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*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。 化工计算导论(第2版)_朱开宏_华东理工大学出版社_

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