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书评㊃广告工科背景下化工过程分析与合成课程教学改革 评‘化学过程工艺学“(第2版)高晓新(常州大学石油化工学院,江苏常州213164)化工过程分析与合成课程是一门结合化学工艺与化学工程理论的综合性课程,对于提高当代大学生有效组织化工过程工艺流程的能力㊁实现我国化工专业人才的创新发展具有重要指导价值㊂在工科背景下加强对该课程的教学改革研究,能够切实增强专业学科的教学质量,为新时期祖国发展提供重要的专业优秀人才㊂由刘代俊㊁蒋文伟和张昭编著,化学工业出版社出版的‘化学过程工艺学“(第2版)一书,对化学加工过程中的共性特点进行了整合分类,并在综合考虑工艺核心反应过程中相间的变化特点和相应的分离过程的基础上,以典型的工业实例为现实案例,对固㊁液㊁气相间物质的转化过程和工业处理手段进行了分析和阐述,从专业角度为读者提供了更广阔的化工视野,可作为高等院校化工及相关专业本科生的教材,也可为相关化工专业研究人员提供理论参考㊂该书共分为九章㊂第一章详细介绍了化学工业在世界经济发展中的重要性㊁发展特点㊁发展动力,并进一步指出化学过程工艺学的高校教学任务㊂第二章从化学矿㊁煤㊁石油三个方面对化学工业资源进行了全面论述㊂第三章介绍了固体化学矿的初加工及液固相间的化学工程㊂第四章介绍了液相中的化工处理过程㊂第五章与第六章分别介绍了气-固相体系的物相转化与化学加工以及气液相系统中的物质转化与化学加工方法㊂第七章对气-液-固三相中进行的化工过程进行了全面论述㊂第八章进一步阐述了固相过程与高温合成原理㊂第九章则论述了循环经济与生态工业园区的集成㊂化学工业作为国民经济的基础型产业之一,是创新工业革命的有力助手㊂在新的经济发展阶段,加强工科背景下化工过程分析与合成课程教学改革研究,有助于促进我国工程教育的改革,进一步提高我国工程教育的质量,为推动我国化工教育的国际化发展步伐提供重要支撑㊂首先,加强课程内容的选择完善,重构化工过程分析与合成课程体系建设㊂新世纪以来,高校扩招使得我国培养的工科类专业毕业生数量逐年递增,中国高等教育向着现代化方向改革发展的同时,我国的工科毕业生却存在与社会发展需求严重脱节的现象㊂工科背景下,化工过程分析与合成专业课程的教学思想和教学手段相对落后,学生很难得到有效培养和训练,实践和创新能力明显不足㊂因此,为推动我国化工专业教育改革发展,建设更为科学合理的化工专业教育体系㊁为国家发展建设培养综合素质全面发展的化工专业人才成为迫切之需㊂化工过程分析与合成课程涉及的专业基础知识繁冗复杂,这与教学课时的时限性之间构成了较为明显的矛盾㊂因此,以‘化学过程工艺学“(第2版)为该课程参考教材,结合化工过程分析与合成等相关课程,对课程教学内容进行选择完善,有利于优化专业课程教学体系㊁提高教学质量,从而实现化工专业课程的综合发展㊂其次,改善课堂教学形式,增强互动式教学课堂占比㊂一方面,学校要转变传统的教学观念,将 以教师为中心 的课堂教学转变为 教师引导,学生自主性探索 的互动式教学模式㊂传统 满堂灌 