Applied Mathematics for Chemical Engineers

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出版者:John Wiley & Sons 作者:Richard G. Rice 出品人: 页数:724 译者: 出版时间:1994-11-22 价格:GBP 141.00 装帧:Hardcover isbn号码:9780471303770 丛书系列:
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  • 化学工程
  • 应用数学
  • 数学建模
  • 数值分析
  • 传热传质
  • 流体力学
  • 化工过程
  • 高等数学
  • 工程计算
  • 优化方法
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具体描述

Bridges the gap between classical analysis and modern applications. Following the chapter on the model building stage, it introduces traditional techniques for solving ordinary differential equations, adding new material on approximate solution methods such as perturbation techniques and elementary numerical solutions. Also includes analytical methods to deal with important classes of finite-difference equations. The last half discusses numerical solution techniques and partial differential equations.

《化学工程中的应用数学》图书内容综述 导言:理论与实践的桥梁 本书旨在为化学工程专业的学生和从业人员提供一套系统而深入的数学工具箱,以应对现代化工过程中所面临的复杂问题。化学工程本质上是一个高度量化的学科,从反应动力学到流体力学,再到热力学和过程控制,每一个环节都依赖于精确的数学模型来描述、分析和优化。本书的侧重点并非纯粹的数学理论推导,而是聚焦于如何将这些强大的数学方法有效地应用于解决实际的工程难题。我们强调从工程问题的物理意义出发,构建恰当的数学模型,并选择最适合的求解策略。 --- 第一部分:基础数学工具与一维问题求解 第一章:工程中的函数与复习 本章首先回顾了化学工程背景下必需的微积分基础知识,包括多元函数的偏导数、链式法则以及多重积分在计算体积、质量和能量平衡中的应用。重点讨论了泰勒级数在工程近似中的重要性,例如在描述小扰动或局部行为时的应用。同时,引入了复数和欧拉公式在处理波动现象和交流电路(在某些过程控制系统中会涉及)中的初步应用。 第二章:常微分方程(ODE)的建立与求解 常微分方程是描述时间演变过程(如批次反应器、非稳态传热)的核心工具。本章系统地讲解了一阶和二阶常微分方程的解析解法,包括分离变量法、积分因子法和常数变易法。特别关注了化学反应工程中常见的非线性一阶ODE,如自催化反应和链式反应,以及如何利用相平面分析法(定性分析)来理解系统的长期行为和稳定性,即使解析解难以获得。对于高阶线性常微分方程,则重点讲解了特征根法和拉普拉斯变换的应用,后者在处理阶跃输入或脉冲干扰时的系统响应方面至关重要。 第三章:数值方法在工程中的应用 许多实际的化学工程方程(特别是涉及相平衡或复杂反应网络的非线性方程)无法通过解析方法求解。