化學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生和化學(xué)工程師需要去求解復(fù)雜性日益增加的問(wèn)題，這些問(wèn)題包括煉油廠、燃料電池、微型反應(yīng)器和制藥廠的各種應(yīng)用問(wèn)題。多年以前，學(xué)生編寫(xiě)自己的程序，最早是用ＦＯＲＴＲＡＮ編程語(yǔ)言，然后是用ＭＡＴＬＡＢ之類(lèi)的數(shù)值計(jì)算語(yǔ)言。但是，隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)的發(fā)展，已經(jīng)為學(xué)生編寫(xiě)了求解許多問(wèn)題的軟件，學(xué)生只要正確應(yīng)用這些程序就可以了。于是，教學(xué)重點(diǎn)由對(duì)編寫(xiě)他們自己的程序感興趣的少數(shù)人轉(zhuǎn)向大批將使用這些程序，但不必親自編寫(xiě)的學(xué)生。我在華盛頓大學(xué)４２年的教學(xué)生涯中，曾指導(dǎo)過(guò)一些學(xué)生小組如何運(yùn)用數(shù)值分析方法解決復(fù)雜問(wèn)題。現(xiàn)在，我則在教所有學(xué)生如何聰明地利用計(jì)算機(jī)。我教的學(xué)生中只有少數(shù)人對(duì)數(shù)值分析有興趣（令我傷心�。�，但所有學(xué)生都知道他們必須能夠解決困難的問(wèn)題，以及他們需要利用計(jì)算機(jī)完成此任務(wù)。

本書(shū)的目的是闡明：（ａ）化學(xué)工程師必須解決的問(wèn)題；（ｂ）用于解決這些問(wèn)題的計(jì)算機(jī)程序的類(lèi)型；（ｃ）工程師如何檢查計(jì)算結(jié)果并確保他們已正確地解決了這些問(wèn)題。將在當(dāng)代學(xué)生的學(xué)習(xí)環(huán)境里完成下述任務(wù)———最低限度的閱讀量、非常及時(shí)地學(xué)習(xí)和大量的計(jì)算機(jī)使用方法。本書(shū)演示的程序有Ｅｘｃｅｌ?、ＭＡＴＬＡＢ?、ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ?和ＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ?。

編寫(xiě)本書(shū)時(shí)，我假定讀者并不是完全的初學(xué)者。低年級(jí)和高年級(jí)化學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生已具有應(yīng)用如Ｅｘｃｅｌ之類(lèi)的電子表格程序的經(jīng)驗(yàn)，只要向他們提供指導(dǎo)和關(guān)鍵的概念和術(shù)語(yǔ)，他們能不費(fèi)力地在計(jì)算機(jī)上學(xué)習(xí)。實(shí)際上，許多學(xué)生比他們的導(dǎo)師更熟悉計(jì)算機(jī)。但是，剛開(kāi)始學(xué)習(xí)的化學(xué)工程學(xué)生可能不是非常清楚地了解應(yīng)用問(wèn)題，以及對(duì)隱藏于工程問(wèn)題背后的物理現(xiàn)象缺乏深入的理解。而且，他們可能沒(méi)有解決過(guò)非常困難的問(wèn)題。于是，重要的是對(duì)學(xué)生為什么需要求解這些問(wèn)題提供某些解釋，以及當(dāng)這些問(wèn)題面臨數(shù)值方法的重壓時(shí)如何克服困難。我對(duì)我自己的經(jīng)驗(yàn)作了總結(jié)，并對(duì)本書(shū)中的問(wèn)題給予了透徹的說(shuō)明。

我的教學(xué)思想是：工程師今天正在解決的問(wèn)題通常是解析方法無(wú)能為力的，但他們可用今天能獲得的功能強(qiáng)大的軟件解決。于是，每個(gè)工程師將要解決無(wú)人知道答案的問(wèn)題，而保證以書(shū)面形式或在計(jì)算機(jī)上正確表述問(wèn)題，并正確地求解它們，正是工程師的職責(zé)。工科學(xué)生必須懂得如何通過(guò)檢查計(jì)算機(jī)完成的工作來(lái)確定計(jì)算機(jī)是否正確地解決了問(wèn)題。如果他們能做到這一點(diǎn)，他們就能令導(dǎo)師或?qū)��?lái)的老板相信他們已獲得了與解析解一樣可靠的答案，雖然并未獲得解析解，而且對(duì)某些問(wèn)題也不可能用解析方法求解。事實(shí)上，本書(shū)中９８％的問(wèn)題是非線性的，它們中只有極少數(shù)有解析解。

