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To be an engineering major, you'll need a solid comprehension of basic chemistry. CHEMISTRY FOR ENGINEERING STUDENTS explains chemistry from your angle, demonstrating how it's relevant to the various engineering fields. From this molecular level to the macro level, this chemistry textbook connects chemistry to math and physics so you won't be confused. And with tons of study tools built right in, this textbook helps you make sure you've mastered the material for the test.
《化学工程导论：原理与应用》 内容简介 本书旨在为化学工程专业的学生提供一个全面而深入的入门导论。它不仅涵盖了化学工程的核心基础原理，更注重将这些理论知识与实际工程应用紧密结合，帮助读者建立起扎实的专业知识体系，并为后续更深入的学习和研究打下坚实基础。本书内容丰富，结构清晰，力求以一种逻辑严谨且易于理解的方式，引导读者探索化学工程的魅力与广阔前景。 第一篇：化学工程基础 本篇将系统性地介绍化学工程学科的基石。 第一章：化学工程概览 化学工程的定义与范畴： 详细阐述化学工程作为一门应用学科的独特性质，它如何将科学原理（化学、物理、数学）转化为大规模的工业生产过程。介绍化学工程在现代社会中的关键作用，例如能源、材料、医药、环境保护等领域。 化学工程师的角色与职责： 深入探讨化学工程师在不同工业部门所承担的多元化职责，包括过程设计、操作与优化、安全管理、环境影响评估、技术研发等。通过案例分析，展示化学工程师如何运用其专业知识解决实际问题。 化学工程的发展历程与未来趋势： 回顾化学工程学科的发展脉络，从早期的单元操作理论到现代的分子工程、生物工程、纳米技术等前沿领域。展望化学工程在可持续发展、绿色化学、人工智能等新兴领域的未来发展方向。 第二章：物料衡算与能量衡算 基本概念与定律： 详细解释质量守恒定律和能量守恒定律在化学过程中的应用。引入系统边界、物料进出量、反应物与生成物量等基本概念。 单相与多相系统的物料衡算： 教授如何对静态与动态的单相系统进行物料衡算，以及如何在存在相变（如蒸发、冷凝、溶解）的多相系统中应用物料衡算。 涉及化学反应的物料衡算： 讲解如何通过反应计量学，结合转化率、选择性、产率等参数，对发生化学反应的系统进行物料衡算。重点介绍反应物、生成物和惰性组分的计算方法。 能量衡算基础： 阐述热力学第一定律在化学工程中的应用，包括焓、熵、吉布斯自由能等基本热力学量。 过程热效应的计算： 介绍如何计算化学反应热、相变热等过程热效应，并讲解如何应用标准生成焓、燃烧焓等数据。 无反应过程的能量衡算： 讲解如何对不发生化学反应的传热、相变等过程进行能量衡算，包括确定系统能量输入与输出。 带反应过程的能量衡算： 综合应用物料衡算与反应热计算，对发生化学反应并伴随能量交换的过程进行能量衡算。 算例分析与习题： 提供大量不同难度的算例，涵盖典型化工单元操作和反应过程，引导学生掌握物料衡算与能量衡算的解题思路与技巧。 