化工过程数值模拟及软件序言

本书是在第一版的基础上修订的，为了便于读者更加容易自学，对第2章的内容作了全面重新编排，并把PRO/Ⅱ作为一个独立内容进行编写。本书介绍了化工流程模拟和单元模拟过程的大型应用软件及其实际应用实例，全书共3章，第1章主要介绍化工模拟的基本概念，第2章讲述化工过程模拟的基本知识，并结合AspenPlus、PRO/Ⅱ软件讲解过程模拟的具体方法和步骤。给出了空气压缩、闪蒸分离、石油精馏、苯的高温分解、甲醇-水分离、合成甲烷等大量典型的利用AspenPlus、PRO/Ⅱ流程模拟的应用实例。第3章重点介绍化工单元模拟的概念、过程和方法，详细介绍了单元模拟软件CFX和Fluent的应用实例，并给出了具体示例的操作过程。

本书可作为高等学校应用化学、化学及化工类专业本科生和研究生的教材，也可供石油与化工、轻工等行业从事开发工程的技术人员参考。

本书在编写过程中，北京化工大学化学工程学院的王水老师对第二版的修订做了大量的工作。李甜和刘吉胜同学参加了2.1至2.2.3、宋志倩和任敏敏同学参加了2.2.4至2.2.5以及2.3.1至2.3.10、董丽荣参加了2.4.1至2.4.6的编写工作。参与校正修改的同学还有贺巧丽，韩军，陈娜，邵振兴，陈远超，张琳等同学。在此一并向他们表示感谢。

尽管编者尽了最大努力，但由于工作量大、范围广，另外编者水平有限，不足之处在所难免，恳请同行及读者提出宝贵意见，以使本书更加完善。

编者

2010年8月

化学工程是研究化学工业和其他过程工业生产中所进行的化学过程和物理过程共同规律的一门工程学科。化学工程的研究对象通常是非常复杂的，解析方法在化学工程研究中往往失效。从20世纪50年代开始，人们就利用计算机解算化工过程的数学模型，使研究方法出现了一个革新。经过40多年的发展，化工过程模拟已成为普遍采用的常规手段，广泛应用于化工过程的研究开发、设计、生产操作的控制与优化、操作培训和技术改造。本书旨在介绍化工过程模拟的基本概念和方法，提供利用相关模拟软件进行实际化工过程的模拟的步骤和技巧。

本书由屈一新主编。具体分工：第1章由任慧编写，第2章由屈一新、任慧编写，第3章由车耀坤编写，全书由屈一新统稿。

实际化工模拟中，不仅需要掌握有关的理论概念、公式和方法，更为关键的是提高分析解决实际问题的能力。因此，本书介绍了大量典型化工过程的模拟实例，并给出了具体方法和步骤，以便于读者自学。

