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1 绪论 1

1.1　本书结构 2

1.1.1　代数方程组 2

1.1.2　过程模拟 3

1.1.3　微分方程组 3

1.1.4　关于附录 4

2　状态方程 5

2.1　状态方程——数学公式描述 5

2.2　用Excel求解状态方程（含一个未知量的单个方程） 7

2.2.1　用“单变量求解”求解 7

2.2.2　用【规划求解】求解 8

2.2.3 用“单变量求解”求解化学工程问题的实例 8

2.3　用MATLAB求解状态方程（含一个未知量的单个方程） 9

2.3.1　用MATLAB求解化学工程问题的实例 10

2.3.2　用MATLAB求解化学工程问题的另一个实例 11

2.4　用Aspen Plus处理状态方程 13

2.4.1 实例 14

2.4.2　混合物的比容 16

2.5　本章小结 19

习题 19

3　汽-液平衡 21

3.1　闪蒸和相分离 21

3.2　等温闪蒸——方程的推导 22

3.2.1　用Excel的实例 23

3.3　热力学参数 24

3.3.1　用MATLAB的实例 25

3.3.2　用Aspen Plus的实例 26

3.4　非理想液体——热力学模型的检验 29

3.5　本章小结 32

习题 32

4　化学反应平衡 36

4.1　化学平衡表示式 36

4.1.1　用于燃料电池的氢的实例 37

4.1.2　用Excel求解 38

4.1.3 用MATLAB求解 39

4.2　含两个或多个方程的化学平衡 41

4.3　用MATLAB求解多个方程，几个未知量 42

4.3.1　方法1　用‘fsolve’命令 42

4.3.2　方法2　用‘fminsearch’函数 43

4.3.3 MATLAB的变异 44

4.4　用Aspen Plus求解化学平衡 45

4.5　本章小结 46

习题 46

5　含循环物流的质量衡算 48

5.1　数学公式描述 48

5.2　不含循环的实例 50

5.3　含循环的实例；序贯法和联立求解法的比较 52

5.4　用Excel求解简单质量衡算的过程模拟实例 54

5.5　用Excel求解包含化学反应平衡的过程模拟实例 55

5.6　用Excel求解包含相平衡的过程模拟实例 56

5.6.1　迭代是否收敛？ 57

5.6.2　扩充 58

5.7　本章小结 58

5.8　课堂练习 58

5.9　课堂讨论 58

习题 59

6　传质设备模拟 63

6.1　热力学 63

6.2　实例：采用简捷法的多组分精馏 65

6.2.1　数学推导 66

6.3　采用严格逐板法的多组分精馏 69

6.4　实例：填料塔吸收 72

6.5　实例：气体工厂产物分离 74

6.6　本章小结 75

6.7　课堂练习 76

习题（用Aspen Plus） 76

7　过程模拟 78

7.1　模型库 78

7.2　实例：合成氨过程 79

7.2.1　公用工程费用 88

7.3　收敛提示 90

7.4　优化 92

7.5　本章小结 95

7.6　课堂练习 95

习题 96

8　化学反应器 97

8.1　反应器问题的数学公式描述 97

8.1.1　实例：活塞流反应器和间歇反应器 98

8.1.2　实例：连续搅拌釜式反应器 99

8.2　用MATLAB求解常微分方程组 99

8.2.1　简单例子 99

8.2.2　‘Global’命令的应用 101

8.2.3　参数传递 102

8.2.4　实例：等温活塞流反应器 103

8.2.5　实例：非等温活塞流反应器 105

8.3　用FEMLAB求解常微分方程组 107

8.3.1 简单例子 108

8.3.2　实例：等温活塞流反应器 109

8.3.3　实例：非等温活塞流反应器 111

8.4　有摩尔数变化和密度变化的反应器问题 113

8.5　有传质限制的化学反应器 114

8.6　连续搅拌釜式反应器 117

8.6.1　用Excel求解 118

8.6.2　用MATLAB求解 118

8.6.4　用MATLAB求解多个方程 119

8.6.3 CSTR的多解 119

8.7　瞬态连续搅拌釜式反应器 120

8.8　本章小结 124

习题 124

9　一维传递过程 128

9.1　化学工程中的应用——数学公式描述 128

9.1.1　传热 129

9.1.2　扩散和反应 129

9.1.3　流体流动 130

9.1.4　不稳定传热 131

9.2　实例：厚板中的传热 132

9.3　实例：反应和扩散 134

9.3.1 参数解 135

9.4　实例：管内牛顿流体流动 137

9.5　实例：管内非牛顿流体流动 138

9.6　实例：瞬态传热 141

9.7　实例：线性吸附 142

9.8　实例：色谱 145

9.9　本章小结 146

习题 147

10　二维和三维流体流动 150

10.1　流体流动的数学基础 151

10.1.1　奈维-斯托克斯方程 151

10.1.2　非牛顿流体 152

10.2　实例：管内进口流 153

10.3　实例：非牛顿流体的进口流 158

10.4　实例：微射流装置中的流动 159

10.5　实例：管内湍流 162

10.6　实例：管内启动流 164

10.7　实例：通过孔板的流动 166

10.8　实例：蛇管混合器内的流动 170

10.9　边界条件 171

10.10　无因次化 172

10.11　本章小结 173

习题 174

11　二维和三维对流扩散方程 175

11.1　对流扩散方程 176

11.2　无因次方程 176

11.3　边界条件 177

11.4　实例：二维传热 178

11.5　实例：有中孔的热传导 180

11.6　实例：微射流装置中的分散 181

11.6.1　Peclet数的影响 182

11.7　实例：与浓度相关的黏度 185

