化学工艺研究方法概论 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:中国石化出版社

作者:魏同成

出品人:

页数:446

译者:

出版时间:2006-1

价格:36.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787801649980

丛书系列:

图书标签:

• 化学工程
• 化学工艺
• 研究方法
• 实验设计
• 数据分析
• 过程模拟
• 工业化学
• 化工原理
• 技术创新
• 应用化学

《化工过程模拟与优化：理论、方法与实践》 内容简介 本书旨在为化工领域的科研人员、工程师及高年级本科生提供一套全面、深入的化工过程模拟与优化理论框架与实践指南。我们聚焦于现代化工生产中不可或缺的两大核心工具——过程模拟与过程优化，探讨其背后的科学原理、多样的技术方法以及在实际工程问题中的应用策略。本书不仅会介绍经典的基础理论，更会融入当前研究的热点与前沿进展，力求使读者在掌握扎实理论知识的同时，也能领略到化工过程科学的动态发展。 第一部分：化工过程模拟的基础理论与核心模型 本部分将奠定坚实的理论基础，为后续深入学习和应用打下坚实根基。 第一章：化工过程描述与数学模型建立 物质守恒原理： 详细阐述质量守恒定律在化工过程中的体现，包括稳态和动态系统的物质平衡方程推导。我们将通过典型反应器、分离塔、换热器等单元操作的实例，演示如何精确地建立物料衡算方程。 能量守恒原理： 深入分析能量守恒定律在化工过程中的应用，重点讲解焓、熵、热力学功等概念，以及它们如何体现在单元操作的能量平衡方程中。我们将结合相变过程、传热过程等，讲解能量衡算方程的建立方法。 动量守恒原理： 探讨动量守恒定律在流体流动、混合、输运过程中的重要性。我们将介绍流体动力学方程，如纳维-斯托克斯方程，并讨论其在化工模拟中的简化形式和应用边界。 组分守恒原理： 强调组分守恒在化学反应过程中的核心地位，讲解反应动力学模型、质量作用定律、以及考虑多种平行/串联反应的复杂体系。我们将详细介绍不同反应机理的数学表征方法。 相平衡理论： 系统梳理热力学相平衡理论，包括气-液平衡、液-液平衡、固-液平衡等。我们将介绍 Raoult 定律、Henry 定律、活度系数模型（如 NRTL, UNIQUAC）等，并解释它们在模拟分离过程中的关键作用。 热力学性质模型： 介绍多种用于计算物质热力学性质（如密度、焓、熵、比热容、粘度等）的模型，从简单的理想气体模型到复杂的真实气体状态方程（如 Peng-Robinson, Soave-Redlich-Kwong）以及液相热力学模型。我们将讨论不同模型适用的条件和精度。 单元操作数学模型： 逐一介绍常见化工单元操作的数学模型，包括： 反应器模型： 连续搅拌釜反应器（CSTR）、管式反应器（PFR）、间歇反应器、多相反应器等。 分离设备模型： 蒸馏塔、吸收塔、萃取塔、结晶器、膜分离器等。 传热设备模型： 换热器（壳管式、板式等）、蒸发器、冷凝器等。 流体输运设备模型： 泵、压缩机、风机等。 动态过程模型： 讲解如何建立和处理化工过程的动态模型，包括偏微分方程和常微分方程组的建立，以及其在过程控制和操作扰动分析中的意义。 第二章：化工过程模拟软件与计算方法 主流模拟软件介绍： 概述当前业界常用的化工过程模拟软件，如 Aspen Plus, HYSYS, PRO/II, DWSIM 等。我们将简要介绍它们的功能特点、优势和适用领域，并强调软件选择的考量因素。 