Introduction to Chemical Engineering Computing pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Wiley-Interscience

作者:Bruce A. Finlayson

出品人:

页数:360

译者:

出版时间:2006-01-09

价格:USD 59.95

装帧:Paperback

isbn号码:9780471740629

丛书系列:

图书标签:

• 化学工程
• 计算
• 数值方法
• 编程
• MATLAB
• Python
• 模拟
• 化工原理
• 工程计算
• 软件应用

现代化工过程模拟与优化：理论、方法与前沿应用 本书旨在为化学工程领域的研究人员、工程师和高年级本科生提供一本全面、深入的现代化工过程模拟与优化工具书。它立足于扎实的理论基础，系统地介绍了当前工业界和学术界广泛采用的计算方法、软件工具及其在复杂化工系统设计、分析与优化中的实际应用。 本书的结构设计兼顾了理论的严谨性与实践的可操作性，内容覆盖了从基础的稳态和动态模拟到高级的反应工程、分离过程模拟，再到复杂的流程优化与控制策略的制定。我们摒弃了对特定商业软件操作界面的罗列，转而聚焦于驱动这些软件的核心数学模型、求解算法以及工程判断的逻辑，使读者能够真正理解“黑箱”内部的运作原理，从而更好地驾驭和创新这些工具。 第一部分：化工过程模拟的基石——数学模型与求解技术 本部分是全书的基础，详细阐述了构建和求解化工过程数学模型所需的理论框架。 第一章：化工过程建模的基本原理与层次结构 本章首先界定了过程模拟的范围和目标，区分了集总参数模型与分布参数模型。重点讨论了守恒定律（质量、能量、动量）在不同尺度下的数学表达形式，以及如何根据实际工程问题选择合适的简化假设，建立高保真度的数学模型。内容深入探讨了组分、相态、反应动力学等关键输入参数对模型精度的影响。 第二章：热力学基础与相平衡计算 详细回顾了热力学状态方程（如Peng-Robinson, Soave-Redlich-Kwong）和活度系数模型（如NRTL, UNIQUAC）在复杂体系（包括电解质和高分子溶液）中的应用。着重分析了迭代求解非线性相平衡方程组（如闪蒸问题）的数值稳定性和收敛性，并介绍了现代软件中处理复杂物性数据的方法论。 第三章：稳态流程模拟的数值方法 本章是流程模拟的核心技术载体。我们全面分析了求解大规模非线性代数方程组（NAE）的方法。详细介绍了牛顿法及其各种修正形式（如Broyden法、准牛顿法），重点阐述了稀疏矩阵技术在提高求解效率中的关键作用。此外，还探讨了多尺度建模中涉及的预条件技术和并行计算策略的初步应用。 第四章：动态模拟与微分代数方程（DAE）求解 动态模拟是过程控制和安全分析的基础。本章深入解析了化工过程动态模型通常表现为高维、强耦合的微分代数方程（DAE）系统。详细介绍了适应性步长控制的隐式欧拉法、向后差分公式（BDF）等求解技术，并讨论了如何处理模型中的代数约束和刚性问题（Stiffness），确保时间积分的稳定性和准确性。 第二部分：关键单元操作的深入模拟与耦合 本部分将理论模型应用于实际的化工单元操作，探讨多物理场耦合与复杂模型集成。 第五章：反应工程的集成模拟 本章侧重于复杂化学反应器（如多相催化反应器、固定床、流化床）的建模。内容涵盖了反应动力学的参数估计、非均相反应中的扩散与反应耦合（PFR/CSTR的Sheldon-PFR模型），以及如何将反应模块无缝集成到全流程模拟环境中，实现反应条件与物流/热物流的相互影响分析。 第六章：分离过程的高级模拟技术 聚焦于精馏、萃取、吸收等关键分离单元。详细讨论了大型精馏塔模型的收敛性问题，包括侧线进料、再沸器/冷凝器的复杂处理。对于非理想体系，深入分析了层间平衡计算的挑战，并介绍了用于超精馏、反应精馏等集成过程的序列假想模型（Sequence-of-Modules）构建方法。 第七章：多相流与传递过程的CFD耦合 本章展望了过程模拟的前沿——计算流体力学（CFD）的集成。讨论了如何将详细的CFD模型作为子模块嵌入到宏观流程模拟中，以精确预测局部流场、混合效率和传热传质性能。重点探讨了数据接口、尺度传递因子（Scale-up Factors）的确定以及耦合过程中的信息一致性问题。 第三部分：流程优化、控制与前沿应用 本部分将模拟工具提升至决策支持层面，探讨如何利用模型进行系统优化和智能控制。 第八章：化工流程的优化理论与方法 本章是实现经济效益最大化的关键。详细介绍了几种主要的优化算法：基于梯度的方法（如序列二次规划SQP）、随机搜索方法以及全局优化策略（如分枝定界法）。重点阐述了如何建立目标函数、定义约束条件（包括操作窗口、安全界限和经济指标），并应用敏感性分析来评估模型参数变化对最优解的影响。 第九章：过程控制系统设计与动态优化 从静态优化过渡到动态优化。本章讨论了模型预测控制（MPC）的核心原理，包括滚动时域优化、约束处理和系统辨识在MPC模型构建中的作用。内容还涉及实时优化（RTO）的框架，即在不断变化的操作条件下，如何利用在线数据快速更新和求解优化模型，以维持系统在最优操作点附近运行。 第十-十一章：先进应用案例与未来趋势 第十章：能源系统与碳捕集模拟 通过具体的案例研究，展示了如何应用前述技术模拟大型集成能源系统（如IGCC、核电循环）的热经济性分析。重点剖析了氨水吸收、膜分离等关键碳捕集技术的详细过程模拟与性能评估，并讨论了操作参数对捕集效率和能耗的耦合影响。 第十一章：过程安全分析与不确定性量化 本章关注过程的安全性和可靠性。讲解了如何利用动态模型进行瞬态分析，如故障启动、紧急停车的响应时间预测。此外，详细阐述了蒙特卡洛模拟（Monte Carlo Simulation）在量化输入参数不确定性对输出结果（如产品质量、产量）影响中的应用，为风险评估提供量化依据。 --- 本书的特点： 深度与广度兼备： 既涵盖了基础的数值方法，又深入到前沿的CFD耦合和MPC技术。 模型驱动思维： 强调理解模型背后的物理和化学，而非简单依赖软件界面。 面向工程决策： 所有理论讨论均围绕如何解决实际工程中的复杂问题展开，如收敛性挑战、模型降阶和实时优化。 通过对本书的系统学习，读者将能够熟练地构建、求解、分析和优化复杂的化工过程模型，极大地提升在化工研发、工程设计和生产优化领域的专业能力。

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