《过程工程计算机应用基础》教学大纲

1、 过程工程计算机应用基础Basic Application of Computer in Process Engineering 总学时：40总学分：2.5课程性质：专业选修课开设学期及周学时分配：第6学期；授课32学时，上机8学时，每周3学时适用专业及层次：化学工程与工艺、制药工程、生物工程和轻化工程专业的本科教学相关课程：计算机文化基础、工程数学、化工原理、化学反应工程、分离工程、化工热力学教材：化工过程计算机应用基础，田文德、王晓红编著，化学工业出版社，2007年推荐参考书：实用化工计算机模拟MATLAB在化学工程中的应用，黄华江编著，化学工业出版社，2004年计算机化工辅助计算，浦伟光

2、、曹正芳编者，华东理工大学出版社，2008年实用化学化工计算机软件基础，汪海、田文德编著，化学工业出版社，2009年化工过程计算机辅助设计基础，田文德，汪海，王英龙，化学工业出版社，2012年一、 课程目标通过本课程的理论教学和上机训练，使学生具备下列能力：1、 能够运用数学、物化、化工原理和过程系统工程知识建立化工过程及单元设备的数学模型，并选用合适的数值求解算法。2、 能够通过化工文献检索、资料查询及运用现代信息技术获取相关信息，对数学模型进行改进。3、 能够熟练使用Matlab和Aspen Plus软件表达复杂化学工程问题，正确判断模型参数和算法参数对求解速度和精度的影响，提出优化的计算

3、思路。二、 课程目标与毕业要求的对应关系毕业要求指标点课程目标1、工程知识1-2.能用数学、自然科学、工程基础和专业知识建立复杂工程问题的合适数学模型课程目标11-3.能根据模型结构分析复杂工程问题的解决途径2、问题分析2-3. 能通过相关文献分析来寻找备选方案课程目标25、使用现代工具5-1.对复杂工程问题建模时，能选择合适的热力学、过程传递、相平衡和动力学方法课程目标35-2.能用化工模拟工具建立复杂工程问题的等效数学模型，进行工艺分析和优化5-3.能理解各类工程工具在模拟精度和速度方面的局限性，根据模型结构选择合理的工程工具三、 课程内容及学时分配1. 绪论（2学时）1.1. 过程工程的

4、特点1.2. 计算机辅助计算的重要意义1.3. 正确选用计算工具的意义2. 数值计算常用软件及高级语言（8学时）（支撑课程目标3）2.1. 数值计算常用计算机软件介绍2.2. Origin介绍2.3. Excel介绍2.4. Visio介绍2.5. 流体力学模拟Fluent介绍2.6. MATLAB介绍2.6.1. Matlab简介2.6.2. 实验数据处理2.6.3. 数值算法2.6.4. Simulink要求学生：能够根据复杂化学工程问题类型，选择合适的模拟计算工具。3. 流体流动计算（4学时）（支撑课程目标1、2）3.1.1. 阻力和管路计算3.1.2. 简单管路计算3.1.3. 离心泵

5、操作要求学生：能够通过查阅文献分析流体流动问题，会建立管路流动数学模型。能根据管路的不同类型正确地选择合适模型求解方法，并通过求解结果优化数值算法。4. 传热计算（4学时）（支撑课程目标1、2）4.1.1. 换热器的操作计算4.1.2. 换热器的最优设计要求学生：能够通过查阅文献分析热量传递问题，会建立换热器数学模型。能根据换热器的不同类型正确地选择合适模型求解方法，并通过求解结果优化数值算法。5. 传质计算（4学时）（支撑课程目标1、2）5.1.1. 相平衡计算5.1.2. 吸收塔传质单元数的计算5.1.3. 二元精馏的逐板计算要求学生：能够通过查阅文献分析质量传递问题，会建立精馏塔和吸收塔

