【现货速发】化工计算与Aspen Plus应用

化工过程的物料与能量平衡计算(简称为化工计算)是化工工艺和设备设计的基础。化工计算这门课程主要讲授如何根据质量和能量守恒原理以及过程所遵循的物理和化学原理，对化工过程单元以及过程单元系统的物料与能量平衡进行计算，从而确定从原料到产品的整个加工过程中原料的消耗量、产品和副产品的生成量以及能源的消耗量。这些基础数据是化工工艺与设备设计以及现有工艺和设备技术改造的依据。

要完成对某个化工生产工艺过程和设备的工艺计算，除了需要对生产工艺的原理以及工艺参数有着深刻的了解外，还应具备数学、化学、化工热力学、反应工程学以及单元操作等方面的知识，以及一定的计算机操作、编程和专业软件使用的能力。因此“化工计算”这门课程对于培养学生综合运用所学的化工基础知识和专业知识，解决化工实际问题的能力具有重要的作用。多年来，我国部分化工类高等院校将“化工计算”这门课程作为化学工程与工艺类专业本科生的必修课或选修课。

随着化工技术的进步，化工生产不仅规模逐渐扩大，而且产品种类不断增加，化工生产工艺过程趋于大型化和复杂化。过去那种依靠手工计算和简单的编程计算已经不能满足现代的化工设计和生产管理的需要。因此，近几十年来各种专业的化工流程模拟和计算软件不断出现，极大地推动了化工工艺以及设备设计的高效化和实用化。

本教材编写的初衷是将化工计算的基本原理和计算方法与化工流程模拟软件的使用融为一体。首先，化工计算的基本原理和计算方法是化工流程模拟计算软件开发的理论基础。没有化工计算的理论基础，很难想象能开发出各种高效的流程模拟计算软件。反过来，化工流程模拟计算软件也是高效完成化工计算和化工过程设计的有效工具，二者相辅相成。基于这样的考虑，作者在介绍化工计算理论和计算方法的同时，也介绍了化工流程模拟软件操作的基本方法。通过实例将两种方法的计算结果进行对比，可加深学生对化工计算基本理论、计算方法与流程模拟软件中各种模型之间的内在联系的理解和掌握。这对于培养学生从事化工设计和化工流程模拟软件二次开发的兴趣和能力具有促进作用。

本教材共分为6章，第1章介绍化工过程的基本特点、过程技术开发的基本步骤和内容，以及合成氨和苯乙烯生产工艺流程和Aspen Plus 10.1的基本操作；第2章介绍化工数据的估算方法与计算机模拟；第3、4章介绍过程单元的物料衡算与能量衡算； 第5章介绍过程单元物料衡算与能量衡算的联解；第6章介绍过程单元系统物料衡算与能量衡算。围绕各章节中物料衡算与能量衡算的算例，介绍了Aspen Plus 10.1基本单元模块的功能以及基本的操作方法，并将Aspen Plus计算结果与各章节中的手工计算或编程计算结果进行对比，用以说明两种计算方式之间的联系和区别。本教材在内容安排上从简单的过程单元到复杂的过程单元系统，从单独的物料衡算或能量衡算到物料衡算与能量衡算的联立求解，从基础的手工计算或编程计算到采用Aspen Plus软件计算，不仅体现了化工计算技术的发展过程，也有助于学生对所学知识的理解和掌握。

本教材由赵宗昌主编，于志家主审。第1章1.1～1.3节、第3章3.1～3.3和3.5节、第4章4.4节、第5章5.5节、第6章6.1～6.6节和6.7.1～6.7.2以及第3～6章基础部分习题由赵宗昌编写；第1章1.4节以及该章习题、第3～5章的Aspen Plus流程模拟习题由何德民编写；第2章及其习题由兰忠编写；第3章3.4节、第4章4.1～4.3节、第5章5.1～5.4节由李香琴编写，第6章6.7.3节以及该章Aspen Plus流程模拟习题由刘琳琳编写。博士研究生李天宇、张帅帅，硕士研究生高庆林、王少靖参与了部分章节的录排和绘图工作。全书由赵宗昌整理并定稿。