数值计算方法： 代数方程组求解： 介绍非线性代数方程组的数值求解方法，如牛顿-拉夫逊法（Newton-Raphson）、拟牛顿法（Quasi-Newton）等，并分析其收敛性与计算效率。 微分方程组求解： 讲解常微分方程组（ODE）和偏微分方程组（PDE）的数值求解方法，如欧拉法、龙格-库塔法（Runge-Kutta）、有限差分法（Finite Difference Method）等，并讨论它们在动态模拟中的应用。 迭代求解算法： 阐述模拟软件内部的迭代计算流程，包括如何处理循环物料衡算、能量衡算以及相平衡的迭代计算。 模型库与物性数据库： 介绍模拟软件中模型库的构成，以及如何有效利用强大的物性数据库来支撑模拟的准确性。我们将讨论数据库的更新与维护，以及自定义物性模型的建立。 模拟流程搭建与调试： 指导读者如何根据实际化工过程，将单元操作模型在模拟软件中进行连接，构建完整的工艺流程。并强调流程调试、参数验证和结果分析的重要性。 高级模拟功能： 介绍一些高级模拟功能，如灵敏度分析、统计分析、回归分析等，以及它们在过程理解和参数优化中的价值。 第二部分：化工过程优化理论与技术 本部分将重点探讨如何利用优化技术，实现化工过程的经济性和可持续性。 第三章：过程优化的数学基础与目标函数 优化问题的分类： 介绍不同类型的优化问题，包括线性规划（LP）、非线性规划（NLP）、混合整数规划（MIP）、混合整数非线性规划（MINLP）等。 目标函数（Objective Function）的确定： 经济性目标： 最小化生产成本（原料、能源、设备折旧等）、最大化利润、最小化总投资等。我们将详细讲解如何构建准确的成本函数和收益函数。 环境性目标： 最小化污染物排放（CO2、SOx、NOx、废水等）、提高资源利用率、最小化能源消耗等。我们将介绍相关的环境指标和计算方法。 安全性目标： 最小化潜在危险因素、确保操作在安全裕度内等。 操作性目标： 提高产品质量稳定性、简化操作流程、减少停工时间等。 约束条件（Constraints）的设定： 过程模型约束： 来源于第一部分建立的物质、能量、动量守恒方程，以及相平衡、反应动力学等模型。 设备能力约束： 反应器容积、分离器尺寸、换热器传热面积、泵流量扬程等。 操作参数约束： 温度、压力、流量、浓度、停留时间等允许的操作范围。 产品规格约束： 产品纯度、组分含量、物理性质等。 安全与环保法规约束： 排放标准、安全操作规程等。 优化问题的数学表述： 将目标函数和约束条件转化为数学模型，为求解器提供输入。 第四章：化工过程优化方法与求解器 基于导数的方法： 梯度下降法（Gradient Descent）： 讲解其基本原理、收敛性问题以及在简单优化问题中的应用。 牛顿法与拟牛顿法： 介绍其利用二阶导数信息加速收敛的原理，以及在非线性优化中的应用。 序列二次规划法（SQP）： 详细阐述 SQP 的核心思想，即在每次迭代中将原非线性规划问题近似为二次规划问题，并采用二次规划求解器进行求解。 无导数方法（Direct Search Methods）： 单纯形法（Nelder-Mead）： 介绍其如何通过一系列几何变换来搜索最优解，尤其适用于目标函数导数不易获得的情况。 粒子群优化（PSO）、遗传算法（GA）等智能优化算法： 探讨这些启发式算法在处理复杂、非凸、多模态优化问题时的优势，并讨论其在化工领域的应用案例。 全局优化方法： 讨论全局优化方法的必要性，以及一些常用的全局优化技术，如模拟退火（Simulated Annealing）、分枝定界法（Branch and Bound）等。 