化工問題的建模與數(shù)學(xué)分析方法化工數(shù)學(xué)1課件

化工問題的建模 與數(shù)學(xué)分析方法——ModellingandAnalyticalMethodsforProblemsinChemicalEngineering第一章化工問題的數(shù)學(xué)模型

1、模型的意義與作用2、建模方法3、典型化工問題數(shù)學(xué)模型剖析第一章數(shù)學(xué)模型——模型有什么用？ 0概述：關(guān)于化工數(shù)學(xué)的分類化工數(shù)學(xué)——一個(gè)含糊的概念

解決化工問題的數(shù)學(xué)，體現(xiàn)方法論的數(shù)學(xué) 1.化工實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué) 數(shù)據(jù)處理與誤差分析 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 量綱分析與相似理論

第一章數(shù)學(xué)模型——模型有什么用？§1模型的意義與作用1化學(xué)工程——

研究工業(yè)規(guī)模的物質(zhì)轉(zhuǎn)化規(guī)律及技術(shù)手段研究對(duì)象質(zhì)量傳遞動(dòng)量傳遞能量傳遞化學(xué)反應(yīng)過程解決的問題裝置放大流程設(shè)計(jì)1化學(xué)工程——

研究工業(yè)規(guī)模的物質(zhì)轉(zhuǎn)化規(guī)律及技術(shù)手段研究對(duì)象質(zhì)量傳遞動(dòng)量傳遞能量傳遞化學(xué)反應(yīng)過程解決的問題裝置放大流程設(shè)計(jì)第一章數(shù)學(xué)模型——模型有什么用？第一章數(shù)學(xué)模型——模型有什么用？化學(xué)工程發(fā)展史上的幾個(gè)重要階段1901～1920’s：工業(yè)化學(xué)→化學(xué)工程1923～1930‘s：?jiǎn)卧僮鳎?shù)學(xué)1940～1950‘s：傳遞現(xiàn)象，數(shù)學(xué)模擬1957～1960‘s：化學(xué)反應(yīng)工程1970‘s～

：過程系統(tǒng)工程趨勢(shì)——模型化，數(shù)學(xué)化數(shù)學(xué)模型的作用正問題：模擬、優(yōu)化、控制反問題：機(jī)理辨識(shí)、參數(shù)求取典型實(shí)例印巴核實(shí)驗(yàn)——數(shù)學(xué)模擬技術(shù)的需求第一章數(shù)學(xué)模型——模型有什么用？§3建模一般步驟——認(rèn)識(shí)論的規(guī)律第一章數(shù)學(xué)模型——建模方法

真實(shí)對(duì)象

物理模型

數(shù)學(xué)模型

認(rèn)識(shí)核驗(yàn)表述模型標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容真實(shí)形式簡(jiǎn)單建模關(guān)鍵——合理簡(jiǎn)化抓住主要因素，突出主要特征怎么區(qū)分主次根據(jù)建模目的根據(jù)突出問題特征第一章數(shù)學(xué)模型——建模方法第一章數(shù)學(xué)模型——建模方法§3化工問題的數(shù)學(xué)表述

1.守恒方程（balanceequations) 質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒、粒數(shù)守恒 通用公式：

輸入項(xiàng)－輸出項(xiàng)＋生成項(xiàng)＝積累項(xiàng)

注意問題：對(duì)象的選擇坐標(biāo)系的選擇化學(xué)工程發(fā)展史上的幾個(gè)重要階段1901～1920’s：工業(yè)化學(xué)→化學(xué)工程1923～1930‘s：?jiǎn)卧僮鳎?shù)學(xué)1940～1950‘s：傳遞現(xiàn)象，數(shù)學(xué)模擬1957～1960‘s：化學(xué)反應(yīng)工程1970‘s～

：過程系統(tǒng)工程第一章數(shù)學(xué)模型——建模方法例1均相釜式反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型

衡算對(duì)象——單元圖1.3連續(xù)釜式反應(yīng)器化學(xué)工程發(fā)展史上的幾個(gè)重要階段1901～1920’s：工業(yè)化學(xué)→化學(xué)工程1923～1930‘s：?jiǎn)卧僮鳎?shù)學(xué)1940～1950‘s：傳遞現(xiàn)象，數(shù)學(xué)模擬1957～1960‘s：化學(xué)反應(yīng)工程1970‘s～

