課程輔導(dǎo)內(nèi)容

化學(xué)工程計算

該模塊旨在培養(yǎng)學(xué)生使用MATLAB和Excel等工具的技能，并向?qū)W生介紹其他高級計算機輔助設(shè)計工具，如SIMSCI PRO/II。預(yù)計學(xué)生將在后續(xù)模塊中使用這些工具，特別是在第二年的產(chǎn)品設(shè)計練習(xí)和第三或第四年的設(shè)計項目模塊中。假定學(xué)生在第一年的建模概念與工具課程中已經(jīng)熟悉MATLAB和Excel，若沒有更早的經(jīng)驗。展示這些設(shè)計工具需要學(xué)生制作一個單元操作的初步過程工程設(shè)計，以便進(jìn)行實踐練習(xí)。

質(zhì)量、熱量和動量傳輸

該模塊涵蓋了質(zhì)量和熱傳遞的關(guān)鍵理論內(nèi)容，擴展了《傳輸現(xiàn)象與熱力學(xué)導(dǎo)論》中教授的入門材料。這包括導(dǎo)熱的一般能量平衡以及對對稱二維和一維問題的常見簡化。討論了集中電容法以及從擴展表面進(jìn)行的熱傳遞。描述了膜分離和吸附等工程過程。此外，還討論了動量傳輸?shù)年P(guān)鍵理論內(nèi)容，包括固體邊界之間的粘性流和湍流。相似原理被應(yīng)用于泵送流動系統(tǒng)的設(shè)計與分析，成本優(yōu)化也應(yīng)用于管道設(shè)計。分析了復(fù)雜的管道網(wǎng)絡(luò)和組合管泵系統(tǒng)等工程應(yīng)用。所涉及的熱傳遞材料進(jìn)一步擴展，涵蓋了內(nèi)部/外部對流和輻射。引入了熱量和質(zhì)量傳遞問題的計算機求解方法，并應(yīng)用于一些工藝實例。

過程集成與單元操作

該模塊在第二學(xué)期引入了新工藝合成的方法論，并討論了影響工藝選擇的因素。首先，模塊介紹了反映當(dāng)前工藝集成趨勢的問題解決方法(高效的物料和能源使用及減排)。引入了擠壓技術(shù)，并用于開發(fā)熱交換網(wǎng)絡(luò)，同時設(shè)計了一些輔導(dǎo)課，以便學(xué)生練習(xí)所教授方法的應(yīng)用。

接下來，模塊考慮平衡階段過程設(shè)計，從吸收、蒸餾和液-液提取的單元操作開始，學(xué)生將接觸到階段間計算和圖解問題解決技術(shù)的概念。同時，介紹了新穎的處理途徑，包括超臨界流體的案例研究。

模塊隨后進(jìn)展到介紹一組核心單元操作(包括干燥、結(jié)晶和膜分離)，特別強調(diào)選擇適當(dāng)方法以滿足工藝要求。還討論了這些單元操作的過程設(shè)計要素。更具體地說，利用質(zhì)量和能量平衡結(jié)合每個操作的簡化模型，計算特定的處理參數(shù)(如流量)和/或單元特征(如單元體積)。

過程系統(tǒng)與過程控制原理

模塊的A部分：該部分介紹了建模、過程動態(tài)以及實際過程監(jiān)測和控制。將解釋控制在過程操作中的重要性，并描述現(xiàn)代工廠級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。模塊將討論常見變量(如壓力、溫度、液位、流量等)的典型過程監(jiān)測設(shè)備，并展示這些設(shè)備如何生成信號，并將其轉(zhuǎn)換、傳輸，以及在必要時如何轉(zhuǎn)化以供控制系統(tǒng)使用。將討論開環(huán)和閉環(huán)控制的基本原理，并概述控制器的作用。通過對過程建模及其基本程序的回顧，將解釋過程動態(tài)行為的概念。將提供解決選定過程實例中由非穩(wěn)態(tài)平衡產(chǎn)生的微分方程的方法，特別是線性二階微分方程的處理。同時還將給出展示常見動態(tài)行為類型的過程和儀器的實際例子。

模塊的B部分：這一部分基于A部分，涵蓋過程級控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計的基本原理，以及適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)工具。討論的主題包括傳遞函數(shù)、理想動態(tài)系統(tǒng)、經(jīng)典PID控制器、反饋控制框圖分析、穩(wěn)定性概念及分析、現(xiàn)代控制環(huán)路的結(jié)構(gòu)和組成，以及工業(yè)過程控制的實際方面。

