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工程化学导论：基础原理与应用 本书旨在为初学者提供一个全面而深入的工程化学基础知识体系。它涵盖了化学工程领域的核心概念，并强调了这些概念在实际工业过程中的应用。本书的目标是培养读者对工程化学的直观理解，使他们能够分析、设计和优化各种化学过程。 第一章：化学工程概述 本章将首先介绍化学工程作为一门学科的范畴和重要性。我们将探讨化学工程在现代社会中的角色，以及它如何连接科学发现与大规模工业生产。我们会简要回顾化学工程发展的历史，并展望其未来的发展趋势。接着，我们将深入阐述化学工程的核心任务，包括： 过程设计与开发： 如何将实验室的化学反应转化为工业规模的生产过程。 操作优化： 如何提高现有过程的效率、降低成本、减少能耗和环境影响。 产品开发： 如何利用化学原理创造新的材料和产品，满足社会需求。 安全与环境管理： 如何确保化学过程的安全运行，并最大程度地减少对环境的污染。 通过对这些核心任务的介绍，读者将对化学工程的广度和深度有一个初步的认识。 第二章：物质的衡算与能量的衡算 物质衡算是化学工程分析的基础，而能量衡算是理解过程热力学特性的关键。本章将详细讲解这两个基本原理： 物质衡算： 基本概念： 质量守恒定律，物料平衡的定义和重要性。 通用物质衡算方程： 输入 - 输出 + 生成 - 消耗 = 累积。 稳态与非稳态过程： 分别讲解两种情况下的物质衡算方法。 元素衡算与分子衡算： 讲解如何在复杂反应体系中进行衡算。 多单元过程的物质衡算： 介绍如何处理包含多个单元操作的复杂流程。 应用实例： 结合实际工业过程（如蒸馏、萃取、反应器）讲解物质衡算的具体应用，例如计算原料需求量、产品产率、循环物料比例等。 能量衡算： 热力学第一定律： 能量守恒定律在化学过程中的应用。 焓（Enthalpy）： 焓的概念、焓变的计算，以及它在过程中的意义。 热功当量： 功与热能之间的转换关系。 过程热效应： 反应热、相变热、混合热等的计算。 能量衡算方程： 输入 + 生成 - 输出 - 消耗 = 累积（针对能量）。 应用实例： 分析加热、冷却、蒸发、冷凝等过程所需的能量，以及反应器内的能量变化，从而指导设备选型和操作条件设定。 本章将通过大量的例题和练习，帮助读者熟练掌握物质衡算和能量衡算的计算技巧，为后续更复杂的工程分析奠定坚实基础。 第三章：流体流动 在化学工程中，流体（液体和气体）的输送和流动是极其普遍的现象，涉及管道、泵、压缩机等各种设备。本章将深入探讨流体的流动特性： 流体的基本性质： 密度、粘度、表面张力等。 流体静力学： 压强、静压和静压差的计算，浮力与阿基米德原理。 流体动力学： 雷诺数（Reynolds Number）： 区分层流和湍流，以及其在工程中的意义。 伯努利方程（Bernoulli's Equation）： 理想流体在恒定流道中的能量守恒方程。 实际流体的流动： 考虑粘性效应，引入压强损失的概念。 管道中的压强损失： 沿程压强损失： 由管道内壁摩擦引起，达西-韦斯巴赫方程。 局部压强损失： 由阀门、弯头、截面变化等引起。 流体输送设备： 泵（Pumps）： 离心泵、容积泵等的工作原理、性能曲线和选择。 压缩机（Compressors）： 气体压缩机的工作原理和类型。 多相流： 简要介绍气液、气固、液液等混合物料的流动特性，以及在工业生产中的挑战。 本章将重点关注如何计算管道系统中的压强损失，以及如何选择合适的流体输送设备，以满足工艺要求并降低能耗。 第四章：传热 传热在几乎所有的化学工程过程中都扮演着至关重要的角色，它涉及热量在不同介质间的传递，是加热、冷却、蒸发、冷凝等操作的核心。本章将详细讲解传热的基本原理和应用： 传热的基本方式： 热传导（Conduction）： 热量通过物质内部的微观粒子传递，傅里叶导热定律。 对流（Convection）： 流体流动带动热量传递，包括自然对流和强制对流。 辐射（Radiation）： 热量通过电磁波传递，斯特藩-玻尔兹曼定律。 传热速率方程： 传热系数（Heat Transfer Coefficient）： 描述单位温差、单位面积的传热速率。 传热面积（Heat Transfer Area）： 传热设备中实际进行热量交换的表面积。 温差（Temperature Difference）： 驱动热量传递的根本原因，平均温差的计算。 换热器（Heat Exchangers）： 基本类型： 管壳式换热器、板式换热器、空气冷却器等。 操作原理： 壳程、管程的流动方式，以及它们对传热效率的影响。 换热器设计： 如何根据物料性质、传热需求和操作条件来选择和设计换热器，包括传热面积的计算。 污垢（Fouling）： 污垢在换热器表面积聚对传热效率的影响，以及相应的对策。 相变传热： 沸腾与冷凝： 讲解汽液相变过程中的传热机理，以及影响传热速率的因素。 蒸发器（Evaporators）： 讲解蒸发器的类型、工作原理和在浓缩溶液中的应用。 