matlab在化学工程上的应用

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-datematlab在化学工程上的应用matlab在化学工程上的应用硕士研究生课程论文（或读书报告）课程名称： MATLAB程序设计与应用 题 目： MATLAB在化学工程中的应用 题目类型： 课程论文 学 院： 化学工程学院 专业名称： 化学工程 姓 名： 学 号： 任课教师： 提交时间： 2013 年 11 月 21 日 - 摘要本文以在化学科研与教学遇到的各种科学计算、

2、作图、数据处理为核心，简述了MATLAB在这些方面的运用情况，及其处理数据的高效、直观性。阐述了MATLAB在处理数据与其他数据处理软件的不同之处，突出其优越性。MATLAB不仅是一种方便的科学计算软件，还是一种优秀的计算机语言。与其他语言显著不同点在于：1）MATLAB能够直接对矩阵操作；2）MATLAB能够直接使用复数。这让其在化学数据处理方面，化学计算方面具有更见广泛的应用。能够帮助广大化学工作者轻易的解决在各化学分支遇到的各种复杂的作图、科学计算和数据处理问题。 ABSTRACTBased in the chemical research and teaching the variou

3、s scientific computation, mapping, data processing as the core, the MATLAB in these aspects of the application, and its data processing and efficient, intuitive. Elaborated the MATLAB in the processing of data and other data processing software is different, highlighting its superiority. MATLAB is n

4、ot only a convenient scientific calculation software, is a good computer language. Other languages with significantly different point depends on: 1) MATLAB can directly on the matrix operation;2) MATLAB can be directly used in the plural. This makes the chemical data analysis chemical calculation ha

5、s more extensive application. To help the majority of chemical workers easily in the branch of chemistry that encountered in a variety of complex mapping, scientific computing and data analysis.1 引言 本文通过对MATLAB在化学各分支的广泛应用。主要讲述了MATLAB在化学方面的简单计算、作图、非线性方程求解、线性方程组求解、常微分方程与方程组的求解、最优化、曲线拟合、数据分析等方面的高效应用。系统

6、的表现了MATLAB在化学领域的简单应用。2 MATLAB在化学工程中的应用2.1）MATLAB与简单的计算2.1.1)MATLAB进行简单的计算 例如：欲配制0.02000mol/L的K2Cr2O7的标准溶液250ml，应称取K2Cr2O7多少克？为了完成计算，需要在MATLAB的“Command Window”窗口依次输入图中的所示语句。每输入一行，敲回车，然后输入下一行。依次输入完图中所述语句，最后敲回车，MATLAB将给出最后的计算结果。如下图所示：双大于号（）是MATLAB的提示符，当“Command Window”窗口出现双大于号（）时，表示MATLAB处于等待状态，准备执行计算任

7、务。M、C、V和m既是变量，又是变量名，代表实际问题中某个物理量，它们能够被赋值，赋值后可以参与各种运算。MATLAB的变量名由字母、数字和下划线组成，由字母打头。如ml、ab、A_l acid _value等都是合法的变量名。等号（=）是赋值号，其作用是将一定量的数值赋给变量。星号（*）在MATLAB中代表乘号，斜杠（/）在MATLAB中代表除号。请注意语句“M=29402；”和“m=C*V/1000*M”的区别，这两个语句在本质上是一样的，作用是把一定的数值赋给指定变量。其区别就是前一个语句后面有分号（；）后面一个语句没有分号，对于加有分号的赋值语句，MATLAB仅仅将数值赋给指定变量而不

8、执行其它操作，对于没有分号的赋值语句，MATLAB不仅执行赋值操作，而且还会输出被赋值变量的数值。%是MATLAB的注释符号，在注释符号后面可以输入各种说明性文本。%连同说明性文字通常用在MATLAB的一条语句后面或某一函数的开头，说明语句或函数的作用。 2.1.2)反应的标准摩尔焓变的求解对于化学反应： v1A + v2B v3C + v4D反应物A、B反应生成物C、D，现在要求该反应的某个标准热力学函数的变化，如该反应的标准摩尔焓变。根据热力学有关知识，求该反应的标准摩尔焓变的式子可以写作：Hm =VifHm对于上述反应，可以把反应物和生成物的计量系数组成为一个计量系数向量： 【v1 v2

