01 / 导读
导读
引用
Denn, M. M. (2011). Chemical Engineering: An Introduction. Cambridge University Press (Cambridge Series in Chemical Engineering).
章节概要
本书篇幅不长：约255页，共十五章，前有序言，后有两页的"后记"（Postface）。丹恩在序言中阐明了入门课程的作用：把学生从基础科学和数学引入构成化学工程学位核心的工程科学课程，同时让他们概览这一职业的全貌；为此，课程应围绕贴近实际情境的速率过程来组织。本书主要局限于液相过程，用出版社的话说，它把数学"作为最基础层次的语言"来使用。
第1章：化学工程
开篇一章把化学工程定义为"利用物理、化学和生物化学速率过程造福人类的应用科学领域"，并逐一阐释这一定义的两个方面。速率过程的第一个例子是口服药物：从消化到进入血液，再到代谢和排出。本章指出，公众心目中化学工程师生产石化产品的形象，只描述了现代职业中很小的一部分。
第2章：分析的基本概念
本章把建模作为核心活动来介绍：用方程描述系统、进行预测、与实际比较、加以修正，然后把模型用于设计。这一方法通过一个运用总物料衡算的简单过程单元加以演示。
第3–4章：衡算方程；组分物料衡算
第3章把衡算方程推广到不守恒的量，例如在体内被代谢的药物。其应用实例是经济方面的：把净现值当作对资金的衡算，用来求出未来支出的真实成本。第4章把物料衡算扩展到充分搅拌、单相、多种不反应组分的系统，以盐和水为例。
第5章：膜分离
书中出现的第一个分离过程。本章介绍分离在生理学和工业中的地位——从肺和肾到乙醇回收和制氧——随后分析膜过程：一层薄膜把两股流体隔开，只允许特定组分通过。出版社将血液透析列为书中的问题之一。
第6–7章：化学反应系统；反应器设计
第6章在几何形状简单的单相反应器中建立反应动力学。第7章在"过程"意义上使用"设计"一词，即决定需要哪些设备、规模多大，并根据第6章的动力学确定反应器尺寸和流量。丹恩指出，完整的过程设计通常是最后一学年的综合设计课程内容；本书则以简化形式提前引入，并讨论设备投资与运行费用之间的权衡。
第8–9章：生物反应器与非线性系统；突破平衡
第8章以污水处理的活性污泥法为框架，讨论生物反应器的设计及其非线性行为；出版社重点提到的问题之一是微生物的"冲出"（washout）。第9章仅有四页，说明膜反应器如何在产物生成时即将其移出，从而实现超过平衡限度的转化率。反应精馏也有提及，但因为需要汽液平衡知识而留待后续课程。
第10–11章：两相系统与相际传质；平衡级过程
第10章对两相系统进行分类，说明何时可以把混合物当作单一连续相处理、何时不可以，并建立相际传质和平衡级的概念。第11章把平衡级应用于互不相溶溶剂之间的液液萃取，计算达到给定分离程度所需的级数，而不涉及接触设备的机械设计。
第12–15章：能量衡算；换热；多组分系统的能量衡算；反应系统的能量衡算
全书最后三分之一把能量作为变量引入。第12章介绍能量衡算，第13章讨论换热，第14章处理混合物。丹恩在第14章中提醒，已发表的能量衡算常常有错，并举出一个商业反应器模型为例，其中的错误注定会把热点算错。第15章针对充分混合的液相反应器引入反应速率的温度依赖性。
后记
简短的结语，介绍化学工程学位后续的课程以及本科生参与科研的价值。
核心概念
第1–4章：基础
- 速率过程：以有限速率进行的物理、化学和生物化学过程，丹恩视之为这一学科的根本范式。
- 建模：把物理情境转化为方程，用实际情况检验预测并加以修正，然后再用于设计。
- 衡算方程：累积＝输入－输出＋净生成，对守恒量和不守恒量都适用。
- 净现值：把衡算方程应用于资金，以比较发生在不同时间的成本。
第5–9章：分离与反应器
- 膜分离：通过隔开两股流体的薄层屏障进行选择性传递。
- 反应器尺寸确定：利用动力学确定达到所需转化率的反应器体积和流量。
- 冲出：在连续生物反应器中，稀释速度超过微生物生长速度时，微生物种群从系统中流失。
