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| 內容簡介： |
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本书以状态方程、气液平衡、化学反应平衡、传质设备模拟、化学反应器设计和动量、热量、质量传递过程等化工计算问题为经，以Ｅｘｃｅｌ、ＭＡＴＬＡＢ、ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ和ＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ四种数值计算或流程模拟软件为纬，阐述了化工计算的最新发展。本书可帮助读者了解国外化工计算的现状，学习应用先进的数值计算或流程模拟软件，以解决各种化工数值计算问题，提高计算能力和分析、解决实际化学工程问题的能力。本书可作为化学工程及相关专业本科生、研究生“化工数值计算”等课程的教材或参考书，也可供从事化工过程研究、开发、设计和生产的工程技术人员参考。
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| 目錄：
|
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……………………………………………………………………………２
１．１．３ 微分方程组…………………………………………………………………………３
１．１．４ 附录…………………………………………………………………………………３
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（含一个未知数的单个方程）…………………………………８
２．２．１ 用“单变量求解”求解………………………………………………………………８
２．２．２ 用“规划求解”求解…………………………………………………………………９
２．２．３ 用“单变量求解”求解化学工程问题的实例………………………………………９
２．３ 用ＭＡＴＬＡＢ求解状态方程（含一个未知数的单个方程）……………………………１１
２．３．１ 用ＭＡＴＬＡＢ求解化学工程问题的实例…………………………………………１２
２．３．２ 用ＭＡＴＬＡＢ求解化学工程问题的另一个实例…………………………………１３
２．４ 用ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ处理状态方程…………………………………………………………１５
２．４．１ 应用ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ的实例…………………………………………………………１５
２．４．２ 混合物的摩尔体积…………………………………………………………………１７
２．５ 本章小结…………………………………………………………………………………２０
２．６ 习题………………………………………………………………………………………２０
３ 气液平衡……………………………………………………………………………………２３
３．１ 闪蒸和相分离……………………………………………………………………………２３
３．２ 等温闪蒸———方程的推导………………………………………………………………２４
３．２．１ 应用Ｅｘｃｅｌ的实例…………………………………………………………………２５
３．３ 热力学参数………………………………………………………………………………２６
３．３．１ 应用ＭＡＴＬＡＢ的实例……………………………………………………………２６
３．３．２ 用ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ的实例……………………………………………………………２７
３．４ 非理想液体—热力学模型的检验………………………………………………………３１
３．５ ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ中的ＮＩＳＴ热力学数据引擎……………………………………………３３
００２ 目录
３．６ 本章小结…………………………………………………………………………………３５
３．７ 习题………………………………………………………………………………………３５
４ 化学反应平衡…………………………………………………………………………………３９
４．１ 化学平衡表达式…………………………………………………………………………３９
４．１．１ 用于燃料电池的氢的实例…………………………………………………………４０
４．１．２ 用Ｅｘｃｅｌ求解………………………………………………………………………４１
４．１．３ 用ＭＡＴＬＡＢ求解…………………………………………………………………４２
４．２ 含两个或多个方程的化学反应平衡……………………………………………………４５
４．２．１ 用ＭＡＴＬＡＢ求解多个方程，几个未知数………………………………………４５
４．２．２ 用ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ求解化学反应平衡………………………………………………４８
４．３ 本章小结…………………………………………………………………………………___________４９
４．４ 习题………………………………………………………………………………………４９
５ 含循环物流的物料衡算………………………………………………………………………５２
５．１ 数学公式描述……………………………………………………………………………５２
５．２ 不含循环的实例…………………………………………………………………………５４
５．３ 含循环的实例：序贯求解法和联立求解法的比较……………………………………５６
５．４ 用Ｅｘｃｅｌ求解简单物料衡算的过程模拟实例…………………………………………５７
５．５ 用ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ求解简单物料衡算的过程模拟实例…………………………………５８
５．６ 用Ｅｘｃｅｌ求解包含化学反应平衡的过程模拟实例……………………………………５８
５．６．１ 迭代是否收敛？……………………………………………………………………６０