第三章：流体流动与传递 流体的性质： 详细介绍液体的密度、粘度、表面张力以及气体的可压缩性、粘度等关键流体性质，并分析这些性质对流体行为的影响。 静止流体的力学： 阐述静压、浮力、帕斯卡原理等概念，并讲解在化工设备中静流体的压力分布与计算。 流体流动的基本原理： 介绍流体流动的分类（层流与湍流），雷诺数及其意义。详细讲解伯努利方程，并分析其在流体输送和能量转化中的应用，同时指出其适用条件和修正。 管路流动与阻力损失： 深入分析流体在圆形和非圆形管道中的流动，重点讲解摩擦损失和局部阻力损失的计算方法，以及达西-韦斯巴赫公式的应用。 流体输送机械： 介绍各种类型的流体输送设备，如泵（离心泵、容积泵）、风机、压缩机等，并分析其工作原理、性能曲线和选择原则。 流体计量与控制： 讨论流量计（如孔板、文丘里管、涡轮流量计）和压力控制器的基本原理与应用。 流体在多孔介质中的流动： 讲解流体在填料层、滤饼等介质中的流动规律，介绍其渗透性与阻力特征，为过滤、吸附等单元操作奠定基础。 第四章：传热 传热基本定律： 详细阐述傅里叶导热定律、牛顿冷却定律、斯蒂芬-玻尔兹曼定律，并讲解其在不同传热方式（导热、对流、辐射）中的应用。 传导传热： 分析平面壁、圆筒壁等简单几何体的稳态与非稳态导热问题，引入热阻概念。 对流传热： 区分自然对流与强制对流，介绍对流传热系数及其影响因素（流体性质、流速、几何形状）。讲解无量纲数（努赛尔数、雷诺数、普朗特数）在对流传热计算中的作用。 辐射传热： 探讨黑体、灰体辐射特性，以及表面间的辐射换热计算，尤其是在高温过程中的应用。 复合传热： 分析包含两种或多种传热方式的复杂过程，如通过壁面的导热与对流组合。 传热设备： 介绍常见的传热设备，如换热器（管壳式、板式）、加热炉、蒸发器等，讲解其结构、传热原理和设计计算要点。 传热过程的强化： 讨论提高传热效率的方法，如增加换热面积、强化流体扰动、利用翅片等。 第五章：传质 传质基本定律： 引入菲克扩散定律，区分分子扩散与对流扩散。讲解传质系数与传质阻力概念。 相平衡： 深入讲解气液平衡（拉乌尔定律、亨利定律、相图）、液液平衡、固液平衡等，并介绍其在分离过程中的重要性。 气体吸收与蒸馏： 吸收： 详细介绍气体吸收原理，讲解吸收塔的设计计算，包括传质单元法和传质表面积法。讨论吸收剂的选择与回收。 蒸馏： 阐述蒸馏分离原理，介绍塔板式和填料塔的结构与工作原理。讲解相平衡图、相对挥发度、塔顶与塔底采出物的组成计算。重点介绍连续精馏、间歇精馏、带式精馏等不同蒸馏操作。 萃取： 介绍液液萃取原理，讨论萃取剂的选择、萃取设备（如萃取塔、混合澄清槽）的设计与操作。 吸附： 讲解固体吸附原理，介绍吸附剂的种类与选择，以及吸附设备的类型与操作。 结晶： 阐述结晶过程的原理、影响因素及结晶设备。 传质过程的强化： 探讨提高传质效率的方法，如增加传质面积、强化相间接触、优化操作条件等。 第二篇：化学反应工程 本篇将深入探讨化学反应的工程化应用。 第六章：化学反应动力学 反应速率与反应级数： 详细解释反应速率的概念，并讲解如何通过实验测定反应级数和速率常数。 影响反应速率的因素： 深入分析温度、浓度、催化剂、压力等因素对反应速率的影响，并引入阿伦尼乌斯方程和范特霍夫方程。 均相反应动力学模型： 介绍零级、一级、二级反应的动力学方程，以及复合反应（平行反应、串联反应）的动力学分析。 催化反应动力学： 探讨多相催化反应的机理，如Langmuir-Hinshelwood机理、Eley-Rideal机理等，并介绍催化剂的失活与再生。 非均相反应动力学： 讨论气固、气液、液液等非均相反应的动力学特点，分析传质和反应速率的耦合作用。 