化学工程与工艺专业英语翻译16-20单元

18单元化工建模

在阅读本单元之前，试着回答下面的问题：

1. 在化工中建模和经验方法的主要特征是什么？

2. 你能列举出一个结合建模和模拟方法的一些优点吗？

3. 你能指出建模过程的主要阶段吗？

4. 你知道在过程控制中有多少基本概念吗？

与描述化学过程现象纯粹的经验方法相比，建模方法试图用已建立好的理论描述性能。当用数学语言描述时，这些理论描述了过程的工作模型。在执行一个建模设计时，设计者需要考虑过程所有重要参数的特性、它们对过程的影响以及每个参数如何能够用定量的公式定义，也就是说，模拟者必须确定重要的变量和它们各自的作用，实际上可能对整个过程有强烈的相互影响。这样，既然必须严格地评估所有相关的理论，这个模型的作用就是为了对过程进行更好的理解。而且，用数学方程表达理论的工作也是促进基本概念用明显的公式表达的一个非常积极的因素。

一旦公式化，模型可以求解，利用该模型预测的行为可以与实验数据相比较。性能上的任何差别然后可以用来进一步重新定义或精修模型，直至获得好的一致性。模型一旦建立，它以合理的置信度被用来预测在不同的过程条件下的性能，用于过程设计、优化和控制。当然，为了建立或检验模型，需要输入工厂或实验数据。但是相比经验方法，所需的数据量大大减少了。

模拟和经验方法的比较列在下面。

经验方法. 测定所有工厂操作条件下的生产率，建立相关联系。 优点：需要较少的思考。

缺点：需要许多实验。

模拟方法. 建立模型，设计实验确定模型的参数。把实验测量和模型进行比较。采用模型进行理性设计、控制和优化。

优点：需要较少的实验，获得更重要的信息。

缺点：开发模型需要时间

1. 建模方法的一般性质（通用特性）

在开发任何模型时一个重要的阶段是建立合适的质量和能量平衡方程。还必须加上能够代表体系性能变化、相平衡和应用控制的合适的化学反应速率、传热和传质速率动力学方程。这些关系式组合起来为定量描述过程提供了一个基础，并构成了基本的数学模型。得到的模型从包括一个相对少的方程的简单情况到非常复杂的模型。然而，模型越复杂，找到增加参数值的困难越大。因此，建模的一个技巧是获得能够代表实际过程的可能的最简单的模型。

过程模型的一个基本的应用是通过对重要的过程变量设置数值，对实验数据进行分析，进而表征该过程。该模型也可以用合适的数学数据值和模拟预测进行求解，并与实际的结果相比较。这个过程被称为模拟，即证实模型以及合适的参数值是正确的。然而，模拟也可以预测的方式用于测试变化条件下的可能行为，并进行过优化，获得高级的控制策略。

应用模型和模拟组合方法具有如下优点：

（1）模型增进理解. 在构建数学模型时，模拟者需要详细地考虑复杂的

因果顺序以及涉及到过程中的复杂的相互关系。把模型预测和实际行为进行比较通常可以促进对过程的进一步理解，简言之，就是不得不考虑模型可能出错的方式。

（2）模型帮助实验设计. 实验以模型进行适当测试的方式设计是很重要的。通常模型本身将表明需要某些特定参数，否则它们可能被忽略。相反地，对模型的灵敏性测试可能表明某些参数可能是可忽略的，因此在模型中可以被忽略。

（3）模型可预测设计与控制. 一旦模型被建立，模型能够预测不同过程条件下，在实验上难于达到的性能。模型也可用于相对复杂的控制系统，通常可以形成控制算法的一个整体部分。基于数学和知识的模型可以用于设计和优化新的过程。

（4）模型可用于培训和教学. 反应器操作的许多重要的方面可以用简单的模型模拟。这包括过程的开始、关闭、进料策略、动力学测试、热效应和控制。这些效应可以用计算机容易地演示，但是在实际中进行演示通常是困难和昂贵的。