５．６．２ 扩充…………………………………………………………………………………６０
５．７ 本章小结…………………………………………………………………………………６０
５．８ 课堂练习…………………………………………………………………………………６０
５．９ 课堂讨论（先浏览本书网站上的习题５１０）…………………………………………６０
５．１０ 习题……………………………………………………………………………………６１
６ 热力学和传质设备模拟………………………………………………………………………６７
６．１ 热力学……………………………………………………………………………………６７
６．１．１ 选择的指导原则……………………………………………………………………７０
６．１．２ 物性方法选择助手…………………………………………………………………７０
６．１．３ 热力学模型…………………………………………………………………………７１
６．２ 实例：采用简捷法的多组分精馏………………………………………………………___________７１
６．３ 采用严格逐板法的多组分精馏…………………………………………………………７４
６．４ 实例：填料塔吸收………………………………………………………………………７６
６．５ 实例：气体工厂产物分离………………………………………………………………７８
６．６ 实例：附带灵敏度模块和设计规定模块的水煤气变换平衡反应器…………………８０
６．７ 本章小结…………………………………………………………………………………８３
６．８ 课堂练习…………………………………………………………………………………８４
目录００３
６．９ 习题（用ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ）…………………………………………………………………８４
７ 过程模拟………………………………………………………………………………………８６
７．１ 模型库……………………………………………………………………………………８６
７．２ 实例：合成氨过程………………………………………………………………………８８
７．２．１ 模型开发……………………………………………………………………………８８
７．２．２ 模型求解……………………………………………………………………………９１
７．２．３ 结果考察……………………………………………………………………………９２
７．２．４ 检验热力学模型……………………………………………………………………９３
７．２．５ 公用工程费用………………………………………………………………………９３
７．２．６ 温室气体排放………………………………………………………………………９４
７．３ 收敛提示…………………………………………………………………………………９５
７．４ 优化………………………………………………………………………………………９７
７．５ 整体煤气化联合循环……………………………………………………………………９９
７．６ 纤维素制乙醇…………………………………………………………………………___________１００
７．７ 本章小结………………………………………………………………………………１０１
７．８ 课堂练习………………………………………………………………………………１０２
７．９ 习题……………………………………………………………………………………１０２
８ 化学反应器…………………………………………………………………………………１０９
８．１ 反应器问题的数学公式描述…………………………………………………………１１０
８．１．１ 实例：活塞流反应器和间歇反应器………………………………………………１１０
８．１．２ 实例：连续搅拌釜式反应器………………………………………………………１１１
８．２ 用ＭＡＴＬＡＢ求解常微分方程组……………………………………………………１１１
８．２．１ 简单例子…………………………………………………………………………１１１
８．２．２ “Ｇｌｏｂａｌ”命令的应用……………………………………………………………１１３
８．２．３ 参数传递…………………………………………………………………………１１４
８．２．４ 实例：等温活塞流反应器…………………………………………………………１１４
８．２．５ 实例：非等温活塞流反应器………………………………………………………１１７
８．３ 用ＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ求解常微分方程组……………………………………１１９
８．３．１ 简单例子…………………………………………………………………………１１９
８．３．２ 实例：等温活塞流反应器…………………………………………………………１２０
８．３．３ 实例：非等温活塞流反应器………………………………………………………１２１
８．４ 有物质的量变化和可变密度的反应器问题…………………………………………１２２
８．５ 有传质限制的化学反应器……………………………………………………………１２４
８．６ ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ___________中的活塞流反应器………………………………………………………１２７
８．７ 连续搅拌釜式反应器（ＣＳＴＲ）………………………………………………………１３０
８．７．１ 用Ｅｘｃｅｌ求解……………………………………………………………………１３０
８．７．２ 用ＭＡＴＬＡＢ求解………………………………………………………………１３０
８．７．３ ＣＳＴＲ的多解……………………………………………………………………１３１
００４ 目录
８．８ 动态连续搅拌釜式反应器……………………………………………………………１３２
８．９ 本章小结………………………………………………………………………………１３５
８．１０ 习题……………………………………………………………………………………１３５
９ 一维传递过程………………………………………………………………………………１４１
９．１ 化学工程中的应用———数学公式描述………………………………………………１４２
９．１．１ 传热………………………………………………………………………………１４２
９．１．２ 扩散和反应………………………………………………………………………１４２
