現代化工數值計算

第1章緒論 1
1.1化工計算的發展歷程 1
1.2計算機在化工計算中的重要性 1
1.3求解模型分類 2
1.4數值計算方法 4
1.5誤差 5
1.5.1 誤差的來源與分類 5
1.5.2 絕對誤差與相對誤差 5
1.6常用計算軟件 7
1.6.1 MATLAB  7
1.6.2 Mathematica  7
1.6.3 Mathcad  7
參考文獻 8

第2章化工計算常用軟件簡介 9
2.1MATLAB 軟件 9
2.1.1 軟件界面 9
2.1.2 數據結構 11
2.1.3 函數 15
2.1.4 可視化 17
2.1.5 代數方程求解 21
2.1.6 微分方程求解 23
2.1.7 數據擬合和回歸 25
2.1.8 數據插值 27
2.1.9 程序設計 28
2.2Mathematica 軟件 32
2.2.1 軟件界面 32
2.2.2 函數 32
2.2.3 數據類型與結構 35
2.2.4 可視化 38
2.2.5 代數方程求解 43
2.2.6 微分方程求解 45
2.2.7 數據擬合和回歸 48
2.2.8 數據插值 52
2.2.9 程序設計 53
2.3Mathcad 軟件 56
2.3.1 軟件界面 56
2.3.2 數據類型與結構 56
2.3.3 函數 57
2.3.4 可視化 58
2.3.5 代數方程求解 62
2.3.6 微分方程求解 63
2.3.7 數據擬合和回歸 65
2.3.8 數據插值 66
參考文獻 68

第3章數據回歸與關聯 69
3.1多元線性回歸方法估計Antoine 方程的參數 69
3.2非線性回歸方法估計Antoine 方程的參數 71
3.3多項式擬合方法關聯氣體的比熱容公式 72
3.4多項式擬合方法關聯丁烷的熱導率公式 74
3.5多項式擬合方法關聯丁烷的黏度公式 76
3.6多項式擬合方法關聯丁烷的汽化熱公式 78
3.7因次分析法確定液體在圓管中的熱傳遞公式 81
3.8用Margules 方程關聯二元活度係數 83
3.9反應速率數據的回歸——檢驗變量之間的相關性 86
3.10NO 催化還原反應速率模型的建立 88
參考文獻 89

第4章化工熱力學 90
4.1用van der Waals 方程計算摩爾體積和壓縮因子 90
4.2van der Waals 方程所得壓縮因子圖 92
4.3用不同狀態方程所得壓縮因子圖 94
4.4真實氣體絕熱充氣過程的計算 96
4.5真實氣體的絕熱壓縮過程的計算 99
4.6用狀態方程計算偏離函數 101
4.7由狀態方程計算蒸汽的熱力學性質 103
4.8由不同狀態方程計算純流體的逸度係數 106
4.9溶液中某組分偏摩爾焓的計算 108
4.10由汽液平衡數據識別溶液的活度係數模型 109
4.11多元理想體系汽液平衡組成計算 111
4.12二元體系的相圖 112
4.13多元理想體系的閃蒸計算 113
4.14實驗數據的熱力學一致性檢驗 114
4.15由恒溫下的總壓數據計算汽液平衡Ⅰ  118
4.16由恒溫下的總壓數據計算汽液平衡Ⅱ  120
4.17由共沸點數據計算Wilson 方程參數 121
4.18由van Laar 方程計算非理想體系的汽液平衡 123
4.19非穩態混合過程的計算 125
參考文獻 126

第5章流體力學 127
5.1圓管中軸向穩態層流速度分佈求解 129
5.2套管環隙間軸向穩態層流速度分佈 131
5.3兩平壁間穩態層流速度分佈求解 134
5.4非穩態層流速度分佈的求解——斯托克斯第一問題 138
5.5非穩態層流速度分佈的求解——斯托克斯第二問題 142
5.6非穩態層流速度分佈的求解——斯托克斯第三問題 145
5.7邊界層內動量傳遞過程的速度及厚度分佈 148
5.8圓柱形容器湍流排出管路最優長度的確定 150
5.9黏性流體沿垂直圓柱體壁面穩態層流 153
5.10流體與固體粒子之間的相對運動（沉降的爬流計算）  155
參考文獻 157

