化工計算與軟件應用(第三版)（簡體書）

《化工計算與軟件應用》（第三版）以Aspen Plus 及其系列軟件為計算工具，以實例為線索，介紹化工計算過程中的基本原理、計算方法與解題技巧。全書共分6章：第1章介紹模擬軟件用於物性數據查詢與估算、相平衡模擬、實驗相平衡數據處理；第2章介紹穩態條件下各種化工過程的模擬方法；第3章介紹節能技術在化工分離過程中的應用；第4章介紹化工設備的工藝計算；第5章介紹化工過程的動態控制模擬；第6章介紹間歇反應、間歇精餾、固定床吸附、色譜過程和移動床吸附過程模擬。本書可作為高等學校化工類專業本科生與研究生學習Aspen Plus系列軟件的教材，也可供從事化工過程開發與設計的工程技術人員參考。

包宗宏，南京工業大學化工學院研究員。主要從事化工分離過程的教學與研究工作。為本科生和研究生講授數門專業課程。曾獲化工部1990和1991年度科技進步三等獎兩項。主編《化工計算與軟件應用》等。

前言
《化工計算與軟件應用》按照“卓越工程師教育培養計劃”對專業課程教學內容改革的要求，適應化工流程模擬軟件應用日益普及的現狀，選用Aspen 系列軟件作為計算工具進行教材編寫，以克服傳統化工計算教材內容的不足，有助於學生掌握先進的計算工具，提升化工計算的能力和水平。
從本書發行以來的反應來看，《化工計算與軟件應用》不僅可以作為高校本科生的化工計算教材，而且在全國大學生化工設計競賽中，也被眾多學校的師生選用來學習化工設計及Aspen 系列軟件的使用方法與技巧。另外，本書對於就職於化工企業從事化工過程開發與設計的工程技術人員也有一定參考價值。
Aspen 軟件每年都有新版推出，軟件內容與形式都有程度不等的更新，包括後臺數據庫的更新、軟件界面的更新與軟件功能的提升，也包括Aspen 系列軟件中部分子軟件的重組與更替。後臺數據庫的更新可使模擬計算結果更加準確，但軟件使用者更關心軟件界面的更新、使用方法的變化、軟件功能的提升與部分子軟件的重組與更替。本書第二版是以軟件AspenOne V7.3 為計算工具編寫的，現在看來軟件已經有點過時。趁此次第三版修訂機會，採用目前較為流行的AspenOne V12 為計算工具，在保持編寫風格一致的基礎上，對全書各章內容進行了多少不等的改寫。同時，在控制不增加版面數量的前提下，對第二版的部分內容進行了適當的調整，刪去原書最後一章的“工業裝置流程模擬案例”與附錄。
本書第三版共分6 章。第1 章介紹Aspen 軟件和熱力學數據搜索引擎NIST-TDE 用於化工物性數據查詢、純物質與化合物的性質估算、實驗相平衡數據處理。新增知識點包括易燃溶液的閃點估算、立方型狀態方程參數擬合、用軟件的圖形功能簡化計算難度等。第2 章介紹穩態條件下各種化工過程的模擬方法，包括簡單物理分離、含化學反應、含循環流、非平衡級過程和含複雜進料組成的流程模擬。新增知識點包括非平衡級模型的物理吸收塔與化學解吸塔的模擬計算。第3 章介紹節能技術在化工分離過程中的應用，包括Aspen Energy Analyzer（AEA）軟件在熱集成網絡分析過程的應用、蒸汽優化配置、多效蒸發過程、各種節能精餾過程等。新增知識點包括AEA 軟件能耗分析面板的應用介紹。第4 章介紹化工設備的工藝計算，包括Aspen 系列軟件進行塔設備、換熱器、反應器、流體輸送設備的工藝設計。新增知識點包括Aspen EDR 軟件對板翅式、繞管式換熱器的設計應用，Aspen Plus 軟件在流化床反應器模擬計算中的應用。第5 章介紹了Aspen Plus Dynamics 軟件在化工過程控制中的應用方法，包括儲罐的液位控制、反應器的換熱控制、單一精餾塔和耦合精餾塔的控制、動態換熱器與精餾塔聯合控制等。新增知識點包括任務語言的應用介紹。第6 章介紹了三個Aspen 系列軟件的使用方法，包括Aspen Plus 軟件在間歇反應、間歇精餾過程中的應用，Aspen Adsorption 軟件在吸附過程中的應用，Aspen Chromatography 軟件在色譜過程和模擬移動床吸附過程中的應用。新增知識點包括BatchOp 模塊在間歇反應過程中的應用、BatchSep 模塊在間歇精餾過程中的應用、間歇模塊與穩態模塊的組合應用、半間歇半連續過程的應用等。
本書是南京工業大學化學工程與工藝專業國家級一流本科專業建設成果教材。第三版由南京工業大學包宗宏、武文良負責修訂編寫。中石化南京工程有限公司為本書提供了部分工程案例並參與部分例題的編寫工作；南京力恒工程科技有限公司為本教材提供了部分工程案例；許多使用本教材的高校教師、本科生、研究生和企業工程設計人員以不同方式、通過不同途徑對教材內容提出了寶貴的修改建議；作者在改編過程中參考了大量的文獻資料。在此對以上單位、人員和參考文獻資料的作者一並致以衷心的感謝。
本書可以作為化學化工類專業高校本科生的化工計算課程或相近課程的教材，可作為化工課程設計、化工本科畢業設計、化工設計競賽培訓等的參考用書，可作為化工類研究生相關課程的選修教材。作為中高級Aspen Plus 及其系列軟件的學習教材，對從事化工過程開發與設計的工程技術人員有一定參考價值。
由於編者的水平所限，書中難免有疏漏，敬請讀者批評指正。

