分离工程学习指导与习题集

绪论
1．学习目的
了解化工计算机应用的意义及研究范围。

2．重点掌握的内容
各种计算工具的优缺点。

3．参考资料
[1].孙岳明，陈志明，肖国民，计算机辅助化工设计，北京：科学出版
社，2000
[2].陈中亮，化工计算机计算，北京：化学工业出版社，2000
一、过程工程的特点
从生产方式以及生产物质所经受的主要变化来分类，工业可以分为过程工业与产品工业两大类。

过程工业是以自然资源作为主要原料，连续地生产作为产品工业原料的工业。

其原料中的物质在生产过程中经过许多化学变化和物理变化，产量的增加主要靠扩大工业生产规模来达到，—般来说污染比较严重。

过程工业是一个国家发展生产和增强国防力量的产业基础，包括化学工业、石油炼制：煤炭业、钢铁工业、有色金属工业、建材工业、造纸工业、核工业等。

其科技内涵为过程工程。

1、化学工程的学科基础
化工起源于将众多化学工艺中的共性操作进行归类和归纳，各个分别进行研究。

例如，从发酵液中分离出酒精采用精馏，同样，浓缩醋酸也采用精馏；从甘蔗液制糖和从海水中制盐同样属结晶过程。

归纳众多工艺操作的学科基础成为单元操作。

之后，出现了单元操作的进一步的归纳，将其有关的物理过程归纳为三种传递过程：
动量的传递是所有流动过程的物理基础，包括管道中流体的输运、精馏塔板上液体和蒸汽的两相流动等；
质量的传递是所有传质分离过程的物理基础，例如精馏、吸收、萃取等；
能量的传递是所有传热、换热过程的物理基础，包括加热、冷却、热交换等．
传递过程的方法很快被化工界接受，并逐步与具有化学反应的工艺结合，在此交叉领域中再经归类和归纳，形成一门新的分支化工学科：化学反应工程。

由此可见，化学工程通过归纳和综合，形成了当前以传递过程和反应工程为主的学科基础。

这—学科基础可简称为三传一反+X。

X包括那些不一定如三传一反那样重要和预计将来会出现的内涵．
2、学科基础的应用对象
量大面广的化学产品是化学工程的起源，如酸、碱、无机盐、合成氨和其它化肥，无不需要三传一反的学识基础；
炼油炼油的第一步是对原油进行拔头(拔顶)精馏，回收气体和低挥发的轻质烃类，然后继以裂化，使重组份分解成更有用的轻组份。

当前炼油
工艺采用催化裂化，即应用催化剂来控制裂化过程，在尽量低的温度下
反应，并促使有用的产品的生成。

炼油设备的设计、炼油工艺的操作和
控制都离不开三传一反的学识基础；
冶金许多年来，从矿石中提取金属沿着经验的道路发展，缺乏学识基础的指导。

在50年代中期，人们开始提出，用化工原理来指导金属的提取冶金，从而大大提高了冶炼的效率；
建材传统烧水泥的回转窑中热的炉气与水泥生料的热交换效率很差，作为改进方案，目前普遍采用旋风预热和悬浮预分解，其关键问题都可通
过三传一反的学识基础来处理；砂状石灰石可采用化学工程师所惯用的
多层流态化床来进行低温燃烧，获取活性石灰；
生物生物过程(例如发酵)的初级产物的浓度一般都很低，其提取和提纯都要采用生物学家所不太习惯的“下游”化工技术。

就是“上游”的
生物技术的设备放大至生产尺寸、其操作运转和工艺控制，也都有赖于
化学工程师的参与．特别是近年来发展的大规模培养动物和植物细胞的
工艺，具有许多特殊问题，例如其搅拌必须足够以保证氧气的输入，但
不能达到破坏细胞的程度。

三传一反的学识基础有助于解决这些问题． 农业许多化学肥料要求在长时间内在土壤中缓慢、持久见效．缓释化肥一般采用包覆外层．包覆层的厚薄和渗透特征，化肥颗粒本身的大小、
形状和结构，以及包覆技术都属三传一反的对象。

目前许多农产品采用
无土培制，有关的溶液配方、净化、循环等技术也包含三传一反的课
题．
药物许多药物还不能通过化学合成获得，而要从动植物中提取．一个正在发展的提取方法是超临界二氧化碳萃取。

许多物质在超临界二氧化碳中的溶解度很高，且一旦溶解，溶质可通过降低二氧化碳的压力而析
出．超临界萃取属三传一反代的对象。

医药医药中的三传一反问题，如：药物在人体脏器间和脏器内的流动、扩散、停留、吸收：需要缓慢减压释气的潜水症；超细颗粒(如碳酸钙)
通过血管壁的渗透；
食品食品的加工、保鲜、速冻、储存、包装都包含不少具有三传一反内涵的问题。

