MATLAB在化工上之應用

陳奇中

May 2022 · 陳奇中

About this ebook

本書以MATLAB® 程式環境為本，利用其庫存函數，相關工具箱及指令，

配合部分自定函數，用以解決化工程序模擬、分析、設計與最適化等問

題。在章節編排方面，則根據問題屬性依序編製，共分成七章，其分別為：

第一章 線性聯立方程式之求解

第二章 非線性方程式之求解

第三章 插值、微分與積分之運算

第四章 常微分方程式之求解

第五章 偏微分方程式之求解

第六章 程序最適化

第七章 參數估計

書中章節內容豐富詳盡，取材廣泛，可作為大專學生與研究生有關MATLAB®

在化工上之應用、化工程序模擬等相關課程教學與學習教材。此外，相

信本書資料內容，對於從事化工程序設計、分析與最適化的工程技術人

士或研究人員，亦有相當程度的助益。

目錄如下:

第一章 線性聯立方程式之求解

1.1 線性聯立方程式系統

1.1.1 一個簡單的實例 — 液體摻合問題

1.1.2 線性聯立方程式系統之相關性質

1.1.3 相關MATLAB指令

1.2 化工實例演練

範例1-2-1 蒸餾塔組之成分分析

範例1-2-2 管路的熱傳問題

範例1-2-3 連續攪拌槽組之出口成分分析

範例1-2-4 反應系統之獨立反應數

範例1-2-5 蒸餾塔內的組成分布

範例1-2-6 批次反應系統之穩態成分分析

1.3 習題

1.4 本章相關MATLAB指令彙整

 

第二章 非線性方程式之求解

2.1 MATLAB相關指令及Simulink解法

2.1.1 單變數非線性方程式

2.1.2 聯立非線性方程式之求解

2.2 化工實例演練

範例2-2-1 理想溶液之沸點

範例2-2-2 化學平衡之各成分平衡濃度

範例2-2-3 管路網分析

範例2-2-4 熱傳導乾燥

範例2-2-5 連續多段二元蒸餾

範例2-2-6 串聯式反應器設計

2.3 習題

2.4 本章相關MATLAB指令彙整

 

第三章 插值、微分與積分之運算

3.1 MATLAB內插指令

3.1.1 一維內插

3.1.2 二維內插

3.2數值微分

3.2.1  MATLAB diff指令在數值微分上之應用

3.2.2 多項式湊合及其在微分值計算上之應用

3.2.3 等間距數據點之高階微分值

3.2.4 函數之微分近似值

3.2.5 數值梯度求法

3.3 數值積分

3.3.1 數值資料之積分

3.3.2 函數之積分

3.3.3 重積分

3.4 化工實例演練

範例3-4-1 黏度之插值

範例3-4-2 擴散係數的內插

範例3-4-3批次反應器之反應速率式的推斷

範例3-4-4 氣固流體化床之固體粒子體積分率

範例3-4-5 追蹤劑響應之平均滯留時間

範例3-4-6 吸收塔之設計

範例3-4-7 絕熱型批次反應器設計

範例3-4-8 固定層吸附塔之失效時間

3.5 習題

3.6 本章相關MATLAB指令彙整

 

第四章 常微分方程式之求解

4.1起始值常微分方程式問題

4.1.1 問題的形式

4.1.2 MATLAB ODE指令與語法

4.1.3  Simulink之求解

4.1.4  DEE 解法介面

4.2 高階常微分方程式的處理

4.3 Stiff微分方程式

4.4 微分代數系統

4.5 含邊界值條件之常微分方程式

4.5.1 問題的形式

4.5.2 兩點邊界值問題之MATLAB解法指令

4.5.3 多點邊界值問題

4.6 化工實例演練

範例4-6-1 觸媒反應管內溫度及轉化率的分布

範例4-6-2 非恆溫柱塞型反應器之溫度及轉化率分布

範例4-6-3 批次反應器中之生化程序動態

範例4-6-4 伴有熱傳導與輻射之平板熱傳溫度分布

範例4-6-5 非牛頓流體之流動

範例4-6-6 盤尼西林醱酵之最適操作溫度

4.7 習題

4.8 本章相關MATLAB指令彙整

 