９．１．３ 流体流动…………………………………………………………………………１４３
９．１．４ 非定态传热………………………………………………………………………１４４
９．２ ＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ介绍…………………………………………………………１４５
９．３ 实例：平板中的传热……………………………………………………………………１４５
９．３．１ 用ＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ求解………………………………………………１４５
９．３．２ 用ＭＡＴＬＡＢ求解………………………………………………………………１４８
９．４ 实例：反应和扩散………………………………………………………………………１４９
９．４．１ 参数解……………………………………………………………………………１５０
９．５ 实例：管内牛顿流体流动………………………………………………………………１５１
９．６ 实例：管内非牛顿流体流动……………………………………………………………１５３
９．７ 实例：动态传热…………………………………………………………………………１５５
９．７．１ 用ＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ求解………………………………………………１５５
９．７．２ 用ＭＡＴＬＡＢ求解………………………………………………………………１５７
９．８ 实例：线性吸附…………………………………………………………………………１５９
９．９ 实例：色谱………………………………………………………………………………１６１
９．１０ 变压吸附………………………………………………………………………………１６３
９．１１ 本章小结………………………………………………………………………………１６４
９．１２ 习题……………………………………………………………………………………１６４
１０ 二维和三维流体流动………………………………………………………………………１７２
１０．１ 流体流动的数学基础…………………………………………………………………１７３
１０．１．１ 奈维斯托克斯方程……………………………………………………………１７３
１０．１．２ 非牛顿流体………………………………………………………………………１７４
１０．２ 无量纲化………………………………………………………………………………１７５
１０．２．１ 选项一：缓慢流动………………………………………………………………１７５
１０．２．２ 选项二：高速流动………………………………………………………………１７６
１０．３ 实例：管内进口流……………………………………………………………………１７７
１０．４ 实例：非牛顿流体进口流……………………………………………………………１８０
１０．５ 实例：微流体设施中的流动…………………………………………………………１８１
１０．６ 实例：管内湍流………………………………………………………………………１８３
１０．７ 实例：管内启动流……………………………………………………………………１８６
１０．８ 实例：通过孔板的流动………………………………………………………………１８７
目录００５
１０．９ 实例：蛇管混合器内的流动…………………………………………………………１８９
１０．１０ 微观流体力学………………………………………………………………………１９０
１０．１０．１ 层流的机械能衡算……………………………………………………………１９３
１０．１０．２ 收缩和扩张的压降……………………………………………………………１９４
１０．１１ 用于三维模拟的二维进口速度分布的产生………………………………………１９５
１０．１２ 本章小结……………………………………………………………………………１９７
１０．１３ 习题…………………………………………………………………………………１９７
１１ 二维和三维传热和传质……………………………………………………………………２０４
１１．１ 对流扩散方程…………………………………………………………………………２０５
１１．２ 无量纲方程……………………………………………………………………………２０５
１１．３ 实例：二维传热………………………………………………………………………２０６
１１．４ 实例：有中孔的热传导………………………………………………………………２０７
１１．５ 实例：微流体设施中的对流扩散……………………………………………………２０８
１１．６ 实例：与浓度相关的黏度……………………………………………………………２１１
１１．７ 实例：黏性耗散………………………………………………………………………２１１
１１．８ 实例：化学反应………………………………………………………………………２１３
１１．９ 实例：壁面反应………………………………………………………………………２１３
１１．１０ 实例：蛇管混合器内的混合…………………………………………………………２１４
１１．１１ 微流体力学…………………………………………………………………………２１６
１１．１１．１ 混合的特征……………………………………………………………………２１７
１１．１１．２ 沿光程的平均浓度……………………………………………………………２１７
１１．１１．３ Ｐｅｃｌｅｔ数………………………………………………………………………２１７
１１．１２ 实例：三维Ｔ形传感器中的对流和扩散…………………………………………２１８
１１．１３ 本章小结……………………………………………………………………………２２０
１１．１４ 习题…………………………………………………………………………………２２０
附录犃 应用犈狓犮犲犾的提示……………………………………………………………………２２７
Ａ．１ 引言……………………………………………………………………………………２２７
Ａ．２ 计算……………………………………………………………………………………２２８
Ａ．３ 标绘……………………………………………………………………………………２２９
Ａ．４ 输入和输出……………………………………………………………………………２２９