第6章傳質 158
6.1斯蒂芬管中的雙組分一維傳質 158
6.2球形固體物的昇華 162
6.3藥片包裹層溶解的藥物釋放過程 165
6.4等溫條件下催化劑粒子中的擴散及其反應 167
6.5催化床層中同時發生擴散和可逆反應 169
6.6平板中的非穩態傳質 172
參考文獻 175

第7章傳熱 176
7.1多層平壁一維穩態熱傳導 176
7.2通電和絕熱條件下金屬線中的熱傳導 179
7.3管側存在對流傳熱的單管換熱器 182
7.4套管換熱器 185
7.5無保溫層容器的對流熱損失 187
7.6向薄板的非穩態輻射傳熱 189
7.7半無限厚介質的非穩態導熱 191
7.8在有限水浴內固體球的冷卻問題 193
7.9二維非穩態導熱 198
參考文獻 200

第8章化學反應工程 201
8.1間歇式反應器——速率數據的積分分析 201
8.2間歇式反應器——微分分析法獲取動力學方程 202
8.3間歇式反應器——初始速率法獲取動力學關係 203
8.4間歇式反應器——半衰期法獲取動力學數據 204
8.5理想的間歇式反應器——等溫條件下的體積計算 205
8.6理想的間歇式反應器——最小反應器體積計算 206
8.7間歇式反應器——換熱問題 207
8.8全混流反應器（CSTR）——速率數據的分析 209
8.9全混流反應器——動力學數據的獲取及應用 209
8.10連續攪拌釜式反應器——多個反應器串聯操作           210
8.11全混流反應器——絕熱操作 213
8.12活塞流反應器——恒容反應的反應級數對轉化率的影響 213
8.13活塞流反應器——反應物體積流率沿反應器軸向逐漸變化的問題 215
8.14管式反應器——絕熱操作 217
8.15軸向流動的固定床反應器——絕熱操作 218
8.16固定床反應器——考慮床層壓降的氣相反應 219
8.17氣固相催化固定床反應器——床層壓降對轉化率的影響 221
8.18換熱式固定床反應器——氣相可逆放熱反應 222
8.19固定床反應器——利用多級全混流串聯模型模擬反應器中催化劑的失活行為 224
8.20列管式固定床反應器——換熱問題 227
8.21固定床反應器——換熱操作 229
參考文獻 231

第9章分離工程 232
9.1二元體系汽液平衡常數的計算 232
9.2三元混合物露點壓力的計算 234
9.3精餾塔塔釜溫度的計算 235
9.4二元精餾塔理論板數計算 237
9.5操作變量對多元精餾的影響 238
9.6精餾塔分離輕烴混合物 240
9.7流率加和法模擬吸收塔 241
9.8等溫流率加和法計算萃取過程 243
9.9移動床解吸區的計算 245
9.10吸收過程的填料塔計算 246
9.11膜分離——方程組求解 247
9.12結晶——散點圖回歸求斜率 248
參考文獻 249

第10章過程動態特性與控制 250
10.1一階系統動態模型 250
10.2二階系統動態模型 251
10.3U 形管壓力計的動態特性 253
10.4儲罐液位控制 254
10.5釜式攪拌加熱器的動態特性與控制 256
10.6基於內模控制法（IMC）的控制器整定 260
10.7n 次多項式傳遞函數的解 262
10.8兩個交互式儲罐的液位控制 264
10.9連續攪拌釜式反應器的PI 控制 266
10.10間歇反應器的PI 控制 269
參考文獻 271

劉會娥，中國石油大學（華東）化學工程學院，教授，本人所學專業為化學工程與技術，科研方向為反應工程與廢棄資源利用。目前主持國家自然科學基金青年基金項目1項，山東省優秀中青年科學家獎勵基金項目1項，中央高校基本科研業務費專項資金資助項目1項。主持完成了山東省自然科學基金青年基金項目1項。此外還參與了科學技術重點項目1項、山東省自然科學基金項目1項、山東省科技攻關重點研究項目1項、企業項目若干項。所主持或參與的項目有3項通過省級鑒定。迄今為止已在國際、國內重要期刊發表學術論文40餘篇，10多篇被SCI、EI收錄。主要從事本科生《化學反應工程》、《化工設計》以及研究生《化學反應器設計》課程的教學。在教學和科研中較多地涉及各種化工問題的數值求解，對於化工過程中的數值計算具有較多的經驗。