内容简介
随着计算机技术的飞速发展和人工智能技术的广泛应用，化工多相流多尺度模拟在化学工业中的应用日益广泛，其重要性日益凸显。本书主要介绍了从化工产品研发到工业放大过程中所涉及的主要模拟方法，如MS、CFD、Aspen Plus、ANN和经验模型等，包括化工模拟的原理、方法、分类，特点及优缺点，并结合具体案例进行讲解，如含碳资源的高效转化过程、含能材料制备的过程模拟、化工单元操作过程（吸收、精馏、萃取和结晶等）和过程工业的污染物（二氧化硫、氮氧化物、废水和颗粒物等）的脱除过程等。
本书适合化工高新技术企业相关研发人员、技术人员以及管理人员阅读参考，也可作为高等院校化工、材料、能源和环境专业本科生、研究生的教材。
目录
第1章 绪论001
1.1 概述002
1.2 化工模拟技术的发展历史002
1.3 化工模型分类004
1.4 化工模拟技术国内外对比与发展趋势006
1.5 化工模拟未来的发展方向007
参考文献007
第2章 分子模型009
2.1 概述010
2.2 分子模型分类010
2.2.1 量子化学(QC) 010
2.2.2 分子动力学(MD) 011
2.2.3 分子力学(MM) 012
2.2.4 蒙特卡罗(MC) 012
2.3 分子动力学模型建模的关键013
2.3.1 模型化合物的选择013
2.3.2 力场的选择014
2.3.3 反应条件的选择016
2.4 分子动力学模型建模过程017
2.5 应用实例019
2.5.1 煤气化过程020
2.5.2 废塑料热解过程028
2.5.3 废轮胎气化过程035
2.6 展望043
参考文献043
第3章 CFD 模型046
3.1 概述047
3.2 CFD 模型分类049
3.2.1 欧拉-欧拉模型049
3.2.2 欧拉-拉格朗日模型050
3.2.3 其他模型053
3.3 CFD 模型建模的关键056
3.3.1 网格划分056
3.3.2 模块选择057
3.3.3 模型求解063
3.4 CFD 模型建模过程066
3.5 应用实例067
3.5.1 喷雾干燥制备CL-20过程068
3.5.2 薄膜反应器中的传热过程099
3.6 展望101
参考文献101
第4章 经验模型105
4.1 概述106
4.2 经验模型分类106
4.2.1 热力学平衡模型107
4.2.2 反应动力学模型110
4.2.3 其他模型111
4.3 经验模型建模的关键113
4.4 经验模型建模过程114
4.5 应用实例117
4.5.1 喷雾干燥制备HMX/F2602 117
4.5.2 煤催化气化制天然气122
4.5.3 煤催化加氢气化制天然气139
4.5.4 旋转填料床吸附苯酚155
4.6 展望164
参考文献164
第5章 Aspen Plus 模型169
5.1 概述170
5.2 Aspen Plus 模型分类173
5.2.1 物料平衡-化学平衡-能量平衡法173
5.2.2 热力学平衡模型法174
5.3 Aspen Plus 模型建模的关键174
5.3.1 物性参数的选择174
5.3.2 模块的选择176
5.4 Aspen Plus 模型建模过程178
5.5 应用实例181
5.5.1 喷雾干燥制备含能材料182
5.5.2 流化床废轮胎气化209
5.5.3 旋转填料床真空精馏乙醇和水221
5.5.4 旋转填料床汽提氨氮废水229
5.6 展望239
参考文献239
第6章 机器学习模型243
6.1 概述244
6.2 机器学习模型分类及建模方法245
6.2.1 机器学习模型分类245
6.2.2 常用的建模方法250
6.2.3 超参数优化算法256
6.3 机器学习模型建模的关键259
6.3.1 输入参数的选择259
6.3.2 神经网络模型的选择260
6.3.3 神经网络算法的选择260
6.3.4 隐含神经元个数的设置261
6.4 机器学习模型建模过程262
6.4.1 构建数据集263
6.4.2 选择神经网络模型、算法和神经元个数264
6.4.3 评价模型性能264
6.5 应用实例265
6.5.1 喷雾干燥制备含能材料265
6.5.2 煤和生物质共气化反应动力学研究281
6.5.3 煤和生物质共气化工艺过程302
6.5.4 煤、石油焦或生物质共气化311
6.5.5 固定床煤的催化气化320
6.5.6 流化床废轮胎气化328
6.5.7 旋转填料床活性炭吸附338
6.5.8 旋转填料床颗粒物脱除342
6.5.9 超临界水氧化丙烯腈废水347
6.6 展望351
参考文献352
前言/序言
继实验科学和理论研究之后，化工多相流多尺度模拟技术已成为自然科学研究的重要手段。它运用数学方法，将实验过程和现象抽象成一系列公式，从而揭示实验中难以直接测量和捕捉的信息，有效优化了化工过程中的操作条件和设备结构，以达到整体性能优化的目的，大幅降低人力、物力和财力的消耗。
通过学习本书，化工科研人员能够掌握多相流多尺度模拟的方法，提升对化工过程的理解，完成化工模拟工程师的基本训练，为反应器设计和工艺放大打下坚实基础。然而，由于目前化工科研工作者的专业水平和基础理论参差不齐，对模拟方法的理解和应用能力有限，这在一定程度上限制了模拟技术在化工领域的广泛应用。因此，本书采用理论与实践相结合的方式，深入浅出地阐述了化工多相流多尺度模拟的方法和典型建模步骤，旨在帮助读者快速、全面、准确地掌握模拟技术，起到“举一反三、启发思维”的作用，明确各种模拟方法的优势与局限以及它们各自适合解决的问题。
本专著汇集了作者近十年的科研项目经验和理论研究成果。全书共6章，由作者独立撰写，围绕含能材料、含碳资源的高效转化过程和化工单元操作过程三个领域，重点介绍了化工多相流多尺度模拟的方法、分类、关键问题与技术，以及模拟的具体步骤和应用实例。第1章为绪论，概述了化工多相流模拟的全过程；第2章至第6章分别介绍了分子模型、CFD模型、经验模型、Aspen Plus模型和机器学习模型等内容。
在此，作者感谢课题组的硕士研究生史晓澜、柴凡、张彦奇、刘佳敏、王丽君、王晨、杨晨宇、郝东杰、陈贵明、王敏、李雨函、田忠印、杨佳伟、曾露、赵花和高少明以及本科生徐强、孙正则和付丽英在撰写过程中的协助。特别感谢李晓颖女士在生活上的关怀和精神上的鼓励，没有她的支持，本书的完成难以想象。同时，作者也衷心感谢化学工业出版社的工作人员为本书出版付出的辛勤努力。
本书适作为高等院校、科研院所以及企事业单位中从事化工、能源和环境等专业的本科生、硕士生和博士生作为化工多相流多尺度数学模拟的教学用书，同时也适合广大化工工程技术人员作为模拟计算的参考书籍。鉴于著者水平有限，书中如有不足之处，敬请广大读者批评指正。
李伟伟
2025年3月于中北大学