編者
2024 年1 月

第一版前言
化工計算是化學工程與工藝專業學生的一門專業技術課程，一般包括物性數據的查詢與估算、物料衡算和熱量衡算、設備工藝計算、穩態過程的物料與能量聯合衡算等。化工計算的目的，一是取得設備設計所需要的數據，二是為流程單元操作的調節和生產過程的控制提供依據，三是掌握原材料消耗量，中間產品和產品的生成量，估計能量以及水、電、蒸汽等動力消耗以及對生產操作進行經濟分析。在化工廠設計時，化工計算是工廠或車間設計由定性規劃轉入定量計算的第一步；在現有裝置進行技術改造時，對存在問題進行評價和對生產流程的經濟性評價也是必不可少的。開設化工計算課程，可以訓練學生的運算能力以及將化工專業理論知識運用於工程實際的能力。
化工過程涉及的計算問題大多較繁雜，求解大型非線性方程組、常微分方程組或偏微分方程組、大型矩陣等司空見慣。例如，對含C 個組分的混合物進行絕熱閃蒸計算時，涉及的Jacobian 偏導數矩陣共有（2C 2）2 個元素，每個元素都要進行超越函數的偏導數計算。又比如用Naphtali-Sandholm 同時校正法計算含C 個組分、N 塊理論板的精餾塔時，需要求解N (2C 3)維非線性方程組。這些計算工作量巨大，手工難以完成。
根據計算工具的發展沿革，化工計算課程的發展可以劃分為三個階段：20 世紀70 年代以前，化工計算的工具是計算尺，借助於這些原始計算工具，人們可以對一些簡化、理想的數學模型進行求解，再借助於實際工作經驗，工程師們進行化工廠的設計計算；20 世紀70年代以後，小型、微型數字計算機開始普及，人們可以自己動手編制一些小型的、獨立的匯編語言程序，求解一些複雜一點的、手工難以計算的化工計算問題，比如固定床反應器的溫度分布、泡點法精餾塔核算等。在此階段，編制計算程序往往依賴個人的知識與經驗，編制的程序也缺乏普遍性，只適用於個例；20 世紀80 年代以後，美國、加拿大、英國的一些公司開發了基於流程圖的過程穩態、動態模擬軟件，這些軟件經過不斷的發展、更新、融合，功能越來越強大，應用範圍越來越廣泛，準確性、實用性越來越好，其中最具代表性的軟件是美國AspenTech 公司的Aspen Plus 化工流程模擬軟件。
古人說，“工欲善其事，必先利其器”。化工流程模擬軟件就是化工計算的有力利器，它用嚴格和最新的計算方法，提供近似準確的單元操作模型，進行單元和全過程的計算，還可以評估已有裝置的優化操作或新建、改建裝置的優化設計。軟件系統功能齊全，規模龐大，可應用於化工、煉油、石油化工、氣體加工、煤炭、醫藥、冶金、環境保護、動力、節能、食品等許多工業領域。可以毫不夸張地說，使用模擬軟件的水平，反映了一個人化工計算能力的高低。