本章将使读者能够理解各种传热现象，并掌握计算传热速率、设计换热设备的基本方法。 第五章：传质 传质是指物质在不同相或同一相中通过扩散和对流进行迁移的过程，它广泛应用于分离、吸收、干燥、萃取等操作。本章将深入探讨传质的基本原理： 传质的基本概念： 浓度（Concentration）： 物质在混合物中的含量表示。 扩散（Diffusion）： 物质从高浓度区域向低浓度区域迁移的无外力作用过程，菲克第一定律。 对流（Convection）： 流体流动带动物质迁移的过程。 传质速率方程： 传质系数（Mass Transfer Coefficient）： 描述单位浓度差、单位面积的传质速率。 传质面积（Mass Transfer Area）： 传质设备中实际进行物质传递的界面面积。 浓度差（Concentration Difference）： 驱动物质传递的根本原因，有效浓度差的计算。 相平衡（Phase Equilibrium）： 气液平衡： 亨利定律、拉乌尔定律，以及挥发度。 液液平衡： 溶解度、分配系数。 固液平衡： 溶解度。 传质单元操作： 吸收（Absorption）： 气体组分在液体中溶解的过程，例如烟气脱硫。 蒸馏（Distillation）： 利用组分挥发度差异进行分离的过程，例如原油分馏。 萃取（Extraction）： 利用溶质在不同溶剂中溶解度的差异进行分离的过程。 干燥（Drying）： 去除固体物料中水分或其他溶剂的过程。 结晶（Crystallization）： 从溶液中析出固体晶体的过程。 传质设备： 填料塔（Packed Towers）： 具有填充物，增加气液接触面积。 板式塔（Tray Towers）： 具有塔盘，实现气液的逐级接触。 喷雾塔（Spray Towers）： 液体以雾状喷出，与气流接触。 本章将使读者理解各种分离和传质过程的原理，并掌握设计和操作相关设备的基本方法。 第六章：化学反应工程基础 化学反应是化学工程的出发点，而化学反应工程则关注如何实现高效、安全、经济的化学反应。本章将介绍化学反应工程的基础知识： 化学反应动力学： 反应速率（Reaction Rate）： 反应物浓度随时间变化的速率。 反应级数（Reaction Order）： 反应速率与反应物浓度之间关系的数学表达式。 活化能（Activation Energy）： 反应发生所需的最低能量。 反应温度与反应速率的关系： 阿伦尼乌斯方程。 反应器（Reactors）： 理想反应器模型： 间歇反应器（Batch Reactor）： 反应物一次性加入，反应过程中不连续进料和出料。 连续搅拌釜反应器（CSTR - Continuous Stirred-Tank Reactor）： 进料和出料连续进行，反应器内物料均匀混合。 管式反应器（PFR - Plug-Flow Reactor）： 反应物流近似活塞流，没有轴向混合。 实际反应器的特点： 考虑非理想混合、返混、死区等对反应效率的影响。 反应器设计与选择： 反应器类型选择： 根据反应动力学、传热要求、操作条件等选择合适的反应器。 反应器尺寸计算： 根据反应速率和停留时间计算反应器的体积。 反应热的考虑： 绝热反应器、等温反应器、多管式反应器等。 催化剂（Catalysts）： 催化剂的作用： 提高反应速率，降低活化能。 多相催化： 固-气、固-液催化反应。 多相催化剂的设计与性能评估。 本章将使读者能够理解化学反应的速率规律，并掌握设计和优化化学反应器的基本原则。 第七章：安全与环境 化学工程过程的安全性与环境可持续性是不可忽视的重要方面。本章将探讨与化学工程相关的安全与环境问题： 过程安全： 危险识别与风险评估： 识别潜在的危险源，如易燃易爆物质、有毒气体、高温高压等。 事故预防措施： 工程控制、管理控制、个人防护。 安全仪表系统（SIS - Safety Instrumented System）： 紧急停车、联锁装置等。 防火防爆设计： 爆炸极限、最小点火能、惰性化等。 有毒物质的防护与泄漏处理。 环境工程： 污染物的来源与排放： 废气、废水、固体废弃物。 环境影响评估： 评估过程对空气、水体、土壤的影响。 污染控制技术： 废气处理： 吸收、吸附、催化氧化等。 废水处理： 生物处理、化学处理、物理处理。 固体废弃物处理与资源化。 绿色化学与可持续发展： 减少废物产生、使用可再生资源、设计环境友好的工艺。 本章旨在培养读者高度的风险意识和环境责任感，使他们能够设计和操作更加安全、环保的化学工程过程。 结论 本书通过以上章节的系统阐述，为读者构建了一个扎实的化学工程基础知识框架。从最基本的物质与能量衡算，到流体流动、传热传质，再到化学反应工程和安全环保，本书力求做到理论与实践相结合，帮助读者理解工程化学的精髓，并为他们在未来的学习和职业生涯中打下坚实的基础。
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