9、 v3 v4】反应物计量系数规定为正值，生成物的计量系数规定为正值。反应物和生成物的标准摩尔生成焓相应的也可以组成一个标准摩尔生成焓向量：【fHm（A）fHm（B）fHm（C）fHm（D）】很明显，根据向量点乘的定义和上述求该反应的标准摩尔焓变公式，计算反应的标准摩尔焓变实际上就是求反应的计量系数向量与标准摩尔生成焓的点积： rHm=dot（计量系数向量，标准摩尔生成焓向量）例如求下列反应的标准摩尔生成焓rHm： 2NaO2（s）+2H2O4NaOH（s）+ O2反应计量系数向量为-2、-2、4、1，反应的标准摩尔生成焓向量为-513.2、-285.82、-426.73、0，此处标准摩尔生成焓

10、的单位是千焦每摩尔。计算该反应标准摩尔生成焓的MATLAB的语句如下：a=-2 -2 4 1b=-513.2 -285.82 -426.73 0dela_H=dot(a,b) %标准摩尔生成焓的单位是KJ/mol敲回车，得到Delta_H=-108.880这就是MATLAB在化学领域计算中的简单计算，如果能够熟练的掌握这些运算符号很运算方法，能节约我们大大量的计算时间。2.2）MATLAB与化学制图 将数据转变为图形是极其令人愉快的，因为数据是比较抽象的，而图像则是比较直观，能立即给人更多，更明确的信息。依据数据作图，也是一种重要的数据处理方法，但以前限于条件，化学工作者只能做很简单的图形，对

11、于在化学领域科研中遇到的较为复杂的函数或者实验数据，无法将其转变为图形，从而丢掉一些能够从图形中得到的有效信息，这不能不说是一种遗憾。而MATLAB的出现，弥补了这一缺陷。MATLAB具有强大的作图，图像分析与处理功能，能够轻易地做出各种复杂函数的曲线，曲面图形和其他图形，使得化学工作者在教学和科研中如虎添翼。利用MATLAB做一元函数曲线图的基本函数是plot。Plot的作用是将给定的横坐标和纵坐标的一系列数据点画在屏幕上，并用线段将这些数据点连起来。使用plot函数，最紧要的是给plot提供数据点的横坐标和纵坐标，使得plot能够根据数据点的横坐标和纵坐标画出数据点，需要注意的是plot函

12、数函数接受的数据点集的横、纵坐标需要分别用向量表示。则可得下图： 图 8-5如键入bar（B1（；6）则得到下图：如键入contour（B1）就立即可得到等高线图如下所示：如键入mesh（B）就立即可得其三维图：以上是MATLAB软件作图的一些基本功能，如果需要，还可以在图中添加文本，去掉坐标轴，移动图的位置等各种操作，通过这些操作。我们能更好的做出符合自己要求的图形。2.3）数据处理某工厂采用新的废水处理技术后，水中的某种有毒物质的含量有以下十个数据：22、14、17、13、21、16、15、16、19、18（单位：毫克每升）以前老方法处理飞水后，该种有毒物质的平均浓度是19，问新法是否较老

13、法有效？这个我们就应该借助ttest函数来完成，首先假设新法有效。输入函数如下：h,p=ttest(x,m,alpha,right)X是向量，其中的每一分量代表一个测定数据点，m是要与x的真实值比较的数值，alpha代表小事件概率，一般认为alpha=0.05时，该事件就是小概率事件，字符right代表对假设x的真实值m小于或等于计算概率p。自然，如果palpha，就否定假设。设计代码如下：X=22,14,17, 13,21,16,15,16,19,18M=19h,p=ttestx,m,0.05,rightP结果是：p=0.9650由于palpha=0.05，因此我们不能否定假设，即新法较老法

14、有效。这种只是其中的一种，只要熟练掌握，就能更高的运用MATLAB处理数据，使得实验跟科研更为方便。2.4）MATLAB在化工模拟中的计算 2.4.1）MATLAB拟合函数ployfit的应用要计算转化器数学模型中混合气体的平均热容，需用MATLAB的拟合函数ployfit来编写M函数文件，以求取不同温度下各气体的平均热容，其中气体热容是温度的函数，需编写函数文件CPm，以供随时调用。具体程序如下：function c=cP(ab，c) 求解热容的M函数文件globalt 定义全局变量c=a+b*tc水t2； 热容表达式以后在其他程序中可以随时调用该函数，其调用格式为：C，=cP(a，b，c)

15、 a，b，c为气体热容拟合公式中的对应数据 2.4.2）MATLAB常微分方程组求解函数ODE的应用MATLAB提供了多个求解常微分方程组的功能函数，由于上述常微分方程组为一刚性方程组，所以选用odel5s函数来求解。编写表征常微分方程组的ode函数funm如下：function xdot=fun(z，y) S02转化反应器催化床层的模拟计算ode子程序global x F t yl y2 y3 y4 y5 y6 TF k0 Cx=y(1)；t=y(2)；rr=224术pb木ry：o，；xdot(1)=TF* c*rruo； 物料衡算方程xdot(2)=H*yso2*xdot(1)cp(1一o

