Material and Energy Balances for Engineers and Environmentalists pdf epub mobi txt 電子書 下載2026

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出版者:

作者:Oloman, Colin

出品人:

頁數:268

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價格:$ 90.40

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isbn號碼:9781848163683

叢書系列:

圖書標籤:

• 化學工程
• 環境工程
• 物質平衡
• 能量平衡
• 工程計算
• 化工原理
• 環境科學
• 過程工程
• 傳質
• 熱力學

《化工過程優化與控製：現代工程實踐的基石》 內容提要 本書係統闡述瞭化工過程優化與控製的理論基礎、先進方法及其在現代工業生産中的應用。全書聚焦於如何通過精細化的過程管理，實現生産效率的最大化、能源消耗的最小化以及産品質量的穩定控製。本書不僅涵蓋瞭傳統的過程控製技術，如PID控製及其改進算法，更深入探討瞭先進過程控製（APC）的前沿技術，包括模型預測控製（MPC）、魯棒控製以及基於人工智能的自適應控製策略。此外，本書對化工過程的動態特性建模、係統辨識、優化理論（綫性規劃、非綫性規劃及啓發式算法）進行瞭詳盡的分析和闡述，為工程師和研究人員提供瞭一套完整的、可操作的解決方案。 第一章：化工過程動態特性與建模基礎 本章奠定瞭過程控製和優化的理論基礎。首先，從化工過程的物理化學本質齣發，解析瞭單元操作（如反應器、精餾塔、換熱器）的瞬態行為。詳細介紹瞭不同建模方法的適用性：從機理建模（基於質量、能量和動量守恒定律）的建立過程，到經驗模型和黑箱模型的辨識技術。重點討論瞭過程的綫性化處理，包括泰勒級數展開法在描述非綫性係統近穩態行為中的應用。為後續的控製器設計，本章引入瞭傳遞函數、狀態空間錶示法，並用實例說明瞭如何利用工業數據進行係統辨識，確定係統的增益、時間常數和死區。本章強調瞭模型準確性對後續控製性能的決定性影響。 第二章：經典過程控製係統設計與實現 本章深入講解瞭工業界應用最廣泛的經典控製策略。詳細剖析瞭比例-積分-微分（PID）控製器的基本原理、結構及其對過程擾動的響應特性。針對PID參數整定這一核心難題，係統介紹瞭Ziegler-Nichols、Cohen-Coon等經驗整定法，並側重於基於模型的精確整定方法，如基於波德圖和根軌跡分析的分析設計。此外，本章還探討瞭高級經典控製器的應用，包括前饋控製、反饋與前饋的組閤控製，以及解耦控製在多變量係統中的應用，旨在剋服單迴路控製的局限性。本章配備瞭大量的仿真案例，展示瞭不同控製策略在應對負載變化和外部乾擾時的性能對比。 第三章：先進過程控製（APC）理論與技術 本章是全書的重點，聚焦於現代化工過程控製的核心——先進過程控製。首先，詳盡闡述瞭模型預測控製（MPC）的數學框架，包括其在綫優化問題（二次規劃或二次規劃問題）的求解、滾動時域概念以及約束處理能力。深入分析瞭MPC在處理係統耦閤性、預測未來乾擾以及實現多目標優化方麵的優越性。隨後，本章引入瞭魯棒控製理論，探討瞭如何設計在模型不確定性或係統動態變化時仍能保證穩定性和性能的控製器，如$H_{infty}$控製的原理和應用場景。此外，本章也展望瞭非綫性MPC（NMPC）和數據驅動的自適應控製策略，為處理高度非綫性、時變係統提供瞭前沿工具。 第四章：化工過程優化：穩態與動態優化 本章將優化理論應用於化工過程的性能提升。首先，在穩態優化方麵，詳細介紹瞭綫性規劃（LP）、非綫性規劃（NLP）在確定最佳操作點（如最大化利潤、最小化能耗）中的應用。重點分析瞭拉格朗日乘數法在處理等式和不等式約束下的最優化問題中的應用。其次，在動態優化方麵，探討瞭如何利用變分法和龐特裏亞金極大值原理來確定最優的控製軌跡，例如在批次反應器或間歇操作中的最優加熱/冷卻麯綫設計。本章結閤實際案例，如精餾塔的能耗最小化優化和反應選擇性的提升，展示瞭如何將數學優化技術轉化為實際的經濟效益。 第五章：數據驅動控製與人工智能在化工中的融閤 隨著工業大數據和計算能力的飛速發展，本章探討瞭數據驅動方法在過程控製與優化中的新興應用。內容涵蓋瞭基於機器學習的軟測量技術，即如何利用傳感器數據建立準確的、難以直接測量的關鍵變量模型。深入討論瞭強化學習（RL）在復雜、高維控製問題中的潛力，包括如何利用RL智能體在仿真環境中學習最優的控製策略，以應對傳統模型無法準確描述的強非綫性或未知動態。本章還涉及瞭基於小波分析和神經網絡的狀態估計與故障檢測技術，為提升過程的可靠性和安全性提供技術支持。 第六章：過程安全、可靠性與先進診斷 過程安全是化工生産的生命綫。本章從控製係統的角度探討瞭安全儀錶係統（SIS）的設計原則和功能安全標準（如IEC 61511）。重點討論瞭過程安全控製與過程優化控製之間的層級劃分與協同工作機製。此外，本章深入研究瞭基於模型的故障診斷（Model-Based Fault Detection and Isolation, FDI）方法，通過殘差分析和狀態觀測器技術，實現對傳感器漂移、執行器卡澀和過程參數異常的早期預警和精確隔離，確保控製係統在高風險操作環境下的長期穩定運行。 讀者對象 本書內容深度適中，理論嚴謹且工程實例豐富，尤其適閤以下讀者： 1. 化工、化學工程、過程控製專業的高年級本科生和研究生：作為核心教材或參考書，幫助建立紮實的理論基礎和實際應用能力。 2. 化工、石油、冶金、製藥等流程工業的工藝工程師、控製工程師：幫助讀者理解和應用先進的控製優化技術，提升現有生産裝置的運行效率和穩定性。 3. 從事過程建模、仿真與優化研究的科研人員：提供全麵的理論框架和前沿技術綜述，激發新的研究方嚮。 本書旨在將深奧的控製與優化理論轉化為工程師可直接采納的實用工具，是推動現代流程工業嚮智能化、高效化邁進的重要參考資料。

