Material and Energy Balances for Engineers and Environmentalists pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Oloman, Colin

出品人:

页数:268

译者:

出版时间:

价格:$ 90.40

装帧:

isbn号码:9781848163683

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图书标签:

• 化学工程
• 环境工程
• 物质平衡
• 能量平衡
• 工程计算
• 化工原理
• 环境科学
• 过程工程
• 传质
• 热力学

《化工过程优化与控制：现代工程实践的基石》 内容提要 本书系统阐述了化工过程优化与控制的理论基础、先进方法及其在现代工业生产中的应用。全书聚焦于如何通过精细化的过程管理，实现生产效率的最大化、能源消耗的最小化以及产品质量的稳定控制。本书不仅涵盖了传统的过程控制技术，如PID控制及其改进算法，更深入探讨了先进过程控制（APC）的前沿技术，包括模型预测控制（MPC）、鲁棒控制以及基于人工智能的自适应控制策略。此外，本书对化工过程的动态特性建模、系统辨识、优化理论（线性规划、非线性规划及启发式算法）进行了详尽的分析和阐述，为工程师和研究人员提供了一套完整的、可操作的解决方案。 第一章：化工过程动态特性与建模基础 本章奠定了过程控制和优化的理论基础。首先，从化工过程的物理化学本质出发，解析了单元操作（如反应器、精馏塔、换热器）的瞬态行为。详细介绍了不同建模方法的适用性：从机理建模（基于质量、能量和动量守恒定律）的建立过程，到经验模型和黑箱模型的辨识技术。重点讨论了过程的线性化处理，包括泰勒级数展开法在描述非线性系统近稳态行为中的应用。为后续的控制器设计，本章引入了传递函数、状态空间表示法，并用实例说明了如何利用工业数据进行系统辨识，确定系统的增益、时间常数和死区。本章强调了模型准确性对后续控制性能的决定性影响。 第二章：经典过程控制系统设计与实现 本章深入讲解了工业界应用最广泛的经典控制策略。详细剖析了比例-积分-微分（PID）控制器的基本原理、结构及其对过程扰动的响应特性。针对PID参数整定这一核心难题，系统介绍了Ziegler-Nichols、Cohen-Coon等经验整定法，并侧重于基于模型的精确整定方法，如基于波德图和根轨迹分析的分析设计。此外，本章还探讨了高级经典控制器的应用，包括前馈控制、反馈与前馈的组合控制，以及解耦控制在多变量系统中的应用，旨在克服单回路控制的局限性。本章配备了大量的仿真案例，展示了不同控制策略在应对负载变化和外部干扰时的性能对比。 第三章：先进过程控制（APC）理论与技术 本章是全书的重点，聚焦于现代化工过程控制的核心——先进过程控制。首先，详尽阐述了模型预测控制（MPC）的数学框架，包括其在线优化问题（二次规划或二次规划问题）的求解、滚动时域概念以及约束处理能力。深入分析了MPC在处理系统耦合性、预测未来干扰以及实现多目标优化方面的优越性。随后，本章引入了鲁棒控制理论，探讨了如何设计在模型不确定性或系统动态变化时仍能保证稳定性和性能的控制器，如$H_{infty}$控制的原理和应用场景。此外，本章也展望了非线性MPC（NMPC）和数据驱动的自适应控制策略，为处理高度非线性、时变系统提供了前沿工具。 第四章：化工过程优化：稳态与动态优化 本章将优化理论应用于化工过程的性能提升。首先，在稳态优化方面，详细介绍了线性规划（LP）、非线性规划（NLP）在确定最佳操作点（如最大化利润、最小化能耗）中的应用。重点分析了拉格朗日乘数法在处理等式和不等式约束下的最优化问题中的应用。其次，在动态优化方面，探讨了如何利用变分法和庞特里亚金极大值原理来确定最优的控制轨迹，例如在批次反应器或间歇操作中的最优加热/冷却曲线设计。本章结合实际案例，如精馏塔的能耗最小化优化和反应选择性的提升，展示了如何将数学优化技术转化为实际的经济效益。 第五章：数据驱动控制与人工智能在化工中的融合 随着工业大数据和计算能力的飞速发展，本章探讨了数据驱动方法在过程控制与优化中的新兴应用。内容涵盖了基于机器学习的软测量技术，即如何利用传感器数据建立准确的、难以直接测量的关键变量模型。深入讨论了强化学习（RL）在复杂、高维控制问题中的潜力，包括如何利用RL智能体在仿真环境中学习最优的控制策略，以应对传统模型无法准确描述的强非线性或未知动态。本章还涉及了基于小波分析和神经网络的状态估计与故障检测技术，为提升过程的可靠性和安全性提供技术支持。 第六章：过程安全、可靠性与先进诊断 过程安全是化工生产的生命线。本章从控制系统的角度探讨了安全仪表系统（SIS）的设计原则和功能安全标准（如IEC 61511）。重点讨论了过程安全控制与过程优化控制之间的层级划分与协同工作机制。此外，本章深入研究了基于模型的故障诊断（Model-Based Fault Detection and Isolation, FDI）方法，通过残差分析和状态观测器技术，实现对传感器漂移、执行器卡涩和过程参数异常的早期预警和精确隔离，确保控制系统在高风险操作环境下的长期稳定运行。 读者对象 本书内容深度适中，理论严谨且工程实例丰富，尤其适合以下读者： 1. 化工、化学工程、过程控制专业的高年级本科生和研究生：作为核心教材或参考书，帮助建立扎实的理论基础和实际应用能力。 2. 化工、石油、冶金、制药等流程工业的工艺工程师、控制工程师：帮助读者理解和应用先进的控制优化技术，提升现有生产装置的运行效率和稳定性。 3. 从事过程建模、仿真与优化研究的科研人员：提供全面的理论框架和前沿技术综述，激发新的研究方向。 本书旨在将深奥的控制与优化理论转化为工程师可直接采纳的实用工具，是推动现代流程工业向智能化、高效化迈进的重要参考资料。