化學工程與工藝專業的大四年級本科生、參加卓越工程師教育培養計劃的學生已經學完了專業基礎課程和部分專業課程，對化學工程的基礎理論知識已有一定的掌握，但綜合應用各門課程的知識去研究、分析實際化工問題仍需要一定訓練，化工計算是一個很好的訓練途徑，同時又是一項實用的專業技能。針對此背景，本書以Aspen Plus 及其系列軟件為計算工具，以實例為線索，側重於介紹如何應用化工專業知識結合軟件求解化工計算中的一般問題，包括化工物性數據、相平衡數據的查詢與估算、物料衡算與能量衡算、節能分離技術應用、設備工藝計算、綜合流程模擬等內容。
書中的例題與習題部分來源於編者為本科生、研究生講授化工原理、化工分離工程、化工設計等課程準備的例題與習題，部分取材於編者指導本科生、研究生畢業論文的課題，部分取材於編者指導在校生參加全國大學生化工設計大賽提交的作品。這些例題與習題涵蓋了化工設計過程中常見的一般計算問題，讀者可以在學習例題、完成習題的基礎上舉一反三，以解決化工設計、技術改造中的其他問題，提高自己的化工工藝設計能力。
本書編寫過程中，注意把物理化學、化工原理、化工熱力學、化學反應工程、分離工程、化工設計等先修課程的專業知識與軟件解題過程相結合，靈活應用這些知識對軟件解題過程中、解題完成後的數據進行分析，以提高讀者分析問題與解決問題的能力。學習一個軟件的操作並不難，而正確使用軟件並不容易。把所學的化工專業知識用於軟件的操作過程、對軟件中間計算數據分析、對計算結果正確性的評判，這才是難點所在。
本書以 Aspen Plus 及其系列軟件為計算工具，以化工過程實例為線索，介紹化工計算中的基本原理、計算方法與解題技巧。全書共分5 章，第1 章介紹化工物性數據、相平衡數據的查詢、估算與數據處理方法；第2 章介紹化工過程物料衡算與能量衡算方法；第3 章介紹節能技術在化工分離過程中的應用；第4 章介紹化工設備的工藝計算；第5 章介紹工業裝置流程模擬方法。書後附錄中有Aspen Plus 物性術語對照表、綜合過程數據包“Datapkg”和電解質過程數據包“Elecins”中的物性數據文件簡介，以供讀者在解題或在擴展學習中查詢、應用。本書第5 章的5.2 節由南京中圖數碼科技有限公司範會芳編寫，其余章節由南京工業大學包宗宏、武文良編寫，在讀研究生張少石、張杰等編譯了附錄1，在讀研究生湯磊對書稿進行了校驗。
本書不僅可以作為高校本科生、參加卓越工程師教育培養計劃學生的化工計算教材，也可作為化工類研究生的選修教材，還可作為中級Aspen Plus 及其系列軟件的學習教材，對從事化工過程開發與設計的工程技術人員也有一定參考價值。由於編者的水平所限，書中難免有疏漏，敬請讀者批評指正。

