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化工过程导论

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第0章:导论

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导论

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第1章:先决条件

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单位

  • 基本单位类型
  • 一致性和单位制
  • 如何转换单位
  • 量纲分析作为方程式的检验

有效数字

  • 为什么它们很重要?一个昂贵的混凝土块的寓言。
  • 当我们加法运算时,如何计算它们
  • 当我们乘法运算时,如何计算它们
  • 什么时候将 5 向下取舍?为什么不像小学老师教的那样向上取舍?

普通化学回顾

  • 化学计量学和摩尔与克
  • 理想气体定律
  • 生成焓和生成熵

第1章练习题

第2章:基本质量平衡

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什么是质量平衡?

  • 黑箱法
  • 质量守恒
  • 一般守恒方程
  • 该守恒方程将如何应用于本课程
  • 一些符号
  • 最终结果

将信息转换为质量流量

  • 引言:易测变量与导出变量
  • 体积流量和密度
  • 速度和横截面积
  • 质量流量与摩尔流量

如何使用质量平衡

  • 更复杂的例子,单组分流和多操作
  • 绘制流程图
  • 一些基本转换和策略
  • 总平衡与单操作平衡

第2章练习题

第3章:多组分系统的质量平衡

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最重要的一点:

  • 每种物质的质量守恒(当没有反应时)
  • 浓度和总流量的使用
  • 混合物总性质

多组分问题的解决方法

  • 一般方法和技巧
  • 单位之间的转换。
  • 带有解决方案的示例问题

多组分在多过程中的应用

  • 现实中,事物往往更加复杂。
  • 自由度分析。
  • 更复杂问题的例子

第3章练习题

第4章:带循环的质量平衡

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为什么使用循环?

  • 节约资源
  • 提高产量
  • 节省空间
  • 节省资金

如何分析循环系统

  • 在平衡中使用组合点和分离点
  • 关于自由度分析的注意事项
  • 循环对分离过程影响的示例。

示例:带循环的简单系统

  • 展示循环的另一种应用。

第4章练习题

第5章:反应体系中的质量/摩尔平衡

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为什么使用摩尔平衡?

  • 反应化学计量学的回顾
  • "摩尔守恒定律"的缺乏
  • 反应的摩尔进度
  • 稳态分子摩尔平衡方程

分子平衡问题考虑因素

  • 自由度
  • 独立和依赖的化学反应
  • 惰性物质与反应性物质
  • 平衡常数(从普通化学中介绍/回顾)
  • 反应进度仍然是反应进度
  • 没有平衡的示例问题
  • 带有平衡的示例问题

带循环的反应

  • 分离过程如何提高效率的示例。

原子平衡

  • 原子摩尔的守恒
  • 一般概念
  • 一些具体例子
  • 原子平衡方法的优缺点

第5章练习题

第6章:多相体系,相平衡导论

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非理想气相分析

  • 理想气体假设,而不是定律
  • 状态方程的概念
  • 理想气体方程的替代方程

非理想液相分析

  • 活度系数
  • 溶解度系数

相平衡基础

  • 吉布斯自由能
  • 逸度和逸度系数

混合物

  • 混合物有什么不同?
  • 偏摩尔性质
  • 理想混合物的性质(液体和气体)
  • 平衡状态下各相偏摩尔逸度的相等

汽液平衡

  • 理想气体和理想溶液(**待办事项**:将此移至“混合物”部分)
  • 蒸汽压;安托万方程
  • 拉乌尔定律(VLE)
  • 非理想体系的VLE
  • VLE 图表

液液平衡

  • 不互溶流体
  • 互溶流体:分离常数 K
  • 酸碱反应在分离中的应用
  • LLE 图表

广义关联

  • 临界常数
  • 状态方程的广义形式
  • 广义压缩因子图表
  • 凯氏法则

解决问题

  • 泡点和露点
  • 求解平衡浓度、温度和压力
  • 在求解物料衡算中使用平衡方程

第六章练习题

第七章:非反应体系能量衡算

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稳态能量衡算

  • 能量衡算背后的理念:能量守恒
  • 可能重要的能量类型
  • 最常见的能量类型
    • 由于流动引起的能量变化
    • 由于温度变化引起的能量变化
    • 由于势能和动能差异引起的能量变化
    • 热量和功
  • 实际稳态能量衡算方程(针对开式和闭式系统)

稳态能量衡算的应用

  • 理想气体的热容
  • 参考值
  • 计算热传递的方法

非稳态能量和物料衡算

  • 理解“累积”
  • 非稳态物料衡算(离散化)
  • 离散化非稳态物料衡算
  • 对未来事物的展望

(注意:能量衡算存在许多不同形式,适用于特定情况,这个公式比较通用,但没有深入到系统的内部,因此无法告诉我们局部温度分布等信息。此外,对于热量主导的工艺,该公式最为有用;对于以机械为主的工艺,其他形式更有用。)