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從內容編排的角度來看，這本書確實做到瞭循序漸進，層層遞進。一開始，作者就以非常基礎的概念入手，比如物質的分類、密度、摩爾質量等，這些都是構建後續復雜模型的基礎。然後，逐步引入化學反應的計量學，以及如何計算反應物和産物的摩爾數和質量。這一點非常重要，因為許多工程過程都涉及到化學反應。當我對這些基本操作熟悉之後，書中就開始介紹質量衡算，包括穩態和非穩態過程的質量平衡方程，以及如何處理多組分係統和循環流。每一次的知識更新，都建立在之前的基礎上，讓我有一種“步步為營”的安全感。最讓我感到驚喜的是，書中還專門開闢瞭一個章節來講解“環境影響評估”與能量和物質平衡的關聯。這部分內容對於理解工程項目對環境的潛在影響，以及如何通過優化設計來減少負麵效應，提供瞭寶貴的視角。它讓我意識到，工程不僅僅是關於效率和成本，更是關於責任和未來。這種跨學科的融閤，使得這本書的價值遠遠超齣瞭傳統的工程技術書籍。

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我最喜歡這本書的一點是它對“權衡”的強調。在工程設計和環境保護領域，幾乎沒有完美的解決方案，總需要在不同的目標之間做齣權衡。這本書恰恰在這個方麵提供瞭深刻的見解。例如，在討論能源效率時，書中會詳細分析提高效率所帶來的成本增加，以及不同能源來源的經濟和環境成本。它不會簡單地告訴你“最優解”，而是引導你去理解“為什麼某個選擇是在特定條件下最優的”。這種批判性思維的培養，對於每一個未來的工程師和環保工作者來說都至關重要。書中關於“生命周期評估”（LCA）的介紹，也讓我受益匪淺。它不僅僅關注産品或過程的某個階段，而是從原材料的獲取到最終的廢棄處理，全麵考量其環境和社會影響。這是一種更加宏觀和長遠的視角，對於製定可持續發展戰略非常有價值。我個人認為，這本書的內容涵蓋瞭從基礎理論到前沿應用的廣泛光譜，並且在每一個環節都展現齣瞭作者深厚的功底和豐富的實踐經驗。它不僅僅是一本教科書，更像是一位經驗豐富的導師，引領我在材料和能量的世界裏不斷前行。

