计算化学工程
课程编码：180210081701P3002H
英文名称：Computational Chemical Engineering
课时：40
学分：2.00
课程属性：专业课
主讲教师：陈杰等
教学目的要求
化学工程是研究化工生产中所进行的化学和物理过程共同规律的一门工程学科。化工是数据密集型的产业，只有对化工生产数据进行精确的分析和处理，才能确定生产中物料和能量利用的极限和最佳利用途径，为化工生产效率的提高和节能减排提供思路。随着化学工程科学、计算机和软件技术的发展，模拟计算的准确性和可靠性逐渐增强，应用范围逐渐拓宽，化工过程模拟技术已经成为人们解决化工问题的重要技术手段。
计算化学工程是针对化工学院学生开设的专业课，本课程教学突出阐述工程类的模拟计算与化工实际问题的结合，目的在于引导学生将所学的化学反应工程、传递原理、化工热力学等重要的知识，通过物理和数学模型、数值计算方法等工具，应用到实际生产的设计和优化中。本课程主要包括计算流体力学、计算传质学和计算热力学等内容，将从化工的基本原理、模型的认识和实际应用案例等方面进行教学，要求学生们提高利用OpenFOAM、AspenPlus等模拟计算工具处理化工数据和解决实际问题的能力，从而使得他们在将来的工作中能够利用计算工具对化工数据进行正确的分析处理，获得有意义的计算结果，推动化工生产走向安全化、精准化和智能化。
预修课程
无
大纲内容
第一章 绪论 1学时 陈杰
第1节 化工学科发展历程
第二章 计算化学工程发展及工业实例 2学时 陈杰
第1节 非均相反应器理论、实验及计算
第2节 反应器放大和性能调控的工业实例
第3节 微小尺度传递模型
第4节 复合材料与计算化学工程
第三章 数学基础 3学时 陈杰
第1节 守恒律的数学描述
第2节 质量和动量守恒
第3节 无量纲化
第4节 离散化过程
第5节 OpenFOAM软件初识
第四章 有限体积法及网格 3学时 陈杰
第1节 有限体积法
第2节 有限体积网格
第3节 OpenFOAM网格
第五章 扩散项离散 3学时 陈杰
第1节 方程离散化过程
第2节 半离散化方程
第3节 二维扩散
第4节 梯度计算
第5节 OpenFOAM扩散算例
第六章 对流项离散 3学时 陈杰
第1节 一维稳态对流和扩散
第2节 高阶格式
第3节 高分辨率格式
第4节 边界条件
第5节 OpenFOAM稳态算例学习
第七章 时间项离散 3学时 陈杰
第1节 有限差分格式
第2节 有限体积格式
第3节 非均匀时间步
第4节 源项
第5节 OpenFOAM非稳态算例
第八章 流场计算 3学时 陈杰
第1节 流场计算的难点
第2节 交错网格的缺陷
第3节 Rhie-Chow插值
第4节 同位网格SIMPLE算法
第5节 OpenFOAM流动传质算例
第九章 化工流体输送单元模拟 3学时 张妍
第1节 气相与液相状态方程计算方法
第2节 AspenPlus中流体物性方法的选择
第3节 AspenPlus流体计算实例
第十章 物性方法与数据回归 3学时 张妍
第1节 物性方法计算基础
第2节 数据回归法计算物性
第3节 AspenPlus中物性估算
第十一章 溶液基础理论与模拟计算 3学时 张妍
第1节 溶液基础理论
第2节 多组分体系物性方法选择与计算
第3节 利用AspenPlus计算流体混合物性质
第十二章 化工分离基础与精馏模拟计算 3学时 张妍
第1节 相图与相平衡基础
第2节 汽液平衡的测定和计算
第3节 固液平衡的测定和计算
第4节 AspenPlus闪蒸与精馏模拟
第十三章 能量分析与换热器单元模拟 3学时 张妍
第1节 能量平衡计算基础
第2节 AspenPlus中换热器的模拟计算
第3节 AspenPlus中反应器的模拟计算
第十四章 Aspen Adsorption与界面模拟计算 3学时 张妍
第1节 界面吸附基础
第2节 液固和气固界面吸附
第3节 吸附过程Aspen Adsorption模拟计算
第十五章 考试 2学时 张妍
第1节 考试
参考书
1、
液相连续多相反应器的数值模拟@化工过程模拟实训-AspenPlus教程@化工热力学@The Finite Volume Method in Computational Fluid
杨超、毛在砂@孙兰义@冯新、宣爱国、周彩荣@Dynamics F. Moukalled;L. Mangani;M. Darwish
2014年@2019年@2019年7月@2016年
Academic Press (Elsevier)@化学工业出版社@化学工业出版社@Springer
课程教师信息
陈杰：副研究员，硕士生导师，微重力专委会青年委员。主要从事微尺度两相流动（包括Marangoni效应等不稳定性现象）及相间传递过程的数学模型和模拟、微重力化工实验及反应器内流体混合优化等方面的研究。主持或参与国家自然科学基金多项；与以色列SpacePharma公司、天仪研究院等合作开发了微重力化工实验平台“陈家镛1号”小卫星，开展了失重飞机实验等一系列微重力化工实验的研究。以第一作者或通讯作者发表SCI期刊论文9篇，授权软件著作权4项，授权发明专利2项。2016年获得石化联合会科技进步二等奖，2019年获得过程所年度国际合作先进个人并入选过程所青年促进会。2021年入选中科院青年促进会。中国科学院大学先后从事《化学反应工程》助理教师和《计算化学工程》主讲教师的岗位。
张妍：过程工程研究所副研究员、硕士生导师,研究方向为结晶热力学、药物多晶型等,对于本课程中热力学部分有良好的基础和工作积累。主持三项国家自然科学基金，主持或参与多项企业项目。在AIChE Journal等国内外期刊发表论文20余篇，授权发明专利5项。曾获“过程优青”、“青促会成员”、“优秀知识产权专员”、“国际合作先进个人”等称号和荣誉。2020年开始为中国科学院大学《计算化学工程》主讲教师。