本章深入探讨了数值方法。首先介绍了求解非线性代数方程组的牛顿法及其在化学平衡计算中的应用。接着,详细阐述了常微分方程的数值积分方法,包括欧拉法、改进的欧拉法以及高阶的龙格-库塔(Runge-Kutta)方法,并讨论了这些方法的稳定性、收敛性和误差控制。本章强调了选择合适的步长和数值算法对工程计算效率和精度的影响。 --- 第二部分:多维问题与偏微分方程(PDE) 第四章:热传导与质量传递的偏微分方程模型 偏微分方程是描述空间和时间共同演变过程的基础,尤其在连续流动的系统(如管式反应器、换热器)和扩散现象中不可或缺。本章围绕热传导方程(扩散方程)和波动方程展开。我们详细推导了傅里叶定律和菲克定律在笛卡尔、圆柱和球坐标系下的形式。重点解析了稳态热传导问题(拉普拉斯方程)在化工设备设计中的应用,例如计算炉壁或反应器夹套的稳态温度分布。 第五章:分离变量法与傅里叶级数 分离变量法是求解线性、齐次偏微分方程(特别是带特定边界条件的问题)的经典解析工具。本章详细讲解了如何利用傅里叶级数将复杂的初始条件分解为可解的本征函数。通过多个化工实例,如一维固体内的瞬态温度分布或固定床反应器内的轴向扩散问题,演示了如何构建傅里叶正弦、余弦级数解,并讨论了收敛性和解的物理意义。 第六章:格林函数法与非齐次问题 对于具有内部热源或质量源的非齐次偏微分方程,格林函数法提供了一种系统性的解析求解框架。本章介绍了格林函数的概念及其构造,并展示了如何利用它来求解具有任意源项的拉普拉斯方程和扩散方程。这对于分析反应器内部局部放热或催化剂中毒等非均匀过程至关重要。 --- 第三部分:线性代数、转换与应用 第七章:线性代数在化工模型中的应用 线性代数是处理大型系统、矩阵运算和特征值分析的基础。本章聚焦于矩阵的求逆、行列式计算、特征值与特征向量的求解。特别是在化工过程模拟中,大量代数方程组的求解依赖于矩阵技术,例如在牛顿-拉夫逊迭代过程中构建雅可比矩阵。特征值分析则被引入到稳定性分析中,用于判断线性化系统的动态行为(例如,在过程控制的反馈回路分析中)。 第八章:拉普拉斯变换与传递函数 拉普拉斯变换是分析线性时不变(LTI)系统的强大工具,特别是在过程控制和动态模拟领域。本章详细介绍了拉普拉斯变换的性质,并着重讲解了如何利用它将复杂的微分方程转化为代数方程(频域表示)。系统的传递函数(Transfer Function)的推导和物理解释是本章的核心,包括如何从传递函数直接判断系统的极点和零点,从而评估系统的响应特性(如一阶滞后、二阶振荡)。 第九章:傅里叶变换与频谱分析 傅里叶变换(FT)是分析系统频率响应和周期性扰动的关键。本章讨论了连续傅里叶变换,并将其应用于化学工程中的信号处理,例如分析传感器测量数据中的噪声成分,或理解反馈控制器对不同频率扰动的抑制效果。通过频域分析,工程师可以更直观地理解过程的固有时间尺度和响应特性。 --- 第四部分:统计方法与优化 第十章:回归分析与数据拟合 现代化学工程严重依赖实验数据和过程历史数据。本章提供了回归分析的数学基础,包括线性回归和多元非线性回归。重点讨论了最小二乘法的推导及其在参数估计中的应用,例如从实验数据中确定反应速率常数或传热系数。我们还会介绍拟合优度检验(如R²和残差分析)的重要性,以评估模型的可靠性。 第十一章:优化理论在过程设计与操作中的应用 过程优化是实现经济效益最大化的核心。本章系统介绍了无约束优化(如梯度下降法、共轭梯度法)和有约束优化(如拉格朗日乘数法)的基本原理。特别强调了边界约束优化在化工操作中的实际意义,例如在保证产品质量的前提下最大化反应器转化率或最小化能耗。 结语:迈向高级建模 全书贯穿了从问题识别、模型构建、数学求解到工程解释的完整流程。本书为读者打下了坚实的数学基础,使其能够自信地面对涉及复杂流体动力学、高维热力学网络或先进过程控制的前沿工程问题。