16、5冰y：。，术x)； 能量衡算方程；xdot=xdot； 微分方程组注：中间省略部分为yi、r、H、cpm的计算表达式。z，y=odel5s(fun，0 z，)，0)； “o z”为积分区间，y0为初始条件在MATLAB指令窗口中运行mainm即可得到相应数值解。2.4.3）MATLAB多变量寻优函数fminsearch的应用为了对k和C进行估值，上述问题就成为以各段反应转化率和出口温度的模拟计算值与工业设计值间误差平方和为目标函数的多变量寻优问题。MATLAB提供了相关函数fminsearch进行多变量寻优，同时编写对应的目标函数M文件(fm)来进行搜索，以求得和c的最佳值。目标函数的表达式

17、为：厂=mina；(y。一y)2，y；为各段转化率或出口温度的计算值，)，为各段转化率或出口温度的工业设计值。由于转化率与出口温度数量级不同，需加入不同的权因子a，。计算时先给定后。和各段校正系数c的初值，输入反应转化率和温度的进口值，利用MATLAB中的ode函数解上述微分方程组，得到各段出口温度和转化率，进而计算目标函数值。具体求解过程为：g=fminsearch(f7，7800，04，058，07) 7800，04，058，07为初值给定3 结论与建议在化学工程实验中用Matlab软件处理实验数据是很有必要的。每一次实验都有大量的数据要处理，我们只要处理自己的原始数据，但教师在批改时就要

18、把我们所有的实验数据都要计算，这个工作量是很大的。有了数据处理程序，教师只需要输入原始数据，运行程序后，就可了解学生的实验是否做得好、实验数据处理结果是否准确，这就可以节省很多的时间。在实际工程中，需要处理的数据更多，计算公式更加复杂，有时为了导出计算公式，还需要建立复杂的数学模型，手工计算基本是不可能完成的。因此，把Matlab软件应用到化学工程实验中进行实验数据的处理是十分必要的。MATIAB在国内化学化工领域的应用研究起步较晚，大多集中在计算、模拟以及化学信息学方面，且处于探索阶段，随着应用研究的深入，除继续在计算、模拟等方面的应用外，在以下方面的应用研究有待加强：(1)在以前工作的基础

19、上，在解决化工过程的设计、反应器的设计、化工生产的调度、产品设计、配方设计以及产品的配送等问题上能够发挥作用。(2)综合利用各种丁具箱，如将数据库工具箱和统计工具箱结合使用，处理海量的化合物数据更有效，揭示蕴含的规律。(3)结合MATIAB强大的计算与其它高级语言设计的灵活性，编制出能够脱离MATLAB环境的化学、化工计算、模拟以及教学的专用软件，克服MATIAB语言的解释性，速度慢，且离不开MATIAB环境，随着MATLAB的发展，对系统的要求越来越高，价格越来越昂贵，如何才有利于在同内推广。 (4) MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程

20、序等，应用于化工领域的“三传一反”的计算，包在化工管路设计型计算，工艺设计计算、化工热力学以及模拟和优化化工各种的实验及工艺流程。在化工计算较其它高级编程语言，MATLAB有很多优点，其编程语言规则简单，所提供的操作和功能函数指令就是一些简单的英文单词，容易掌握使用。MATL AB在国内化学化工领域的应用研究起步较晚，大多集中在计算、模拟以及化学信息学方而，且处于探索阶段，随着应用研究的深入，在以前工作的基础上，在解决化工过程的设计等问题开发新一代化工领域的工具箱，与其它高级语言设计结合，编制出功能强大，专业性更强的工业设计、实验模拟优化以及教学的专用软件，克服MATIAB语言的局限性，更好推

21、广应用MATLAB基础上开发的化工软件。4 参考文献1.钱蕙，王锡森 MATLAB在物理化学实验数据处理中的应用【期刊论文】【J】JOURNAL OF SUZHOU RAILWAY TEACHERS COLLEGE2002,19（1）2.石玉芳，陈静，刘跃进 MATLAB在化工模拟计算中的应用【期刊论文】 【J】计算机与应用化学2005,22（9）3.张冀鲁 MATLAB与化学作图计算与数据处理【M】化学工业出版社 2009.24.李梦龙 王智猛 姜林 刘丽霞 化学软件及其应用【M】 化学工业出版社 2004.105.李本详 董新荣 曾盔 MATLAB在化工数据及模拟参数拟合中的应用 【期刊论文】 【J】计算机与应用化学 2007,24（9）