式的教学方式打磨了学生学习的积极性和主动性,不利于学生终身学习能力㊁社会适应能力和创新能力的培养,而新的教学课程改革强调学生在课堂教学过程中的重要性,教师可通过问题启发式㊁小组讨论式等多元化的互动式教学模式,激发学生的课堂学习积极性,在互动交流中实现对新知识的内化吸收,从而有效增强学生对于专业化工问题的分析能力和解决能力㊂另一方面,学校应加强实践教学比重,提高学生的化工实践能力,把以讲解教材㊁传授知识为主的封闭式教学转变为增长经验㊁创造创新的开放式教学㊂这就要求教师在课程教学过程中多带领学生进行实验教学,帮助学生加深对书本中化工理论知识的理解,同时积极组织学生参加全国大学生化工设计竞赛,在提高课堂教学质量的同时提高学生的实践应用能力㊂‘化学过程工艺学“(第2版)一书坚持理论与实际相结合的原则,作者在总结多年教学经验的基础上,采用了大量反映化工实际过程的多媒体材料,进一步增加书中形象思维的分量,对于提高学生对化工现场的认识能力和创新思维具有较好的效果,值得阅读学习㊂[作者简介:高晓新(1979 ),男,副教授,主要研究方向为化工过程模拟优化及化工分离]。
化工过程分析与合成一，化工系统的定常态模拟与分析（一）模拟是对过程系统模型的求解1. 过程系统的模拟分析：对某个给定的过程系统模型进行模拟求解，可得出该系统的全部状态变量，从而可以对该过程系统进行工况分析2，过程系统设计：当对某个或某些系统变量提出设计规定要求时，通过调整某些决策变量使模拟结果满足设计规定要求3，过程系统参数优化：过程系统模型与最优化模型联解得到一组使工况目标函数最佳的决策变量（优化变量）。
从而实施最佳工况1. -序贯模块法：基本部分是单元模块（子程序），用以描述物性、单元操作以及系统其它功能。
单元模块具有单向性特点。
(1) 断裂：通过迭代把高维方程组降阶为低维方程组的办法。
它适用于不可分割子系统；-不可分割子系统：过程系统中，若含有再循环物流，则构成不可分割子系统。
-实施序贯模块法进行过程系统模拟计算中必须要解决的问题——如何选择断裂物流、如何确定迭代序列。
-判断最佳断裂的准则：①断裂的物流数最少；②断裂物流的变量数最少；③断裂物流的权重因子之和最少；④断裂回路的总次数最少。
i=1，…，m ，代表回路；j =1，…，n,代表物流(2) 回路矩阵简单回路: 一个不可分割子系统包含若干个再循环回路。
包含两个以上再循环物流，且其中的任何单元只被通过一次，称作简单回路。
。
回路矩阵：过程系统中的简单回路可以用回路矩阵表示。
矩阵：行→回路；列→物流。
若某回路I 中包括有物流j 则相应的矩阵元素aji=1，否则为空白或零。
Upadyhe －Grens 断裂法需要解决的两个问题：一是要有一种能把所有的有效断裂物流组都能搜索出来的办法；二是要能把最优断裂组从中选择出来。
有效断裂组：能够把全部简单回路至少断裂一次的断裂流股组。
① 多余断裂组：如果从一个有效断裂组中至少可以除去一个流股，而得到的断裂组仍⎩⎨⎧=⎩⎨⎧=ij i j a j j x ij j 属于回路流股不属于回路流股被断裂流股未断裂流股,1,0,1,为有效断裂组，则原有效断裂组为多余断裂组。
名词解释1. 夹点的意义（夹点处，系统的传热温差最小（等于ΔT min ），系统用能瓶颈位置。
夹点处热流量为0 ，夹点将系统分为热端和冷端两个子系统，热端在夹点温度以上，只需要公用工程加热（热阱），冷端在夹点温度以下，只需要公用工程冷却（热源）；）2. 过程系统能量集成（以用能最小化为目标的考虑整个工艺背景的过程能量综合）3. 过程系统的结构优化和参数优化（改变过程系统中的设备类型或相互间的联结关系，以优化过程系统；参数优化指在确定的系统结构中，改变操作参数，是过程某些指标达到优化。
）4、化工过程系统模拟（对于化工过程，在计算机上通过数学模型反映物理原型的规律）5、过程系统优化（实现过程系统最优运行，包括结构优化和参数优化）6、过程系统合成（化工过程系统合成包括：反应路径合成；换热网络合成；分离序列合成；过程控制系统合成；特别是要解决由各个单元过程合成总体过程系统的任务）7、过程系统自由度（过程系统有m个独立方程数，其中含有n 个变量，则过程系统的自由度为：d=n-m ，通过自由度分析正确地确定系统应给定的独立变量数。
