Transport Phenomena for Chemical Reactor Design pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Wiley-Interscience

作者:Laurence A. Belfiore

出品人:

页数:910

译者:

出版时间:2003-04-11

价格:USD 140.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780471202752

丛书系列:

图书标签:

• Transport Phenomena
• Chemical Reactor Design
• Fluid Mechanics
• Heat Transfer
• Mass Transfer
• Chemical Engineering
• Reaction Engineering
• Process Design
• Transport Processes
• Modeling and Simulation

流体动力学、传热与传质的原理及其在化学反应器设计中的应用 本书深入探讨了化学工程领域的三大核心支柱：流体动力学、传热和传质，并着重阐述了这些基本原理如何巧妙地应用于化学反应器的设计与优化。我们将从最基础的物理概念出发，层层递进，揭示物质和能量在各种化学反应系统中的运动规律，以及如何利用这些知识来构建高效、安全且经济的反应器。 第一部分：流体动力学基础 我们将首先建立对流体行为的深刻理解。这包括对流体性质的详细介绍，如粘度、密度和表面张力，以及它们如何影响流体的流动特性。我们将详细分析不同类型的流动，从平稳的层流到混乱的湍流，并探讨雷诺数等关键参数的意义。 质量守恒定律（连续性方程）： 我们将阐述物质在空间和时间上的守恒原理，这是描述流体运动的基础。我们将推导并分析连续性方程在不同坐标系下的形式，并探讨其在流体流动分析中的实际应用。 动量守恒定律（纳维-斯托克斯方程）： 这是流体动力学的核心方程。我们将详细介绍动量守恒的物理意义，并推导纳维-斯托克斯方程，解释其中各项的物理含义，如压力梯度、粘性力、重力等。同时，我们将讨论如何简化这些方程以解决特定工程问题，例如管道流动、边界层流动等。 能量守恒定律（伯努利方程及推广）： 在流体运动中，能量的转化与传递同样至关重要。我们将从能量守恒的角度出发，推导伯努利方程，并分析其在流体动力学中的应用，例如流量测量和压力计算。随后，我们将进一步讨论更一般的能量方程，考虑到热量传递和功的消耗，为后续的传热分析奠定基础。 阻力与压降： 在实际的工程应用中，流体在管道、阀门、填料等设备中流动时会产生阻力，导致压降。我们将详细研究摩擦阻力、形状阻力等不同类型的阻力，并介绍计算压降的方法，例如达西-魏斯巴赫方程和修正的达西定律。这些知识对于设计合适的泵和管道系统至关重要。 多相流基础： 许多化学反应发生在多相体系中，例如气-液、液-液、固-液和固-气。我们将介绍多相流的基本概念，包括相的分布、界面特性以及相间的相互作用。我们将探讨不同多相流模型的适用性，为后续设计涉及多相反应的反应器提供理论支持。 第二部分：传热学原理 传热是化学反应工程中另一个不可或缺的部分，它直接关系到反应速率、产物分布以及反应器的安全运行。我们将系统地介绍三种基本的传热机制。 传导： 我们将深入探讨热量通过物质本身传递的机制，分析傅里叶定律，理解导热系数的重要性，并研究不同几何形状（平板、圆筒）的稳态和非稳态传导问题。 对流： 这是流体运动过程中伴随的热量传递。我们将区分自然对流和强制对流，并详细介绍努塞尔数等无量纲准则，以及它们在计算对流传热系数中的作用。我们将分析影响对流传热的因素，如流体性质、流速和几何形状。 辐射： 我们将探讨热量通过电磁波传递的现象，介绍普朗克定律、斯蒂芬-玻尔兹曼定律等，以及黑体、灰体等概念。我们将分析辐射换热在高温反应器中的重要性。 总传热系数与传热温差： 在实际的换热器设计中，我们通常使用总传热系数来描述整体的传热能力。