01 / 导读
导读
引用
Felder, R. M., Rousseau, R. W., & Bullard, L. G. (2020). Elementary Principles of Chemical Processes (4th ed.). Wiley.
章节概要
第四版共三部分十章（第一部分"工程问题分析"，第1–3章；第二部分"物料衡算"，第4–6章；第三部分"能量衡算"，第7–10章），其后是计算方法附录、物性数据表附录、"Test Yourself"（自测题）答案和部分习题答案。前置部分附有符号表和术语表。从第2章起，每章都以学习目标开头，以小结和大量习题结尾。按出版社的说法，本书培养学生建立并求解化工过程系统的物料与能量衡算，为后续课程打下基础。
第1章：化学工程师以何为生
两页的开篇章，并不试图给化学工程下定义，而是跟随一届毕业生走进制造业、政府部门与咨询公司、研究生院、医学、法律和商业。最后指出，有一套共同的解决问题的技巧适用于所有这些职业，而这些技巧正是本书的主题。
第2章：工程计算导论
单位与量纲、单位换算、单位制、力与重量、数值计算与估算、量纲一致性与无量纲量，以及过程数据的表示与分析。
第3章：过程与过程变量
描述过程所用的变量：质量与体积、流量、化学组成、压力和温度。
第4章：物料衡算基础
篇幅最长也最重要的一章，涵盖过程分类、通用衡算方程、物料衡算的计算步骤、多单元过程、循环与旁路、化学反应计量、反应过程的衡算和燃烧反应，最后讨论有关化工过程的一些补充问题。
第5章：单相系统
单相物性估算：液体和固体的密度、理想气体、非理想气体的状态方程以及压缩因子状态方程。
第6章：多相系统
相平衡：单组分相平衡、吉布斯相律、含一种可凝组分和含多种组分的气液系统、固体在液体中的溶解、两液相间的平衡，以及固体表面的吸附。
第7章：能量与能量衡算
能量的形式与热力学第一定律；动能与势能；封闭系统和稳态敞开系统的能量衡算；热力学数据表；能量衡算步骤；以及机械能衡算。
第8章：非反应过程的衡算
压力变化、温度变化、相变以及混合与溶解过程的焓变计算。
第9章：反应过程的衡算
反应热、盖斯定律、生成热与燃烧热、反应过程的能量衡算，以及燃料与燃烧。
第10章：非稳态过程的衡算
针对非稳态操作再次讨论通用衡算方程：非稳态物料衡算、单相非反应过程的能量衡算，以及联立的非稳态衡算。
核心概念
第一部分：工程问题分析
- 量纲一致性：正确的方程中，每个相加的项都必须具有相同量纲，这是检验任何计算的手段。
- 过程变量：流量、组成、压力和温度等确定过程物流的量。
- 估算：用来检验计算结果是否合理的近似计算。
第二部分：物料衡算
- 通用衡算方程：输入＋生成－输出－消耗＝累积。
- 循环与旁路：返回过程单元或绕过过程单元的物流，会改变衡算的建立方式。
- 化学反应计量：配平化学反应中的定量关系，用于建立反应过程的衡算。
- 吉布斯相律：处于平衡的系统中可以独立指定的强度变量的数目。
第三部分：能量衡算
- 敞开系统的第一定律：把焓、动能和势能变化与热和功联系起来的稳态能量衡算。
- 非反应过程中的焓变：压力变化、温度变化、相变以及混合与溶解的影响，第8章依次讨论。
- 反应热与盖斯定律：通过组合已知反应或生成热求得反应焓。
- 非稳态衡算：累积项不为零的衡算，会得到关于时间的微分方程。
评析
优点
- 经过检验的教学设计。 威立出版社介绍说，理查德·费尔德是美国工程教育学会首届"工程教育终身成就奖"得主，并称本书凝聚了他对有效教学的长期研究。这在结构上清晰可见：每章以学习目标开头，以小结和习题结尾；"Test Yourself"自测题在书后有答案；还配有符号表和术语表。
- 覆盖现代应用领域的习题。 第四版新增或修订了约350道章末习题，其中许多来自安全、环境、生物工程、替代能源和材料等较新的应用领域；"应用领域习题索引"帮助教师查找这些题目。
- 系统的方法。 第4章先确立物料衡算的通用计算步骤，再应用于多单元、循环和反应过程；第7章在能量衡算中重复同样的模式。学生学到的是一种可迁移的方法，而不是一堆特例。
- 教学资源。 威立为第2–9章提供"Notes With Gaps"——一套带空白、供学生在课堂上填写的讲义——以及能省去例行物性计算的Excel加载项APEx。
局限
- 篇幅长、内容密。 正文约670页，仅第4章连同习题就超过120页。一门课程很少能深入讲完全部十章。
- 范围有意收窄。 本书讲授物料与能量衡算以及所需的物性估算，速率、设备设计和过程经济性留给后续课程。想了解学科全貌的学生还应阅读一本概论。
- 计算内容有限。 计算方法只以附录形式出现（最小二乘法、非线性方程的迭代求解、数值积分），外加APEx加载项，没有专讲计算机辅助衡算的章节。讲授流程模拟的课程需要另找材料。
在课程中的定位
本书是化工过程工程书单中第一门核心课程的主教材。威立称，美国五分之四以上的化学工程专业都在使用它。书单中的另一本入门书——莫顿·丹恩的 Chemical Engineering: An Introduction——篇幅短得多，它通过建立膜分离、生物反应器和膜反应器等液相过程的简单模型，来展示化学工程师做什么。可以把丹恩与费尔德并读以开阔视野，或先读丹恩作为入门引导，但系统的方法和练习要依靠费尔德。
书单中后续的每本书都建立在费尔德的某一部分之上。第6章和第8章为麦凯布、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 中的分离过程做准备。第4章和第9章通向福格勒的 Elements of Chemical Reaction Engineering。为高年级设计课程编写的托勒和辛诺特的 Chemical Engineering Design 在需要对整个流程完成衡算时，会用到这里的全部内容。
如何使用本书
本书为第一门化学工程课程的学生编写，通常在一年级或二年级开设。具备一年级微积分、普通化学和大学物理入门知识即可；第10章的非稳态衡算会引出关于时间的微分方程。
- 核心顺序： 第2–4章，然后第5–6章，再到第7–9章。第4章是全书的核心，要在这里投入最多时间：每道题都完整地按照本章的计算步骤进行，在动手计算之前先把问题完全建立起来。
- 可以略讲的部分： 对单位已经熟练的学生可略过第2章；课程不需要时可略过第6章的吸附一节。
- 课程末尾或第二学期： 第10章非稳态衡算，它与后续的过程动态与控制课程相衔接。
- 尽早读一遍： 第1章，了解这些方法通向何处。
多做习题——熟练来自反复练习。用"Test Yourself"答案检查阅读理解，用部分习题答案核对数值结果，用应用领域索引寻找自己感兴趣领域的题目。附录B收录了能量衡算各章所需的蒸汽表、热容等物性数据，应尽早学会查用。