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《现代化学工程原理与应用》 内容简介 本书旨在为化学工程领域的学生、研究人员及行业工程师提供一套全面、深入且兼具实践指导意义的知识体系。全书紧密围绕化学工程的核心——物质、能量和动量在化工过程中的传递、转化与控制展开，力求在理论深度与工程实用性之间达到完美的平衡。 第一部分：化工基础与过程分析 第一章：化学工程导论与思维框架 本章首先界定化学工程学的核心任务与范畴，探讨其在现代工业体系中的战略地位。重点阐述了化工过程的系统思维，包括单元操作（Unit Operations）和单元过程（Unit Processes）的概念演进与区分。随后，引入化工过程的描述语言——物流衡算和能衡算。详细讲解了稳态与非稳态过程的数学模型建立，强调了平衡态假设在简化复杂过程中的作用。此外，本章还深入分析了化学反应工程、分离工程、热力学和流体力学四大支柱学科在现代化工设计中的相互支撑关系，为后续章节的学习奠定坚实的理论基础和宏观认知。 第二章：化工过程的热力学基础 本章超越基础化学热力学范畴，聚焦于工程应用中的热力学问题。详细阐述了工程热力学的基本定律，包括能量守恒（第一定律）与熵增原理（第二定律）在化工系统中的量化表达。重点解析了偏摩尔量、逸度（Fugacity）的计算及其在非理想溶液和高压体系中的应用。热力学第二定律在化工中的核心体现——过程的可行性分析，通过吉布斯自由能最小化原理贯穿始终。此外，本书详细介绍了相平衡的理论基础，包括多组分多相体系的液-气平衡（VLLE）、溶解度和共沸现象的热力学处理，并引入了现代的范德华（Van der Waals）型状态方程和更精确的格林-霍金斯（NRTL/UNIQUAC）模型的工程应用，为后续的分离过程设计提供工具。 第三章：流体动力学与动量传递 本章深入研究流体在管道、设备内部的流动规律，是理解泵、反应器和换热器设计的基石。从牛顿内摩擦定律出发，系统推导了描述牛顿流体和非牛顿流体流动特性的纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes Equations）。详细分析了层流与湍流的特征、转捩点预测（雷诺数）以及边界层理论。动量传递部分，着重于管道阻力损失的计算（达西-韦斯巴赫方程），包括摩擦损失和局部阻力。此外，本章引入了泵选型与系统阻力匹配，并对搅拌器设计中的混合效率与剪切速率进行了工程化探讨。 第二部分：传递现象与单元操作 第四章：热量传递工程 热量传递是化工生产中最为普遍的能量传递形式。本章系统阐述了导热、对流和辐射三种基本传热方式的定量分析。导热部分聚焦于傅里叶定律及其在多层壁结构中的应用；对流部分则深入讲解了无因次准数（努塞尔数、雷诺数、普朗特数）在自然对流与强制对流中的意义，并给出了化工常用设备（如管壳式换热器）的设计准则与污垢热阻的计算。辐射传热部分，侧重于灰体、黑体辐射的 Stefan-Boltzmann 定律及辐射换热系数的确定。最终，本章将热量传递与流体力学相结合，详细介绍了化工过程中的热负荷计算、换热器集成网络设计（Pinch Technology基础）的应用。 第五章：质量传递基础与分离工程 质量传递是实现物质分离与净化的关键。本章首先建立浓度梯度驱动下的扩散定律（菲克定律），区分了分子扩散与湍流混合中的表观扩散。核心内容聚焦于单元操作中的大规模物质传递，包括吸收、汽提、蒸馏和萃取。 气液平衡与传质驱动力： 详细分析了亨利定律与拉乌尔定律，并引入了吸收因子与汽提因子的概念。 分离过程设计： 针对连续精馏塔，详细讲解了操作线与平衡线的绘制，麦凯布-梯勒法（McCabe-Thiele Method）和恒流假设下的理论塔板数计算。萃取和膜分离技术作为补充，侧重于溶剂选择的原则和膜的通量模型。 第六章：化学反应工程 本章是连接化学反应与设备设计的桥梁。它从化学反应动力学出发，分析了反应速率常数的确定、反应级数与表征。重点研究了均相反应的绝热操作与等温操作。对于釜式反应器（CSTR）和填充床反应器（PFR），详细推导了其设计方程，并讨论了非理想流态（如返混）对反应效率的影响。此外，本章深入探讨了多相反应（固-液、气-固）中的传质限制问题，以及催化剂的选择、失活机制与再生技术的工程策略。 第三部分：过程控制与优化 第七章：化学过程的自动控制 化工生产的稳定与高效依赖于精确的过程控制。本章系统介绍了过程控制的基本概念，包括被控变量、操纵变量、扰动和反馈回路。详细分析了动态系统的一阶、二阶模型建立与阶跃响应。控制器的设计是核心，深入讲解了经典的三项PID（比例-积分-微分）控制器的原理、参数整定方法（如Ziegler-Nichols法）及其在温度、压力和液位控制中的实际应用。对于复杂的耦合过程，本章引入了前馈控制和比值控制等高级控制策略的工程实现。 第八章：化工过程的集成与经济性分析 本章将前述的单元操作和过程设计提升至系统集成的高度。重点介绍能量集成网络（HEN）的设计，目标在于最小化外部能源消耗。同时，从全生命周期的角度评估化工项目的可行性，包括固定资产投资估算、变动成本分析、净现值（NPV）与内部收益率（IRR）的计算，确保技术方案具备商业竞争力。本书最后强调了过程安全管理（PSM）在设计阶段必须纳入的考量，特别是反应热失控的风险评估与安全泄放系统的设计原则。 本书的特点在于理论推导严谨、图表丰富直观，并辅以大量贴近工业实际的案例分析与工程计算示例，旨在培养读者运用第一性原理解决复杂化工工程问题的能力。
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