本教材得到了大连理工大学教材基金的资助，在此表示衷心的感谢！

由于作者水平有限，书中不妥之处在所难免，恳请读者批评指正。

编者

2019年8月

《化工计算与Aspen Plus应用》共分为6章，第1章介绍化工过程的基本特点、过程技术开发的基本步骤和内容，以及合成氨和苯乙烯生产工艺流程和Aspen Plus软件(Aspen Plus 10.1)的基本操作；第2章介绍化工数据的估算方法与计算机模拟；第3、4章介绍过程单元的物料衡算与能量衡算；第5章介绍过程单元物料衡算与能量衡算的联解；第6章介绍过程单元系统物料衡算与能量衡算。围绕各章节中物料衡算与能量衡算的算例，介绍了Aspen Plus 10.1基本单元模块的功能以及基本的操作方法，并将Aspen Plus计算结果与各章节中的手工计算或编程计算结果进行对比。本教材从简单的过程单元到复杂的过程单元系统，从单独的物料衡算或能量衡算到物料衡算和能量衡算的联立求解，从基础的手工计算或编程计算到采用Aspen Plus软件计算，不仅体现了化工计算技术的发展过程，也有助于学生对所学知识的理解和掌握。

《化工计算与Aspen Plus应用》可作为化工类相关专业本科生“化工计算”课程的教学用书，也可作为化工生产管理与工艺设计人员的参考书。

《化工计算与Aspen Plus应用》共分为6章，第1章介绍化工过程的基本特点、过程技术开发的基本步骤和内容，以及合成氨和苯乙烯生产工艺流程和Aspen Plus软件(Aspen Plus 10.1)的基本操作；第2章介绍化工数据的估算方法与计算机模拟；第3、4章介绍过程单元的物料衡算与能量衡算；第5章介绍过程单元物料衡算与能量衡算的联解；第6章介绍过程单元系统物料衡算与能量衡算。围绕各章节中物料衡算与能量衡算的算例，介绍了Aspen Plus 10.1基本单元模块的功能以及基本的操作方法，并将Aspen Plus计算结果与各章节中的手工计算或编程计算结果进行对比。本教材从简单的过程单元到复杂的过程单元系统，从单独的物料衡算或能量衡算到物料衡算和能量衡算的联立求解，从基础的手工计算或编程计算到采用Aspen Plus软件计算，不仅体现了化工计算技术的发展过程，也有助于学生对所学知识的理解和掌握。