6、数学模型。能根据分离物系的不同类型正确地选择合适模型求解方法，并通过求解结果优化数值算法。6. 化学反应器模拟（6学时）（支撑课程目标1、2）6.1.1. 反应动力学参数估计6.1.2. 均相理想全混釜反应器模拟与控制6.1.3. 均相理想活塞流反应器模拟要求学生：能够通过查阅文献分析化学反应动力学问题，会建立反应器数学模型。能根据反应器的不同类型正确地选择合适模型求解方法，并通过求解结果优化数值算法。7. ASPEN PLUS在化工计算中的应用（2学时）（支撑课程目标3）7.1. ASPEN PLUS简介7.2. ASPEN PLUS基本操作7.3. ASPEN PLUS应用实例要求学生：理

7、解Aspen Plus软件的结果和处理问题的思路，能够根据物系的不同选择合适的热力学计算方法并搭建流程进行求解。能够通过分析建立复杂化学工程问题的等效模型，并对收敛算法进行优化。8. 化工计算常用数值计算方法总结（2学时）（支撑课程目标3）8.1. 非线性方程组求解8.2. 常微分方程组求解8.3. 数值积分8.4. 最优化要求学生：根据复杂化学工程问题类型选择合适的数值计算方法，并理解不同算法的优缺点。9. 应用实例上机（8学时）9.1. Origin实验数据处理练习9.2. Visio实验装置绘图练习9.3. MATLAB管路计算编程练习9.4. Aspen Plus流程模拟练习四、 教学

8、重点与难点1. “绪论”主要讲授课程的目的和要求，重点掌握计算机辅助计算的重要性；2. “数值计算高级语言”主要讲授MATLAB语法和数值计算功能，重点说明MATLAB的工程适用性，难点是MATLAB的矩阵概念；3. “流体流动计算”主要讲授管路的模拟计算方法，重点掌握试差法的计算原理，难点是摩擦阻力微分方程组的求解；4. “传热计算”主要讲授换热器计算过程，重点掌握优化概念，难点是传热计算中的试差过程；5. “传质计算”主要讲授吸收和精馏的设计计算，重点掌握图解法概念，难点是间歇操作中的积分计算；6. “化学反应器模拟”主要讲授反应器的建模和模拟，重点掌握动态模拟与稳态模拟的区别，难点是活塞

9、流反应器的模拟；7. “ASPEN PLUS在化工计算中的应用”主要讲授ASPEN PLUS软件的原理和使用方法，重点掌握利用该软件进行精馏计算的过程，难点是物性计算方法的选择；8. “化工计算常用数值计算方法总结”对上述几章所涉及数值算法进行总结，重点掌握各中算法在MATLAB中的调用方式，难点是优化算法的选择；9. “应用实例上机”为上机环节，通过实例的编程和调试练习，重点培养学生自己动手解决实际问题的能力，加深学生对建模方法和相关算法的理解。五、 主要教学方式以课堂教学为主，采用多媒体程序演示辅助教学。考虑到人数较多的实际情况，采用小班辅导的方式培养少部分学习兴趣高的学生的编程能力。六、

10、 典型作业练习1、某厂精馏塔进料量为10000kg/h，进料温度为20，进料组成（质量）为：水85%、乙醇15%。进料管长25m，要求两端压降不超过50kPa，选用无缝钢管。试选择进料管的管径。2、在逆流换热器中，用初温为20的水将1047m3/h的空气由90冷却至40。换热器的列管直径为25×2.5mm，水走管外。水侧和气体侧的对流传热系数分别为2.45kW/(m2.K)和0.221 kW/(m2.K)，水侧和气体侧的污垢热阻分别为0.58m2.K/kW和0.3m2.K/kW，管壁导热系数为0.045 kW/(m.K)。要求设计该换热器，使其年度总费用最小。已知：冷却器单位面积的投资费用为291元/m2，年运行时间为7200h，冷却水单价为0.7元/吨。3、苯、甲苯、二甲苯三元混合物的精馏。已知泡点进料，关键组分为苯和甲苯，现要求馏出液中甲苯的浓度不大