内容简介

《化工计算与软件应用》（第二版）以AspenPlus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。《化工计算与软件应用（第二版）(包宗宏)》共分6章，第1章介绍模拟软件用于物性数据的查询与估算、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、吸附过程、色谱过程和模拟移动床吸附的间歇过程模拟；案例部分介绍了4个综合化工过程的工业装置流程模拟。部分例题可通过扫描二维码阅读。书后附录中有综合过程数据包“Datapkg”和电解质过程数据包“Elecins”中的物性数据文件简介，供读者参考。
《化工计算与软件应用》（第二版）可作为高等学校化工类专业本科生与研究生的教学参考书，也可供从事化工过程开发与设计的工程技术人员参考。

作者简介

包宗宏，南京工业大学化学化工学院，教授，博士。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。发表论文60余篇，国家专利多项。

目录

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AspenPlus软件数据库中查找2
1.1.3　用NIST-TDE热力学数据搜索引擎查找3
1.1.4　物性查询举例4
1.2纯物质的物性估算7
1.2.1　基础物性常数7
1.2.2　与温度相关的热力学性质8
1.2.3　与温度相关的迁移性质8
1.2.4　纯物质物性估算举例9
1.3　混合物的物性估算17
1.3.1　估算热力学性质的模型17
1.3.2　估算传递性质模型18
1.3.3　混合物的物性估算举例18
1.4　相平衡数据查询、计算与参数估算23
1.4.1　从相平衡数据手册中查询23
1.4.2　从NIST-TRC软件数据库中查询24
1.4.3　用软件计算相平衡数据与绘制相图27
1.4.4　溶液活度系数方程参数估算39
习题50
参考文献52

第2章　稳态过程的物料衡算与能量衡算/54
2.1衡算方法54
2.1.1基本概念54
2.1.2　衡算方程式54
2.1.3　衡算的基本步骤55
2.1.4　用软件进行物料衡算与能量衡算的要点56
2.2　简单物理过程59
2.2.1　混合过程59
2.2.2　汽化过程62
2.2.3　单级相平衡过程63
2.2.4　机械分离过程74
2.3　设备组合过程76
2.4　含化学反应过程79
2.4.1　含反应器的组合流程79
2.4.2　反应精馏过程83
2.4.3　化学吸收与解吸过程87
2.5　含循环流过程90
2.5.1　萃取精馏91
2.5.2　变压精馏96
2.5.3　非均相共沸精馏101
2.5.4　反应器与精馏塔的组合流程105
2.5.5　吸收塔、解吸塔与换热器的组合流程107
2.6　分离复杂组成混合物111
习题115
参考文献121

第3章节能分离过程/123
3.1流体换热与热集成网络123
3.1.1冷热流体换热123
3.1.2　热集成网络分析125
3.2　蒸汽优化配置136
3.3　多效蒸发139
3.4　精馏过程143
3.4.1　多效精馏143
3.4.2　热泵精馏147
3.4.3　热耦精馏151
3.4.4　中段换热精馏157
习题166
参考文献173

第4章设备工艺计算/174
4.1塔设备174
4.2换热器180
4.2.1　管壳式换热器180
4.2.2　板翅式换热器196
4.3　反应器202
4.3.1　釜式反应器202
4.3.2　管式反应器206
4.4　流体输送设备211
习题213
参考文献217

第5章过程的动态控制/218
5.1常用控制器模块219
5.2　储罐的液位控制220
5.2.1　常规液位控制结构220
5.2.2　越权液位控制结构232
5.2.3　含外部复位反馈功能的越权液位控制结构235
5.3　反应器的换热控制237
5.3.1　全混流反应器238
5.3.2　平推流反应器246
5.4　单一精馏塔控制258
5.4.1　判断灵敏板位置258
5.4.2　确定设备尺寸260
5.4.3　安装独立作用控制器261
5.4.4　安装串级作用控制器267
5.4.5　安装比例作用控制器270
5.4.6　几种控制结构的比较274
5.4.7　压差控制276
5.5　耦合精馏塔控制279
5.6　动态换热器与精馏塔联合控制287
习题298
参考文献302

第6章间歇过程模拟/304
6.1间歇反应304
6.1.1　釜式反应器305
6.1.2　反应动力学模型参数拟合311
6.2　间歇精馏313
6.2.1　恒定回流比操作314
6.2.2　变回流比操作322
6.2.3　均相共沸精馏329
6.2.4　非均相共沸精馏334
6.3　吸附过程338
6.3.1　固定床的吸附波、浓度波与透过曲线339
6.3.2　吸附实验数据拟合350
6.3.3　固定床变压吸附过程351
6.4　色谱过程358
6.4.1　色谱柱的流出曲线358
6.4.2　制备色谱分离362
6.5　模拟移动床吸附367
习题373
参考文献379

工业装置流程模拟案例/380
案例一环己烷-环己酮-环己醇混合物的高效分离过程380
案例二　75t/h丙烯腈工艺废水四效蒸发浓缩过程381
案例三　300kt/a规模硫黄制酸过程381
案例四　从醚后C4烃中提取高纯异丁烯过程381
参考文献381

附录/383
附录1　综合过程数据包“Datapkg”中物性数据文件简介383
附录2　电解质过程数据包“Elecins”中物性数据文件简介384

前言/序言

前言
《化工计算与软件应用（第二版）(包宗宏)》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。
《化工计算与软件应用（第二版）(包宗宏)》共分6章，第1章介绍AspenPlus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AspenEnergyAnalyzer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AspenPlus软件进行塔设备、反应器、流体输送设备的工艺设计，采用AspenEDR软件进行管壳式换热器设计，采用AspenMUSE软件进行板翅式换热器设计。第5章介绍了AspenPlusDynamics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AspenBatchModeler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，AspenChromatography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。
《化工计算与软件应用（第二版）(包宗宏)》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。《化工计算与软件应用（第二版）(包宗宏)》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。
《化工计算与软件应用（第二版）(包宗宏)》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。《化工计算与软件应用（第二版）(包宗宏)》作为中高级AspenPlus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


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AspenPlus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，《化工计算与软件应用（第二版）(包宗宏)》以AspenPlus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。
《化工计算与软件应用（第二版）(包宗宏)》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。
《化工计算与软件应用（第二版）(包宗宏)》以AspenPlus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。《化工计算与软件应用（第二版）(包宗宏)》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AspenPlus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。《化工计算与软件应用（第二版）(包宗宏)》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。
《化工计算与软件应用（第二版）(包宗宏)》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AspenPlus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，书中错误难免，敬请读者批评指正。

编者
2013年3月于南京

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