Ａ．５ 报告……………………………………………………………………………………２３０
附录犅 应用犕犃犜犔犃犅的提示………………………………………………………………２３２
Ｂ．１ 一般功能………………………………………………………………………………２３２
Ｂ．１．１ 屏幕格式…………………………………………………………………………２３２
Ｂ．１．２ 停止／关闭程序…………………………………………………………………２３３
Ｂ．１．３ ｍ文件和脚本……………………………………………………………………２３４
Ｂ．１．４ 工作空间和信息传递……………………………………………………………２３４
００６ 目录
Ｂ．１．５ “Ｇｌｏｂａｌ”命令……………………………………………………………………２３４
Ｂ．１．６ 显示工具…………………………………………………………………………２３５
Ｂ．１．７ 数据类别…………………………………………………………………………２３６
Ｂ．２ 编程选项：输入／输出、循环语句、条件语句、计时和矩阵…………………………２３６
Ｂ．２．１ 输入／输出………………………………………………………………………２３６
Ｂ．２．２ 循环语句…………………………………………………………………………２３７
Ｂ．２．３ 条件语句…………………………………………………………………………２３７
Ｂ．２．４ 计时信息…………………………………………………………………………２３８
Ｂ．２．５ 矩阵………………………………………………………………………………２３８
Ｂ．２．６ 矩阵乘法运算……………………………………………………………………２３８
Ｂ．２．７ 元素对元素的计算………………………………………………………………２３９
Ｂ．２．８ 更多信息…………………………………………………………………………２３９
Ｂ．３ 查找和修复错误………………………………………………………………………２３９
Ｂ．４ 矩阵的本征值…………………………………………………………………………２４１
Ｂ．５ 计算积分………………………………………………………………………………２４１
Ｂ．６ 样条插值………………………………………………………………………………２４１
Ｂ．６．１ 数据内插、计算多项式和标绘结果……………………………………………２４２
Ｂ．７ 求解代数方程…………………………………………………………………………２４２
Ｂ．７．１ 用“ｆｓｏｌｖｅ”………………………………………………………………………２４２
Ｂ．７．２ 用“ｆｚｅｒｏ”或“ｆｍｉｎｓｅａｒｃｈ”求解代数方程（两者均包含在标准的ＭＡＴＬＡＢ中）
……………………………………………………………………………………２４３
Ｂ．８ 积分常微分方程初值问题……………………………………………………………２４３
Ｂ．８．１ 微分代数方程…………………………………………………………………２４４
Ｂ．８．２ 应用“ｏｄｅ４５”和其他积分软件包的校核表……………………………………２４４
Ｂ．９ 标绘……………………………………………………………………………………２４５
Ｂ．９．１ 简单标绘…………………………………………………………………………２４５
Ｂ．９．２ 向已有标绘添加数据……………………………………………………………２４５
Ｂ．９．３ 美化你的标绘……………………………………………………………………２４５
Ｂ．９．４ 多个标绘…………………………………………………………………………２４６
Ｂ．９．５ 三维标绘…………………………………………………………………………２４６
Ｂ．９．６ 更复杂的标绘……………………………………………………………………２４６
Ｂ．９．７ 在文本中使用希腊字母和符号…………………………………………………２４７
Ｂ．９．８ 黑体、斜体和下标………………………………………………………………２４７
Ｂ．１０ 其他应用……………………………………………………………………………２４７
Ｂ．１０．１ 用直线法标绘偏微分方程积分的结果………………………………………２４８
Ｂ．１１ 输入／输出数据………………………………………………………………………２４８
Ｂ．１１．１ 与ＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ间的输入／输出…………………………………２５１
Ｂ．１２ 编写图形用户界面程序……………………………………………………………２５１
Ｂ．１３ ＭＡＴＬＡＢ帮助………………………………………………………………………２５１
Ｂ．１４ ＭＡＴＬＡＢ的应用……………………………………………………………………２５２
目录００７
附录犆 应用犃狊狆犲狀犘犾狌狊的提示………………………………………………………………２５３
Ｃ．１ 引言……………………………………………………………………………………２５３
Ｃ．２ 流程……………………………………………………………………………………２５４
Ｃ．２．１ 模型库……………………………………………………………………………２５４
Ｃ．２．２ 在流程中放置单元设备…………………………………………………………２５４
Ｃ．２．３ 用物流连接单元设备……………………………………………………………２５５
Ｃ．２．４ 数据………………………………………………………………………………２５５
Ｃ．２．５ 设置………………………………………………………………………………２５５
Ｃ．２．６ 数据输入…………………………………………………………………………２５５
Ｃ．２．７ 规定组分…………………………………………………………………………２５６
Ｃ．２．８ 规定物性…………………………………………………………………………２５６
Ｃ．２．９ 规定输入物流……………………………………………………………………２５７
Ｃ．２．１０ 规定模块参数…………………………………………………………………２５７
Ｃ．３ 运行问题………………………………………………………………………………２５８
Ｃ．３．１ 检查物流表………………………………………………………………………２５８
Ｃ．３．２ 检查你的结果……………………………………………………………………２５８
Ｃ．３．３ 改变条件…………………………………………………………………………２５９
Ｃ．４ 报告……………………………………………………………………………………２５９