）填空题1. 稳态模拟的特点是，描述过程对象的模型中（不含）时间参数2. （集中参数模型）认为状态变量在系统中呈空间均匀分布，如强烈搅拌的反应罐就可以用这一类模型来描述.3. （统计模型）又称为经验模型，纯粹由统计、关联输入输出数据而得。
（确定性模型）又称为机理模型4. （结构）优化和（参数）优化是过程系统的两大类优化问题，它们贯穿于化工过程设计和化工过程操作。
5. 换热网络的消耗代价来自三个方面：（换热单元（设备）数）（传热面积）（公用工程消耗）6. 过程系统模拟方法有、和。
7. 试判断图a 中换热匹配可行性1 , 2 ,3 ,4 。
8. 在夹点分析中，为保证过程系统具有最大热回收，应遵循三条基本原则：避免夹点之上 热物流与夹点之下冷物流间的匹配；夹点之上禁用冷却器；夹点之下禁用加热器。
《化工过程分析与合成》课程教学大纲制定人：吴淑晶教学团队审核人：门勇开课学院审核人：饶品华课程名称：化工过程分析与合成/ Analysis and Synthesis of Chemical Engineering Process课程代码：040323适用层次（本/专科）：本科学时：32 学分：2 讲课学时：30 上机/实验等学时：2 考核方式：考查先修课程：高等数学、物理化学、化工原理、化学反应工程适用专业：化学工程与工艺教材：张卫东，孙巍，刘君腾．化工过程分析与合成(第二版)．国家精品课程教材，北京：化学化工出版社，2011．主要参考书：1.姚平经．过程系统工程．上海：华东理工大学出版社，2009.2.王弘轼．化工过程系统工程．北京：清华大学出版社，2006.3.都健．化工过程分析与综合．大连：大连理工大学出版社，2009.一、本课程在课程体系中的定位培养学生应用系统工程的观点和方法研究化工过程系统模拟、分析、优化和合成的基本能力。
二、教学目标1.培养学生的工程意识。
2.培养学生从系统工程的角度分析问题和解决问题的基本能力。
3.培养学生应用系统工程的观点和方法研究化工过程系统模拟、分析、优化和合成的基本能力。
三、教学效果通过本课程的学习，学生可具备：1.掌握化工工程分析和合成的基本概念和基本内容。
2.掌握化工过程系统模拟与分析的基本原理和方法。
3.掌握化工过程系统优化与合成的系统工程方法。
4.了解理论知识与工程实际的联系，培养学生的工程意识。
5.从系统工程的角度分析问题和解决问题的基本能力。
6.应用系统工程的观点和方法研究化工过程系统模拟、分析、优化和合成的基本能力。
四、教学内容与教学效果对照表五、教学内容和基本要求第1章绪论教学内容：化工过程；化工过程生产操作控制；化工过程的分析与合成；化工过程模拟系统；化工企业CIPS技术；人工智能技术在化工过程中的应用。
教学要求：了解化工过程生产操作控制；掌握化工过程分析与合成的基本概念及主要研究内容；了解化工企业CIPS技术；了解人工智能技术在化工过程中的应用。
化工过程分析与合成绪论：1：化工过程的定义：原料经过物理或化学加工制成产品的过程。
2：实现方法：通过反应、分离、混合、加热、冷却、压力改变和颗粒尺寸的变化等一系列步骤实现的。
3：工艺流程：独立转化的单元过程由被处理的物料流连接起来，成化工过程生产工艺流程。
4：最重要的也是最常用的单元过程：1：化学反应过程2：分离过程3：换热过程4：流体输送过程5：设计的目标：高效益、易控制、环境友好和安全的过程。