啤酒的连续生产、软饮料的加二氧化碳的碳化工艺也都含有三传一反。

3、化学工程转化为过程工程
以上罗列了许多包含可以应用三传一反+X学识基础的领域．这些领域的共同特征是物质的物理和化学加工工艺．因此，将当前显得狭义的化学工程更名为覆盖面更宽阔的过程工程似更为确切合理．对于这些领域，三传一反+X的学识基础具有知一通百的无穷前途．
通常，过程工程是通过化学或物理加工进行物质转化的所有过程的总称。

化工学识基础的形成是对有关工艺的不断归纳的过程，同时还将不断引进其它领域的学识，如数、理、化、生、力、医、材料、气象、海洋等。

因此，化工与其它众多学识领域的结合被称为无缝的交接过程，这样的发展将为过程工程带来新的发展。

4、过程工程的特点
过程工程是一门工程性很强的专业。

本专业的学生不仅要了解化工单元操作的基本原理和典型设备的结构原理，还要掌握设备的操作性能和计算方法。

该专业解决的不仅是单元操作过程的基本规律，而且要面对真实而复杂的生产问题——特定物料在特定的设备中进行特定的加工过程。

实际问题的复杂性不完全在于过程本身，而在于化工设备复杂的几何形状和干变万化的物性．由于过程的复杂性，欲用直接理论解析的方法解决往往又十分困
难，甚至不可能。

因此，在该专业的学习过程中，理论和实际的联系相当紧密，一切研究和讨论都始终围绕着回答工业应用上提出的下述问题进行：如何根据各单元操作在技术和经济上的特点，进行过程的和设备的工艺计算和设计，在缺乏必要数据的情况下如何组织实验取得数据及如何进行操作调节以适应生产的不同要求。

因此，该专业的综合性很强，涉及面也很广。

课程中的概念多、物理量多、公式多、方法多，而且计算繁杂，尤其半理论半经验公式和准数、准数关联式更多，将其灵活地应用于操作和设计问题解决过程中，并非易事。

二、计算机辅助计算的重要意义
过程工程是计算性很强的专业，广泛涉及到各种各样的计算问题。

这些计算问题包括了对基本概念和理论的认识，内容非常丰富，从基本概念到实际问题无一不有，计算方法五花八门。

有些问题的计算相对简单，而有些计算虽然不是很难但过程冗长。

如化工原理中的一个很重要的计算方法一一试差法，它几乎遍及整个课程的所有章节，都是由于问题条件缺乏需要反复试算。

几次、十几次乃至几十次对同一个算式进行反复计算，大大地降低了学生的解题兴越，效率也很低。

因此，这类问题在教学过程中涉及不多。

而这一类问题大都由工程实际问题演化而来，带有很浓的实际色彩，放弃它又使学生失去了应有的实际银炼。

长久以来，这便成为教学中的一个矛盾。

类似这样的问题还很多，如精馏中的理论扳层数迢板计算法，它因结果准确而又能在计算理论板层数的同时得到每块板上的汽液组成而被认为是一种很好的计算方法。

但因为理论板层数控多时计算过程长而一直很少作为习题让学生演算。

再勿很多问题涉及到的图解积分法也因过程冗繁而“失宠”。

如此，大大减少了学生的银炼机会，同时了影响了理论教学的效果。

引入计算机后，这些问题便可得到快速而方便的解决。

学生不仅可以在计算机辅助教学系统的帮助下轻松地解决这些计算问题，还可以根据个人兴趣进行二次开发，从而在编过程中巩固和深化了课堂教学内容。

有了相应的计算机软件，学生就可以对计算过程进行反复考察，分析问题的内在规律，从而加深方案调优的思想。

计算机在化工实验中也有许多工作可做。

如利用计算机进行实验数据处理、数据拟合、利用计算机仿真技术进行实验前的模拟操作以及利用计算机直接测取数据，分析实验结果等。

实验后的数据处理是一项很繁的工作。

一次实
验，数据处理要花很长时间。

如遇实验中随机现象多时，数据的处理及分拆就更为费时。

引入计算机后，数据处理变撂非常容易，大大提高了实验报告的编写效率。

学生从整琐的重复计算中解放出来，可以利用节省的时间更多地去分拆实验中出现的问题，提高实验效果。

三、正确选用工具的意义
在理解了计算机再过程工程中的重要意义后，下一步需要做的就是如何选择一种适合工程计算的编程语言，来实现课程学习中的计算过程，并解决一些小型实际问题。

目前，工科院校针对非计算机专业开设的计算机编程课程主要有：Fortran, C, Visual Basic, Java等。

这些多为通用语言，在解决工程问题时需要进行大量的编程工作，效率较低。

因此，本课程本着简便易学、解决实际问题的原则，选择Matlab作为主要的编程语言。

另外，为便于大家了解现在大型工程问题的解决过程，还选择了较为成熟的商用流程模拟软件ECSS和Aspen Plus作为演示软件，介绍如何利用大型软件处理世纪工程问题。