Ｃ．４．１ 将流程和物料、能量衡算传递到文字处理程序………………………………２５９
Ｃ．４．２ 编制你的报告……………………………………………………………………２５９
Ｃ．４．３ 储存你的结果……………………………………………………………………２６０
Ｃ．４．４ 获得帮助…………………………………………………………………………２６０
Ｃ．５ 先进的功能……………………………………………………………………………２６０
Ｃ．５．１ 流程分段…………………………………………………………………………２６０
Ｃ．５．２ 只进行物料衡算模拟和包含固体………………………………………………２６１
Ｃ．５．３ Ｅｘｃｅｌ和Ａｓｐｅｎ间的传递………………………………………………………２６１
Ｃ．５．４ 模块摘要…………………………………………………………………………２６１
Ｃ．５．５ 计算器模块………………………………………………………………………２６１
Ｃ．５．６ Ａｓｐｅｎ实例………………………………………………………………………２６２
Ｃ．６ 分子图…………………………………………………………………………………２６３
Ｃ．７ ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ的应用……………………………………………………………………２６３
附录犇 应用犆犗犕犛犗犔犕狌犾狋犻狆犺狔狊犻犮狊的提示………………………………………………２６４
Ｄ．１ 基本ＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ技术…………………………………………………２６４
Ｄ．１．１ 打开屏幕…………………………………………………………………………２６５
Ｄ．１．２ 方程………………………………………………………………………………２６５
Ｄ．２ 规定问题和参数………………………………………………………………………２６７
Ｄ．２．１ 物理………………………………………………………………………………___________２６７
Ｄ．２．２ 定义………………………………………………………………………………２６７
Ｄ．２．３ 几何体……………………………………………………………………………２６７
００８ 目录
Ｄ．２．４ 物料………………………………………………………………………………２６８
Ｄ．２．５ 离散化……………………………………………………………………………２６８
Ｄ．２．６ 边界条件…………………………………………………………………………２６９
Ｄ．２．７ 网格………………………………………………………………………………２６９
Ｄ．３ 求解和检查解…………………………………………………………………………２７０
Ｄ．３．１ 求解………………………………………………………………………………２７０
Ｄ．３．２ 标绘………………………………………………………………………………２７０
Ｄ．３．３ 发表高质量的图…………………………………………………………………２７１
Ｄ．３．４ 结果………………………………………………………………………………２７１
Ｄ．３．５ 探针………………………………………………………………………………２７１
Ｄ．３．６ 数据集……………………………………………………………………………２７１
Ｄ．４ 先进的功能……………………………………………………………………………２７２
Ｄ．４．１ 网格………………………………………………………………………………２７２
Ｄ．４．２ 传递到Ｅｘｃｅｌ……………………………………………………………………２７４
Ｄ．４．３ 与ＭＡＴＬＡＢ动态链接…………………………………………………………２７４
Ｄ．４．４ 变量………………………………………………………………………………２７４
Ｄ．４．５ 动画………………………………………………………………………………２７５
Ｄ．４．６ 研究………………………………………………………………………………___________２７５
Ｄ．４．７ 帮助收敛…………………………………………………………………………２７５
Ｄ．４．８ 帮助动态问题……………………………………………………………………２７６
Ｄ．４．９ 阶跃不连续性……………………………………………………………………２７６
Ｄ．４．１０ 帮助……………………………………………………………………………２７７
Ｄ．５ ＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ的应用……………………………………………………２７７
附录犈 数学方法………………………………………………………………………………２７８
Ｅ．１ 代数方程组……………………………………………………………………………２７８
Ｅ．１．１ 连续替代法………………………………………………………………………２７８
Ｅ．１．２ ＮｅｗｔｏｎＲａｐｈｓｏｎ法……………………………………………………………２７８
Ｅ．２ 常微分方程初值问题…………………………………………………………………２８０
Ｅ．２．１ Ｅｕｌｅｒ法…………………………………………………………………………２８０
Ｅ．２．２ ＲｕｎｇｅＫｕｔｔａ法…………………………………………………………………２８１
Ｅ．２．３ ＭＡＴＬＡＢ与ｏｄｅ４５和ｏｄｅ１５ｓ…………………………………………………２８１
Ｅ．３ 常微分方程边值问题…………………………………………………………………２８２
Ｅ．３．１ 有限差分法………………………………………………………………………２８２
Ｅ．３．２ Ｅｘｃｅｌ中的有限差分法…………………………………………………………２８４
Ｅ．３．３ 一维空间中的有限元法…………………………………………………………２８４
Ｅ．３．４ 初值法……………………………………………………………………………２８６
Ｅ．４ 时间和一维空间的偏微分方程………………………………………………………２８７
Ｅ．４．１ 有强对流的问题…………………………………………………………………２８８
Ｅ．５ 二维空间的偏微分方程………………………………………………………………２８９
目录００９
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