Моделирование химико-технологических процессов. Принципы применения пакетов компьютерной математики: учебное пособие

В книге на примере пакета MATLAB рассмотрены основные аспекты применения современных пакетов компьютерной математики для моделирования химико-технологических процессов. Приведено описание интерпретируемого языка программирования MATLAB и на различных примерах проиллюстрированы его функциональные возможности. С использованием решателей (solvers) пакета MATLAB представлены программные коды решения многочисленных задач вычислительной математики и задач разработки компьютерных моделей химико-технологических процессов. Проанализированы возможности применения рассмотренных решателей MATLAB для решения типовых задач вычислительной математики численными методами. Книга предназначена для изучения методов применения пакетов компьютерной математики, в частности пакета MATLAB, для технологических расчетов, математического моделирования и оптимизации при проектировании и управлении химико-технологическими процессами. Рекомендуется в качестве учебного пособия студентам и магистрам, обучающимся по направлениям подготовки и специальностям, входящим в УГСН «Химия», «Химические технологии», а также может быть полезна аспирантам, инженерам-химикам-технологам, занимающимся расчетами и расчетными исследованиями технологических процессов. Обложка Моделирование химико-технологических процессов. Принципы применения пакетов компьютерной математики Аннотация Предисловие Глава 1. Краткая характеристика современных пакетов компьютерной математики 1.1. Пакеты компьютерной математики, их разновидности и основные функциональные элементы 1.2. Применение численных методов вычислительной математики при компьютерном моделировании химико-технологических процессов 1.2.1. Пакет компьютерной математики MATLAB и применение его решателей для реализации численных методов вычислительной математики Глава 2. Основы программирования на интерпретируемом языке пакета MATLAB 2.1. Интегрированная среда MATLAB и работа в ней 2.2. Представление (описание, декларирование) переменных с использованием оператора присвоения 2.2.1. Оператор создания числового массива с равномерным распределением элементов “linspace” 2.2.2. Оператор двоеточие (:) для создания числового массива с равномерным распределением элементов 2.2.3. Оператор “format” для фиксации определенного числа цифр после десятичной точки в случае изображения числовой константы 2.2.4. Операторы преобразования целых и вещественных переменных в символьные "int2str" и "num2str" 2.3. Оператор присваивания «=» 2.3.1. Применение стандартных функций MATLAB к одномерным массивам 2.3.2. Применение стандартных функций MATLAB к двумерным массивам 2.3.3. Элементарные стандартные математические и собственные функции MATLAB 2.3.4. Создание собственной элементарной функции с использованием стандартной функции MATLAB“inline” 2.3.5. Арифметические операции 2.3.6. Логические операции 2.3.7. Совместное выполнение арифметических и логических операций 2.4. Оператор условного перехода “if” 2.5. Оператор выбора “switch” 2.6. Оператор цикла “for” 2.7. Оператор цикла “while” 2.8. Построение двумерных (плоских) графиков с использованием функции “plot” 2.8.1. Построение одной или нескольких функций на одном графике 2.8.2. Построение нескольких графиков в разных окнах с использованием функции “figure” 2.8.3. Построение нескольких графиков в одном окне с использованием функции “subplot” 2.9. Построение трехмерных (объемных) графиков с использованием функций “mesh”, “surf”, “meshc” и “surfc” 2.10. Разработка компьютерных программ в интегрированной среде MATLAB 2.10.1. Создание программ в Командном окне (Command Window) 2.10.2. Создание программ с m-файлами 2.10.3. 1. Программы со скриптами и функциями без параметров 2.10.4. 2. Программа с внешней функцией с параметрами и функцией “global” 2.10.5. 3. Программа с внешней функцией с параметрами и функцией “varargin” 2.10.6. 4. Программа с внешней функцией с параметрами и функцией “feval” 2.10.7. 5. Программа с внутренней функцией с параметрами 2.10.8. 6. Программа с функцией “inline” 2.10.9. 7. Стандартное оформление программы с m-скриптом в качестве основной управляющей программы и отдельными файлами для ввода информации (DATA.m) и отчета о результатах вычислений (REPORT.m) 2.10.10. 8. Программа с решателем MATLAB “roots” 2.10.11. 9. Программа стандартная с отчетом в текстовом файле 2.10.12. 