求解器介绍： 介绍一些常用的优化求解器，如 GAMS, CPLEX, CONOPT, IPOPT 等，并讨论如何将模拟模型与优化求解器进行集成。 多目标优化： 探讨在实际工程中，往往需要同时考虑多个相互冲突的目标，如经济性与环境性。我们将介绍帕累托最优（Pareto Optimality）概念，以及如何利用加权求和法、ε-约束法等技术处理多目标优化问题。 第五章：过程优化在实际工程中的应用 稳态过程优化： 操作条件优化： 例如，优化反应温度、压力、进料配比，以最大化产率或选择性。 设备选型与尺寸优化： 例如，选择最优的换热器类型和面积，以最小化能耗和投资。 流程结构优化： 例如，对流程中的设备进行增减或重新配置，以达到最佳性能。 动态过程优化： 起停过程优化： 优化设备在起动和停机过程中的操作策略，以减少时间和能源消耗，并确保安全。 跟踪控制优化： 在动态变化的操作条件下，实现对最优操作点的跟踪。 批次过程优化： 优化批次反应器的操作曲线（温度、压力随时间的变化），以最大化产品收率或最小化反应时间。 案例研究： 炼油厂原油加工优化： 整合模拟与优化，实现原油品类选择、炼油装置操作参数的最优调整，以最大化高附加值产品的产量和利润。 化肥生产过程优化： 优化氨合成、尿素合成等关键单元的操作条件，降低能耗，提高原料利用率，减少环境排放。 乙烯裂解过程优化： 针对不同原料和市场需求，优化裂解炉的温度、停留时间等参数，实现烯烃产率和能耗的最优平衡。 制药过程中的纯化步骤优化： 优化色谱分离、结晶等过程的参数，以获得高纯度产品并最大化回收率。 优化结果的分析与验证： 强调对优化结果进行敏感性分析，评估其鲁棒性，并结合工程经验进行合理性验证。 第三部分：前沿进展与未来展望 第六章：集成模拟与优化：数据驱动的优化方法 机器学习与深度学习在过程建模中的应用： 介绍如何利用实验数据或历史操作数据训练机器学习模型，用于替代复杂的物理模型，实现快速和高效的模拟。 强化学习在过程优化中的应用： 探讨如何利用强化学习代理（Agent）与仿真环境交互，自主学习最优的控制策略和操作决策。 数字孪生（Digital Twin）与过程优化： 阐述数字孪生技术如何通过实时数据流与物理过程进行同步，实现对过程的动态监测、预测性维护和实时优化。 人工智能在工艺开发中的作用： 展望人工智能在从实验室研究到工业放大过程中，如何加速新工艺的发现和优化。 第七章：绿色化工与可持续过程优化 生命周期评估（LCA）与过程优化： 将 LCA 的理念融入过程优化，从原料获取到产品报废的整个生命周期，评估和最小化过程的环境影响。 碳捕获、利用与封存（CCUS）过程的优化： 探讨如何对 CCUS 过程进行模拟和优化，以降低能源消耗和运行成本。 生物基化学品生产过程的优化： 关注生物质转化、发酵等过程的模拟与优化，推动可持续化学品的发展。 循环经济下的过程设计与优化： 探讨如何设计和优化能够实现物料循环利用的化工过程。 本书力求通过理论讲解、方法介绍、案例分析等多种形式，引导读者掌握化工过程模拟与优化的精髓，并将其有效应用于解决实际工程问题，推动化工行业向着更高效、更经济、更安全、更环保的方向发展。 总结 《化工过程模拟与优化：理论、方法与实践》是一本内容丰富、结构严谨的专著。它不仅涵盖了化工过程模拟的基础理论和核心模型，深入剖析了各种优化方法的数学原理和技术细节，更通过丰富的工程案例展示了这些理论和方法在实际生产中的应用价值。本书旨在培养读者解决复杂化工问题的能力，提升其在过程设计、操作改进、节能降耗、环境保护等方面的专业素养。

