具体描述
《物质的流动与转换：工程视角下的化学过程》 本书旨在为读者提供一个全面而深入的理解，关于物质在各种工程系统中的运输、分离与转化过程。我们将从基本原理出发，逐步深入到复杂系统的分析与设计，重点关注化学工程、过程工程以及相关领域中普遍存在的关键单元操作。本书的叙述逻辑清晰，理论阐述严谨，并辅以大量的实例分析，力求使读者不仅掌握抽象的理论，更能理解其在实际工业生产中的应用价值。 第一章：流体传质基础 流体传质是所有化学过程和单元操作的基石。本章将首先介绍流体静力学，包括压力、浮力等基本概念，以及它们在容器和管道中的分布规律。随后，我们将深入探讨流体动力学，重点关注粘性流体的运动特性，如层流与湍流的区别、雷诺数的重要性，以及伯努利方程在描述理想流体流动中的应用。在此基础上，我们将分析实际流体在管道中的流动，包括摩擦阻力、局部阻力等损耗的计算方法，以及泵和压缩机等提升设备的选型与性能分析。 第二章：动量传递：流体的流动与输送 动量传递是流体在流动过程中能量和速度传递的本质。本章将围绕流体动量传递展开。我们将从牛顿粘性定律出发，理解粘度的物理意义，并介绍不同流体粘度的测量方法。流体在管道内的流动是动量传递最典型的体现，我们将详细阐述达西-魏斯巴赫方程，分析不同管路参数（如管径、管长、管材粗糙度）和流体性质（如密度、粘度）对流动阻力的影响。此外，我们还将探讨流体在非圆截面管道、阀门、弯头等复杂几何形状中的流动，以及由此产生的局部阻力。对于工业生产中常见的流体输送设备，如各种类型的泵（离心泵、容积泵）和压缩机（离心式、轴流式、往复式），我们将分析其工作原理、性能曲线，并指导读者如何根据实际需求进行选型与操作。本章还将涉及流体的混合过程，包括静态混合器和动态混合器的设计原理，以及它们在实现均匀混合方面的作用。 第三章：能量传递：热量在过程中的传递与利用 能量传递，尤其是热量传递，在几乎所有的化学工程过程中都扮演着至关重要的角色。本章将系统地介绍热量传递的三种基本方式：传导、对流和辐射。我们将详细讲解傅里叶导热定律，分析固体、液体和气体中热传导的机制，以及材料导热系数的影响。对于热对流，我们将区分自然对流和强制对流，引入努塞尔数等无量纲准则，分析流体速度、物性参数以及边界条件对对流传热系数的影响。辐射传热部分，我们将介绍黑体辐射定律、斯忒藩-玻尔兹曼定律，以及物体表面辐射特性的重要性。 在掌握了基本传热机理后，我们将深入到实际的传热设备中。本章将详细介绍换热器的设计与应用，包括板式换热器、管壳式换热器等常见类型的工作原理、结构特点、传热计算以及选型原则。我们将分析换热器中的传热热阻，以及如何通过优化设计和操作来提高传热效率。此外，我们还将讨论相变传热，如蒸发和冷凝过程中的传热现象，以及它们在蒸馏、干燥等单元操作中的重要性。最后，本章还将涉及热量守恒与能量衡算，这是所有工程设计与过程分析的基础。 第四章：质量传递：物质的输运与分离 质量传递是化学工程的核心概念之一，它描述了物质在不同相或不同位置之间的迁移过程。本章将从分子扩散和对流扩散两个基本机制入手，解释物质如何实现宏观上的输运。我们将介绍菲克定律，并分析扩散系数的影响因素。在此基础上，我们将探讨物质在流体中的对流扩散，以及如何将其与流体流动结合起来分析。 本章的重点将放在各种质量传递单元操作上。我们将详细介绍蒸馏，包括相平衡理论（如拉乌尔定律、亨利定律）、挥发度、汽液平衡图，以及不同类型的蒸馏塔（如板式塔、填料塔）的设计与操作。我们将分析塔设备的传质过程，以及如何计算塔板数或填料高度。接着，我们将深入到吸收过程，解释吸收质和吸收剂之间的相平衡，介绍吸收塔的设计与操作，以及吸收系数的影响。 我们将同样详细地介绍吸附单元操作。我们将讨论不同吸附剂的性质，吸附等温线，以及固定床吸附器的设计原理和操作过程。