我们将讲解如何通过串联、并联等方式将不同传热机制的阻力结合起来，计算总传热系数。同时，我们将深入探讨对数平均温差（LMTD）和有效性-NTU法等计算传热温差的常用方法。 换热器类型与设计： 我们将介绍常见的换热器类型，如壳管式换热器、板式换热器、套管式换热器等，并分析它们各自的优缺点和适用范围。我们将结合传热原理，介绍换热器的初步设计步骤，包括传热面积的估算、流体分配等。 第三部分：传质学原理 传质是化学反应发生和化学分离过程的基础。我们将重点关注物质从一个相传递到另一个相，或在同一相内扩散的过程。 传质机理： 我们将区分分子扩散和对流扩散。对于分子扩散，我们将深入研究菲克定律，理解扩散系数的含义，并分析影响扩散系数的因素。对于对流扩散，我们将探讨流体运动对物质传递的影响。 传质系数与传质温差： 类似于传热，我们将引入传质系数来描述传质速率。我们将介绍努塞尔数、谢伍德数等与传质相关的无量纲准则，并分析它们的计算方法。我们将讨论有效传质驱动力，例如浓度差，及其在传质计算中的应用。 相平衡： 在涉及多相反应或分离的过程中，相平衡关系起着决定性作用。我们将回顾气-液平衡（亨利定律、拉乌尔定律）、液-液平衡和固-液平衡等基本概念，并介绍相平衡图的绘制和应用。 传质过程： 我们将详细分析气液传质（吸收、解吸）、液液传质（萃取）和固液传质（溶解、结晶）等常见传质过程，并探讨影响这些过程效率的因素。 传质设备： 我们将介绍吸收塔、精馏塔、萃取器等常用的传质设备，并分析它们的设计原理和操作特点。 第四部分：化学反应器设计中的整合应用 本部分将是本书的核心，我们将把前面介绍的流体动力学、传热和传质原理融会贯通，应用于具体的化学反应器设计。 反应器类型： 我们将详细介绍各种类型的化学反应器，包括： 间歇反应器（Batch Reactors）： 分析其操作特点、优缺点，以及在小规模生产和多品种生产中的应用。 连续搅拌釜反应器（CSTRs）： 深入研究其混合特性、停留时间分布，以及在稳态和瞬态操作下的行为。我们将讨论CSTRs的串联和并联组合，以实现更复杂的反应过程。 管式反应器（PFRs）： 分析其流动特性、理想PFR和实际PFR的差异，以及在连续生产中的应用。 固定床反应器（Fixed-Bed Reactors）： 重点关注其在多相催化反应中的应用，包括催化剂床层的压力降、传热和传质问题，以及床层内的温度分布。 流化床反应器（Fluidized-Bed Reactors）： 介绍其独特的传热和混合性能，以及在高效催化反应和热量传递中的优势。 反应动力学初步： 我们将简要介绍反应速率方程、反应级数、活化能等基本概念，并阐述它们如何影响反应器的设计。 多重效应的考虑： 在反应器设计中，流体动力学、传热和传质往往相互影响，形成复杂的耦合效应。我们将学习如何综合考虑这些因素，例如： 反应器内的混合与传质： 分析混合不良如何限制传质和反应速率，以及如何通过优化搅拌器设计或床层结构来改善。 反应器内的传热与温度控制： 探讨放热反应或吸热反应对温度的影响，以及如何通过夹套、盘管或内部换热器来维持理想的反应温度，避免“飞温”或“冷点”。 反应动力学与传质/传热的耦合： 分析传质或传热速率是否成为反应速率的瓶颈，即“外部扩散控制”或“内部扩散控制”。 反应器设计步骤与优化： 我们将提供一个系统的反应器设计框架，包括： 工艺要求分析： 明确反应器的目标产量、转化率、选择性等。 反应器类型选择： 基于反应特性、物料性质和经济性进行选择。 数学模型建立： 基于流体动力学、传热、传质和反应动力学方程，建立反应器的数学模型。 数值模拟与求解： 利用数值方法求解模型方程，预测反应器性能。 参数优化： 调整反应器尺寸、操作条件等参数，以达到最优的性能指标。 安全与环保考量： 我们将简要讨论反应器设计中的安全因素，如压力容器设计、防爆措施等，以及环保要求，如废气、废水处理等。 本书旨在为化学工程师提供一套扎实的理论基础和实用的工具，使他们能够自信地设计和操作各种化学反应器，以满足不断发展的工业需求。通过对流体动力学、传热和传质原理的深刻理解，并将其有效应用于反应器设计，我们将能够创造出更高效、更安全、更可持续的化学过程。

