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出版者:

作者:Colin Oloman

出品人:

页数:296

译者:

出版时间:2009-5

价格:398.00元

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isbn号码:9781848163690

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• 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

深入理解现代化学过程：从基础原理到前沿应用 本书旨在为工程、环境科学及相关领域的学生和专业人士提供一个全面而深入的教程，专注于现代化学过程的核心——反应工程学原理及其在可持续发展中的应用。 本书摒弃了传统教科书中对单一单元操作的机械式罗列，转而采用系统化、集成化的视角，探讨如何设计、分析和优化复杂的化学反应系统，以实现更高的效率、更低的能耗和更小的环境足迹。我们相信，理解反应背后的热力学驱动力、动力学速率限制以及反应器结构的协同作用，是解决当代工业挑战的关键。 全书结构清晰，逻辑严密，分为六大部分，共计二十章，层层递进，确保读者能够构建起坚实的理论基础并熟练掌握实际应用技能。 --- 第一部分：反应过程的基础热力学与平衡分析 (Foundations: Thermodynamics and Equilibrium Analysis) 本部分为后续章节奠定理论基石，重点关注化学反应的内在驱动力和限制。 第一章：化学过程的能量视角 本章从宏观热力学出发，回顾了能量守恒定律在化学系统中的具体体现。详细介绍了焓变、熵变以及吉布斯自由能（$Delta G$）作为反应自发性判据的精确计算方法。特别探讨了非理想体系中活度系数的重要性，以及如何利用状态方程（如Peng-Robinson和Soave-Redlich-Kwong）来准确预测高压、多相体系的平衡性质。 第二章：反应平衡的精确定量 深入探讨化学平衡常数 ($K$) 与温度的关系——范特霍夫 (van't Hoff) 方程的精确应用。本章不仅展示了如何根据实验数据拟合热力学参数，还引入了先进的计算化学工具（如基于密度泛函理论的计算结果）来验证或预测复杂反应的平衡组成。重点分析了均相、非均相以及电化学反应的平衡限制。 第三章：相平衡与反应耦合 化学反应往往伴随着相态的改变（如沉淀、汽化）。本章专门研究了反应平衡与相平衡的耦合问题，特别是涉及固液平衡（SLE）和气液平衡（VLE）的系统。通过引入反应平衡位移模型（Reaction Equilibrium Shift Models），读者将学习如何设计能够有效分离产物或利用产物相态进行反应驱动的流程。 --- 第二部分：反应速率与动力学 (Kinetics and Rate Phenomena) 理解反应“能走多快”与“能走到哪一步”同等重要。本部分聚焦于速率的量化和机理分析。 第四章：反应速率定律与机理推导 本章详细阐述了速率定律的建立，区分了元素反应和整体反应。对零级、一级、二级反应的积分和微分求解进行了详尽的数学推导。高级主题包括：使用隔离法（Isolation Method）和初始速率法（Initial Rate Method）来解构复杂反应机理，以及处理连锁反应和自由基反应的特殊动力学问题。 第五章：催化剂的表面化学与活性 催化是现代化学工业的灵魂。本章深入探讨了非均相催化剂的物理化学基础：活性位点理论、吸附热力学（朗缪尔、Temkin等模型）以及催化反应的表面动力学。着重分析了催化剂失活（积碳、烧结）的机制，并介绍了钝化和再生策略。 第六章：反应动力学的实验测量与数据拟合 强调从实验数据中提取可靠动力学参数的重要性。本章涵盖了反应量热法、原位光谱技术（如IR、Raman）在反应监测中的应用。重点教授如何使用非线性回归和统计工具包（如最小二乘法）来拟合动力学模型，并评估模型参数的可靠性与不确定性。 --- 第三部分：理想反应器设计与分析 (Design of Ideal Reactors) 本部分是化工单元操作的核心，侧重于理论上完美的反应器模型。 第七章：间歇式反应器 (Batch Reactor) 的优化操作 分析了间歇反应器在小批量、高附加值产品生产中的优势。详细探讨了不同操作模式（等温、绝热）下的转化率与时间关系，以及如何通过温度编程（Temperature Programming）来最大化特定产物的选择性。 