化學工程專業(yè)的學生和化學工程師需要去求解復雜性日益增加的問題，這些問題包括煉油廠、燃料電池、微型反應(yīng)器和制藥廠的各種應(yīng)用問題。多年以前，學生編寫自己的程序，最早是用ＦＯＲＴＲＡＮ編程語言，然后是用ＭＡＴＬＡＢ之類的數(shù)值計算語言。但是，隨著個人計算機的發(fā)展，已經(jīng)為學生編寫了求解許多問題的軟件，學生只要正確應(yīng)用這些程序就可以了。于是，教學重點由對編寫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，但不必親自編寫的學生。我在華盛頓大學４２年的教學生涯中，曾指導過一些學生小組如何運用數(shù)值分析方法解決復雜問題�，F(xiàn)在，我則在教所有學生如何聰明地利用計算機。我教的學生中只有少數(shù)人對數(shù)值分析有興趣（令我傷心！），但所有學生都知道他們必須能夠解決困難的問題，以及他們需要利用計算機完成此任務(wù)。

本書的目的是闡明：（ａ）化學工程師必須解決的問題；（ｂ）用于解決這些問題的計算機程序的類型；（ｃ）工程師如何檢查計算結(jié)果并確保他們已正確地解決了這些問題。將在當代學生的學習環(huán)境里完成下述任務(wù)———最低限度的閱讀量、非常及時地學習和大量的計算機使用方法。本書演示的程序有Ｅｘｃｅｌ?、ＭＡＴＬＡＢ?、ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ?和ＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ?。

編寫本書時，我假定讀者并不是完全的初學者。低年級和高年級化學工程專業(yè)的學生已具有應(yīng)用如Ｅｘｃｅｌ之類的電子表格程序的經(jīng)驗，只要向他們提供指導和關(guān)鍵的概念和術(shù)語，他們能不費力地在計算機上學習。實際上，許多學生比他們的導師更熟悉計算機。但是，剛開始學習的化學工程學生可能不是非常清楚地了解應(yīng)用問題，以及對隱藏于工程問題背后的物理現(xiàn)象缺乏深入的理解。而且，他們可能沒有解決過非常困難的問題。于是，重要的是對學生為什么需要求解這些問題提供某些解釋，以及當這些問題面臨數(shù)值方法的重壓時如何克服困難。我對我自己的經(jīng)驗作了總結(jié)，并對本書中的問題給予了透徹的說明。

我的教學思想是：工程師今天正在解決的問題通常是解析方法無能為力的，但他們可用今天能獲得的功能強大的軟件解決。于是，每個工程師將要解決無人知道答案的問題，而保證以書面形式或在計算機上正確表述問題，并正確地求解它們，正是工程師的職責。工科學生必須懂得如何通過檢查計算機完成的工作來確定計算機是否正確地解決了問題。如果他們能做到這一點，他們就能令導師或?qū)�來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，而且對某些問題也不可能用解析方法求解。事實上，本書中９８％的問題是非線性的，它們中只有極少數(shù)有解析解。

在教學中如何應(yīng)用本書

本書來源于我在華盛頓大學開設(shè)的課程，第一次開課是在２００３年。該課程由講座和在計算機實驗室中親自實踐的計算機作業(yè)兩部分組成。我通常會提供一些簡單的習題，讓學生在計算機實驗室中求解，并向?qū)W生提供幫助，使他們能克服運用不熟悉的程序時所面臨的困難。但隨后學生必須求解一個能擴展他們的化學工程知識的問題，以證明他們能正確地使用該程序（并陳述他們所做的核查）。因為這些應(yīng)用涵蓋了許多化學工程領(lǐng)域，我對學生開玩笑說：“我在２０個小時內(nèi)就教了你們整個化學工程領(lǐng)域�！彪m然，我已在２００９年退休，不再教授這門課程，但相同的教學目標依然保持著。