編者
2013 年3 月於南京

第二版前言
本書自第一版發行以來，受到許多高校本科生、研究生和企業工程技術人員的歡迎，許多讀者對本教材表達了肯定。隨著AspenOne 工程套裝軟件在化工專業課程教學、課程設計以及設計競賽活動中應用的普及與深入，對模擬軟件在應用範圍和應用深度方面的需求也日益顯現。
為順應這一需求，在保持編寫風格一致的基礎上，對第一版教材的各章內容進行了一定的改寫，把第一版教材的第5 章內容改為“工業裝置流程模擬案例”放第6 章後，新增加了第5 章“過程的動態控制”和第6 章“間歇過程”。同時，根據行業進展情況，對第一版教材的部分內容進行了適當調整，配有二維碼，部分例題及案例可通過掃描二維碼閱讀。
本書共分6 章，第1 章介紹Aspen Plus 軟件和熱力學數據搜索引擎NIST-TDE 工具軟件用於化工物性數據查詢、基礎熱力學性質估算與應用、實驗相平衡數據處理。第2 章介紹穩態條件下各種化工過程的模擬方法，包括簡單物理過程、含化學反應過程、含循環物流過程和分離複雜組成混合物的流程模擬。第3 章介紹節能技術在化工分離過程中的應用，包括Aspen Energy Analyzer 軟件在熱集成網絡分析過程的應用、蒸汽優化配置、多效蒸發過程、各種節能精餾過程等。第4 章介紹化工設備的工藝計算，包括採用Aspen Plus 軟件進行塔設備、反應器、流體輸送設備的工藝設計，採用Aspen EDR 軟件進行管殼式換熱器設計，採用Aspen MUSE 軟件進行板翅式換熱器設計。第5 章介紹了Aspen Plus Dynamics 軟件在化工過程動態控制中的應用方法，包括儲罐的液位控制、反應器的換熱控制、單一精餾塔和耦合精餾塔的控制、動態換熱器與精餾塔聯合控制等。第6 章介紹了3 個Aspen 系列軟件的使用方法，包括Aspen Batch Modeler 軟件在間歇反應、間歇精餾過程中的應用，AspenAdsorption 軟件在吸附過程中的應用，Aspen Chromatography 軟件在色譜過程和模擬移動床吸附過程中的應用。案例部分介紹了4 個綜合化工過程的工業裝置流程模擬，包括環己烷-環己酮-環己醇混合物的高效分離過程、丙烯腈工藝廢水四效蒸發濃縮過程、硫黃制酸過程和從醚後C4 烴中提取高純異丁烯過程。
本書工業裝置流程模擬案例中案例一由南京中圖數碼科技有限公司範會芳編寫，其余章節由南京工業大學包宗宏、武文良編寫。南京英斯派工程技術有限公司的謝佳華為第1 章純物質熱力學性質估算提供了新的案例與模擬方法，已畢業研究生湯磊為第5 章過程的動態控制提供了參考資料，南京凱通糧食生化研究設計有限公司的吳鵬對第6 章的“6.5 節模擬移動床吸附”提供了編寫建議。本書在修訂過程中，許多使用本教材的高校教師、閱讀本教材的學生和企業工程設計人員以不同方式、通過不同途徑對教材內容提出了寶貴的修改建議。在此對以上人員致以衷心的感謝。
本書可以作為化學化工類專業高校本科生的化工計算、化工軟件課程或相近課程的教材，也可作為化工課程設計、化工本科畢業設計、化工設計競賽培訓等的參考用書以及化工類研究生相關課程的選修教材。本書作為中高級Aspen Plus 及其系列軟件的學習教材，對從事化工過程開發與設計的工程技術人員也有一定參考價值。
由於編者的水平所限，書中疏漏難免，敬請讀者批評指正。

編者
2018 年3 月

第1章 物性數據和相平衡數據的查詢與估算 1
1.1 化工物性數據的查詢 1
1.1.1 從文獻中查找 1
1.1.2 從Aspen 軟件數據庫中查找 3
1.1.3 用NIST-TDE 熱力學數據搜索引擎查找 3
1.1.4 物性查詢例題 4
1.2 純物質的物性估算 6
1.2.1 基礎物性常數 6
1.2.2 與溫度相關的熱力學性質 7
1.2.3 與溫度相關的傳遞性質 8
1.2.4 純物質物性估算例題 8
1.3 混合物的物性估算 10
1.3.1 估算熱力學性質的模型 11
1.3.2 估算傳遞性質的模型 12
1.3.3 混合物物性估算例題 12
1.4 相平衡數據查詢、計算與參數估算 18
1.4.1 從相平衡數據手冊中查詢 18
1.4.2 從NIST-TRC 軟件數據庫中查詢 18
1.4.3 用軟件計算相平衡數據與繪製相圖 21
1.4.4 活度系數方程參數估算 30
1.4.5 立方型狀態方程參數估算 39
習題 43
參考文獻 45