第八章：连续流理想反应器 (CSTR 与 PFR) 本章对比了连续搅拌釜式反应器 (CSTR) 和管式反应器 (PFR) 的设计方程。通过引入德拜数 (Damköhler Number) 和皮克莱特数 (Peclet Number)，系统分析了空间时间、体积和反应物浓度之间的关系。重点讲解了串联 CSTRs 的等效性能分析，以及 PFR 在高转化率应用中的体积优化。 第九章：多相反应器的基础模型 针对气-固、液-固等涉及相界面传质的反应，本章介绍了多相反应器（如固定床、流化床）的简化模型。讨论了“有效反应速率”的概念，即如何将反应动力学与相间和相内传质速率耦合起来进行工程设计。 --- 第四部分：非理想反应器行为与放大效应 (Non-Ideal Behavior and Scale-Up) 将理论模型应用于现实世界的复杂性，处理偏离理想状态的反应器。 第十章：传热在反应器设计中的关键作用 反应热管理是安全与效率的核心。本章深入分析了反应器的传热方程，包括夹套、内盘管和外冷却系统。详细讨论了热失控 (Thermal Runaway) 的风险评估，并介绍了绝热反应器设计中的最大可操作温度 (MAOT) 计算。 第十一章：反应器的返混与停留时间分布 (RTD) 现实中的反应器不可避免地存在返混 (Backmixing)。本章引入了停留时间分布 (RTD) 理论，使用脉冲响应实验来表征反应器的非理想流动。通过坦布尔模型 (Tumbling Model) 和活塞-与-塞模型 (PFR-CSTR Models)，定量分析返混对反应转化率和选择性的负面影响。 第十二章：反应器放大 (Scale-Up) 的工程挑战 从实验室到工业规模的放大过程充满了挑战。本章系统性地探讨了放大过程中必须保持恒定的关键参数（如Péclet数、界面传质系数、热流密度），并提出了不同反应器类型（如微反应器、环形反应器）在放大过程中需采取的不同设计策略。 --- 第五部分：反应工程与环境可持续性 (Reaction Engineering for Sustainability) 本部分将反应工程原理直接应用于解决环境问题和推动绿色化学。 第十三章：绿色溶剂与反应介质的工程化 讨论了超临界流体（如$ ext{sc-} ext{CO}_2$）、离子液体和深共熔溶剂在反应过程中的应用。重点分析了这些新型介质如何改变反应动力学、提高选择性，以及如何设计相应的回收和循环系统。 第十四章：污染物降解反应动力学 专门研究高级氧化过程 (AOPs) 中活性自由基的生成与消耗动力学。通过对光催化反应器（如TiO2系统）的建模，评估了污染物在不同光照强度和流速下的降解效率，强调了传质限制在水处理反应器中的主导作用。 第十五章：生物催化与酶反应器设计 将化学反应工程的概念扩展到生物过程。本章分析了酶催化反应的米氏方程 (Michaelis-Menten kinetics)，并讨论了酶在固定化和多相反应器中的设计，侧重于如何通过流体动力学控制来最小化酶失活。 --- 第六部分：过程集成与先进控制 (Process Integration and Advanced Control) 面向未来工厂的需求，本部分关注系统层面的优化。 第十六章：反应-分离集成系统 介绍了反应精馏 (Reactive Distillation, RD) 和反应结晶 (Reactive Crystallization) 等集成技术。通过热力学和动力学的联合分析，展示了如何通过集成单元操作来突破传统分离的限制，并实现更高的能源效率。 第十七章：反应过程的优化理论 引入最优控制理论在反应器操作中的应用。包括使用拉格朗日乘数法确定反应过程的最佳温度/压力轨迹，以及在存在多个相互竞争反应时，如何利用在线反馈实现对选择性的实时调控。 第十八章：过程安全与反应器设计 从反应工程角度深入探讨化学过程安全。内容涵盖反应风险评估 (PHA)、反应热累积模型、压力释放系统设计（如破裂盘和安全阀的尺寸计算），确保设计满足最严格的行业安全标准。 第十九章：过程建模与仿真工具 介绍如何使用商业流程模拟软件（如Aspen Plus, gPROMS）来构建全流程反应模型。重点演示如何将复杂的非线性动力学模块集成到流程模拟环境中，用于灵敏度分析和流程优化。 第二十章：未来展望：智能反应器与数字化转型 展望下一代反应工程：探讨利用人工智能和机器学习来加速新催化剂的筛选、预测反应器内的复杂流场，以及实现反应过程的自主运行与优化。 --- 通过对这些核心主题的系统性阐述，本书不仅教授了“如何计算”，更培养了读者对化学反应过程内在机制的深刻理解，为他们在工程实践中解决复杂、多尺度、多约束的反应挑战做好充分准备。