本書也可用于其他一些課程，因為每一章都適合于教學計劃中的一門課程。例如，在熱力學課程里講授了化學反應(yīng)平衡，教師可在計算機實驗室練習時間內(nèi)利用本書有關(guān)化學反應(yīng)平衡的章節(jié)教授計算機的應(yīng)用。熱力學模型選擇（和比較）方面的材料也能增加對熱力學課程的實際認識。其他章節(jié)則可用于其他課程。用這種方法，學生將在整個學習過程中一門課接一門課地使用本書：質(zhì)量和能量衡算，熱量、質(zhì)量和動量傳遞，反應(yīng)器設(shè)計；而有些課程將把注意力放在各種課題上，例如生物醫(yī)學工程。當然，希望學生能將注意力集中在化學工程原理上，而將計算機作為工具。

本書講述了四種程序的特色。你的學�？赡懿粫�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。當然有些問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大的程序，因為他們只能獲得這種程序。功能更強大的程序還可能要花費更多錢。于是，在有些章節(jié)內(nèi)采用了不同的程序來求解相同的問題，這可讓學生直接了解為了解決復雜問題，比較通用的程序需要顯著增加編程工作。按我的經(jīng)驗，提供一組程序后，學生將會采用能使他們盡快地求解他們的問題的程序。程序ＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ提供了許多模塊。幾乎本書中的所有問題均可用基本模塊求解，雖然也有些案例，化學反應(yīng)工程模塊是有用的。與ＭＡＴＬＡＢ的鏈接可以用ＭＡＴＬＡＢ的ＬｉｖｅＬｉｎｋＴＭ及其他模塊實現(xiàn)。只有幾個涉及湍流的問題，這些問題需要ＣＦＤ（計算流體力學）模塊。你所能獲得的各種組合的完整清單可從ＣＯＭＳＯＬ得到，也可從本書網(wǎng)站獲得我的清單（見附錄Ｄ）。

每章均以教學目標清單開始。此外，本書網(wǎng)站中有從化學工程觀點和計算機技術(shù)觀點出發(fā)，可由每個問題學到的原理的清單。我們鼓勵采用本書的教授討論在其他化學工程課程中的可能應(yīng)用，使得更高深的問題能在他們的課程中求解。在本書網(wǎng)站中還可獲得各種索引，因為學生更愿使用互聯(lián)網(wǎng)，而不愿翻到本書最后查看主題索引；更重要的是他們可利用短語進行搜索和下載。

創(chuàng)新之處

與第一版相比，一個重大的變化是所有四個程序都有了與２００５年時不同的界面。更序　言００３　重要的是，它們都大大增強了功能。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，因為這些菜單已獲改進，它們提供的信息超過了本書所能提供的。但是，我提供了到哪兒去查閱的提示。

