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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Aspen Plus处理状态方程15

2.4.1 应用Aspen Plus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Aspen Plus的实例27

3.4 非理想液体—热力学模型的检验31

3.5 Aspen Plus中的NIST热力学数据引擎33

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Aspen Plus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Aspen Plus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5-10）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

6.9 习题（用Aspen Plus）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COMSOL Multiphysics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 Aspen Plus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

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 COMSOL Multiphysics介绍145

9.3 实例：平板中的传热145

9.3.1 用COMSOL Multiphysics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COMSOL Multiphysics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

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A 应用Excel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B 应用MATLAB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

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COMSOL Multiphysics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

附录C 应用Aspen Plus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 Aspen Plus的应用263

附录D 应用COMSOL Multiphysics的提示264

D.1 基本COMSOL Multiphysics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

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Excel274

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 COMSOL Multiphysics的应用277

附录E 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 Newton-Raphson法278

E.2 常微分方程初值问题280

E.2.1 Euler法280

E.2.2 Runge-Kutta法281

E.2.3 MATLAB与ode45和ode15s281

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

E.5.1 Excel中求解椭圆形方程的有限差分法289

E.5.2 求解二维问题的有限元法289

E.6 小结290

E.7 习题291

参考文献292

主题索引298