（5）模型可以用于过程优化. 优化通常涉及到两个或多个变量的影响，其中一个通常直接与利润相联系，而另一个与费用相联系。

2. 一般的建模程序

建模的一个更重要的特点是为了在模型预测结果和真实工厂数据之间获得一致，需要对基本理论（物理模型）和数学方程进行频繁鉴定，使其能够代表物理模型，即数学模型。

如图4-1所示，显示了模拟过程中的几个相关阶段

（1）第一包括对问题、研究目标和对象进行适当的定义。所有相关的理论必须结合实际的经验进行评估，可能需要开发、考察可选的物理模型。

（2）可用的理论然后必须用数学术语公式化。大多数反应器操作包括许多不同的变量（反应物和产物的浓度、温度、反应物消耗的速率、产品形成和热量产生），许多变量随时间发生变化（间歇、半间歇操作）。由于这些原因，数学模型将通常由许多微分方程构成。

（3）已经开发了一个模型，然后必须求解这些方程。化工系统的数学模型通常非常复杂，是高度非线性的，因此不能获得其分析解。因此必须使用数值求解方法。

数值模拟语言主要基于使用数值积分方法，可特别用于同时存在微分方程组的求解过程。

（3）已经开发了一个模型，然后必须求解这些方程。化工系统的数学模型通常非常复杂，是高度非线性的，因此不能获得其分析解。因此必须使用数值求解方法。

数值模拟语言主要基于使用数值积分方法，可特别用于同时存在微分方程组的求解过程。

现在可提供许多快速有效的数值积分规则，以至许多数值模拟语言能够替代积分程序。在该语言结构中的分类算法能够编写非常简单的程序，几乎与初始构建基本模型方程的方式一一对应。得到的模拟程序非常容易理解和编写。另一个主要的优点是便于输出结果，是一些可以用非常简单的程序命令获得的表格和图形方式。

4）计算机预测的有效性必须进行检验，步骤（1）到（3）通常将需要间隔

一段时间进行修正。结果的有效性取决于理论的正确选择（物理和数学模型）、正确识别模型参数的能力和数值求解方法的准确性。

在许多情况中，我们不能完全理解系统，这样留下了很多不确定性。相关的理论也可能非常难于应用。然后在这些情况下，通常需要作简化假设，接下来可以去掉或优化这些假设，并获得较好的接受。这些都必须注意和判断以便于模型不要变得过于复杂、不要用不可测量的参数定义。通常缺少一致性可能是由于参数值的选择不正确，可能甚至得到与模拟过程中观察到的非常相反的变化趋势。很明显，这些模型响应的参数是非常敏感的，需要非常小心的选择或确定。

应该注意的是：由于有时数据与过程只是定性一致可能足够了，模型不必与数据有精确的一致。

Unit 19 过程设计简介

在阅读本单元之前，试着回答如下问题：

可持续工业活动的含义？

化学过程设计怎么开始？

在一个过程设计中包含哪些过程文件？

你能解释一下成功扩大规模的概念吗？

化工的目的并不是为了制备化合物，而是为了赚钱。但是，可持续工业活动必须保证工业生产和生活良好的生态性，而利润则作为可持续工业活动的重要一部分。也就是说化工过程的废物必须达到实际和经济上的最小化。由于废物处理过程很大程度上并不是为了解决这个问题，而是简单地把废物从一个地方挪到另外一个地方，因此，这些依赖的废物处理方法通常并不适当。可持续工业生产还意味着能源消耗也必须达到实际和经济上的最小化。并且不论是对操作人还是社会来说，化工都不能表现出明显的短期或者长期危险。

当进行一个化学过程设计时，对一个化工过程来说，有一个独特的结构层次是很有作用的。首先进行反应器的设计。反应器的设计支配着分离和循环过程。反应器设计和分离过程共同支配着热交换网络的加热和冷却职责。它们并不能通过热回收满足，表明需要其他一些外部的设备。该体系的洋葱状层结构示意图如图4.3所示。