《化工计算与Aspen Plus应用》可作为化工类相关专业本科生“化工计算”课程的教学用书，也可作为化工生产管理与工艺设计人员的参考书。

第1章绪论1

1.1化工过程的基本特点与构成1

1.1.1化工过程的基本特点1

1.1.2过程单元与过程单元系统2

1.2化工过程的技术开发4

1.2.1化工技术经济4

1.2.2化工过程技术开发案例——氯乙烯生产过程的开发5

1.3化工工艺过程简介9

1.3.1合成氨生产工艺简介9

1.3.2乙苯脱氢制苯乙烯工艺简介17

1.4Aspen Plus流程模拟简介19

1.4.1Aspen Plus简介19

1.4.2图形界面及流程建立20

1.4.3运行模拟及结果查看28

习题33

第2章化工数据估算方法与计算机模拟34

2.1流体的基础物性及方程34

2.1.1流体的沸点及临界参数估算34

2.1.2流体的状态方程36

2.1.3活度系数模型36

2.2相平衡数据的计算与计算机模拟36

2.2.1相平衡条件40

2.2.2相平衡数据计算40

2.2.3相平衡的计算机模拟42

2.2.4相平衡数据回归的模拟计算44

2.3热力学与传递物性数据估算50

2.3.1热力学物性估算50

2.3.2传递性质的估算53

2.4物性的计算机模拟55

2.4.1纯物质的物性模拟55

2.4.2混合物的物性估算模拟59

习题62

第3章过程单元物料衡算与计算机模拟63

3.1物理过程单元的物料衡算63

3.1.1物料衡算方程63

3.1.2物料衡算基准65

3.1.3物料衡算的分析方法与步骤65

3.2物理过程单元物料衡算举例66

3.2.1无相平衡过程物料衡算66

3.2.2两相闪蒸与分凝过程物料衡算72

3.2.3三相闪蒸与分凝过程物料衡算75

3.2.4液-液萃取过程物料衡算80

3.3物理过程单元物料衡算的计算机模拟81

3.3.1混合器和分流器81

3.3.2简单分离器86

3.4化学反应器物料衡算96

3.4.1化学反应过程物料平衡的特点和基本概念97

3.4.2直接计算法103

3.4.3利用反应速率进行计算104

3.4.4利用原子守恒原理进行计算107

3.4.5可逆反应的物料衡算111

3.4.6平衡转化率与实际转化率114

3.4.7连续搅拌槽式反应器的简化计算120

3.5反应器物料衡算的计算机模拟124

3.5.1反应器模型概述124

3.5.2化学计量反应器124

3.5.3平衡反应器129

3.5.4吉布斯反应器135

习题136

第4章过程单元能量衡算与计算机模拟144

4.1能量衡算基本方程144

4.1.1能量平衡方程144

4.1.2焓值方程147

4.2物理过程单元能量衡算148

4.2.1物理过程的焓差计算148

4.2.2物理过程单元能量衡算举例148

4.3反应过程单元能量衡算153

4.3.1反应过程的焓差计算153

4.3.2反应过程单元能量衡算举例154

4.4过程单元能量衡算的计算机模拟159

4.4.1单流股换热器159

4.4.2多流股换热器162

4.4.3闪蒸与化学反应过程能量衡算举例166

习题172

第5章过程单元物料衡算与能量衡算联解174

5.1概述174

5.1.1物料平衡方程的复习174

5.1.2能量平衡方程的复习175

5.1.3物料平衡与能量平衡的系统分析175

5.2闪蒸与泡露点计算176

5.3绝热燃烧过程185

5.4精馏塔的逐级计算199

5.5物料与能量衡算联解问题的计算机模拟213

5.5.1绝热闪蒸过程计算213

5.5.2绝热燃烧过程计算216

5.5.3精馏塔的严格计算218

习题227

第6章过程单元系统物料衡算与能量衡算229

6.1过程单元系统物料衡算与能量衡算的一般求解步骤230

6.2不含循环物流过程单元系统的物料衡算231

6.3循环物流237

6.4排放241

6.5单元模块法244

6.6哈伯法合成氨过程的物料衡算248

6.7工艺流程的计算机模拟258

6.7.1带循环物流的序贯模块法258

6.7.2哈伯法生产合成氨过程模拟259

6.7.3乙苯催化脱氢制苯乙烯简化过程模拟269

习题281

附录286

附录1求解非线性方程的Newton迭代法286

附录2求解非线性方程组的Newton-Raphson迭代法286

附录3求解非线性方程组的优先排序法288

附录4剥离变量法291

附录5某些物质的相对分子质量、正常沸点、潜热(SI单位和英制单位)291

附录6理想气体比定压热容293

附录7液体比定压热容294

附录8纯组分蒸气压的安托因公式296

附录9气体临界参数298

附录1025℃下化合物的生成热和燃烧热299

附录1125℃下无机化合物的生成热、溶解热和积分稀释热303

参考文献305

《化工计算与Aspen Plus应用》共分为6章，第1章介绍化工过程的基本特点、过程技术开发的基本步骤和内容，以及合成氨和苯乙烯生产工艺流程和Aspen Plus软件(Aspen Plus 10.1)的基本操作；第2章介绍化工数据的估算方法与计算机模拟；第3、4章介绍过程单元的物料衡算与能量衡算；第5章介绍过程单元物料衡算与能量衡算的联解；第6章介绍过程单元系统物料衡算与能量衡算。围绕各章节中物料衡算与能量衡算的算例，介绍了Aspen Plus 10.1基本单元模块的功能以及基本的操作方法，并将Aspen Plus计算结果与各章节中的手工计算或编程计算结果进行对比。本教材从简单的过程单元到复杂的过程单元系统，从单独的物料衡算或能量衡算到物料衡算和能量衡算的联立求解，从基础的手工计算或编程计算到采用Aspen Plus软件计算，不仅体现了化工计算技术的发展过程，也有助于学生对所学知识的理解和掌握。

《化工计算与Aspen Plus应用》可作为化工类相关专业本科生“化工计算”课程的教学用书，也可作为化工生产管理与工艺设计人员的参考书。

《化工计算与Aspen Plus应用》将化工计算的基本原理和计算方法与化工流程模拟软件的使用融为一体。

在学习化工计算理论和计算方法的同时，也学习了化工流程模拟软件操作的基本方法。