在教學(xué)中如何應(yīng)用本書(shū)

本書(shū)來(lái)源于我在華盛頓大學(xué)開(kāi)設(shè)的課程，第一次開(kāi)課是在２００３年。該課程由講座和在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室中親自實(shí)踐的計(jì)算機(jī)作業(yè)兩部分組成。我通常會(huì)提供一些簡(jiǎn)單的習(xí)題，讓學(xué)生在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室中求解，并向?qū)W生提供幫助，使他們能克服運(yùn)用不熟悉的程序時(shí)所面臨的困難。但隨后學(xué)生必須求解一個(gè)能擴(kuò)展他們的化學(xué)工程知識(shí)的問(wèn)題，以證明他們能正確地使用該程序（并陳述他們所做的核查）。因?yàn)檫@些應(yīng)用涵蓋了許多化學(xué)工程領(lǐng)域，我對(duì)學(xué)生開(kāi)玩笑說(shuō)：“我在２０個(gè)小時(shí)內(nèi)就教了你們整個(gè)化學(xué)工程領(lǐng)域�！彪m然，我已在２００９年退休，不再教授這門(mén)課程，但相同的教學(xué)目標(biāo)依然保持著。

本書(shū)也可用于其他一些課程，因?yàn)槊恳徽露歼m合于教學(xué)計(jì)劃中的一門(mén)課程。例如，在熱力學(xué)課程里講授了化學(xué)反應(yīng)平衡，教師可在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室練習(xí)時(shí)間內(nèi)利用本書(shū)有關(guān)化學(xué)反應(yīng)平衡的章節(jié)教授計(jì)算機(jī)的應(yīng)用。熱力學(xué)模型選擇（和比較）方面的材料也能增加對(duì)熱力學(xué)課程的實(shí)際認(rèn)識(shí)。其他章節(jié)則可用于其他課程。用這種方法，學(xué)生將在整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中一門(mén)課接一門(mén)課地使用本書(shū)：質(zhì)量和能量衡算，熱量、質(zhì)量和動(dòng)量傳遞，反應(yīng)器設(shè)計(jì)；而有些課程將把注意力放在各種課題上，例如生物醫(yī)學(xué)工程。當(dāng)然，希望學(xué)生能將注意力集中在化學(xué)工程原理上，而將計(jì)算機(jī)作為工具。

本書(shū)講述了四種程序的特色。你的學(xué)�？赡懿粫�(huì)全部使用這四種程序。雖然屏幕圖像可能不同，但基本概念和程序是相同的。當(dāng)然有些問(wèn)題可用其他程序求解。在某種工作環(huán)境里，工程師們也將使用公司提供的程序。于是，工程師們可能使用功能不太強(qiáng)大的程序，因?yàn)樗麄冎荒塬@得這種程序。功能更強(qiáng)大的程序還可能要花費(fèi)更多錢(qián)。于是，在有些章節(jié)內(nèi)采用了不同的程序來(lái)求解相同的問(wèn)題，這可讓學(xué)生直接了解為了解決復(fù)雜問(wèn)題，比較通用的程序需要顯著增加編程工作。按我的經(jīng)驗(yàn)，提供一組程序后，學(xué)生將會(huì)采用能使他們盡快地求解他們的問(wèn)題的程序。程序ＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ提供了許多模塊。幾乎本書(shū)中的所有問(wèn)題均可用基本模塊求解，雖然也有些案例，化學(xué)反應(yīng)工程模塊是有用的。與ＭＡＴＬＡＢ的鏈接可以用ＭＡＴＬＡＢ的ＬｉｖｅＬｉｎｋＴＭ及其他模塊實(shí)現(xiàn)。只有幾個(gè)涉及湍流的問(wèn)題，這些問(wèn)題需要ＣＦＤ（計(jì)算流體力學(xué)）模塊。你所能獲得的各種組合的完整清單可從ＣＯＭＳＯＬ得到，也可從本書(shū)網(wǎng)站獲得我的清單（見(jiàn)附錄Ｄ）。