產(chǎn)品設(shè)計練習(xí)

該模塊旨在強調(diào)過程工程的創(chuàng)意方面，因此與其他側(cè)重于數(shù)值和技術(shù)技能的模塊形成對比。它傳達(dá)了一個重要信息：想象力和責(zé)任感是成功專業(yè)工程師必不可少的品質(zhì)，因為他們需要與許多其他商業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行互動。

學(xué)生以小組形式工作，利用頭腦風(fēng)暴技術(shù)產(chǎn)生新產(chǎn)品和/或新過程的創(chuàng)意，同時考慮提議創(chuàng)新的倫理、經(jīng)濟(jì)和社會影響。每個小組隨后篩選這些創(chuàng)意，并選擇一個或多個進(jìn)行深入發(fā)展，以制定實現(xiàn)其目標(biāo)的商業(yè)/發(fā)展計劃。

小組需要關(guān)注項目的商業(yè)和倫理方面，以及相關(guān)的工程和過程技術(shù)。在廣泛、開放的創(chuàng)意生成環(huán)境中，學(xué)生的書面和口頭表達(dá)能力以及倫理推理能力得到提升和檢驗。

反應(yīng)器、催化與熱力學(xué)

該模塊教授熱力學(xué)的基本原理及其在反應(yīng)器設(shè)計中的應(yīng)用。首先回顧1RET中涉及的反應(yīng)器類型，如連續(xù)攪拌反應(yīng)器(CSTR)、活塞流和批量反應(yīng)器。模塊內(nèi)容包括反應(yīng)平衡及判斷反應(yīng)是否可逆并已達(dá)到平衡的標(biāo)準(zhǔn)。將介紹催化劑的性質(zhì)，并在1RET的基礎(chǔ)上擴展動力學(xué)內(nèi)容，包含基于化學(xué)吸附的動力學(xué)模型推導(dǎo)。課程還將討論催化過程中的擴散效應(yīng)，包括Thiele模數(shù)、有效性因子和外部擴散阻力，以幫助學(xué)生判斷反應(yīng)是由動力學(xué)還是質(zhì)量傳遞控制。為克服質(zhì)量傳遞阻力的反應(yīng)器設(shè)計將涵蓋液體混合設(shè)備，例如攪拌容器和靜態(tài)混合器——它們的類型及操作方式，以及單相化學(xué)反應(yīng)器中的混合機制和熱力學(xué);學(xué)生將理解如何生成均勻混合的反應(yīng)器，包括微觀、介觀和宏觀混合的影響——現(xiàn)象的性質(zhì)和邊界;高粘度和非牛頓流體中的混合設(shè)置及功耗。

可持續(xù)過程工程

該模塊主要集中在以下幾個領(lǐng)域，并輔以相關(guān)熱點問題：

1.制造、運輸和能源行業(yè)面臨的可持續(xù)發(fā)展重大挑戰(zhàn)——在未來幾十年內(nèi)實現(xiàn)從基于化石燃料的高能耗過程轉(zhuǎn)向可再生(碳中和)和高效的過程。

2.可持續(xù)材料與循環(huán)經(jīng)濟(jì)。介紹與回收相關(guān)的技術(shù)，包括回收、分類和再利用。將比較傳統(tǒng)的金屬、紙張和玻璃回收技術(shù)與較新的方法。考慮設(shè)計能夠利用回收材料并促進(jìn)可回收性的產(chǎn)品。

3.生命周期評估與綜合污染預(yù)防和控制法規(guī)。討論可持續(xù)發(fā)展的概念，并介紹量化評估可持續(xù)性的方法工具。例如，根據(jù)ISO14000的原則涵蓋生命周期分析，包括使用商業(yè)軟件(如GABI)。介紹英國和歐盟的環(huán)境立法原則及其實踐。

4.在上述背景下，主題和案例研究可能包括(但不限于)： a. 纖維素纖維 b. 戰(zhàn)略和關(guān)鍵材料 c. 燃料電池技術(shù) d. 能源存儲，包括電池技術(shù) e. 能源供應(yīng)的脫碳化 f. 減少溶劑使用(例如在涂料行業(yè)) g. 廢水處理，包括有機物的回收 h. 碳捕集與儲存，包括碳(和其他排放)交易 i. 全球資源(例如2019年3月的聯(lián)合國報告)

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