要性
1.5.2基本的優化模型
1.5.3系統優化需要的知識支撐
本章小結及提點
習題
第2章化工過程系統模型化040
【本章導讀】
2.1化工單元模型分類及簡化
2.1.1模型分類
2.1.2模型的簡化
2.1.3模型參數
2.1.4模型建立的步驟
2.2常見化工單元數學模型
2.2.1混合過程建模
2.2.2氣體壓縮過程建模
2.2.3氣體膨脹過程建模
2.2.4液體加壓過程建模
2.2.5分割過程建模
2.2.6管路壓降過程建模
2.2.7閃蒸過程建模
2.2.8蒸餾過程建模
2.2.9換熱過程建模
2.2.10間歇蒸餾過程建模
2.3化工過程系統結構模型
2.3.1有向圖
2.3.2過程矩陣(Process Matrix)RP
2.3.3關聯矩陣(Incidence Matrix)R1
2.3.4鄰接矩陣(Adjacency Matrix)RA
2.3.5聯結表
本章小結及提點
習題
……
第3章化工系統模擬方法及策略085
第4章化工過程系統優化基礎140
第5章典型化工單元及過程模擬及優化案例199
第6章化工過程合成技術及優化249
第7章化工過程節能技術分析與評價291

書摘/試閱



用數學的方法來模擬一個實際的系統,研究各參數之間的定量關系,稱為數學模擬。它包括系統數學模型的建立和求解兩個方面。而所謂數學模型就是將一個實際過程各參數之間的關系及其求解條件用數學方程組及約束來描述,它是實際過程特征的數學描述,例如化學過程的動力學模型描述了化學反應的動力學特征與化學反應速率同濃度和反應溫度之間的數學關系。
建立好系統的數學模型后,對數學模型中各變量及系數的研究就好比在研究某個實際系統。通常這種研究需借助于計算機。通過改變參變量進行計算,就可以了解到不同條件下的各種行為,就好像對系統作各種條件試驗,這種試驗稱為數學模擬。數學模擬是化工系統分析和合成的基本方法,而建立化工系統的數學模型則是本課程的基本內容。國內外已有多名學者提出目前化學和化工領域已是理論化學與化工、實驗化學與化工、數學化學與化工三駕馬車齊頭并進的時代,而數學化學與化工當然指的是數學模擬,作為一名即將踏上該領域的年輕學子,理所當然地需要了解和掌握數學化學與化工這個重要工具。
1.4.2常用模擬軟件
化工系統模擬離不開計算機,而計算機本身其實本事不大,主要是依靠人們開發的程序。可以說離開了操作系統和專用程序(軟件),計算機(硬件)將一事無成。對于簡單的化工系統模擬、分析、合成甚至優化問題你可以利用通用計算軟件如VB、Matlab、Femlab、Excel等自己編程計算,如在前面介紹的一些例子。對于復雜的化工系統,如精餾、萃取等需要較多物性數據的模擬過程,即使你能自己開發程序,但物性數據的收集將花去你大量的時間。世界上第一個化工模擬程序Flexible Flowsheetin9由美國M.W.Kellogg公司在1958年推出。20世紀60年代可稱為化工過程模擬的初始發展期。國外有關大學、研究機構、石化公司紛紛開始研制自己的模擬軟件。比較有名的有CHESS(Chemical En—gineering Simulation System),該流程是20世紀60年代末由美國的University of Houston開發,后經多次增補修訂。在1978年的修訂版中,共備有l6種單元操作模塊,98種純組分物料的物性(由98種已知物性組成的混合物的物性系統可推算),并具有根據流程結構情況自動排出各單元求解順序的功能。使用語言為FORTRAN中的NAMELIST格式。同樣在20世紀60年代末,由美國孟山都公司(Monsanto C0.)開發的FLOWTRAN(Flow—sheet Translator),采用專門設計的面向問題語言,方便各項數據輸入,具有費用計算模塊,可進行費用計算,20世紀70年代開始允許高等學校用于教學。目前在化工過程模擬和分析中比較常用的有美國ASPEN Tech公司的Aspen Plus,該軟件原名ASPEN(Ad—vanced System for Process Engineering),1979年由麻省理工學院化工系教授組織高校和企業人員共同開發,后由ASPEN Tech公司收購擁有,1981年改進為Aspen Plus。ASPENTech公司還收購了英國等一些國家有關化工模擬的軟件,將其組合進Aspen Plus中,使Aspen Plus的功能更加強大。由美國Chemstations公司推出ChemCAD也是一款極具應用和推廣價值的化工模擬軟件,它主要用于化工生產方面的工藝開發、優化設計和技術改造。由于ChemCAD內置的專家系統數據庫集成了多個方面且非常詳盡的數據,使得ChemCAD可以應用于化工生產的諸多領域,而且隨著Chemstations公司的深入開發,ChemCAD的應用領域還將不斷拓展。加拿大的Hyprotech公司在20世紀80年代推出了HYSIM并不斷加以改進和強化,又利用自己的強大實力在20世紀90年代推出了動態模擬系統HYSYS.Plant(Plant Detail Steady and Dynamic Simulation),2002年7月,Hyprotech公司與AspenTech公司合并,Hyprotech成為ASPEN Tech公司的一部分。

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