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当我真正开始阅读这本书的内容时，我发现它的叙述风格简直像是在进行一场精妙的哲学思辨，而不是简单的技术手册。作者似乎并不急于抛出结论，而是花了大量的篇幅去探讨“为什么”要采用某种研究方法，这种探究事物本源的深度挖掘，着实令我耳目一新。它不像市面上很多快餐式的指南，只告诉你“怎么做”，而是深入剖析了不同方法论背后的思想根基和适用边界。书中对不同研究范式（比如经验主义、理论演绎、模拟仿真等）的比较分析，极为犀利深刻，它教会我的不仅是技术工具的使用，更是一种批判性思考的框架。我印象最深的是关于不确定性量化那一章，作者并没有简单地罗列统计工具，而是上升到了信息论的高度，探讨了如何在信息不完备的情况下做出最优决策，这种跨学科的视野，极大地拓宽了我对工艺研究的理解。读完这一部分，我感觉自己看待实验设计和数据分析的角度都拔高了一个层次，不再仅仅是机械地套用公式，而是开始审视方法本身的局限性。

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这本书拿到手里，首先映入眼帘的就是那沉甸甸的分量，感觉就像抱住了一本厚重的历史书，而不是一本关于化学工艺的书籍。翻开扉页，那种油墨的清香混合着纸张的质感，让人立刻感受到出版方在装帧上的用心。内页的排版设计非常考究，字体大小适中，段落之间的留白处理得当，长时间阅读也不会感到视觉疲劳。我尤其欣赏它在章节划分上的逻辑性，从基础理论的梳理到具体案例的剖析，层层递进，仿佛有一位经验丰富的导师在身边亲自讲解，引导着读者一步步深入。书中大量的图表和流程示意图，绘制得清晰明了，很多复杂的反应机制和设备结构，通过这些可视化工具，一下子就变得生动起来，远比枯燥的文字描述来得直观有效。那些复杂的数学模型和公式推导，虽然看起来让人有些头疼，但作者总能巧妙地穿插一些通俗易懂的解释，让即便是对理论基础不太扎实的读者，也能把握住其核心思想。整体而言，这本书的实体书体验极佳，拿在手中、翻阅时的触感，都透露出一种专业和严谨的气质，让人对内容的质量有了初步的信心。

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最让我感到惊喜的是，这本书在内容的前沿性和包容性上展现出了惊人的广度。它似乎并不固守于某一个特定的化工分支，而是将目光投向了未来十年内可能主导行业变革的研究热点。书中对计算流体力学（CFD）在催化剂床层模拟中的应用探讨，已经深入到湍流模型的选择和网格划分对结果收敛性的影响，这些都是当前科研一线最头疼的问题。同时，它又没有忘记传统工艺的精髓，对精馏塔优化参数的反向工程分析，也做到了鞭辟入里。这种横跨基础理论、先进计算技术与经典工程实践的兼容并蓄，使得这本书的适用范围远超出了任何单一的教科书。它像一个高倍望远镜，既能清晰地观察到微观尺度的分子运动，又能把握宏观工艺网络的运行脉络。这种全景式的知识覆盖，为我们规划长期研究方向提供了极为宝贵的参照系，让人感到视野豁然开朗，极大地激发了探索未知的热情。

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这本书的结构编排，给我的感觉像是一部结构主义的建筑作品，每一个部分都如同精心计算过的承重墙和梁柱，互相支撑，共同构建了一个宏大而稳固的知识体系。它没有采用传统的、按时间线索或学科分类的松散叙事，而是更倾向于围绕“解决一个工艺难题”这一核心目标，组织相关的方法论模块。比如，关于过程强化（Process Intensification）的研究方法论，它不是孤立地讨论某个反应器，而是将其置于一个更广阔的“效率-安全-可持续性”的评估框架下进行综合研判，这种模块化的组织方式，让知识的迁移和重组变得异常灵活。当我遇到实际工作中的问题时，我能迅速定位到与该问题相关的“方法论工具箱”，而不是在一堆杂乱无章的知识点中迷失方向。这种高度的实用导向性，是通过其严谨的逻辑架构实现的，它不是堆砌知识，而是构建系统。这种结构上的精妙设计，使得这本书成为了我案头随时可以翻阅的“方法论速查手册”。

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这本书的语言风格极其凝练，充满了学者特有的精准和克制，读起来有一种在啃食高质量、高浓缩营养品的感觉。它很少使用华丽的辞藻或夸张的表达，每一个句子似乎都经过了千锤百炼，信息密度极高。初次阅读时，我需要放慢速度，甚至需要反复咀嚼才能完全消化其中的内涵，这对我来说既是一种挑战，也是一种享受。它尤其擅长使用精确的技术术语来定义概念，比如对“稳态假设”的探讨，作者就从热力学和动力学的不同角度进行了界定，使得读者对概念的理解达到了无可辩驳的清晰度。这种“惜墨如金”的写作态度，使得全书在有限的篇幅内承载了海量的深度信息，没有一处废话。对于追求高效学习和深度钻研的专业人士来说，这种风格简直是量身定做的，它要求读者投入同等的专注度，才能获得丰厚的回报。读完之后，我发现自己遣词造句的精确度也潜移默化地提高了。

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