伯明翰大学大二化学工程课程辅导

课程辅导内容

化学工程计算

该模块旨在培养学生使用MATLAB和Excel等工具的技能，并向学生介绍其他高级计算机辅助设计工具，如SIMSCI PRO/II。预计学生将在后续模块中使用这些工具，特别是在第二年的产品设计练习和第三或第四年的设计项目模块中。假定学生在第一年的建模概念与工具课程中已经熟悉MATLAB和Excel，若没有更早的经验。展示这些设计工具需要学生制作一个单元操作的初步过程工程设计，以便进行实践练习。

质量、热量和动量传输

该模块涵盖了质量和热传递的关键理论内容，扩展了《传输现象与热力学导论》中教授的入门材料。这包括导热的一般能量平衡以及对对称二维和一维问题的常见简化。讨论了集中电容法以及从扩展表面进行的热传递。描述了膜分离和吸附等工程过程。此外，还讨论了动量传输的关键理论内容，包括固体边界之间的粘性流和湍流。相似原理被应用于泵送流动系统的设计与分析，成本优化也应用于管道设计。分析了复杂的管道网络和组合管泵系统等工程应用。所涉及的热传递材料进一步扩展，涵盖了内部/外部对流和辐射。引入了热量和质量传递问题的计算机求解方法，并应用于一些工艺实例。

过程集成与单元操作

该模块在第二学期引入了新工艺合成的方法论，并讨论了影响工艺选择的因素。首先，模块介绍了反映当前工艺集成趋势的问题解决方法(高效的物料和能源使用及减排)。引入了挤压技术，并用于开发热交换网络，同时设计了一些辅导课，以便学生练习所教授方法的应用。

接下来，模块考虑平衡阶段过程设计，从吸收、蒸馏和液-液提取的单元操作开始，学生将接触到阶段间计算和图解问题解决技术的概念。同时，介绍了新颖的处理途径，包括超临界流体的案例研究。

模块随后进展到介绍一组核心单元操作(包括干燥、结晶和膜分离)，特别强调选择适当方法以满足工艺要求。还讨论了这些单元操作的过程设计要素。更具体地说，利用质量和能量平衡结合每个操作的简化模型，计算特定的处理参数(如流量)和/或单元特征(如单元体积)。

过程系统与过程控制原理

模块的A部分：该部分介绍了建模、过程动态以及实际过程监测和控制。将解释控制在过程操作中的重要性，并描述现代工厂级控制系统的结构。模块将讨论常见变量(如压力、温度、液位、流量等)的典型过程监测设备，并展示这些设备如何生成信号，并将其转换、传输，以及在必要时如何转化以供控制系统使用。将讨论开环和闭环控制的基本原理，并概述控制器的作用。通过对过程建模及其基本程序的回顾，将解释过程动态行为的概念。将提供解决选定过程实例中由非稳态平衡产生的微分方程的方法，特别是线性二阶微分方程的处理。同时还将给出展示常见动态行为类型的过程和仪器的实际例子。

模块的B部分：这一部分基于A部分，涵盖过程级控制系统的分析和设计的基本原理，以及适当的数学工具。讨论的主题包括传递函数、理想动态系统、经典PID控制器、反馈控制框图分析、稳定性概念及分析、现代控制环路的结构和组成，以及工业过程控制的实际方面。

产品设计练习

该模块旨在强调过程工程的创意方面，因此与其他侧重于数值和技术技能的模块形成对比。它传达了一个重要信息：想象力和责任感是成功专业工程师必不可少的品质，因为他们需要与许多其他商业领域进行互动。

学生以小组形式工作，利用头脑风暴技术产生新产品和/或新过程的创意，同时考虑提议创新的伦理、经济和社会影响。每个小组随后筛选这些创意，并选择一个或多个进行深入发展，以制定实现其目标的商业/发展计划。

小组需要关注项目的商业和伦理方面，以及相关的工程和过程技术。在广泛、开放的创意生成环境中，学生的书面和口头表达能力以及伦理推理能力得到提升和检验。

反应器、催化与热力学

该模块教授热力学的基本原理及其在反应器设计中的应用。首先回顾1RET中涉及的反应器类型，如连续搅拌反应器(CSTR)、活塞流和批量反应器。模块内容包括反应平衡及判断反应是否可逆并已达到平衡的标准。将介绍催化剂的性质，并在1RET的基础上扩展动力学内容，包含基于化学吸附的动力学模型推导。课程还将讨论催化过程中的扩散效应，包括Thiele模数、有效性因子和外部扩散阻力，以帮助学生判断反应是由动力学还是质量传递控制。为克服质量传递阻力的反应器设计将涵盖液体混合设备，例如搅拌容器和静态混合器——它们的类型及操作方式，以及单相化学反应器中的混合机制和热力学;学生将理解如何生成均匀混合的反应器，包括微观、介观和宏观混合的影响——现象的性质和边界;高粘度和非牛顿流体中的混合设置及功耗。

可持续过程工程

该模块主要集中在以下几个领域，并辅以相关热点问题：

1.制造、运输和能源行业面临的可持续发展重大挑战——在未来几十年内实现从基于化石燃料的高能耗过程转向可再生(碳中和)和高效的过程。

2.可持续材料与循环经济。介绍与回收相关的技术，包括回收、分类和再利用。将比较传统的金属、纸张和玻璃回收技术与较新的方法。考虑设计能够利用回收材料并促进可回收性的产品。

3.生命周期评估与综合污染预防和控制法规。讨论可持续发展的概念，并介绍量化评估可持续性的方法工具。例如，根据ISO14000的原则涵盖生命周期分析，包括使用商业软件(如GABI)。介绍英国和欧盟的环境立法原则及其实践。

4.在上述背景下，主题和案例研究可能包括(但不限于)： a. 纤维素纤维 b. 战略和关键材料 c. 燃料电池技术 d. 能源存储，包括电池技术 e. 能源供应的脱碳化 f. 减少溶剂使用(例如在涂料行业) g. 废水处理，包括有机物的回收 h. 碳捕集与储存，包括碳(和其他排放)交易 i. 全球资源(例如2019年3月的联合国报告)

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