每章均以教學(xué)目標(biāo)清單開(kāi)始。此外，本書(shū)網(wǎng)站中有從化學(xué)工程觀點(diǎn)和計(jì)算機(jī)技術(shù)觀點(diǎn)出發(fā)，可由每個(gè)問(wèn)題學(xué)到的原理的清單。我們鼓勵(lì)采用本書(shū)的教授討論在其他化學(xué)工程課程中的可能應(yīng)用，使得更高深的問(wèn)題能在他們的課程中求解。在本書(shū)網(wǎng)站中還可獲得各種索引，因?yàn)閷W(xué)生更愿使用互聯(lián)網(wǎng)，而不愿翻到本書(shū)最后查看主題索引；更重要的是他們可利用短語(yǔ)進(jìn)行搜索和下載。

創(chuàng)新之處

與第一版相比，一個(gè)重大的變化是所有四個(gè)程序都有了與２００５年時(shí)不同的界面。更序　言００３　重要的是，它們都大大增強(qiáng)了功能。我已經(jīng)縮減了某些解釋，而推薦用戶利用伴隨程序的幫助菜單，因?yàn)檫@些菜單已獲改進(jìn)，它們提供的信息超過(guò)了本書(shū)所能提供的。但是，我提供了到哪兒去查閱的提示。

習(xí)題的數(shù)量幾乎增加了一倍。更重要的是，增加的習(xí)題集中在能源領(lǐng)域：整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)，包括低溫空氣分離、用柳枝稷制乙醇和變壓吸附為燃料電池汽車(chē)制氫。在每個(gè)案例中，均在討論之前先定義問(wèn)題，使學(xué)生能了解其適用性。自２００５年以來(lái)，微流體力學(xué)已獲得發(fā)展，也有些增加的習(xí)題是屬于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的。這導(dǎo)致更多的例題和習(xí)題涉及二維和三維空間的流體流動(dòng)和擴(kuò)散。一項(xiàng)重大的增添是在ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ７．３中作出的：現(xiàn)在在程序中已可直接存取美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)研究所（ＮａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｔａｎｄａｒｄａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）匯編的純組分的壓力體積溫度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和二元?dú)庖浩胶鈱?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)化學(xué)工程師而言，這是非常重要的，因?yàn)闊崃�學(xué)模型的選擇通常必須伴隨著與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較，而現(xiàn)在這已變得非常容易，容易到不做這種比較將顯得不專業(yè)。于是，本書(shū)的熱力學(xué)部分包括了工業(yè)指南、某些分子水平的考慮和進(jìn)行比較的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ還有能力非常方便地總結(jié)某個(gè)過(guò)程的溫室效應(yīng)。在有些教授的課程里，會(huì)有他們所作的關(guān)于如何利用ＡｓｐｅｎＴｅｃｈ公司產(chǎn)品的討論；請(qǐng)聯(lián)系：Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．Ｐｒｏｇｒａｍ＠ａｓｐｅｎｔｅｃｈ．ｃｏｍ。Ｌｕｙｂｅｎ教授指出的一個(gè)事實(shí)是物料和能量衡算主要是基于物流的，而安全問(wèn)題是基于壓力（和動(dòng)態(tài)）的。動(dòng)態(tài)選項(xiàng)在本書(shū)不作詳細(xì)討論，通常它們包含在控制課程內(nèi)。ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ在微軟視窗下運(yùn)行，但作者是在蘋(píng)果計(jì)算機(jī)上用ＰａｒａｌｌｅｌｓＤｅｓｋｔｏｐｆｏｒＭａｃ在視窗下運(yùn)行的。第二版中還有些例題是添加了簡(jiǎn)單的用戶定義ＦＯＲＴＲＡＮ程序后運(yùn)行ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ的。