第五章 偏微分方程式之求解

5.1 偏微分方程式之分類

5.1.1 依階數的分類

5.1.2 依非線性程度分類

5.1.3 起始條件和邊界條件的分類

5.2 MATLAB PDE工具箱

5.2.1  MATLAB PDE解答器

5.2.2  PDE圖形介面工具箱

  5.2.2.1 PDE問題形式

  5.2.2.2 如何利用pdetool介面解PDE問題

5.3 化工實例演練

範例 5-3-1 觸媒反應器內溫度及反應率的分布

範例 5-3-2 擴散反應系統之濃度分布

範例 5-3-3 固體熱球體之急速冷卻

範例 5-3-4 二維的熱傳導

範例 5-3-5 氣體溶質於液境膜中之滲透

範例 5-3-6 乙醇擴散濃度分布

範例 5-3-7 長形棒之熱傳導

範例 5-3-8 平板內的非穩態熱傳

5.4 習題

5.5 本章相關MATLAB指令彙整

 

第六章 程序最適化

6.1 最適化問題及相關MATLAB指令

6.1.1 單變數最適化問題

6.1.2 無限制條件多變數最適化問題

6.1.3 線性規劃問題

6.1.4 二次規劃問題

6.1.5 非線性函數之最適化問題

6.1.6 多目標之最適化問題

6.1.7 半無限最適化問題

6.1.8 最大值極小化問題

6.1.9 二元整數規劃問題

6.1.10 實數型基因演算法 — 一個全局最適化策略

6.1.10.1 實數型基因演算法基本原理

6.1.10.2 實數型基因演算法在最適化問題求解上之應用

6.2 化工實例演練

範例6-2-1 生產流程最大獲利之操作條件

範例6-2-2 晶圓製程最佳光阻劑膜厚

範例6-2-3 化學平衡能量函數最小化

範例6-2-4 烷化程序最大獲利

範例6-2-5 單蒸餾分離程序之最大分離效率

範例6-2-6 氨合成反應程序最適化

範例6-2-7 管型反應器之最佳操作溫度

6.3 習題

6.4 本章相關MATLAB指令彙整

 

第七章 參數估計

7.1 運用最小平方法進行參數估計

7.1.1 線性模式之估測法

7.1.2 非線性模式之參數估計法

7.1.3 參數估計值之置信區間

7.2 化工實例演練

範例7-2-1 二氧化硫溶解度模式

範例7-2-2 固體觸媒反應之速率式

範例7-2-3 活性碳吸附等溫模式

範例7-2-4 加熱程序之轉移函數

範例7-2-5 醱酵程序反應速率常數估測

範例7-2-6 以偏微分模式描述之填充床反應器系統參數估計

範例7-2-7 利用D-optimal實驗設計法進行參數估計

7.3 習題

7.4 本章相關MATLAB指令彙整

 

參考文獻

索引

About the author

陳奇中 終身特聘教授

學歷 / 國立成功大學化工博士

研究領域 /程序控制、製程設計、程序模擬與最適化、人工智慧技術發展與應用

現職與簡歷 /

現任職於國立金門大學通識教育中心並兼任行政副校長一職。在教育界服務之資歷已超過30年，期間曾於美國加州大學聖塔芭芭拉分校擔任客座教授，亦曾於麻省理工學院擔任訪問學者。迄今已發表超過一百五十篇以MATLAB完成的學術期刊論文、會議論文和技術報告，並編著有「金門學概論」、「金門自然生態綜覽」、「通識領袖學思集」、「MATLAB程式設計與工程應用」等書籍。

陳教授在教育界培育人才不遺餘力，教學期間曾獲教學傑出獎，教學著作優等獎及多項研究獎勵。目前亦擔任國立金門大學「環境教育與低碳島研究中心」主任及「浯洲書院」書院長等職，協助推展並落實「金門學」、環境永續與博雅教育工作，培育學子成為軟實力與硬實力兼具的全方位人才。