根据这个体系，在设计的最后阶段，经常要考虑的是安全、健康和环境。对于纯粹由设计过程原因引起的早期决定经常导致安全、健康和环境问题，并且还需要复杂的解决办法，因此这个方法留下了很多需要解决的问题。随着设计进行，这个也最好考虑一下。

需要使用有毒材料，或者用量较少，或者在惰性材料中稀释时，这样的设计过程必须安全，并且不需要复杂的安全系统。废弃物较少的系统将不需要复杂的处理系统。随着设计进行和每一层设计过程增加，这些都必须考虑到。

1. 体系

（1）反应器的选择。通常设计过程最首要的就是要确定反应器类型和操作条件。在选择反应器时，最重要的是原材料的效率（考虑材料结构、安全等）。整个过程中，原材料费用也是最重要的。任何原材料的无效使用都可能造成废

物蒸汽，从而变成环境问题。

反应器的设计和流程图的剩余部分密切相关。因此，随着设计过程进行，必须回到反应器对照一下。

2）分离器的选择。对于非均相混合物来说，需要通过分离过程才能达到相分离的目的。在任何均相分离进行之前，这样的分离过程必须进行。相分离一般比较简单，需要在首先进行。

蒸馏是目前分离均相液体混合物最常用的方法。在设计早期阶段，为了优化压力、回流比、或者蒸馏时的进料条件，不需要很多尝试。一旦随后考虑整个过程的热量时，最优值将会发生变化。

分离低分子量物质时，另一个常用来代替蒸馏的方法是吸收。液体流速、温度和压力是需要设置的重要变量，在这个阶段也没有必要尝试去计算出最优值。

（3）反应-分离系统的合成。很多化工过程中，物质的循环是一个重要特征。在反应器设计中，过量反应物、稀释剂或加热载体的使用对流程图中的循环结构具有很重要的影响。有时不需要的副产品进行循环可以在源头阻止其形成。

（4） 蒸馏排序。除非有限制条件能够严格阻止热量聚集，简单蒸馏塔的排序能按照如下两步进行：（i ）最好是确定少的非集成顺序；（ii ）研究热量集成。在许多情况下，没有必要同时解决这些问题。与简单的塔器排序相比，复杂的塔器安排可以提供很大的节约能量的潜力。

（5）热交换网络和使用目标。已经建立洋葱模型的两个内部层次（反应-分离和循环）之后，物质和能量平衡就知道了。这就需要根据热回收问题对冷热蒸汽进行定义了。

能量目标可以直接通过物质和能量守恒进行计算。为了获得能量费用，没有必要设计一个热交换网络。另一个情况可以通过把热和能量方程联立，通过重要的复杂的曲线可以方便快速获得。

总的热交换面积、操作单元数量、管板热交换器的板数也必须进行设定。考虑混合材料的构造，压力等级和设备类型，这样可以确立总的资本费用。进而在设计做出之前，可以对能量和资本消耗进行最优化设计。

一旦这个设计确定好了前两个层面之后（即反应器和分离器），那么该设计总的费用（反应器、分离器、热交换器和设备）就是总的反应器和分离器的总费用（精确估计）加上热交换网络和设备的总费用。

（6）经济权衡。反应器和其他部分的相关性非常重要。反应器的转化率是很重要的一个优化变量，因为它很容易通过整个过程来影响大多数操作。并且，当循环过程中存在惰性物质时，惰性物质的浓度则是另一个重要的优化变量，同样也对整个操作过程造成影响。

进行优化时，必须考虑热交换网络的能量和资本费用目标。由于反应器转化率和循环惰性物质浓度的变化改变了过程的物质和能量平衡，并改变了热回收问题，因此，这是进行这些优化过程的唯一的实际方法。实际上，物质和能量守恒中的每一个变化，需要一个不同的热交换网络设计。为每一套反应器转化率和循环惰性物质浓度的变化提供一个新的热交换网络是不现实的。另一方面，相比之下热交换网络的能量和资本费用目标更容易产生。