此外，对于液-液萃取，我们将讲解萃取剂的选择、相平衡关系，以及萃取设备的类型（如萃取塔、萃取槽）和操作。最后，本章还将触及结晶过程，包括过饱和度、晶核生成与晶体生长，以及结晶器的设计与操作。 第五章：颗粒物料的输运与处理 在许多工业过程中，颗粒物料的输运和处理是不可避免的。本章将系统地介绍颗粒物料的性质，包括粒径分布、形状、密度、表面积等，并讨论这些性质如何影响颗粒的输运和行为。我们将详细阐述颗粒在流体中的沉降与悬浮，介绍斯托克斯定律，并分析不同颗粒尺寸和流体性质对沉降速度的影响。 本章将重点介绍颗粒物料的输运设备，如气力输送系统（包括稀相和密相输送）、螺旋输送机、链式输送机等。我们将分析这些设备的结构、工作原理、输送能力以及适用范围。此外，我们将探讨颗粒物的分离操作，包括筛分、沉降与离心分离。对于离心分离，我们将详细介绍离心机的类型（如沉降式离心机、过滤式离心机）及其工作原理。 本章还将涉及颗粒物的混合与造粒。颗粒物混合的均匀性是保证产品质量的关键，我们将介绍不同类型的混合器（如V型混合器、双锥混合器）以及影响混合效果的因素。造粒过程则是将细小粉末转化为较大颗粒的过程，我们将介绍湿法造粒和干法造粒的原理，以及流化床造粒机等常用设备。 第六章：多相流动的工程分析 多相流动是指由两种或两种以上不同相（如气-液、液-液、气-固、液-固）组成的流动体系。这种流动在许多化工过程中普遍存在，例如气-液在反应器中的混合，液-液在萃取过程中的接触，气-固在催化床中的反应等。本章将深入探讨多相流动的工程分析方法。 我们将首先分析气-液两相流的流动模型，包括泡状流、弹状流、环状流等，并讨论不同流动模型的特点以及它们对传质传热的影响。我们将介绍两相流动的压降计算方法，以及多相流动的相间动量、能量和质量传递的规律。对于气-固两相流，我们将重点关注颗粒在气流中的运动，如气力输送、流化床等。我们将分析颗粒的夹带、沉降以及气流对颗粒的作用力，并介绍流化床的流化起始速度、压降以及传质传热特性。 本章还将涵盖液-液两相流以及固-液两相流的工程问题。我们将分析液滴在连续相中的分散与聚结，以及气泡在液体中的上升与破裂。我们将介绍多相反应器中的工程设计要点，包括相间接触面积的优化、停留时间的分布以及反应速率的控制。理解多相流动的特性对于优化反应器设计、提高分离效率以及保障过程安全至关重要。 第七章：过程模拟与优化 随着计算技术的飞速发展，过程模拟已成为化学工程设计与分析不可或缺的工具。本章将介绍过程模拟的基本概念和常用软件，如Aspen Plus、HYSYS等。我们将讲解如何构建稳态和动态过程模型，包括物性数据库的建立、相平衡的计算、反应动力学的描述以及设备模型的选择。 本章将重点关注过程模拟在单元操作设计与优化中的应用。我们将演示如何利用模拟软件对蒸馏塔、换热器、反应器等关键设备进行设计和参数优化，以达到最佳的经济效益和技术性能。此外，我们将探讨过程优化技术，包括灵敏度分析、参数优化和目标函数设定，以寻找最优的操作条件。 最后，本章还将涉及过程控制和安全分析。通过过程模拟，我们可以预测过程在不同操作扰动下的响应，并为控制系统的设计提供依据。同时，过程模拟也是进行安全风险评估和 HAZOP 分析的重要工具，能够帮助识别潜在的危险并制定相应的预防措施。 本书内容涵盖了化学工程和过程工程领域中最核心的几个方面，从基础的流体流动、热量传递、质量传递，到颗粒物料的处理，再到复杂的多相流动和过程模拟。通过对本书的学习，读者将能够建立起对化学过程的系统性认识，掌握分析和设计各种单元操作的基本方法，并为解决实际工程问题打下坚实的基础。我们相信，本书将为化学工程师、过程工程师以及相关领域的学生和研究人员提供宝贵的参考和指导。
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