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化學工程過程導論

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第 0 章:導論

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導論

  • 本書的目的
  • 本書的格式
  • 邀請貢獻

第 1 章:先決條件

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單位

  • 基本單位型別
  • 單位的一致性和體系
  • 如何在單位之間轉換
  • 量綱分析作為方程式的檢驗

有效數字

  • 為什麼它們很重要?一個昂貴的水泥塊的寓言。
  • 當我們相加時如何計算它們
  • 當我們相乘時如何計算它們
  • 什麼時候你將 5 向下取整?為什麼不像小學老師教你的那樣向上取整呢?

普通化學回顧

  • 化學計量學和摩爾與克
  • 理想氣體定律
  • 生成焓和生成熵

第 1 章練習題

第 2 章:基本質量平衡

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什麼是質量平衡?

  • 黑箱法
  • 質量守恆
  • 一般守恆方程
  • 該守恆方程如何應用於本課程
  • 一些符號
  • 最終結果

將資訊轉換為質量流量

  • 簡介:易於測量變數與派生變數
  • 體積流量和密度
  • 速度和橫截面積
  • 質量流量與摩爾流量

如何使用質量平衡

  • 更復雜的例子,單組分流和多個操作
  • 繪製流程圖
  • 一些基本的轉換和策略
  • 總平衡與單一操作平衡

第 2 章練習題

第 3 章:多組分系統的質量平衡

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最重要的點:

  • 每種物質的質量守恆(當沒有反應時)
  • 濃度和總流量的使用
  • 混合物整體性質

多組分問題求解

  • 一般方法和技巧
  • 單位之間的轉換。
  • 帶解的示例問題

多個過程中的多個組分

  • 現實中的事物往往要複雜得多。
  • 自由度分析。
  • 更復雜問題的示例

第 3 章練習題

第 4 章:帶迴圈的質量平衡

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為什麼要使用迴圈?

  • 節約資源
  • 提高產量
  • 節省空間
  • 節省資金

如何分析迴圈系統

  • 在平衡中使用組合點和分離點
  • 關於自由度分析的注意事項
  • 迴圈對分離過程影響的示例。

示例:帶迴圈的簡單系統

  • 展示迴圈的另一個應用。

第 4 章練習題

第 5 章:反應體系中的質量/摩爾平衡

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為什麼要使用摩爾平衡?

  • 反應化學計量學的回顧
  • "摩爾守恆定律"的缺乏
  • 反應的摩爾進度
  • 穩態分子摩爾平衡方程

分子平衡問題的考慮因素

  • 自由度
  • 獨立和依賴化學反應
  • 惰性物質與反應物質
  • 平衡常數(從普通化學介紹/回顧)
  • 反應進度仍然是反應進度
  • 無平衡的示例問題
  • 具有平衡的示例問題

帶迴圈的反應

  • 分離過程如何提高效率的示例。

原子平衡

  • 原子摩爾守恆
  • 總體思路
  • 一些具體的例子
  • 原子平衡法的優點和缺點

第五章練習題

第六章:多相系統,相平衡介紹

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非理想氣相分析

  • 理想氣體假設,不是定律
  • 狀態方程的概念
  • 理想氣體方程的替代方程

非理想液相分析

  • 活度係數
  • 溶解度係數

相平衡基礎

  • 吉布斯能
  • 逸度和逸度係數

混合物

  • 混合物有什麼不同?
  • 偏摩爾性質
  • 理想混合物的性質(液體和氣體)
  • 平衡時所有相的偏摩爾逸度相等

氣液平衡

  • 理想氣體和理想溶液(待辦事項:將其移至“混合物”部分)
  • 蒸汽壓;安託萬方程
  • 拉烏爾定律(VLE)
  • 非理想體系的 VLE
  • VLE 圖表

液液平衡

  • 不混溶流體
  • 混溶流體:分離常數 K
  • 酸鹼反應在分離中的應用
  • LLE 圖表

廣義關聯

  • 臨界常數
  • 狀態方程的廣義形式
  • 廣義壓縮因子圖表
  • 凱氏規則

解決問題

  • 泡點和露點
  • 求解平衡濃度、溫度和壓力
  • 平衡方程在求解質量平衡中的應用

第六章練習題

第七章:非反應體系的能量平衡

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穩態能量平衡

  • 能量平衡背後的思想:能量守恆
  • 可能重要的能量型別
  • 最常見的能量型別
    • 由於流動引起的能量變化
    • 由於溫度變化引起的能量變化
    • 由於 PE 和 KE 差異引起的能量變化
    • 熱和功
  • 實際穩態能量平衡方程(對於開式和閉式系統)