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這本書的封麵設計就足夠吸引人，深邃的藍色背景，搭配上一些抽象的化學分子式和能量流動的示意圖，營造齣一種嚴謹又不失科學美感的氛圍。我之前對“材料與能量平衡”這個概念並沒有太深入的瞭解，隻是模糊地知道它在工程和環境科學領域的重要性。然而，當我拿到這本書，翻開第一頁，就被它清晰的排版和精美的插圖所吸引。作者似乎花瞭大量心思去呈現那些復雜的概念，用通俗易懂的語言解釋瞭諸如質量守恒、能量守恒定律在實際工程中的應用，以及這些基本原理如何支撐起現代工業的運行。我尤其喜歡書中關於“閉環係統”和“開環係統”的對比分析，讓我能更直觀地理解不同工藝流程的特點。書中的案例研究也十分詳實，從煉油廠的生産過程到汙水處理廠的效率評估，都一一涵蓋，讓抽象的理論知識瞬間落地，變得鮮活起來。我甚至可以在腦海中勾勒齣那些設備運行的場景，仿佛身臨其境。盡管我還沒有深入閱讀到所有章節，但僅憑前幾部分的呈現，我已經對這本書的價值有瞭很高的期待。它不僅僅是一本教材，更像是一份通往理解物質世界運行規律的邀請函，讓我迫不及待地想要繼續探索下去。

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不得不說，這本書的理論深度和廣度都令人印象深刻。我特彆贊賞作者在講解每個核心概念時，都會追溯其曆史淵源，並將其與實際應用場景緊密結閤。例如，在探討能量衡算時，書中詳細介紹瞭熱力學第一定律的演變過程，以及它是如何從牛頓力學的框架中逐漸獨立齣來，成為描述能量轉化和守恒的關鍵。這讓我不僅理解瞭“為什麼”，更理解瞭“怎麼用”。書中關於“焓”、“熵”等關鍵熱力學屬性的解釋，也非常到位，避免瞭許多教科書中常見的枯燥和晦澀。通過大量精選的例題，我能清晰地看到這些概念如何在化工、材料生産乃至環境保護的實際問題中得到應用。書中的圖錶繪製技術也非常高超，無論是過程流程圖（PFD）還是流程與儀錶流程圖（P&ID）的解讀，都顯得清晰明瞭，極大地幫助瞭我的理解。而且，作者在講解過程中，似乎一直在引導讀者思考“效率”和“可持續性”這兩個在當代工程領域至關重要的議題。對於像我這樣希望將理論知識轉化為實際解決能力的人來說，這無疑是一本寶藏。它提供的不僅僅是知識，更是解決問題的思維框架。

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這本書的語言風格非常獨特，既有學術研究的嚴謹性，又不失對讀者需求的體察。作者在解釋一些復雜的計算方法時，會非常細緻地分解每一步驟，並用清晰的邏輯箭頭來引導思路，確保讀者不會迷失在公式和符號之中。而且，書中經常會穿插一些“思考題”和“討論題”，鼓勵讀者主動去思考、去運用所學知識。這讓閱讀過程變得更加互動，也更能激發學習的興趣。我還發現，作者在引用參考文獻時，非常嚴謹，並且盡可能地選擇瞭那些經典且有影響力的研究。這讓我對書中所 presented 的理論和方法更有信心。值得一提的是，書中關於“過程模擬”的部分，雖然篇幅不長，但卻為我打開瞭新的視野。它簡要介紹瞭如何利用計算機軟件來模擬和優化工程過程，這在當今的工程實踐中已經變得越來越重要。盡管我暫時還沒有機會去實踐這些模擬，但瞭解其基本原理，對我未來的學習和工作都將大有裨益。總而言之，這本書提供瞭一種非常紮實的理論基礎，同時也為未來的學習和實踐指明瞭方嚮。

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