11.8　实例：黏性耗散 186

11.9　实例：化学反应器 187

11.10　实例：壁面反应 188

11.11　实例：蛇管混合器内的混合 188

11.12　本章小结 189

习题 190

附录A　应用Excel的提示 194

A.1　单元格的构成 194

A.2　单元格的内容 194

A.3　格式 195

A.4　注释 195

A.5　图片、方程、网络链接 195

A.8　插入行和列 196

A.9　拆分／冻结 196

A.7　跨越和下拉电子表格复制公式 196

A.6　选择用于图表、回归和打印的列 196

A.10　迭代，容差 198

A.11　粘贴 198

A.12　标绘——xy散点、编辑、多条曲线、表面标绘 199

A.13　排列电子表格 201

A.14　输入和输出文本文件，一次一列 201

A.17　工具 202

A.16　输出文本文件 202

A.15　输入和输出文本文件，多列 202

A.18　函数 203

A.19　矩阵 203

A.20 Excel的帮助 204

A.21 Excel的应用 204

附录B　应用MATLAB的提示 205

B.1　一般特色 205

B.1.1　启动程序 205

B.1.2　屏幕格式 205

B.1.4　m文件 206

B.1.3　停止／关闭程序 206

B.1.5　工作空间和信息传递 207

B.1.6　‘Global’命令 207

B.1.7　显示工具 208

B.1.8 查找MATLAB的错误 208

B.1.9　调试程序；即查找你的错误 209

B.1.10　输入／输出 209

B.1.11　循环语句 210

B.1.12　条件语句 210

B.1.13　计时信息 211

B.1.14　矩阵 211

B.1.15　矩阵乘法 212

B.1.16　元素对元素的计算 213

B.2　矩阵的本征值 213

B.3　计算积分 213

B.5 用‘fzero’或‘fminsearch’求解代数方程（二者均包含在标准的MATLAB中） 214

B.6　积分常微分方程初值问题 214

B.4　用‘fsolve’求解代数方程 214

B.6.1　用于‘ode45’和其他积分软件包的校核表 216

B.7　样条插值 216

B.8　数据内插，计算多项式和标绘结果 217

B.9　标绘 217

B.9.1　标绘用线上法获得的偏微分方程的积分结果 217

B.9.2　简单标绘 218

B.9.5　多个标绘 219

B.9.4　美化你的标绘 219

B.9.3　向现有标绘添加数据 219

B.9.6　三维标绘 220

B.9.7　更复杂的标绘 220

B.9.8　在文本中使用希腊字母和符号 221

B.10 MATLAB帮助 221

B.11 MATLAB的应用 221

附录C　应用Aspen Plus的提示 223

C.1　快速浏览 223

C.1.1　启动 223

C.1.2　设定 224

C.1.3　模型库 225

C.1.4　在流程中放置单元设备 225

C.1.5　用物流联接单元设备 225

C.1.6　数据输入 226

C.1.7　规定组分 226

C.1.8　规定物性 226

C.1.9　规定输入物流 226

C.1.10　规定模块参数 227

C.1.11　运行问题 228

C.1.12　仔细检查物流表 228

C.1.13　检查你的结果 228

C.1.14　将流程和物料、能量衡算传递到文字处理程序 229

C.1.15　改变条件 229

C.1.16　编制你的报告 230

C.1.17　储存你的结果 230

C.2 Aspen Plus的应用 231

C.1.18　获得帮助 231

附录D　应用FEMLAB的提示 232

D.1 基本的FEMLAB技术 232

D.1.1　打开屏幕 232

D.1.2　方程 234

D.1.3　绘图 235

D.1.4　网格 236

D.1.6　边界设定 237

D.1.5　子定义域设定 237

D.1.7　求解 239

D.2　后处理 240

D.2.1　表面标绘 240

D.2.2　等值线标绘 242

D.2.3　横截面标绘 242

D.2.4　边界标绘 244

D.2.5　积分 245

D.3　高级特色 246

D.3.1　模型导航器 246

D.3.2　内部边界 247

D.3.3　表达式 249

D.3.4　变量耦合和附加几何图形 249

D.4 FEMLAB的应用 252

附录E　参数估计 253

E.1　数学公式描述 253

E.2　直线 254

E.2.1 用Excel进行直线曲线拟合 254

E.2.2　标绘趋势线 254

E.2.3 用MATLAB进行直线拟合 255

E.3　多项式回归 256

E.3.1 用Excel进行多项式回归 257

E.3.1 用MATLAB进行多项式回归 257

E.4　用Excel进行多重回归 258

E.5　非线性回归 262

E.5.1 用Excel进行非线性回归 262

E.5.2　用MATLAB进行非线性回归 264

F.1.1　连续替代法 266

附录F　数学方法 266

F.1　代数方程 266

F.1.2　Newton-Raphson法 267

F.2　常微分方程初值问题 268

F.2.1　Euler法 268

F.2.2 Runge—Kutta法 269

F.3　常微分方程边值问题 270

F.3.1　有限差分法 270

F.3.2　有限元法 271

F.3.3　初值法 274

F.3.4　Excel中的有限差分法 274

F.4　时间和一维空间的偏微分方程 274

F.5　二维空间的偏微分方程 276

F.6　椭圆型方程的有限差分法 277

F.7　小结 278

参考文献 279

主题索引 282

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