習題的數(shù)量幾乎增加了一倍。更重要的是，增加的習題集中在能源領(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制氫。在每個案例中，均在討論之前先定義問題，使學生能了解其適用性。自２００５年以來，微流體力學已獲得發(fā)展，也有些增加的習題是屬于生物醫(yī)學應(yīng)用領(lǐng)域的。這導致更多的例題和習題涉及二維和三維空間的流體流動和擴散。一項重大的增添是在ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ７．３中作出的：現(xiàn)在在程序中已可直接存取美國國家標準及技術(shù)研究所（ＮａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｔａｎｄａｒｄａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）匯編的純組分的壓力體積溫度實驗數(shù)據(jù)和二元氣液平衡實驗數(shù)據(jù)。對化學工程師而言，這是非常重要的，因為熱力學模型的選擇通常必須伴隨著與實驗數(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，本書的熱力學部分包括了工業(yè)指南、某些分子水平的考慮和進行比較的實驗數(shù)據(jù)。ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ還有能力非常方便地總結(jié)某個過程的溫室效應(yīng)。在有些教授的課程里，會有他們所作的關(guān)于如何利用ＡｓｐｅｎＴｅｃｈ公司產(chǎn)品的討論；請聯(lián)系：Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．Ｐｒｏｇｒａｍ＠ａｓｐｅｎｔｅｃｈ．ｃｏｍ。Ｌｕｙｂｅｎ教授指出的一個事實是物料和能量衡算主要是基于物流的，而安全問題是基于壓力（和動態(tài)）的。動態(tài)選項在本書不作詳細討論，通常它們包含在控制課程內(nèi)。ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ在微軟視窗下運行，但作者是在蘋果計算機上用ＰａｒａｌｌｅｌｓＤｅｓｋｔｏｐｆｏｒＭａｃ在視窗下運行的。第二版中還有些例題是添加了簡單的用戶定義ＦＯＲＴＲＡＮ程序后運行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)尾增加了一些這類習題。這些習題提供了很好的對比，先用數(shù)值編程求解，然后用本書重點講述的四種程序之一求解，再比較哪種方法更簡便。附錄Ｅ提供了數(shù)值方法的更多細節(jié)。而這些程序使數(shù)值分析更易于使用，認識大多數(shù)習題涉及由連續(xù)變量到離散變量的近似處理也是重要的。本書中有些習題要求學生進行實際的數(shù)值分析（并與其他程序比較）。指導老師可能會說，“如果你不嘗試對這些方法編程，你不能真正理解這個問題�！蔽抑赋鋈缦率聦嵶鞔穑寒斸t(yī)生描述核磁共振成像時，你不會說只有當他（她）向你說明機器內(nèi)磁場如何工作，氫分子如何翻轉(zhuǎn)方向，并描述圖像如何形成時，你才會接受成像結(jié)果。醫(yī)生和技術(shù)人員知道怎樣去說明結(jié)果，怎樣去檢測機器是否在正常工作；工科學生也能做到這些。

習題數(shù)量已經(jīng)加倍，它們被標記為容易的習題（下標１）和困難的習題（下標２）及適合作為課題的習題，這類習題可由一個學生或一個小組完成。最后，ＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ中有更多技巧做了說明。

在本書的網(wǎng)站上，沒有提供用于求解本書中例題的程序編碼，因為作者相信你試圖去重復本書的步驟時，你就是在進行學習。但是，在本書的網(wǎng)站上包含著求解某些習題所需的材料，例如用于求解三維流動／擴散問題的幾何形狀。根據(jù)你的計算機的內(nèi)存，以及能將多少內(nèi)存分配給ＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ，某些三維問題可能無法在你的計算機上求解。本書的網(wǎng)站是ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ＣｈｅｍＥＣｏｍｐ．ｃｏｍ。

致謝

在寫作本書時，我由衷地感謝我班上的學生。有時，學生教會我怎樣使用先進的技術(shù)，而他們的問題又會導致最好的程序。在過去１０年間，有超過１００個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�；�工系為本書的編寫提供了激勵津貼，該津貼由校友ＭａｕｒｉｃｅＲｉｃｈｆｏｒｄ（１９２６年學士）的紀念基金提供。沒有這筆津貼，本書的第一版無法完成，當然也不可能進行修改。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任。我特別感謝特拉華大學的ＳｔａｎｌｅｙＳａｎｄｌｅｒ教授，因為他評閱了熱力學方面的修改處理，這次我學到了很多�。茫铮恚螅铮旃�司和ＡｓｐｅｎＴｅｃｈ公司的同仁提供了許多幫助，因為在過去幾年中ＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ和ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ都做了改進。我尤其感謝我的夫人Ｐａｔ，因這一編著比原計劃花費了更多時間。她始終支持我，為使我能完成這本書作出了許多犧牲。在我重寫此書時，抽出幾個星期慶祝我們結(jié)婚５０周年，我做得真是太棒了！

ＢｒｕｃｅＦｉｎｌａｙｓｏｎ

２０１１年１０月于西雅圖__