6：两类优化流程结构的方法：探试法、算法方法7：判断最佳断裂的准则分为四类：①断裂的物流数最少；②断裂物流的变量数最少；③断裂物流的权重因子之和最少；④断裂回路的总次数最少。
8：自由度（设计变量）的选择原则：1：所选择的自由度必须真正独立2：自由度的选择应使问题求解尽量方便9：模拟型问题：理论级数、进料位置、塔顶（或塔底馏出量)、回流比→→塔顶、塔底的产品组成10：设计型问题：轻关键组分的塔顶回收率、重关键组分的塔底回收率、进料位置判据、回流比→→理论级数、进料位置、塔顶和塔底馏出量第二章：1：非理想体系——采用状态方程与活度系数相结合的模型；2：汽相状态方程模型：非理想气体模型：Benedict-Webb-Rubin-Lee-Starling（BWRS）；Hayden-O’Connell（用于Hexamerization的氢-氟化物状态方程）理想气体模型：Lee-Kesler（LK）；Lee-Kesler-Plocker；Peng-Robinson（PR）；采用Wong-Sandler混合规则的SRK或PR；采用修正的Huron-Vidal-2混合规则的SRK或PR；用于聚合物的Sanchez-Lacombe模型。
3：液体活度系数模型：Eletrolyte NRTL；Flory-Huggins；NRTL；Scatchard-Hilde-Brand；UNIQUAC；UNIFAC；van Laar；WILSON。
化工过程分析与合成一，化工系统的定常态模拟与分析（一）模拟是对过程系统模型的求解1. 过程系统的模拟分析：对某个给定的过程系统模型进行模拟求解，可得出该系统的全部状态变量，从而可以对该过程系统进行工况分析2，过程系统设计：当对某个或某些系统变量提出设计规定要求时，通过调整某些决策变量使模拟结果满足设计规定要求3，过程系统参数优化：过程系统模型与最优化模型联解得到一组使工况目标函数最佳的决策变量（优化变量）。
从而实施最佳工况（二）过程系统模拟的三种基本方法：序贯模块法、面向方程法、联立模块法1. -序贯模块法：基本部分是单元模块（子程序），用以描述物性、单元操作以及系统其它功能。
单元模块具有单向性特点。
(1) 断裂：通过迭代把高维方程组降阶为低维方程组的办法。
它适用于不可分割子系统；-不可分割子系统：过程系统中，若含有再循环物流，则构成不可分割子系统。
-实施序贯模块法进行过程系统模拟计算中必须要解决的问题——如何选择断裂物流、如何确定迭代序列。
-判断最佳断裂的准则：①断裂的物流数最少；②断裂物流的变量数最少；③ 断裂物流的权重因子之和最少； ④断裂回路的总次数最少。
i=1，…，m ，代表回路；j =1，…，n,代表物流(2) 回路矩阵简单回路:一个不可分割子系统包含若干个再循环回路。
包含两个以上再循环物流，且其中的任何单元只被通过一次，称作简单回路。
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回路矩阵：过程系统中的简单回路可以用回路矩阵表示。
矩阵：行→回路；列→物流。
若某回路I 中包括有物流j 则相应的矩阵元素aji=1，否则为空白或零。
⎩⎨⎧=⎩⎨⎧=i j i j a j j x ij j 属于回路流股不属于回路流股被断裂流股未断裂流股,1,0,1,0Upadyhe－Grens断裂法需要解决的两个问题：一是要有一种能把所有的有效断裂物流组都能搜索出来的办法；二是要能把最优断裂组从中选择出来。
有效断裂组：能够把全部简单回路至少断裂一次的断裂流股组。