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从内容编排的角度来看，这本书确实做到了循序渐进，层层递进。一开始，作者就以非常基础的概念入手，比如物质的分类、密度、摩尔质量等，这些都是构建后续复杂模型的基础。然后，逐步引入化学反应的计量学，以及如何计算反应物和产物的摩尔数和质量。这一点非常重要，因为许多工程过程都涉及到化学反应。当我对这些基本操作熟悉之后，书中就开始介绍质量衡算，包括稳态和非稳态过程的质量平衡方程，以及如何处理多组分系统和循环流。每一次的知识更新，都建立在之前的基础上，让我有一种“步步为营”的安全感。最让我感到惊喜的是，书中还专门开辟了一个章节来讲解“环境影响评估”与能量和物质平衡的关联。这部分内容对于理解工程项目对环境的潜在影响，以及如何通过优化设计来减少负面效应，提供了宝贵的视角。它让我意识到，工程不仅仅是关于效率和成本，更是关于责任和未来。这种跨学科的融合，使得这本书的价值远远超出了传统的工程技术书籍。

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这本书的语言风格非常独特，既有学术研究的严谨性，又不失对读者需求的体察。作者在解释一些复杂的计算方法时，会非常细致地分解每一步骤，并用清晰的逻辑箭头来引导思路，确保读者不会迷失在公式和符号之中。而且，书中经常会穿插一些“思考题”和“讨论题”，鼓励读者主动去思考、去运用所学知识。这让阅读过程变得更加互动，也更能激发学习的兴趣。我还发现，作者在引用参考文献时，非常严谨，并且尽可能地选择了那些经典且有影响力的研究。这让我对书中所 presented 的理论和方法更有信心。值得一提的是，书中关于“过程模拟”的部分，虽然篇幅不长，但却为我打开了新的视野。它简要介绍了如何利用计算机软件来模拟和优化工程过程，这在当今的工程实践中已经变得越来越重要。尽管我暂时还没有机会去实践这些模拟，但了解其基本原理，对我未来的学习和工作都将大有裨益。总而言之，这本书提供了一种非常扎实的理论基础，同时也为未来的学习和实践指明了方向。