作者简介

目录信息

读后感

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用户评价

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这本书的标题“Applied Mathematics for Chemical Engineers”本身就充满了吸引力,它暗示着一种实用主义的学习路径,将抽象的数学概念与具体的工程问题紧密结合。我非常看重这一点,因为我希望通过学习,能够直接看到数学在解决化学工程实际问题中所扮演的关键角色。例如,我希望它能详细讲解如何利用概率统计和假设检验来分析实验数据中的误差来源,如何通过回归分析来建立经验模型,以及如何利用最优化方法来找到最佳的操作条件。此外,我也希望它能涉及一些在化学工程中常见的数学工具,例如傅里叶变换在信号处理和频谱分析中的应用,或者拉普拉斯变换在求解线性常微分方程系统中的便利性。这本书如果能提供足够多的实例,并且这些实例能够涵盖从基础到复杂程度的递进,那将是对我学习过程极大的促进。

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这本书的出现,让我对化学工程领域内的建模与仿真技术有了新的期待。在现代化工生产中,计算机辅助设计和仿真已经成为不可或缺的工具。而这些仿真技术的背后,是强大的数学模型在支撑。我希望《Applied Mathematics for Chemical Engineers》能够深入探讨如何构建和求解这些模型。这意味着我期待它能详细介绍各种数值方法,比如有限差分法、有限元法、有限体积法等,并解释它们各自的优缺点以及在不同类型问题中的应用。此外,我也希望它能涉及一些更高级的主题,例如多尺度建模、多物理场耦合仿真,以及如何利用机器学习和人工智能来辅助建模和优化。如果这本书能够提供相关的算法实现思路或代码示例,那就更棒了。总而言之,我希望它能成为我掌握建模与仿真技术的有力助手。

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这本书的封面设计就散发出一种严谨而实用的气息,那种深蓝与银灰的搭配,以及标题清晰的排版,瞬间就勾起了我对应用数学在化学工程领域应用的强烈好奇心。我一直觉得,数学是化学工程的基石,没有扎实的数学功底,很多复杂的工程问题就如同空中楼阁,难以捉摸。特别是那些涉及到反应动力学、传质传热、流体力学以及过程控制的领域,如果没有一套系统性的数学工具来辅助分析和优化,我们往往会陷入低效和瓶颈。这本书的出现,就像是为我提供了一把解锁这些复杂性的钥匙。我非常期待它能深入浅出地讲解,如何将抽象的数学概念,例如微分方程、积分变换、线性代数、傅里叶分析,甚至是更高级的数值方法,巧妙地应用于解决实际的化学工程问题。我希望它能不仅仅是理论的堆砌,而是能通过大量的实例分析,让我们看到数学是如何从理论走向实践,如何帮助我们理解现象背后的机理,如何指导我们进行设备设计、工艺优化,甚至预测和控制生产过程中的不确定性。这本书是否能真正做到这一点,是我最为关注的。

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我非常期待这本书能够为我提供一个系统性的框架,来理解和掌握化学工程中的各种数学工具。在我的学习过程中,我常常会遇到各种各样的数学概念和方程,但却难以将它们有机地联系起来,也难以理解它们在实际工程问题中的具体应用。我希望这本《Applied Mathematics for Chemical Engineers》能够填补这一空白。例如,它是否能够从基础的代数和微积分入手,逐步过渡到微分方程、偏微分方程、数值分析等更高级的主题?在讲解每个数学工具时,我希望它能提供清晰的数学推导,并且重点阐述其在化学工程领域的应用场景和物理意义。例如,当介绍傅里叶变换时,我希望能看到它在信号处理、频谱分析或甚至是某些传热问题中的应用。这本书如果能提供大量的实例,并且这些实例能够涵盖不同类型的化学工程问题,那将极大地帮助我建立起对应用数学的全面认识。

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我对于化学工程中的过程控制和优化一直感到非常着迷,但同时也觉得理解其背后的数学原理非常具有挑战性。很多时候,控制系统的设计和优化都依赖于复杂的数学模型,例如状态空间方程、传递函数模型等。我希望这本《Applied Mathematics for Chemical Engineers》能够提供清晰、系统性的讲解,帮助我理解这些模型是如何建立的,以及如何利用它们来进行系统分析和设计。特别是关于PID控制器、模型预测控制(MPC)等经典和先进的控制策略,我希望能看到它们在数学上的严谨推导,以及它们是如何在实际的化工过程中得到应用的。此外,我也期待这本书能探讨如何利用优化算法,例如线性规划、非线性规划、动态规划等,来解决生产过程中的优化问题,从而提高效率、降低成本、保障安全。

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对于一本应用数学的书籍,我最关注的是它能否有效地连接理论与实践。化学工程本身就是一个高度实践性的学科,而数学工具是实现这些实践的关键。我希望这本书能够提供丰富的、高质量的案例研究,展示数学是如何被应用于解决化学工程中的实际问题。例如,我期待它能讲解如何运用微积分和微分方程来描述反应器内的化学反应动力学,如何利用传质传热的数学模型来设计高效的热交换器,以及如何应用概率统计来分析和优化生产过程中的不确定性。更重要的是,我希望这些案例能够详细展示从问题提出、数学建模、求解到结果分析的全过程,让我们能够清晰地看到数学方法在整个解决问题流程中的作用。这种“知其然,更知其所以然”的学习体验,对我来说至关重要。