（7）废水处理 在考虑安全和健康的同时，整个设计过程中的废弃物最少化也是应该考虑和强调的。但是，不可避免地，也会有一些废弃物。在设计完

成前，废弃物的处理（处置）也必须考虑。如果废弃物的处理特别有问题的话，这就可能需要一些基本设计变化去减少或改变废弃物的本质。

（8）为改善热整合而改变工艺。过程废弃物最少化后，通过直接改变设计过程，在能量目标允许减少的条件下，能量费用和效用浪费必须进一步减少。

在这个阶段，蒸馏塔的顺序也必须重新改动，并考虑引入复杂结构的可能性。初步分馏塔（有无热电偶）也可以用来替代直接或间接蒸馏塔。作为选择，直接蒸馏塔也可以被侧线精馏塔替代，而间接蒸馏塔被侧线汽提塔替代。

9）热交换网络设计 已经开发了上述相关内容之后，物质和能量平衡已经固定。对热交换网络有贡献的冷热蒸汽就需要进行定义了。剩下的工作就是设计热交换网络。

夹点设计方法是一个逐步方法，随着设计进行，设计师可以进行操作。对于很多复杂的设计来说，尤其是那些有很多限制条件的，譬如混合设备等，则应该使用基于可缩小最优化结构的设计方法。

2. 最终设计和计划文件（项目文档）

尽管设计顺序遵循图1所示的洋葱模式，但是设计很少仅通过单一途径获得成功的结果。经常在两个方向反复进行。

内部层面获得的决定是在不完整信息的基础上获得的。当更多图片出现时，在外部层面上将会对设计增加更多细节。然后需要重新决定，即回到内部层面等。

当流程图严格定义时，详细过程（管道和仪表图）和设备的机械设计才能进行。之后增加控制系统，并进行危险程度和可操作性研究。

化学工程的设计和工程学需要许多专家的共同合作。有效的合作取决于有效的沟通。并且所有的设计单位都要有正式的处理项目信息和文件的相关程序。项目文档包括：（1）设计小组和政府部门、设备供应商、现场人员、客户保持联系。（2）计算单：设计计算、成本计算和计算机打印输出。（3）绘图：流程图、管道和仪表图、布局图、总设计图、设备细节、管道图、建筑图和设计图。

（4）特殊设备图：比如热交换器和泵。（5）购买顺序：报价和发货。

为了交叉引用、文件归档和数据检索，所有的文件必须分配一个代码。

3. 过程手册

过程设计组经常需要准备过程手册用于描述过程和设计基础。结合流程图，他们为过程提供了一个完整的技术描述。

操作手册对过程和设备的操作提供了详细的指导说明。这些一般都是操作公司个人制作的。但是也可能作为合同包的一部分为经验较少的客户提供。操作手册也能为操作者提供指导并进行培训，并用于制作正式工厂的操作指导。

20单元

几年以前，谁会想到一架飞机可以绕地球航行而中途不需要着陆或添加燃料？而在1986年新型的飞机航海者就做到了这一点。航海者具备长途飞行能力的秘密就在于几年前还没有出现的先进的材料。其机身大部分是由强度大、质量轻的聚合纤维用耐久的、高强度的粘合剂组装而成的。而发动机润滑油是合成的多组分液体，可维持很长时间连续运转的润滑性。这些特殊材料具有科学家和工程师们为满足现代社会的需求所发明的先进技术。

如运输、通讯、电子、能量转换这些工业的未来多依赖新的、先进的材料

以及生产中所需要的加工技术。近年来，在我们了解了如何把一些特殊的具有高性能的物质融入原材料，并且怎样最好地在复杂设计中使用这些材料后，这方面已有了很大的发展。

材料科学和工程的革命为化学工程师带来了机会，也带来了挑战。化学工程师凭借他们在化学、物理和数学方面的知识基础以及他们对传输现象、动力学、反应工程和过程设计的了解，能够创造性地解决现代材料技术中的问题。

