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《现代化学工程原理与应用》 图书简介 本书旨在为化学工程领域的学生、研究人员和行业专业人士提供一套全面、深入且与时俱进的教材和参考资料。它不仅涵盖了化学工程学科的基石理论，更聚焦于当前工业界和学术前沿的热点与挑战。全书结构清晰，逻辑严谨，力求在理论深度与工程实践之间架起一座坚实的桥梁。 第一部分：化学工程基础理论 本部分深入探讨了支撑现代化学工程学的核心科学原理。 第一章：流体力学与传递现象的宏观视角 本章从牛顿流体和非牛顿流体的本构方程出发，详细阐述了流体在管道、设备和反应器中的流动行为。内容包括伯努利方程的修正应用、边界层理论的引入、湍流模型（如 $k-epsilon$ 模型）的简化介绍及其在工程计算中的实用性。重点讨论了管道系统中的压力损失计算、泵和压缩机的选型原则，以及在多相流体系中（如气液两相流、固体颗粒悬浮）的特殊流动规律。 第二章：热力学：平衡、相变与能量转化 化学工程热力学是理解过程可行性的基础。本章详尽解析了相平衡理论，包括理想溶液模型、活度系数模型（如 NRTL、UNIQUAC）的推导与应用，尤其关注了高压和非理想体系下的气液平衡（VLE）计算。能量衡算部分深入探讨了热力学第一定律在连续流动系统中的应用，并对反应热、标准生成焓等数据进行了详细的查表和估算方法介绍。吉布斯自由能的计算及其在确定反应方向和平衡转化率中的作用，是本章的核心内容之一。 第三章：质量传递：扩散、对流与界面现象 质量传递是分离过程设计的核心。本章首先界定了扩散运动的微观机制，包括菲克第一和第二定律，并区分了分子扩散和表观扩散。随后，重点转向了对流传质，系统地介绍了边界层理论在吸收、蒸馏和萃取过程中的应用。章节末尾详细阐述了基于数率过程的传质模型，例如吸收塔中吸收剂的选择标准、溶质在气液界面的传质阻力分配，以及利用林肯图法（LLE）进行萃取精馏塔的初步设计。 第二部分：化学反应工程 本部分专注于化学反应器设计与优化，将反应动力学与反应过程相结合。 第四章：反应动力学与机理分析 本章从反应速率方程的建立入手，详细讲解了零级、一级、二级反应的积分法和半衰期法。对于复杂反应（如平行反应、串联反应），着重分析了中间产物的选择性控制策略。催化反应部分，深入探讨了朗缪尔-希尔活（Langmuir-Hinshelwood）和介孔扩散控制模型，并介绍了如何利用实验数据（如微反数据）来辨识和验证反应机理。 第五章：反应器设计与操作 本章将动力学知识应用于实际反应器设计。对于理想反应器（CSTR、PFR），详细推导了其设计方程，并对比了它们在均相、非均相体系中的优缺点。对于非均相催化反应器，重点分析了固定床反应器（PBR）的热点问题、返混效应，以及流化床反应器的流化特性与颗粒-流体交换效率。此外，还引入了反应器放大效应（Scale-up）的工程考量。 第六章：反应器的高级主题：多相与过程强化 本章关注现代反应工程的前沿课题。内容包括气固、气液固三相反应器的设计挑战，如浆态床反应器中催化剂的悬浮稳定性。过程强化（Process Intensification）方面，介绍了微通道反应器（MCRs）在传质和传热效率上的优势，及其在高危反应控制中的潜力。反应器优化部分，探讨了温度场、浓度场对反应选择性的影响，以及如何通过非等温操作策略来提高目标产物的收率。 第三部分：单元操作与过程设计 本部分侧重于工业上最常见的物质分离与热力学平衡过程。 第七章：分离过程：精馏、吸收与萃取 本章系统梳理了主要的单元分离技术。精馏部分，详细阐述了 McCabe-Thiele 图解法和更精确的 Fenske-Underwood-Gilliland (FUG) 法，并扩展到共沸精馏、萃取精馏等非常规精馏技术的设计要点。吸收与解吸章节，侧重于塔板效率的计算（如 Murphree 效率）及填料塔的优化。萃取章节，则重点分析了液-液平衡数据的处理和多级萃取设备的流程设计。 第八章：热交换与热集成 热量传递是能源效率的关键。本章从傅里叶定律、牛顿冷却定律出发，过渡到对流和辐射传热的复杂耦合。深入分析了壳管式换热器的设计参数（如污垢因子、LMTD 法的适用性）。最后，本章引入了过程热集成（Pinch Analysis）的概念，详细讲解了热网络图的绘制、最小热量需求的确定，以及如何通过热集成网络优化工厂的能源消耗，实现过程的绿色化。 第九章：固液分离与颗粒操作 本章处理涉及固体物料的单元操作。详细介绍了过滤（如板框压滤机、真空过滤机）的过滤速率方程及滤饼性质对操作的影响。沉降和沉降（Sedimentation）部分，区分了沉降的各个阶段（自由沉降、区域沉降），并讨论了离心分离机的选型原理。此外，还简要介绍了干燥过程的热质传递机理及其在不同干燥设备（如盘式干燥器、喷雾干燥器）中的应用。 第四部分：过程控制与安全 本部分将工程的自动化与安全维度纳入考量。 第十章：过程控制系统基础 本章介绍了化学过程控制的基本要素。从一次仪表（传感器）的特性分析，到执行器（阀门、泵）的响应时间，构建了完整的控制回路。重点讲解了经典 PID 控制器的原理、整定方法（如齐格勒-尼科尔斯法），以及在温度、流量、液位等关键变量控制中的实际应用。同时，也简要介绍了基于模型的预测控制（MPC）等现代控制策略的初步概念。 第十一章：过程安全与环境考量 安全是化工生产的生命线。本章系统梳理了危害辨识与风险评估（HAZOP）的方法论，并详细分析了化学反应失控（Runaway Reaction）的预防与缓解措施，包括泄放装置（如爆破片、安全阀）的设计。环境工程方面，探讨了挥发性有机物（VOCs）的回收技术（如活性炭吸附）、废水的高级氧化处理技术在化学工业中的应用，强调了从源头削减污染的绿色化学原则。 本书通过大量的工程实例、习题和案例分析，确保读者不仅理解“是什么”，更能掌握“如何做”。每一章均附有工程计算软件（如 Aspen Plus 模型的简化流程）的实际应用指导，旨在培养具备解决复杂工程问题的综合能力。
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