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作为一个正在攻读化学工程专业的学生,一本好的应用数学教材对我来说至关重要。我希望这本《Applied Mathematics for Chemical Engineers》能够提供丰富的、贴合实际的案例研究。化学工程的魅力就在于它将基础科学理论转化为解决现实世界问题的能力,而数学正是连接这两者的桥梁。因此,我非常希望书中能够展示如何运用微积分和微分方程来描述化学反应速率和传质过程,如何利用数值方法来模拟流体流动和热量传递,如何应用统计学和概率论来分析实验数据和优化生产参数。这些案例最好能够涵盖不同类型的化工单元操作,例如反应器设计、分离过程、传热器设计等,并且能够详细展示从问题描述、数学建模、求解到结果解释的全过程。通过对这些具体案例的学习,我希望能更好地理解数学工具的实际应用价值,并培养运用数学解决工程问题的能力,为我未来的学习和职业发展打下坚实的基础。

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对于一本名为《Applied Mathematics for Chemical Engineers》的书籍,我最期待的莫过于它在概念讲解上的深度和广度。化学工程领域庞杂,涉及的数学工具也多种多样,从基础的微积分、微分方程,到更复杂的偏微分方程、张量分析、数值方法,甚至是统计学和概率论,都可能在不同的应用场景中扮演重要角色。我希望这本书能够对这些数学工具进行系统性的梳理,并且清晰地阐释它们各自的适用范围和局限性。更重要的是,我希望它能提供足够详细的推导过程,让我们不仅仅是“知道”某个公式或者方法,而是能够“理解”它为何如此,它的物理意义是什么,以及它在化学工程问题中是如何被构建出来的。仅仅给出结论或者应用案例是远远不够的,深入的理解才能让我们在面对新的、未知的工程挑战时,能够灵活地运用所学的数学知识,而不是被动地套用现成的模型。我希望这本书能够真正帮助我建立起一套扎实的数学分析框架,让我能够自信地应对各种复杂工程问题。

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我一直在寻找一本能够帮助我理解和掌握化学工程中复杂数学模型的书籍。很多时候,我们在文献中看到的公式和模型都显得异常抽象,其背后的物理含义和数学原理往往被忽略,这使得我们很难真正理解它们,更不用说灵活运用了。我希望这本《Applied Mathematics for Chemical Engineers》能够在这方面做得出色,它应该能够深入浅出地讲解各种数学方法的推导过程,并清晰地解释其在化学工程中的物理意义。例如,当介绍偏微分方程时,我希望它能解释清楚这些方程是如何从守恒定律(如质量守恒、能量守恒、动量守恒)推导出来的,以及方程中的各项代表的物理量是什么。同时,我还希望它能提供一些关于如何选择合适的数学模型来解决特定工程问题的指导,以及如何评估模型的准确性和适用性。通过这样的讲解,我希望能真正掌握这些数学工具,而不是仅仅停留在表面。

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我一直在寻找一本能够帮助我深入理解和掌握化学工程领域中数学建模方法的书籍。很多时候,我们在学术文献或者工程实践中会遇到各种各样的数学模型,但其背后的推导和应用逻辑却往往难以清晰地掌握。我希望这本《Applied Mathematics for Chemical Engineers》能够在这方面提供深刻的洞见。例如,它是否能详细解释如何从基本的物理定律(如守恒定律)出发,通过引入各种假设和近似,最终构建出描述特定化学工程现象(如反应动力学、传质传热、流体动力学)的数学方程?我特别希望它能够讲解偏微分方程的建立和求解过程,以及如何利用数值方法(如有限元法、有限体积法)来处理这些方程。如果这本书能够提供一些实际案例的数学建模过程,从问题识别到模型求解再到结果解释,那将非常有价值。

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