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这本书的书名“Material and Energy Balances for Engineers and Environmentalists”立刻引起了我的注意，因为它直接点出了一个在我看来极为关键的主题。 在工程领域，精确的物料和能量衡算是任何设计、操作和优化的基石。 而“Environmentalists”的加入，则为这本书增添了一层特殊的意义，意味着它不仅仅是枯燥的计算，更承载着对地球可持续发展的考量。 我非常期待这本书能够提供一套系统性的方法，帮助读者理解如何在实际的工程和环境问题中应用衡算原理。 我希望它能涵盖从基础概念到高级应用的各个方面，例如化学反应、相平衡、传热传质过程中的衡算，以及在水处理、大气污染控制、固废处理等环境工程领域的具体应用。 另外，我非常好奇书中会对“环境士”这个群体提供哪些定制化的内容，是否会侧重于如何利用衡算来评估环境影响、设计更环保的工艺，或者进行资源循环利用的分析？ 例如，在评估一个发电厂的环境足迹时，我希望这本书能指导我如何精确计算燃料消耗、二氧化碳排放，以及废热的去向，并进一步思考如何减少这些环境负荷。 我也期待书中能够解释如何将这些衡算数据转化为有用的决策依据，从而推动更清洁、更高效的生产方式。

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这本书的书名“Material and Energy Balances for Engineers and Environmentalists”让我觉得它可能是一本非常实用且具有前瞻性的书籍。 “Material and Energy Balances”是工程科学的核心，几乎所有与物质和能量转化相关的领域都离不开它。 而“for Engineers and Environmentalists”的定位，则暗示了这本书的目标读者群体非常广泛，并且将工程计算与环境可持续性紧密结合。 我希望这本书能够提供一种全面的视角，解释如何在实际的工程设计和环境管理中有效地运用物料和能量衡算。 也许书中会包含很多实际的案例研究，展示如何应用这些原理来解决真实世界的问题，比如优化工业生产过程以减少能源消耗和废物产生，或者评估新型环保技术的经济可行性和环境效益。 我对书中关于如何将衡算结果转化为指导性建议的部分特别感兴趣，比如如何根据衡算数据来改进工艺流程，选择更环保的原材料，或者设计更有效的污染控制措施。 我希望这本书能够不仅提供计算方法，更能启发读者从更宏观的角度思考问题，理解物质和能量流动对环境和经济的深远影响。 比如，在分析一个大型化工项目时，我期待书中能指导我如何全面评估项目的物料投入、能源消耗、产品产出，以及可能产生的废弃物和污染物，并据此提出更优化的设计方案，以实现经济效益和环境效益的双赢。