穩態能量平衡的應用

  • 理想氣體的熱容
  • 參考值
  • 計算熱傳遞的方法

非穩態能量和質量平衡

  • 理解“積累”
  • 非穩態質量平衡(離散化)
  • 離散化非穩態質量平衡
  • 對未來事物的瞥見

(注意:有許多、許多、許多不同的能量平衡形式適用於特定情況,這個形式相當通用,但根本沒有深入到系統的內部,因此無法告訴我們關於區域性溫度分佈和類似事物的資訊。此外,對於熱主導過程來說,這是最實用的形式;對於主要是機械過程,另一種形式更有用。)

  • 開式和閉式系統問題(示例)

第八章:在非反應體系中結合能量和質量平衡

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基本思想
  • 最常見的未知數
  • 平衡之間有什麼共同點?
幾個示例問題說明了如何將這兩個概念結合起來。
  • 無相變
  • 有相變

第九章:反應體系能量平衡介紹

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反應體系有什麼不同?
  • 將反應熱納入能量平衡
  • 將所有內容整合在一起:具有反應的穩態質量/能量平衡問題

附錄 1:有用的數學方法

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基本統計和資料分析

  • 線性迴歸
  • 將函式轉換為線性形式(線性化)
  • 插值和外推

數值求根方法

  • 不動點和加權不動點迭代
  • 二分法
  • 試位法
  • 切線(牛頓)法

代數方程組

  • 系統和可解性的解釋
  • 通用策略
  • 具體例項:線性方程、二次方程
  • 本文中的示例解決方案

不同的資料繪圖方式

  • 如何選擇比例尺
  • 線性化在繪圖中的應用
  • 替代軸:對數對數和半對數圖
  • 常見的繪圖型別
  • 一致性圖
  • 殘差圖

數學方法練習題

附錄 2:使用計算機解決問題

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Excel

  • 資料輸入
  • 資料處理和繪圖
  • 迴歸分析
  • 目標求解

MATLAB

  • 使用符號數學工具箱求解方程組
  • 線性迴歸和多項式迴歸
  • 繪製函式和資料點

附錄 3:其他有用資訊

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系統變數的測量

  • 流量的直接測量方法(桶和計時器、流量計等)
  • 壓力或壓降的測量方法(壓差計、氣壓計等)
  • 速度的測量(孔板流量計、文丘裡管流量計等)
  • 濃度的測量(氣相色譜、滴定等)
  • 溫度的測量(熱電偶和溫度計的型別)

不尋常的單位

  • 標準體積與實際體積
  • 除了克摩爾以外的其他型別的摩爾
  • 表壓與絕對壓力
  • 磅力與磅質量

單元操作參考

  • 裝置描述摘要
  • 進一步資訊的連結

化學資訊來源

附錄 4:符號指南

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符號

  • 本書中使用的符號
  • 注意不同來源符號不統一

附錄 5:進一步閱讀

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Chapra, S. 和 Canale, R. 2002. Numerical Methods for Engineers,第 4 版。紐約:麥格勞希爾。

Felder, R.M. 和 Rousseau, R.W. 2000. Elementary Principles of Chemical Processes,第 3 版。紐約:約翰·威利父子公司。

Masterton, W. 和 Hurley, C. 2001. Chemistry Principles and Reactions,第 4 版。紐約:Harcourt。

Perry, R.H. 和 Green, D. 1984. Perry's Chemical Engineers Handbook,第 6 版。紐約:麥格勞希爾。

Windholz 。1976. The Merck Index,第 9 版。新澤西州:默克。

普通化學:要深入瞭解普通化學

Matlab:有關如何使用 MATLAB 解決問題的更多資訊。

數值方法:有關求根模組和其他有趣的數學知識的更多詳細資訊(警告:它以相當高階的水平編寫)

Himmelblau, D. M. 和 Riggs, J. B. 2004. "Basic Principles and Calculations in Chemical Engineering",第 7 版。紐約:普倫蒂斯·霍爾

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資料表

單位換算表 (維基百科)

生成焓 (維基百科)

元素週期表 (洛斯阿拉莫斯國家實驗室)

元素週期表 (Ptable.com)

化學科學資料表: 包含大量有用的資料,包括相當全面的標準熵列表和 25oC 下的吉布斯自由能 (還包括離子列表),以及元素摩爾質量、酸平衡常數、溶度積和電勢的圖表。一定值得檢視。

NIST 性質: 您可以在其中查詢許多常見物質的性質,包括水、許多輕質烴和許多氣體。可獲得的資料包括密度、焓、熵、Pitzer 非對稱因子、表面張力、焦耳-湯姆遜係數以及其他幾個變數,具體取決於所選物質和條件。要以表格形式檢視資料,在輸入所需的溫度和壓力範圍後,單擊“查看錶格”,然後從下拉選單中選擇所需的屬性。它會告訴您可接受的範圍。

廣義壓縮因子圖: 這在關於氣體和液體的部分非常有用,您應該可以在任何熱力學書或 Perry 手冊中找到此圖的副本。我在這裡連結是為了讓您對我在談論什麼有所瞭解。

各種材料的臨界常數

SIRCh: 物理性質搜尋 (精選網際網路資源)

華夏公益教科書