有些教授喜歡在他們的課程中采用更多數(shù)值編程，所以在有些章的結(jié)尾增加了一些這類(lèi)習(xí)題。這些習(xí)題提供了很好的對(duì)比，先用數(shù)值編程求解，然后用本書(shū)重點(diǎn)講述的四種程序之一求解，再比較哪種方法更簡(jiǎn)便。附錄Ｅ提供了數(shù)值方法的更多細(xì)節(jié)。而這些程序使數(shù)值分析更易于使用，認(rèn)識(shí)大多數(shù)習(xí)題涉及由連續(xù)變量到離散變量的近似處理也是重要的。本書(shū)中有些習(xí)題要求學(xué)生進(jìn)行實(shí)際的數(shù)值分析（并與其他程序比較）。指導(dǎo)老師可能會(huì)說(shuō)，“如果你不嘗試對(duì)這些方法編程，你不能真正理解這個(gè)問(wèn)題。”我指出如下事實(shí)作答：當(dāng)醫(yī)生描述核磁共振成像時(shí)，你不會(huì)說(shuō)只有當(dāng)他（她）向你說(shuō)明機(jī)器內(nèi)磁場(chǎng)如何工作，氫分子如何翻轉(zhuǎn)方向，并描述圖像如何形成時(shí)，你才會(huì)接受成像結(jié)果。醫(yī)生和技術(shù)人員知道怎樣去說(shuō)明結(jié)果，怎樣去檢測(cè)機(jī)器是否在正常工作；工科學(xué)生也能做到這些。

習(xí)題數(shù)量已經(jīng)加倍，它們被標(biāo)記為容易的習(xí)題（下標(biāo)１）和困難的習(xí)題（下標(biāo)２）及適合作為課題的習(xí)題，這類(lèi)習(xí)題可由一個(gè)學(xué)生或一個(gè)小組完成。最后，ＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ中有更多技巧做了說(shuō)明。

在本書(shū)的網(wǎng)站上，沒(méi)有提供用于求解本書(shū)中例題的程序編碼，因?yàn)樽髡呦嘈拍阍噲D去重復(fù)本書(shū)的步驟時(shí)，你就是在進(jìn)行學(xué)習(xí)。但是，在本書(shū)的網(wǎng)站上包含著求解某些習(xí)題所需的材料，例如用于求解三維流動(dòng)／擴(kuò)散問(wèn)題的幾何形狀。根據(jù)你的計(jì)算機(jī)的內(nèi)存，以及能將多少內(nèi)存分配給ＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ，某些三維問(wèn)題可能無(wú)法在你的計(jì)算機(jī)上求解。本書(shū)的網(wǎng)站是ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ＣｈｅｍＥＣｏｍｐ．ｃｏｍ。

致謝

在寫(xiě)作本書(shū)時(shí)，我由衷地感謝我班上的學(xué)生。有時(shí)，學(xué)生教會(huì)我怎樣使用先進(jìn)的技術(shù)，而他們的問(wèn)題又會(huì)導(dǎo)致最好的程序。在過(guò)去１０年間，有超過(guò)１００個(gè)本科研究生與我一起工作，他們的工作結(jié)果可在我的網(wǎng)站ｈｔｔｐ：／／ｆａｃｕｌｔｙ．ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ．ｅｄｕ／ｆｉｎｌａｙｓｏ和ｈｔｔｐ：／／ｃｏｕｒｓｅｓ．ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ．ｅｄｕ／ｍｉｃｒｏｆｌｏ上得到�；�工系為本書(shū)的編寫(xiě)提供了激勵(lì)津貼，該津貼由校友ＭａｕｒｉｃｅＲｉｃｈｆｏｒｄ（１９２６年學(xué)士）的紀(jì)念基金提供。沒(méi)有這筆津貼，本書(shū)的第一版無(wú)法完成，當(dāng)然也不可能進(jìn)行修改。我的女兒ＣｈｒｉｓｔｉｎｅＦｉｎｌａｙｓｏｎ作為第一版的技術(shù)編輯大大改善了我的書(shū)面文件，由于她的努力使文本更為清晰；依然存在的混亂之處則是我的責(zé)任。我特別感謝特拉華大學(xué)的ＳｔａｎｌｅｙＳａｎｄｌｅｒ教授，因?yàn)樗�評(píng)閱了熱力學(xué)方面的修改處理，這次我學(xué)到了很多�。茫铮恚螅铮旃�司和ＡｓｐｅｎＴｅｃｈ公司的同仁提供了許多幫助，因?yàn)樵谶^(guò)去幾年中ＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ和ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ都做了改進(jìn)。我尤其感謝我的夫人Ｐａｔ，因這一編著比原計(jì)劃花費(fèi)了更多時(shí)間。她始終支持我，為使我能完成這本書(shū)作出了許多犧牲。在我重寫(xiě)此書(shū)時(shí)，抽出幾個(gè)星期慶祝我們結(jié)婚５０周年，我做得真是太棒了！

ＢｒｕｃｅＦｉｎｌａｙｓｏｎ

２０１１年１０月于西雅圖__