但是他们一定要摈弃掉传统职业理念中“考虑大的”这个习惯，要有效地投入现代材料科学和工程中必须要学会“从小处思考”。在制造现代先进材料时的关键现象是发生在分子级和微观的水平。如果化学工程师要为这些新材料设计新产品和工艺就必须了解并且学会控制这些现象。在下面选择介绍的几种材料领域里我们将叙述这种困难的挑战。

1．聚合物

现代聚合物科学的时代属于化学工程师。这些年来，聚合物化学家创造了大量的高分子和聚合物。然而了解这些高分子是怎样被合成并加工以最大限度地具备理论性质仍然是研究的前沿领域。

一直到最近才开发了现代仪器帮助我们了解高分子之间、高分子与固体粒子、有机和无机纤维与其它界面之间的相互作用。化学工程师正使用这些工具探索高分子的微型动力学现象，他们利用从这些技术中获得的知识，正在处理高分子间的反应以开发先进的工艺并制造新的材料

通过化学加工控制材料微型结构的能力可用现代高强度聚合纤维进行描述。一些聚合纤维的强度-质量比比钢铁高一个数量级。它的自由取向是由所选择的加工条件以及芳香族聚酰胺的高度刚性的线性分子结构所决定的。在纺丝时，液相中的定向部分是围绕纤维轴方向排列而使得纤维具有高强度和高硬度，

各向异性的纺丝纤维的概念则在新聚合物如聚苯并噻唑、聚乙烯的溶解和熔融方面都有了延伸。超高强度的聚乙烯纤维是通过冻胶纺丝的方法制备的。同样的，控制聚合物的分子取向以生产高强度产品也可以通过其它的工艺途径，如在极其精确的条件下进行纤维拉伸而完成。

. 除了这些可以得到具有特别高性能的材料的加工过程，化学工程师们还设计一些新的工艺过程以生产低成本的聚合物。

2．聚合复合材料

复合材料包括在一个聚合物母体上嵌入或粘合上高强度或高模数纤维。这些纤维可能是短的、长的或连续的。它们可能是随意取向的而使复合材料在所有方向上都具有较大的强度或硬度，也可能沿某个特殊方向取向而使复合材料的高性能优先沿着某个轴线表现出来。后者是根据一向微结构加固的原理，通过不连贯的、拉伸支撑电缆线或电缆条达到目的。

要得到在多个方向上具有优良性能的材料，可以通过改变角度粘结各向异性的复合片得到合成板。另一方面，两向强化的材料可以通过把高性能的纤维编织成一个平面，面上有足够的粘结力而使加固结构表现得就像联结起来的网或桁架

你可以想象，化学工程师和纺织工程师之间的学术合作将有利于选择经线、纬线和高强度纤维的编织方法，以得到高选择性能分布的桁架型的复合材料。

第一代聚合合成材料（如玻璃纤维）使用热固性环氧树脂聚合物。它是用任意取向的短玻璃纤维进行强化的。环氧树脂填充在一个模型中被塑化成永久的形状而得到轻质的、强度适当的模制塑胶。

现代复合材料是用手工把编织好的玻璃纤维放到模具或预型件中，然后用树脂灌注，固化成型后制得的。这些复合材料最先是使用在某些型号的军用飞机上。因为比较轻的机身使飞行巡航范围增大。今天，飞机和航空飞船的大部分部件都是这样制造的，而且汽车也正在加入到这个行列。现代复合材料正被应用于小汽车和载重卡车的车身面板、车棚、后行李箱盖、管道、驱动轴和燃料罐。

在这些应用中，复合材料表现出比金属更好的强度-质量比和更优良的抗腐蚀性。例如，一种聚合复合材料制成的汽车车棚比用铝质的轻一点，比钢铁的轻两倍，但这种方法所需能量比钢铁的低一点，比铝的低20%。模塑和刀具加工的成本也比较低，使模型的改变可以更快而适应新设计的要求。