第七章：理想反应器设计 反应器类型： 介绍不同类型的理想反应器，包括间歇反应器（Batch Reactor）、连续流动搅拌釜反应器（CSTR）和管式反应器（PFR）。 间歇反应器： 讲解其工作原理，并推导不同反应级数的间歇反应器设计方程，分析其转化率与反应时间的关系。 连续流动搅拌釜反应器（CSTR）： 阐述其稳态操作，并推导其设计方程，分析单塔和多塔串联CSTR的转化率。 管式反应器（PFR）： 讲解其一维流动假设，并推导其设计方程，分析其转化率与体积的关系。 反应器性能比较： 综合比较不同理想反应器的转化率、停留时间分布等特性，为实际反应器选型提供依据。 停留时间分布（RTD）： 引入RTD的概念，并分析其在非理想反应器模型中的应用。 第八章：非理想反应器 非理想反应器的概念： 解释实际反应器偏离理想模型的原因，如返混、死区、短路等。 非理想反应器模型： 介绍常用的非理想反应器模型，包括缩混模型（Tadmor-Dahod-Bhavra模型）、扩散模型、沟流模型等。 模型参数的测定： 讲解如何通过示踪实验测定反应器的停留时间分布，并确定模型参数。 非理想反应器的优化： 分析非理想反应器参数对反应器性能的影响，并提出优化设计和操作的建议。 第九章：多相反应器 多相反应的特点： 探讨气-固、气-液、液-液、固-固等多种相态的化学反应，分析相间传质在反应过程中的控制作用。 气-固反应器： 介绍固定床反应器、流化床反应器等，分析其结构、传质传热特点及适用范围。 气-液反应器： 讲解鼓泡塔、填料塔、喷雾塔等气液接触设备，分析其传质效率和反应动力学。 液-液反应器： 介绍混合器、萃取塔等液液反应设备，分析其传质阻力和反应过程。 催化反应器设计： 综合考虑反应动力学、传质传热、催化剂特性等因素，进行多相催化反应器的设计与优化。 第三篇：化学工程单元操作与过程 本篇将介绍化学工程中的关键单元操作和过程。 第十章：分离过程 蒸馏： 深入讲解多组分蒸馏、共沸蒸馏、萃取蒸馏、惰性气体蒸馏等高级蒸馏技术，并介绍连续蒸馏塔的详细设计计算，包括塔板效率、回流比、塔径与塔高计算。 吸收： 进一步研究吸收塔的设计，包括吸收剂的选择、单程吸收、多程吸收、填料塔与板式塔的对比选择。 萃取： 详细介绍多级萃取、逆流萃取的设计与计算，以及固液萃取操作。 吸附： 讨论固定床吸附器（间歇与连续操作）的设计，以及分子筛、活性炭等吸附剂的应用。 结晶： 介绍不同类型的结晶器，如冷却结晶器、蒸发结晶器、结晶过滤洗涤一体机，并讨论晶体粒度分布的控制。 膜分离技术： 介绍反渗透、纳滤、超滤、微滤等膜分离技术的基本原理、设备结构和应用领域。 其他分离技术： 简要介绍气液分离（如旋风分离器、湿式除尘器）、固液分离（如沉降、过滤、离心分离）、固气分离（如袋式除尘器）等。 第十一章：粉碎与筛分 粉碎目的与设备： 介绍粉碎的目的（提高反应速率、便于输送储存、改善产品质量等），以及各类粉碎设备（如颚式破碎机、球磨机、雷蒙磨、剪切式粉碎机）的工作原理、适用物料和操作特点。 粉碎过程的能量消耗： 讲解邦德定律、里希特定律等，分析粉碎过程中的能量消耗与效率。 筛分原理与设备： 阐述筛分的物理原理，介绍各种类型的筛子（如振动筛、滚筒筛、倾斜筛）的结构、工作方式和应用。 筛分效率与操作： 分析影响筛分效率的因素，并介绍如何优化筛分操作以获得所需粒度分布的产品。 第十二章：混合与搅拌 混合目的与类型： 介绍混合的目的（提高传质传热效率、使反应物均匀分布、悬浮固体等），并区分液-液混合、固-液混合、气-液混合等类型。 搅拌设备： 详细介绍不同类型的搅拌器（如桨式、涡轮式、推进式、锚式）及其叶轮结构，分析其在不同流体粘度与混合要求下的适用性。 混合过程的评价指标： 介绍混合均匀度、混合时间等评价指标，并讲解如何通过实验测定。 