  • 开式和闭式系统问题(示例)

第八章:在非反应体系中结合能量和物料衡算

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基本理念
  • 最常见的未知数
  • 衡算之间有什么共同点?
几个示例问题说明了如何结合这两个概念。
  • 无相变
  • 有相变

第九章:反应体系能量衡算概述

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反应体系有什么不同?
  • 将反应热纳入能量衡算
  • 整合起来:稳态物料/能量衡算问题,包含反应

附录 1:有用的数学方法

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基本统计和数据分析

  • 线性回归
  • 将函数转换为线性形式(线性化)
  • 插值和外推

数值求根方法

  • 不动点迭代和加权不动点迭代
  • 二分法
  • 弦截法
  • 切线(牛顿)法

代数方程组

  • 方程组和可解性的解释
  • 通用策略
  • 特定实例:线性方程、二次方程
  • 文本中的示例解

不同的数据绘图方式

  • 如何选择刻度
  • 线性化在绘图中的应用
  • 备用坐标轴:对数-对数图和半对数图
  • 常见的绘图类型
  • 一致性图
  • 残差图

数学方法练习题

附录 2:使用计算机解决问题

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Excel

  • 数据输入
  • 数据操作和绘图
  • 回归分析
  • 目标求解

MATLAB

  • 使用符号数学工具箱求解方程组
  • 线性回归和多项式回归
  • 绘制函数和数据点

附录 3:其他有用信息

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系统变量的测量

  • 流量的直接测量方法(桶和计时器、流量计等)
  • 压力或压降的测量方法(压力计、气压计等)
  • 速度的测量(孔板流量计、文丘里流量计等)
  • 浓度的测量(气相色谱、滴定等)
  • 温度的测量(热电偶和温度计的类型)

不常见的单位

  • 标准体积与实际体积
  • 除克摩尔以外的其他摩尔类型
  • 表压与绝对压力
  • 磅力与磅质量

单元操作参考

  • 设备描述摘要
  • 进一步信息链接

化学信息来源

附录 4:符号指南

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符号

  • 本书中使用的符号
  • 注意不同来源之间的符号不统一

附录 5:进一步阅读

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Chapra, S. and Canale, R. 2002. Numerical Methods for Engineers, 第 4 版. 纽约:麦格劳-希尔出版社。

Felder, R.M. and Rousseau, R.W. 2000. Elementary Principles of Chemical Processes, 第 3 版. 纽约:约翰·威利父子出版社。

Masterton, W. and Hurley, C. 2001. Chemistry Principles and Reactions, 第 4 版. 纽约:哈考特出版社。

Perry, R.H. and Green, D. 1984. Perry's Chemical Engineers Handbook, 第 6 版. 纽约:麦格劳-希尔出版社。

Windholz et al. 1976. The Merck Index, 第 9 版. 新泽西州:默克出版社。

普通化学:更深入地分析普通化学

Matlab:有关如何使用 MATLAB 解决问题的更多信息。

数值方法:有关求根模块和其他有趣数学的更多详细信息(注意:它是在相当高级别上编写的)

Himmelblau, D. M. and Riggs, J. B. 2004. "Basic Principles and Calculations in Chemical Engineering", 第 7 版. 纽约:普伦蒂斯·霍尔出版社

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数据表

单位换算表(维基百科)

生成焓(维基百科)

元素周期表(洛斯阿拉莫斯国家实验室)

元素周期表(Ptable.com)

化学科学数据表:包含大量有用的数据,包括相当全面的标准熵列表和 25oC 时的吉布斯自由能(还包括离子列表),以及包含元素摩尔质量、酸平衡常数、溶度积和电势的图表。绝对值得一看。

NIST 物性数据: 你可以查询许多常见物质的物性,包括水、许多轻质烃和许多气体。可获得的数据包括密度、焓、熵、Pitzer 非对称因子、表面张力、焦耳-汤姆逊系数以及其他几个变量,具体取决于所选的物质和条件。若要以表格形式查看数据,在输入所需温度和压力范围后,点击“查看表格”,然后从下拉菜单中选择所需的属性。它会告诉你可接受的范围。

广义压缩系数图: 这在关于气体和液体的部分非常有用,你应该能够在任何热力学书籍或 Perry 手册中找到此图的副本。我在这里链接是为了让你在谈论它时知道我在说些什么。

各种材料的临界常数

SIRCh: 物性搜索 (精选互联网资源)

华夏公益教科书