：過程系統(tǒng)工程第一章數(shù)學(xué)模型——建模方法例2管式反應(yīng)器 衡算對(duì)象——微元

圖1.4管式反應(yīng)器第一章數(shù)學(xué)模型——建模方法反應(yīng)器衡算方程初始與邊界條件化學(xué)工程發(fā)展史上的幾個(gè)重要階段1901～1920’s：工業(yè)化學(xué)→化學(xué)工程1923～1930‘s：?jiǎn)卧僮?，化工?shù)學(xué)1940～1950‘s：傳遞現(xiàn)象，數(shù)學(xué)模擬1957～1960‘s：化學(xué)反應(yīng)工程1970‘s～

：過程系統(tǒng)工程第一章數(shù)學(xué)模型——建模方法例3催化劑顆粒 衡算對(duì)象——微元，柱坐標(biāo)與球坐標(biāo)化學(xué)工程發(fā)展史上的幾個(gè)重要階段1901～1920’s：工業(yè)化學(xué)→化學(xué)工程1923～1930‘s：?jiǎn)卧僮?，化工?shù)學(xué)1940～1950‘s：傳遞現(xiàn)象，數(shù)學(xué)模擬1957～1960‘s：化學(xué)反應(yīng)工程1970‘s～

：過程系統(tǒng)工程第一章數(shù)學(xué)模型——建模方法S＝0:片型顆粒S＝1:圓柱型顆粒S＝2：球形顆粒第一章數(shù)學(xué)模型——建模方法§4無量綱化問題

1.為什么要無量綱化？ 減少參數(shù)數(shù)目 變量規(guī)一化 獲取問題的特征無量綱數(shù)

2.如何無量綱化？ 選擇自變量與因變量的特征尺度，將變量與方程無量綱化第一章數(shù)學(xué)模型——建模方法例1氣液傳質(zhì)的雙膜模型選擇第一章數(shù)學(xué)模型——建模方法得第一章數(shù)學(xué)模型——建模方法選取得第一章數(shù)學(xué)模型——建模方法第一章數(shù)學(xué)模型——典型問題§5催化劑顆粒模型第一章數(shù)學(xué)模型——典型問題物理過程特征分析 顆粒內(nèi)部：傳熱快，傳質(zhì)慢 顆粒外部：傳質(zhì)快，傳熱慢 因此，傳質(zhì)阻力在粒內(nèi)，傳熱阻力在粒外 固體熱容大，氣體濃度小 因此，保留溫度變化項(xiàng)，忽略濃度變化項(xiàng)

第一章數(shù)學(xué)模型——典型問題合理假設(shè)

顆粒內(nèi)部溫度均勻，濃度考慮為擬穩(wěn)態(tài)

將兩個(gè)偏微分方程的問題簡(jiǎn)化為兩個(gè)常微分方程的問題。第一章數(shù)學(xué)模型——典型問題§6固定床反應(yīng)器的擬均相模型

擬均相假設(shè)：不考慮流體－固體差別 1.二維擬均相模型

圖1.9固定床中的環(huán)形微元第一章數(shù)學(xué)模型——典型問題

2.一維瞬態(tài)模型

Danckwerts邊界條件：

第一章數(shù)學(xué)模型——典型問題

§7色譜過程的數(shù)學(xué)模型 色譜：非均相的流動(dòng)吸附分離過程

1.平衡色譜

第一章數(shù)學(xué)模型——典型問題

2.非平衡色譜 床層模型

顆粒模型

第一章數(shù)學(xué)模型——典型問題

活性位吸附模型

界面平衡模型第一章數(shù)學(xué)模型——典型問題

§8分批結(jié)晶器與連續(xù)結(jié)晶器的粒數(shù)衡算模型

成核動(dòng)力學(xué)晶體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)

第一章數(shù)學(xué)模型——典型問題晶體生長(zhǎng)的物理圖像

圖1.12無成核時(shí)晶種生長(zhǎng)的粒度分布曲線圖1.13恒速成核時(shí)的粒度分布曲線第一章數(shù)學(xué)模型——典型問題晶體粒數(shù)衡算 在l～l+dl區(qū)間內(nèi)由于生長(zhǎng)而輸入的粒子數(shù) 在l～l+dl區(qū)間內(nèi)由于長(zhǎng)大而離開的粒子數(shù) 在l～l+dl區(qū)間內(nèi)的粒子數(shù)變化

第一章數(shù)學(xué)模型——典型問題 因此，粒數(shù)衡算方程為

第一章數(shù)學(xué)模型——典型問題

§9邊界層中的流動(dòng)與傳遞邊界層史話邊界層圖象

第一章數(shù)學(xué)模型——典型問題邊界層