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我最喜欢这本书的一点是它对“权衡”的强调。在工程设计和环境保护领域，几乎没有完美的解决方案，总需要在不同的目标之间做出权衡。这本书恰恰在这个方面提供了深刻的见解。例如，在讨论能源效率时，书中会详细分析提高效率所带来的成本增加，以及不同能源来源的经济和环境成本。它不会简单地告诉你“最优解”，而是引导你去理解“为什么某个选择是在特定条件下最优的”。这种批判性思维的培养，对于每一个未来的工程师和环保工作者来说都至关重要。书中关于“生命周期评估”（LCA）的介绍，也让我受益匪浅。它不仅仅关注产品或过程的某个阶段，而是从原材料的获取到最终的废弃处理，全面考量其环境和社会影响。这是一种更加宏观和长远的视角，对于制定可持续发展战略非常有价值。我个人认为，这本书的内容涵盖了从基础理论到前沿应用的广泛光谱，并且在每一个环节都展现出了作者深厚的功底和丰富的实践经验。它不仅仅是一本教科书，更像是一位经验丰富的导师，引领我在材料和能量的世界里不断前行。

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不得不说，这本书的理论深度和广度都令人印象深刻。我特别赞赏作者在讲解每个核心概念时，都会追溯其历史渊源，并将其与实际应用场景紧密结合。例如，在探讨能量衡算时，书中详细介绍了热力学第一定律的演变过程，以及它是如何从牛顿力学的框架中逐渐独立出来，成为描述能量转化和守恒的关键。这让我不仅理解了“为什么”，更理解了“怎么用”。书中关于“焓”、“熵”等关键热力学属性的解释，也非常到位，避免了许多教科书中常见的枯燥和晦涩。通过大量精选的例题，我能清晰地看到这些概念如何在化工、材料生产乃至环境保护的实际问题中得到应用。书中的图表绘制技术也非常高超，无论是过程流程图（PFD）还是流程与仪表流程图（P&ID）的解读，都显得清晰明了，极大地帮助了我的理解。而且，作者在讲解过程中，似乎一直在引导读者思考“效率”和“可持续性”这两个在当代工程领域至关重要的议题。对于像我这样希望将理论知识转化为实际解决能力的人来说，这无疑是一本宝藏。它提供的不仅仅是知识，更是解决问题的思维框架。

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这本书的封面设计就足够吸引人，深邃的蓝色背景，搭配上一些抽象的化学分子式和能量流动的示意图，营造出一种严谨又不失科学美感的氛围。我之前对“材料与能量平衡”这个概念并没有太深入的了解，只是模糊地知道它在工程和环境科学领域的重要性。然而，当我拿到这本书，翻开第一页，就被它清晰的排版和精美的插图所吸引。作者似乎花了大量心思去呈现那些复杂的概念，用通俗易懂的语言解释了诸如质量守恒、能量守恒定律在实际工程中的应用，以及这些基本原理如何支撑起现代工业的运行。我尤其喜欢书中关于“闭环系统”和“开环系统”的对比分析，让我能更直观地理解不同工艺流程的特点。书中的案例研究也十分详实，从炼油厂的生产过程到污水处理厂的效率评估，都一一涵盖，让抽象的理论知识瞬间落地，变得鲜活起来。我甚至可以在脑海中勾勒出那些设备运行的场景，仿佛身临其境。尽管我还没有深入阅读到所有章节，但仅凭前几部分的呈现，我已经对这本书的价值有了很高的期待。它不仅仅是一本教材，更像是一份通往理解物质世界运行规律的邀请函，让我迫不及待地想要继续探索下去。

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