10. Программа с визуальным Windows-интерфейсом GUI Глава 3. Применение решателей пакета MATLAB для реализации численных методов вычислительной математики при моделировании химико-технологических процессов 3.1. Вычисление производных и интегралов 3.1.1. Вычисление производных с применением метода разделенных разностей 3.1.2. Вычисление интегралов с применением решателей “trapz” и “quad” 3.2. Решение нелинейных уравнений 3.2.1. Решение алгебраических полиномиальных уравнений с применением решателя “roots" 3.2.2. Решение трансцендентного уравнения с применением решателя “fzero” 3.2.3. Определение температуры кипения и мольных объемов жидкой и паровой фаз индивидуального вещества при различных давлениях в условиях парожидкостного равновесия 3.3. Решение систем уравнений 3.3.1. Решение СЛАУ с применением функций “det”, “inv” и решателя “linsolve” 3.3.2. Применение решателя “fsolve” для решения системы нелинейных уравнений 3.3.3. Моделирование стационарного режима процесса химического превращения с линейной кинетической зависимостью скоростей стадий от концентраций веществ в изотермическом проточном реакторе с мешалкой путем решения системы линей ных алгебраических уравнений (С 3.3.4. Моделирование стационарного режима процесса химического превращения с линейной кинетической зависимостью скоростей стадий реакции от концентрации веществ в изотермическом проточном реакторе путем решения системы нелинейных уравнений при изменяющемся ре 3.3.5. Моделирование стационарного режима процесса химического превращения с нелинейной кинетической зависимостью скоростей стадий реакций от концентраций веществ в изотермическом проточном реакторе путем решения системы нелинейных уравнений при изменяющемся 3.3.6. Моделирование стационарного режима процесса химического превращения с нелинейной кинетической зависимостью скоростей стадий реакций от концентрации веществ в изотермическом проточном реакторе путем решения системы нелинейных уравнений при изменяющемся 3.4. Решение систем дифференциальных уравнений 3.4.1. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений 3.4.2. Решение дифференциальных уравнений с частными производными методом конечных разностей 3.5. Решение оптимизационных задач 3.5.1. Общая процедура решения оптимизационных задач 3.5.1.1. Выбор целевых функций при решении оптимизационных задач 3.5.1.2. Выбор ресурсов оптимизации - оптимизирующих переменных 3.5.1.3. Стандартные решатели MATLAB для решения оптимизационных задач “fminbnd”, “fminsearch”, “fmincon”, “polyfit”, “lsqcurvefit” 3.5.2. Решение задач одномерной оптимизации 3.5.3. Решение задач многомерной оптимизации Приложение. Результаты компьютерного моделирования химико-технологических процессов. (Программные коды файлов приведены в главе 3) Таблица П.1. Результаты определения равновесных температур и мольных объемов жидкой и паровой фаз по уравнению состояния SRK при различных давлениях Таблица П.2. Результаты моделирования стационарного режима изотермического реактора идеального перемешивания со стехиометрической схемой реакции A → P → S при изменении времени пребывания в аппарате Таблица П.3. Результаты моделирования стационарного режима изотермического реактора идеального перемешивания со стехиометрической схемой реакции A → P → S для различных реакционных объемов Таблица П.4. Результат моделирования стационарного режима изотермического реактора идеального перемешивания со стехиометрической схемой реакции A → 2P → S с нелинейной кинетической зависимостью скоростей стадий от концентраций веществ в реакторе идеального пе Таблица П.5. Результаты моделирования стационарного режима химического превращения в изотермическом реакторе идеального перемешивания со стехиометрической схемой реакции A → 2P → S с нелинейной кинетической зависимостью скоростей стадий от концентрации вещест Таблица П.6. Результаты моделирования процесса химического превращения в изотермическом пери одическом реакторе идеального перемешивания со стехиометрической схемой реакции A → 2P → S Таблица П.7. Результаты моделирования распределения профиля температур в цилиндрическом металлическом стержне с внешним источником тепла путем решения СДУЧП параболического типа Фурье — Кирхгофа Таблица П.8. Результаты определения оптимального времени пребывания реакционной смеси в изотермическом проточном реакторе с мешалкой, в котором протекает реакция A→P→S Таблица П.9. Результаты определения оптимальной температуры в изотермическом проточном реакторе с мешалкой Таблица П.10. Результаты определения оптимальной температуры и оптимального времени пребывания в изотермическом проточном трубчатом реакторе Таблица П.11. Результаты расчета кинетических коэффициентов химической реакции k1 k2 A→P→S по опытным данным в периодическом реакторе при постоянной температуре Таблица П.12. Результаты определения четырех коэффициентов уравнения P = exp(a(1)*T^3+a(2)*T^2 +a(3)*T + a(4)) с применением решателя “polyfit” Таблица П.13. Результаты определения коэффициентов уравнения Антуана методом линейной регрессии Таблица П.14. Результаты определения коэффициентов уравнения Антуана методом нелинейной регрессии с применением решателя “lsqcurvefit” Таблица П.15. Результаты расчета равновесного состава реакции синтеза аммиака при Т = 450°С и Р = 600 атм Таблица П.16. Результаты расчета равновесного состава двух одновременно протекающих реакций получения водорода из метана и водяного пара Литература Оглавление Титул back