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这本书的标题“Material and Energy Balances for Engineers and Environmentalists”立刻吸引了我，因为它精准地触及了两个关键领域——工程学和环境科学。 这意味着它很可能是一本桥梁书，能够连接这两个看似独立但又紧密相关的学科。 我尤其关注它如何处理“环境士”这个定位，因为这意味着它不仅仅是关于传统的工程计算，更包含了对环境影响的深刻理解和责任。 我希望书中能够解释清楚，在进行物料和能量衡算时，如何将环境因素纳入考量，例如评估生产过程中产生的废弃物数量和成分，计算温室气体排放量，或者分析能源消耗对环境造成的负担。 我期待书中能提供一些指导，帮助读者理解如何在设计和运营过程中，最小化对环境的负面影响，并推动绿色和可持续的实践。 比如，在分析一个化工厂的能量消耗时，书名暗示了它会引导读者不仅计算所需的燃料和电力，还会思考这些能量的来源及其对气候变化的影响。 同样，在处理工业废水时，除了计算排放水的总量和污染物浓度，书名也暗示了这本书会引导读者思考这些污染物对生态系统的潜在危害。 我对书中是否会包含一些关于生命周期评估（LCA）或环境成本核算的内容非常好奇，因为这些方法能够更全面地衡量一个过程的整体环境足迹。

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这本书的书名让我觉得它非常有价值，尤其是对于工程和环境领域的专业人士而言。 我一直对如何量化和管理材料和能源的流动很感兴趣，因为这直接关系到可持续发展和效率提升。 这个书名暗示了它会深入探讨这些核心概念，并提供实用的工具和方法。 我期待书中能够详细介绍物质守恒和能量守恒定律在实际工程问题中的应用，比如在化学反应器设计、化工过程模拟、以及能源系统的优化等方面。 同时，考虑到“环境士”这个词，书中应该还会涉及环境影响评估、污染控制和资源回收等内容，这些都是当下非常热门且亟待解决的问题。 我很好奇作者会如何将这些复杂的理论知识以一种清晰易懂的方式呈现出来，是会侧重于理论推导，还是会给出大量的案例分析和计算示例？ 我希望它能提供一个坚实的理论基础，同时又足够贴近实际工作，能够帮助读者解决在日常工作中遇到的具体挑战。 比如，在处理废水处理厂的物料衡算时，如何准确估算进出水量、污染物浓度以及化学药剂的消耗量，这些都需要严谨的计算和分析。 另外，在能源效率方面，书中是否会介绍一些节能减排的技术和策略，例如热泵技术、余热回收利用等？ 我觉得能够提供这些实操性的指导，将使这本书的价值倍增。

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我被这本书的书名深深吸引，特别是“Material and Energy Balances”这个核心概念，这对于任何从事科学和工程领域的人来说都是基础中的基础。 “for Engineers and Environmentalists”的附加说明则让我看到了它的广阔应用前景，它似乎旨在成为一本能够同时满足工程师和环境科学家的需求的教材或参考书。 我设想书中会深入探讨如何精确地计算物料和能量的输入、输出以及在系统内部的转化过程，这对于理解和优化任何流程都至关重要。 我很期待书中能提供清晰的理论框架，解释衡算的基本原理，以及如何将这些原理应用于各种复杂的工程系统，例如化工生产、能源转换、甚至是城市供水系统。 我特别想了解它在环境领域的应用，比如如何利用物料衡算来追踪和管理污染物的产生和扩散，或者如何通过能量衡算来评估可再生能源的效率和潜力。 如果书中能包含大量的实际案例，从简单的实验室实验到复杂的工业装置，那将非常有帮助。 我希望作者能够用简洁明了的语言，辅以图表和数学公式，来解释这些概念，让读者能够轻松地理解并应用于自己的工作中。 比如，在分析一个炼油厂的物料流动时，如何追踪原油的成分如何转化为各种成品油和副产品，以及其中涉及的能量消耗和损失。

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