本书在编写过程中，参考了相关的文献资料，在此向相关作者表示感谢。

由于编者水平有限，本书不足之处在所难免，恳请同行及读者批评指正。

编者

2006年3月2100433B

第1章 绪论 1

1.1 化工模拟 1

1.2 流程模拟 2

1.3 单元模拟 3

1.4 单元模拟与流程模拟的关系 4

第2章 流程模拟技术 6

2.1 流程模拟的步骤 6

2.1.1 流程的建立 6

2.1.2 变量的设置 6

2.1.3 程序的运行 6

2.2 Aspen Plus流程模拟商业软件 6

2.2.1 Aspen Plus流程模拟软件介绍 6

2.2.2 Aspen Plus安装及运行环境 8

2.2.2.1 Aspen Plus的安装 8

2.2.2.2 Aspen Plus的启动 9

2.2.2.3 Aspen Plus用户界面 10

2.2.2.4 数据浏览器（Data Browser） 12

2.2.2.5 Next按钮的使用 13

2.2.2.6 Aspen Plus帮助系统的调用 14

2.2.2.7 Aspen Plus常用快捷键 14

2.2.3 Aspen Plus的单元操作模块 14

2.2.3.1 混合器/分流器（Mixers/Splitters） 15

2.2.3.2 分离器（Separators） 16

2.2.3.3 换热器（Heat Exchangers） 18

2.2.3.4 塔（Columns） 22

2.2.3.5 反应器（Reactors） 27

2.2.3.6 压力变送设备（Pressure Changers） 29

2.2.3.7 固体（Solids） 31

2.2.3.8 控制器（Manipulators） 35

2.2.3.9 用户模型（User Models） 35

2.2.3.10 泄压（Pres-Relief） 36

2.2.4 流程的建立 36

2.2.4.1 定义一个流程 36

2.2.4.2 浏览一个流程，检查流程的完整性 36

2.2.4.3 修改一个流程 37

2.2.4.4 使用流程工段 37

2.2.4.5 打印流程 37

2.2.5 模拟变量的设置 37

2.2.5.1 全局变量的设定 38

2.2.5.2 物性方法及物性参数的设置 39

2.2.5.3 数据包的使用 39

2.2.5.4 物流和能量流的设定 40

2.2.6 模拟程序的运行 41

2.2.7 Aspen公司其他模拟软件 41

2.2.7.1 Aspen Dynamics——动态过程模拟软件 41

2.2.7.2 Aspen Custom Modeler"para" label-module="para">

2.2.7.3 Aspen Pinch"para" label-module="para">

2.2.7.4 Split"para" label-module="para">

2.2.7.5 Batch Plus"para" label-module="para">

2.2.7.6 Polymers Plus"para" label-module="para">

2.2.7.7 B-JAC"para" label-module="para">

2.2.7.8 Aspen ZYQAD——工艺设计平台 44

2.2.7.9 Aspen Online"para" label-module="para">

2.2.7.10 DMC Plus"para" label-module="para">

2.2.7.11 RT-OPT"para" label-module="para">

2.2.7.12 Aspen IQ"para" label-module="para">

2.2.7.13 Info Plus.21"para" label-module="para">

2.2.7.14 Aspen Advisor"para" label-module="para">

2.2.7.15 Aspen AdvisorTM专家系统——数据校正模块 45

2.2.7.16 Aspen Pims"para" label-module="para">

2.3 其他流程模拟软件简介 46

2.3.1 ChemCAD 流程模拟软件简介 46

2.3.2 PRO/Ⅱ流程模拟软件简介 47

2.3.3 Hysis流程模拟软件简介 48

2.3.4 DESIGNⅡ流程模拟软件简介 48

2.3.5 ECSS工程化学模拟系统 48

2.4 Aspen Plus例题 49

2.4.1 例题1"_blank" href="/item/空气压缩机/3736299" data-lemmaid="3736299">空气压缩机的模拟 49