功率消耗与放大： 分析搅拌功率的计算，以及搅拌器从模型到工业规模的放大方法。 第十三章：固-液分离 过滤： 详细介绍过滤的原理，区分恒压过滤与恒速过滤。介绍板框压滤机、带式过滤机、真空过滤机等不同过滤设备的工作原理、操作特点和适用范围。分析滤饼的性质对过滤效率的影响。 沉降： 讲解重力沉降、离心沉降的原理。介绍沉降槽、离心机等设备，分析其分离效率。 絮凝与澄清： 介绍絮凝剂的作用机制，以及在固液分离中的应用。 第十四章：干燥 干燥基本原理： 阐述物质中的水分蒸发与扩散机制，引入传质与传热的耦合作用。 干燥曲线： 详细分析恒速和降速干燥阶段的特征，以及临界含水率的概念。 干燥设备： 介绍各种类型的干燥设备，如烘箱、带式干燥机、喷雾干燥机、流化床干燥机、真空干燥机等，分析其工作原理、结构特点、适用物料及优缺点。 干燥过程的优化： 讨论影响干燥速率的因素，如温度、湿度、气流速度、物料性质等，并提出优化干燥过程的建议。 第四篇：过程控制与安全 本篇将关注化学过程的自动化控制与安全生产。 第十五章：化学过程的自动化控制 控制系统的基本组成： 介绍控制器、传感器、执行器等组成部分，以及反馈控制、前馈控制等基本控制策略。 仪表与传感器： 介绍温度计、压力计、流量计、液位计等常用仪表的工作原理和选型。 控制器类型： 讲解比例（P）、积分（I）、微分（D）控制及其组合（PID）的原理和应用。 控制回路的稳定性与响应： 分析控制回路的响应特性，如超调量、衰减比等，并介绍根轨迹、伯德图等分析工具。 典型过程的控制： 以温度控制、压力控制、流量控制、液位控制为例，讲解实际过程的控制方案设计。 第十六章：化学过程安全 危险性辨识与评估： 介绍化学品的危险特性（易燃、易爆、毒性、腐蚀性等），以及 HAZOP、FMEA 等危险性分析方法。 工艺安全设计： 强调在设计阶段就融入安全理念，包括设备选型、材料选择、防爆设计、泄压装置等。 火灾与爆炸的预防： 讲解防火防爆措施，如惰性化、通风、静电消除、火灾报警与灭火系统。 化学品泄漏的控制与应急响应： 介绍泄漏预防措施，以及泄漏发生后的应急处理程序，包括围堵、收集、处理和人员疏散。 操作安全规程： 强调操作人员的培训、个人防护装备（PPE）的使用、安全检查与记录的重要性。 环境安全： 讨论化学过程对环境的影响，包括废气、废水、固体废物的处理与排放控制，以及绿色化学原则的应用。 第五篇：化学工程的应用与展望 第十七章：化学工程在不同工业领域的应用 石油化工： 炼油、乙烯、芳烃等过程的设计与操作。 能源工程： 化石燃料的转化、可再生能源（如生物质能、氢能）的利用。 材料科学： 高分子材料、纳米材料、复合材料的合成与加工。 制药与生物工程： 药物合成、生物发酵、基因工程等过程。 环境保护： 污染物控制、废水处理、大气污染防治。 食品工程： 食品加工、保鲜、分离等过程。 第十八章：化学工程的未来发展 绿色化学与可持续发展： 强调环境友好型工艺、可再生资源的利用、减少废物排放。 过程强化技术： 探索微反应器、膜反应器、超临界流体技术等创新工艺。 过程集成与优化： 利用先进的数学建模与仿真工具，实现能量与物料的优化配置。 智能制造与人工智能： 探索大数据、机器学习在过程优化、故障诊断、安全预警中的应用。 交叉学科发展： 展望化学工程与其他学科（如材料、生物、信息、物理）的融合，催生新的技术与应用。 本书通过系统性的理论讲解、丰富的工程实例、详实的算例分析，旨在帮助读者构建一个坚实的化学工程知识框架，激发对化学工程领域的兴趣，并为未来深入学习和投身于这一充满挑战与机遇的学科做好充分准备。
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