- 突破平衡：像膜反应器那样在反应过程中移出产物，使逆反应无法进行。
第10–15章：多相系统与能量
- 相际传质：组分在相与相之间朝平衡分布方向的迁移。
- 平衡级：出口物流彼此达到平衡的理想化接触器，用于计算分离所需的级数。
- 能量衡算：把热力学第一定律应用于过程单元，包括混合和反应效应。
- 温度相关的动力学：温度对反应速率的强烈影响，是反应器设计中的关键调节手段。
评析
优点
- 展示这一学科做什么。 序言把课程建立在现实情境中的速率过程之上，出版社也称书中的设计和分析问题在形式和规模上都贴近实际。约翰·H·塞恩菲尔德在《AIChE Journal》上称本书是物料与能量衡算的简明入门，能让读者体会化学工程师所面对的问题。
- 现代的例子。 药物代谢、血液透析、污水处理生物反应器和膜反应器与反应器、萃取并列出现。《Chemistry World》的书评认为，用膜分离等较新的单元操作来阐释传统概念很有吸引力，并评价本书现代而简洁。
- 尽早引入设计。 含成本权衡的反应器尺寸确定（第7章）和级数计算（第11章），把作者所说通常推迟到综合设计课程的设计决策带进了第一门课。
- 对能量衡算的严谨。 第14章明确告诫那些会导致多组分能量衡算出错的捷径。书中描述的错误也出现在已发表的资料中，因此这种严谨很有用处。
局限
- 要求学生准备充分。 戴维·L·西尔弗斯坦在《Chemical Engineering Education》上的书评中，为赞誉加上了"如果你的学生准备充分"的前提。对微积分或化学基础不牢的学生来说，建模各章的节奏可能偏快。
- 液相与简化的物理。 本书有意主要局限于液体和充分混合的容器，不涉及汽液平衡和反应精馏。标准物料与能量衡算课程中讲授的气相化学计量、状态方程和相平衡并不是本书的重点。
- 章节长短不一。 有些章非常短（第9章四页，第3章六页），而分析一章接近四十页。教师可能需要为较短的章节补充习题。
在课程中的定位
丹恩的书和费尔德、鲁索、布拉德的 Elementary Principles of Chemical Processes 是化工过程工程书单中的两本入门书，用途不同。费尔德是一本为系统的物料与能量衡算课程编写的完整教材，涵盖单位、过程变量、气体与相平衡行为，并配有大量习题；丹恩则是一本关于建模和职业范围的简明读物。以衡算为主的第一门课程应以费尔德为主教材，同时阅读丹恩以开阔视野；以学科概览开篇的课程则可以丹恩为核心，再用费尔德做练习。
丹恩的各部分都为书单中的后续课程做了铺垫：分离各章通向麦凯布、史密斯和哈里奥特的 Unit Operations of Chemical Engineering，以及吉安科普利斯、赫塞尔和莱佩克的 Transport Processes and Separation Process Principles；反应器各章通向福格勒的 Elements of Chemical Reaction Engineering；设计与成本这条线索则通向为高年级设计课程编写的托勒和辛诺特的 Chemical Engineering Design。
如何使用本书
本书面向化学工程和生物化学工程专业第一学期的学生，也适合与化学工程师合作的科学家和工程师——《Chemistry World》的书评也向这类读者推荐了本书。实际需要的背景是一年级微积分和普通化学。
- 核心： 第1–4章建立建模方法和衡算方程。后面的每一章都依赖它们，因此要认真研读分析一章。
- 物料衡算的应用： 第5–9章可以当作一组设计研究来读：分离、反应器、生物反应器和膜反应器。课时较少的课程可以从中挑选两三章。
- 多相系统与能量： 第10–11章通向分离课程，第12–15章介绍能量衡算。时间紧张时，可把第12章和第14章放在一起读，并牢记关于错误捷径的提醒。
- 后记： 放在最后读，它说明了其余课程如何建立在这些章节之上。
对每个模型，求解前先写出假设（充分混合、单相、密度恒定），再思考在真实工厂中哪一条假设会最先失效——这正是分析一章想要培养的习惯。需要更多标准衡算练习的学生，应把本书与费尔德配合使用。