这些复合材料表现出来的机械强度主要是由强化玻璃纤维决定的，尽管结构缺陷会使强度减弱。工程学研究正提供重要的信息说明材料结构是如何受到玻璃树脂的界面性质、构造空隙和类似缺陷的影响以及这些微缺陷是如何扩散产生构造裂缝的。这些复合材料以及从对它们的研究中获得的信息使人类进入到生产第二代聚合复合材料的阶段，即以高强度纤维如芳香族聚酰胺为基础的复合材料。

3．现代陶瓷

对大多数人来说，“陶瓷”这个词会让人联想到瓷器、陶器、砖、瓦这些东西。现代陶瓷以它们的组成、加工过程和微细结构区别于这些传统的陶瓷。例如：

·传统的陶瓷是用天然的原料如粘土或硅石制成的。现代陶瓷则要求非常纯的人造原料如碳化硅、氮化硅、氧化锆或氧化铝，可能还要渗入一些复杂的添加剂来产生特殊的微结构。

传统陶瓷是先在陶工轮上或粉浆浇注成型，然后在窑里烧结定型。现代陶瓷是用更为复杂的工艺过程如高温静压成型法来定型的。

·传统陶瓷的微结构容易形成在光学显微镜下就可以看见的裂痕。而现代陶瓷的微结构则要均匀得多，一般要在5万倍或更大倍数的电子显微镜下才能检查出瑕疵来。

现代陶瓷的应用范围更为广泛。在很多情况下，现代陶瓷并未直接成为最终产品，而是组合在一些复杂的系统中成为优良性能的关键部分。现代陶瓷的商业应用可以在切削工具、发动机喷嘴、涡轮和涡轮增压器的元件、太空舱的瓦面、储藏原子和化学废物的圆柱体、气体和石油钻探阀、电动极板和防护罩以及腐蚀性液体中的电极等等方面看见。

4．陶瓷合成材料

像聚合复合材料一样，陶瓷复合材料也包括在连续的基质上嵌入高强度或高模数的纤维。纤维可以是碳化硅或氧化铝以“晶须”的形式出现，然后生长为单个晶体。这与同样的物质直接嵌入在大块陶瓷上相比较所产生裂纹较少。陶瓷复合体上的纤维可以阻碍裂纹的扩散。正在生长的裂纹会向纤维处偏移或使纤维脱离基质。这两个过程都要吸收能量，从而减慢了裂纹的扩散。

陶瓷复合材料的强度、硬度和韧性主要取决于强化纤维，但是基质也会对这些性质产生影响。复合材料的导热和导电性能受基质传导系数的影响很大。纤维和基质之间的相互作用对复合材料机械性能的影响也很大，并可通过纤维表面纤维和基质间的化学兼容性进行调整，这两种物质粘合在一起的前提就是基质以流体形态存在时能润湿纤维。两种组分间形成了化学键。

与现代陶瓷的产生一样，化学反应在陶瓷复合材料的加工制造中也充当了关键的角色。这些复合材料要求无瑕疵的陶瓷纤维、纤维和母体间有最适当的作用力，这才能在使用中展现所预想的机械性能。在实际的制造过程中设计这样的化学反应要求化学工程师具备专业的知识。

5. 复合液体

最后一类重要的复合材料是复合液体。复合液体是高结构液体，以悬浮液、表面活性剂、液晶相或其它大分子与固体微粒或液滴组成。许多复合液体对现代工业和社会都是必不可少的，因为它们表现出来的性质对一些特殊用途是非常重要的。

这些用途包括润滑剂、水力牵引液体以及油田钻井泥浆，油漆、涂料和粘合剂也可能是合成液体。确实，在任何情况下，如果好的液体状态对某种传递和反应是重要的，那么合成液体就是有价值的。

化学工程师长期涉足材料科学和工程学研究工作。随着新材料的开发，其性质越来越依赖微结构和加工过程，研究程度也将深入。化学工程师将探索微结构的本质—它是如何在材料中形成的， 哪些因素可以用来控制它。他们将采用新的方式把传统的分离开来的材料合成和材料加工融合起来。他们还将用新方法解决构造的问题，修复复杂的材料系统。