2.4.1.1 例题1的条件 49

2.4.1.2 例题1的步骤说明 49

2.4.2 例题2——闪蒸分离的模拟 58

2.4.2.1 例题2的条件 58

2.4.2.2 例题2的步骤说明 58

2.4.3 例题3——RadFrac的模拟 66

2.4.3.1 RadFrac模拟简介 66

2.4.3.2 例题3的条件 69

2.4.3.3 例题3步骤说明 70

2.4.4 例题4——怎样绘制组成曲线？ 72

2.4.5 例题5——设计规定和尺寸 72

2.4.6 例题6——灵敏度分析 78

2.4.7 例题7——一个原油蒸馏塔的模拟 85

2.4.8 例题8——苯的高温分解 89

2.4.8.1 例题8的条件 89

2.4.8.2 例题8步骤说明 91

2.4.9 例题9——Aspen Plus聚合物项目 106

2.4.10 例题10——蒸馏塔 114

2.4.10.1 例题10的条件 114

2.4.10.2 例题10的步骤说明 115

第3章 单元模拟技术 122

3.1 单元模拟的步骤 122

3.1.1 前处理 122

3.1.2 求解计算 123

3.1.3 后处理 123

3.2 CFD商业软件 123

3.2.1 CFX 123

3.2.1.1 CFX简介 123

3.2.1.2 CFX的体系结构 123

3.2.1.3 CFX的模块功能 124

3.2.1.4 CFX的技术优势 126

3.2.1.5 CFX的硬件配置要求及安装 126

3.2.1.6 CFX的操作界面 128

3.2.2 Fluent 148

3.2.2.1 Fluent简介 148

3.2.2.2 Fluent的体系结构 148

3.2.2.3 Fluent的模块功能 148

3.2.2.4 Fluent的技术优势 149

3.2.2.5 Fluent的安装 149

3.2.2.6 Fluent的操作界面 149

3.2.3 其他软件简介 153

3.2.3.1 PHOENICS 153

3.2.3.2 STAR-CD 154

3.3 单元模拟软件的应用及操作示例 154

3.3.1 单元模拟软件的应用 154

3.3.1.1 CFX的应用 154

3.3.1.2 Fluent的应用 155

3.3.2 单元模拟软件的操作示例 155

3.3.2.1 CFX操作示例 155

3.3.2.2 Fluent操作示例 161

参考文献 165

《高等学校教材·化工过程数值模拟及软件(第2版)》旨在介绍化工过程模拟的基本概念和方法，提供利用相关模拟软件进行实际化工过程的模拟的步骤和技巧。

《高等学校教材·化工过程数值模拟及软件(第2版)》可作为高等学校应用化学、化学及化工类专业本科生和研究生的教材，也可供石油与化工、轻工等行业从事开发的工程技术人员参考。

《高等学校教材化工过程数值模拟及软件(第2版)》共分三章。在化工模拟基本概念的基础上，通过空气压缩、闪蒸分离、石油精馏、苯的高温分解、甲醇回收等大量典型化工过程的应用实例介绍了AspenPlus和PRO/Ⅱ对化工流程模拟的具体方法和步骤，CFX和Fluent对单元模拟的具体操作过程，对实际化工过程的研究开发、设计、生产操作的控制与优化、操作培训和技术改造很有裨益。

《金属塑性加工过程有限元数值模拟及软件应用》共6章，第1章主要讲述金属塑性加工工艺及求解方法；第2章主要讲述塑性力学及有限元理论基础；第3章分别采用有限元商用软件ANSYS、MSC.Marc、ABAQUS和DEFORM求解圆柱体等温压缩过程，详细讲述四款软件求解步骤，并对比分析不同软件、几何模型、摩擦类型等对计算结果的影响；第4章详细讲解ANSYS软件求解板坯空冷过程、试样多阶段热处理过程、砂型铸造过程、焊接过程温度变化规律；第5章利用ANSYS的非线性求解LS-DYNA模块对带孔薄板反复加载、盒形件拉深、板料冲孔过程力学行为进行有限元求解分析，并详细讲解求解步骤；第6章利用ANSYS软件分析板坯冷却过程和焊接过程的热-应力耦合场，利用DEFORM软件分析镁合金热轧过程及车轮锻造过程的变形-热耦合场。

焊接是一个涉及电弧物理、传质传热、力学、冶金与材料学等多物理场耦合的复杂过程，影响因素繁多。随着计算机科技的快速发展，焊接数值模拟技术得到了越来越广泛的关注和应用。

《焊接过程的数值模拟》以“理论介绍一数值模拟实现方法一具体应用案例”为主线，结合通用数值模拟软件及实用的算例，对多种常见焊接方法及焊接过程中涉及的热、力、微组织相变、电弧及溶池流体等诸多物理过程给出了数值模拟实现方法。

《焊接过程的数值模拟》理论讲解详细深入，实例内容丰富、可操作性强，可作为高等院校焊接技术与工程及其相关专业本科生及研究生学习焊接数值模拟技术和相关软件的教材，也可供广大焊接工程技术人员学习和参考。