Design of Construction and Process Operations pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:John Wiley & Sons Inc

作者:Daniel W. Halpin

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1976-10

价格:USD 50.95

装帧:Hardcover

isbn号码:9780471345657

丛书系列:

图书标签:

• Construction
• Process Operations
• Engineering
• Design
• Chemical Engineering
• Industrial Engineering
• Manufacturing
• Project Management
• Operations Management
• Process Control

现代工业系统与流程优化：从理论基石到前沿实践 本书聚焦于对复杂工业系统的深入理解、设计、建模、优化与控制，旨在为读者提供一个跨越传统工程学科界限的、系统性的知识框架。它不探讨具体的结构设计、材料科学或传统的建筑施工流程，而是将视野投向了支撑现代制造业、能源转换、化工生产以及大规模数据处理等领域的核心——流程的本质与运行效率。 本书的结构围绕工业流程的生命周期展开，从概念化的需求分析，到精细化的系统构建，再到动态的实时监控与反馈调控，力求构建一个全面且实用的技术手册。 --- 第一部分：工业流程的基础范式与系统思维 本部分奠定了理解现代流程工业所需的理论基石，强调将所有生产活动视为一个相互关联、具有特定动态特性的“系统”。 第一章：流程的定义、分类与系统边界设定 本章深入探讨了“流程”在不同工业语境下的精确定义，区分了批量（Batch）流程、连续（Continuous）流程与混合（Hybrid）流程的内在差异及其对设备选型和控制策略的决定性影响。重点讨论了如何科学地界定系统的边界——即确定哪些变量是输入、哪些是输出，哪些是内部扰动，这对于后续的建模工作至关重要。内容涵盖了物质衡算、能量衡算以及信息流衡算在流程定义阶段的初步应用。 第二章：热力学与化学计量学的流程驱动力分析 本章超越了基础热力学公式的复述，着重于将热力学原理应用于流程的可行性分析和效率限制。讨论了化学反应平衡、相平衡（如汽液平衡VLE）如何决定反应器和分离单元的设计潜力和极限。特别关注吉布斯自由能的最小化原理在自发反应和过程驱动力中的作用，并介绍如何利用反应计量学数据来预测原料需求和副产物生成速率。 第三章：过程流体力学基础与单元操作的流体动力学 本书在此处关注的不是管道的应力计算或结构支撑，而是流体在流程设备内部的传输特性。详细分析了雷诺数（Reynolds Number）在判断层流与湍流中的作用，以及不同流型（如塞流Plug Flow, 搅拌流CSTR）对反应动力学的影响。重点讲解了压降计算、泵和压缩机的选型原则，以及多相流体（气液、固液浆）在管道和设备中的阻力模型，这些是确保物料能够按设计流量准确输送的关键。 --- 第二部分：核心单元操作的建模与设计原理 本部分详述了现代流程工业中不可或缺的几个核心“单元操作”的数学模型构建与初步设计准则。 第四章：反应器工程：动力学、停留时间和放大效应 反应器是流程的心脏。本章详细介绍了零级、一级、二级反应的积分和微分形式的动力学模型，并探讨了非均相反应（如催化反应）的界面传质限制。重点分析了停留时间分布（RTD）的概念，如何通过RTD来评估反应器内流体混合程度是否理想。此外，还探讨了从实验室规模到工业规模放大过程中必须考虑的传热与传质限制问题。 第五章：传热设备设计与热集成策略 本章聚焦于热量交换单元，如壳管式换热器、板式换热器等。内容包括平均数温差法（LMTD）和有效性-宁P法（Effectiveness-NTU）在设计计算中的应用。更重要的是，本章引入了过程热集成（Process Heat Integration）的概念，使用过程网络综合（Pinch Analysis）技术，识别系统中的热点和冷点，优化热能回收网络，以最大限度地减少外部能源输入和排放。 第六章：分离过程的相平衡与精馏塔设计 分离是流程成本的主要构成部分。本章侧重于气液分离，特别是精馏。详细解释了相对挥发度和范德华方程等状态方程在预测复杂混合物相平衡中的作用。设计方面，重点讲解了McCabe-Thiele图解法和Fenske-Underwood-Gilliland（FUG）方程组在确定理论塔板数和回流比上的应用，并讨论了填料塔和塔盘塔的优缺点对比。 第七章：其他关键分离技术：吸收、萃取与膜分离 本章扩展到更复杂的物系分离技术。在吸收和萃取方面，分析了传质系数和吸收因子对操作线和平衡线位置的影响，并介绍了气相吸收塔的填料体积计算。对于新兴的膜分离技术，如反渗透（RO）和气体渗透，重点讨论了膜的渗透通量模型和选择性参数在流程选择中的指导意义。 --- 第三部分：流程的动态行为、控制与优化 本部分将视角从静态的设备设计转向系统的动态运行与实时性能提升。 第八章：过程动态响应与一阶/二阶系统建模 本章引入了时间变量，将流程单元视为具有惯性的动态系统。详细推导了一阶纯滞后系统（FOPDT）模型，用于描述传感器延迟和物料输运时间。对于具有显著耦合效应的系统（如带有反馈的反应器），则采用二阶或高阶模型来捕捉其振荡和阻尼特性。讨论了传递函数和拉普拉斯变换在描述系统动态行为中的数学工具作用。 第九章：反馈控制策略的设计与调优 流程控制的目标是维持在最佳操作点附近。本章深入讲解了比例-积分-微分（PID）控制器的结构和作用机制。重点不在于简单的公式应用，而是如何根据过程的动态特性（如过程增益、时间常数）来科学地调优PID参数，包括Ziegler-Nichols法和Cohen-Coon法的应用，并分析了积分饱和和微分噪声带来的实际工程问题。 第十章：先进过程控制（APC）与模型预测控制（MPC） 作为对传统PID的提升，本章介绍了现代优化控制的基础。模型预测控制（MPC）被详细剖析，强调其如何利用系统的动态模型来预测未来的行为，并在严格的约束条件下（如温度上限、压力下限）滚动优化控制器的输出。这使得系统能够在更接近经济最优点的区域稳定运行，是实现高效率、高稳定性的关键技术。 第十一章：流程模拟、优化与生命周期管理 本章介绍了如何利用商业化流程模拟软件（如基于方程的求解器）来构建和求解大规模的非线性代数方程组（SNES）和微分代数方程组（DAES），以预测全新或现有流程的性能。优化部分侧重于目标函数（如利润最大化、成本最小化）的建立，以及如何使用梯度下降法或牛顿法等数值优化算法来寻找全局最优操作点。最后，讨论了流程在生命周期中（启动、稳定运行、关停）的稳健性设计考量。 --- 总结： 本书旨在培养读者将工业生产视为一个高度耦合、动态变化的优化难题的思维模式。它提供的工具是通用的、基于数学和物理原理的，适用于从精细化工到新能源制造等任何需要对连续或批量操作进行精确设计和实时调控的领域。内容侧重于如何用数学语言描述物理现象，并用优化算法实现经济目标。

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