第2章 穩態過程的物料衡算與能量衡算 47
2.1 衡算方法 47
2.1.1 衡算方程式 47
2.1.2 衡算的基本步驟 48
2.1.3 用軟件進行物料衡算與能量衡算的要點 49
2.2 簡單物理過程 52
2.2.1 混合過程 52
2.2.2 單級相平衡過程 55
2.2.3 機械分離過程 62
2.3 含化學反應過程 65
2.3.1 含反應器的組合流程 65
2.3.2 反應精餾過程 67
2.4 含循環流過程 71
2.4.1 萃取精餾 72
2.4.2 變壓精餾 75
2.4.3 非均相共沸精餾 80
2.4.4 反應器與精餾塔的組合流程 83
2.5 非平衡級分離過程 85
2.5.1 物理吸收過程 86
2.5.2 化學解吸過程 88
2.6 分離複雜組成混合物 91
習題 95
參考文獻 99

第3章 節能分離過程 100
3.1 流體換熱與熱集成網絡 100
3.1.1 冷熱流體換熱 100
3.1.2 熱集成網絡分析 102
3.2 蒸汽優化配置 111
3.3 多效蒸發 114
3.4 精餾過程 117
3.4.1 多效精餾 117
3.4.2 熱泵精餾 120
3.4.3 熱耦精餾 123
3.4.4 中段換熱精餾 128
習題 134
參考文獻 136

第4章 設備工藝計算 138
4.1 塔設備 138
4.2 換熱器 145
4.2.1 管殼式 145
4.2.2 板翅式 159
4.2.3 繞管式 168
4.3 反應器 175
4.3.1 釜式反應器 175
4.3.2 管式反應器 178
4.3.3 流化床反應器 184
4.4 流體輸送設備 191
習題 192
參考文獻 198

第5章 過程的動態控制 199
5.1 常用控制器模塊 200
5.2 儲罐的液位控制 201
5.2.1 常規液位控制結構 201
5.2.2 越權液位控制結構 212
5.2.3 含外部復位反饋功能的越權液位控制結構 215
5.3 反應器的換熱控制 218
5.3.1 全混流反應器 219
5.3.2 平推流反應器 228
5.4 單一精餾塔控制 241
5.4.1 判斷靈敏板位置 241
5.4.2 確定設備尺寸 243
5.4.3 安裝獨立作用控制器 245
5.4.4 安裝串級作用控制器 250
5.4.5 安裝比例作用控制器 253
5.4.6 幾種控制結構的比較 257
5.4.7 壓差控制 259
5.5 耦合精餾塔控制 262
5.6 動態換熱器與精餾塔聯合控制 271
5.7 任務語言的應用 280
5.7.1 進料流率擾動任務 281
5.7.2 進料組成擾動任務 282
5.7.3 進料溫度擾動任務 284
5.7.4 改變控制器設定值的擾動任務 285
習題 286
參考文獻 290

第6章 間歇過程 291
6.1 間歇反應 291
6.1.1 單一間歇反應器 292
6.1.2 含間歇反應器的組合流程 297
6.1.3 反應動力學模型參數擬合 302
6.2 間歇精餾 307
6.2.1 恒定回流比操作 308
6.2.2 變回流比操作 315
6.2.3 均相共沸精餾 320
6.2.4 非均相共沸精餾 325
6.2.5 半連續反應精餾 329
6.3 吸附過程 334
6.3.1 固定床的吸附波、濃度波與透過曲線 335
6.3.2 吸附實驗數據擬合 346
6.3.3 固定床變壓吸附過程 350
6.4 色譜過程 356
6.4.1 色譜柱的流出曲線 357
6.4.2 制備色譜分離 359
6.4.3 模擬移動床 364
習題 370
參考文獻 376