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这本书的封面设计着实让人眼前一亮，那种沉稳中带着一丝科技感的蓝色调，一下子就把人拉进了严谨的工程世界。我刚翻开第一章，就被作者清晰的逻辑结构所吸引。他并没有急于抛出复杂的数学公式，而是循序渐进地构建起对物质、能量和动量传递基本概念的直观理解。这对于初学者来说简直是福音，那种“茅塞顿开”的感觉非常美妙。比如，他在讲解边界层理论时，没有停留在教科书式的定义上，而是用了一些非常贴近实际反应器操作的例子，比如催化剂颗粒表面的浓度梯度变化，这让我立刻能将理论与我日常遇到的工程难题联系起来。而且，排版做得非常考究，图表的清晰度和标注的准确性都达到了专业水准，即便是面对那些高维度的张量分析，配合着恰到好处的插图，也显得不再那么令人望而却步。我尤其欣赏作者在引入相似性原理时所花费的心思，他深入浅出地解释了如何通过无量纲数来简化复杂的流体力学问题，这为后续单元操作的放大和优化打下了坚实的基础。总体来说，这本书的“入场体验”极佳，它成功地将一个看似枯燥的学科，包装成了一场可以被清晰理解和掌控的智力挑战。

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这本书的写作风格，怎么说呢，带有一种近乎哲学的严谨性。它仿佛不是在教你如何“做”设计，而是在引导你如何“思考”设计。我发现它在阐述守恒定律时，有一种对基本原理的近乎偏执的尊重。每引入一个新的概念，无论是能量平衡还是动量平衡，作者都会先从最基础的微元体分析入手，确保读者理解“为什么”是这样，而不是仅仅记住“是什么”。这种深度的追溯性，让我在回顾一些基础知识时，都有了全新的认识。举个例子，他对湍流模型的选择和应用的讨论，不像其他书籍那样简单地罗列几种RANS模型，而是详细对比了它们在不同剪切应力分布下的适用性，甚至提到了雷诺应力模型的局限性。这种批判性的视角，极大地提升了读者的工程判断力。读完这些章节，你会感觉自己不再是一个公式的搬运工，而是一个真正能够掌控流体和热量命运的设计师。当然，对于追求快速解题的学生来说，这可能显得略微冗长，但对于想成为领域专家的读者，这种铺陈是无价的财富。

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我是一位在制药行业工作了近十年的化学工程师，手里经手的反应器设计案例多不胜数，深知理论与实践之间那道深不见底的鸿沟。坦白说，很多经典教材要么过于偏重理论推导而缺乏工程应用，要么就是案例陈旧，无法应对现代精细化工的高要求。然而，这本书的视角极其独特，它将“反应器设计”这一宏大的目标，牢牢地锚定在“输运现象”的细节之中。作者对于非均相反应体系中传质限制的讨论，深入到了纳米尺度和微通道反应器的范畴，这在同类书籍中是相当少见的。我特别关注了其中关于多孔介质中扩散和对流耦合作用的章节，作者引入了一种创新的“有效导热系数”的计算模型，这个模型我在上个月的一个新药中间体放大项目上试着用了一下，结果收敛速度比我原来使用的经验模型快了近20%，而且对温度梯度的预测也更加精确。这表明，作者不仅仅是在“描述”输运现象，更是在“优化”和“预测”工程极限。对于我们这些需要不断挑战现有工艺边界的人来说，这本书提供的工具箱是极其现代和实用的。

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我最近刚完成了一份针对高粘度流体反应釜的搅拌设计方案，手头上有好几份不同的专业参考资料，但最终，我发现还是这本书在处理复杂搅拌体系中的非牛顿流体行为时，提供了最可靠的指导。作者对流变学特性的集成非常到位，他没有将流体力学和流变学割裂开来，而是将剪切速率、粘度变化与反应器内的混合效率直接挂钩。特别是关于宏观混合时间与微观能量耗散率之间的关系那一节，作者巧妙地运用了经验数据和理论推导相结合的方法，构建了一个非常实用的计算框架。这本书的价值在于，它直面了工业界最棘手的问题——那些标准化的假设（如牛顿流体、恒定物性）在现实中经常失效。当我需要评估一个剪切敏感的酶反应器时，书中关于局部高剪切区的讨论，直接帮助我确定了搅拌桨的最佳位置和转速范围，避免了酶活性的大幅下降。它不像一本单纯的教材，更像是一本资深工程师的“疑难杂症处理手册”，而且所有的论述都有扎实的数学和实验背景支撑。

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从整体的学习体验来看，这本书的教材组织结构非常具有前瞻性。它不仅仅关注成熟的技术，还对未来发展的趋势有着敏锐的洞察。例如，在讨论反应器优化时，作者花费了相当大的篇幅来介绍过程控制与反应动力学耦合的复杂性，尤其是对于那些具有快速或不稳定动力学行为的体系。他引入了先进的计算流体力学（CFD）在反应器设计中的集成方法，但又非常审慎地指出了CFD模型的局限性，强调了首先应确保物理模型的准确性。这让我意识到，仅仅依靠强大的计算能力是不够的，对基本输运机理的深刻理解才是设计的灵魂。此外，书末附带的几个大型案例研究，都是围绕着可持续化学和绿色工艺展开的，比如微通道反应器在二氧化碳捕获中的应用，这些都极大地拓宽了我的视野，让我看到了这个传统学科在面对全球性挑战时的巨大潜力。这本书是理论深度、工程实用性和前沿视野的完美结合体。

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