Transport Processes and Separation Process Principles（传递过程与分离过程原理）

引用

Geankoplis, C. J., Hersel, A. A., & Lepek, D. H. (2018). Transport Processes and Separation Process Principles (5th ed.). Pearson.

章节概要

第五版经过了大规模重组。序言说明，为了使全书更接近当今的传递现象与分离过程教材，原来的 14 个长章被拆分为 33 个较短的章，而内容本身改动相对较少。全书约 1,250 页，分为第一部分“传递过程”（第 1–21 章）、第二部分“分离过程原理”（第 22–33 章）以及物性数据附录。每章以学习目标开头、以本章小结结尾；例题按节编号，更多习题发布在作者的配套网站上。

第1章：工程原理与单位导论

这是一章复习内容：传递过程与分离过程（单元操作）的分类，SI、cgs 和英制单位，温度与组成的表示，气体定律与蒸气压，含循环和反应的物料衡算，能量单位，热量衡算，以及用辛普森法则进行数值积分。序言指出，已掌握这些内容的读者可以略去本章的全部或一部分。

第2–4章：流体与流体静力学导论；流体性质与流体流动；总体质量、能量与动量衡算

先讲流体静力学与压差计、牛顿黏性定律和雷诺数。第 4 章随后建立总体（宏观）的质量、能量和动量衡算，包括机械能衡算与伯努利方程，最后用壳层动量衡算求出管内和降液膜中的层流速度分布。

第5–7章：管内不可压缩与可压缩流动；填充床与流化床中的流动；泵、压缩机与搅拌设备

这是流体力学的工程核心：摩擦系数与管件损失、管径选择、等温与绝热可压缩流动、从皮托管到堰的各种流量测量；浸没物体的曳力、填充床与流态化；以及泵、气体输送机械、压缩，和搅拌槽的设计、功率与放大。

第8–11章：流体流动的微分方程；非牛顿流体；势流与蠕动流；边界层与湍流

这是较为理论性的流体力学。第 8 章推导连续性方程和运动方程的微分形式，并用于简单流动。第 9 章把管流和搅拌计算推广到非牛顿流体。第 10 章介绍流函数、无黏势流和蠕动流，第 11 章讨论边界层、湍流、雷诺应力、普朗特混合长度和通用速度分布。

第12–14章：传热导论；稳态导热；非稳态传热原理

第 12 章介绍导热、对流和辐射，并重复了第 1 章关于能量单位和热量衡算的内容。第 13 章讨论通过复合平壁、圆筒和球体的稳态导热、内热源、形状因子和有限差分法。第 14 章用集总参数法、解析解、图表和数值方法处理非稳态导热，并有一节讨论食品的冷却与冻结。

第15–17章：对流导论；换热器；辐射传热导论

第 15 章借助量纲分析和边界层概念，建立管内流动、外部绕流、自然对流、沸腾与冷凝，以及搅拌槽、翅片换热器等特殊情形的对流关联式。第 16 章篇幅较短，讨论换热器类型、对数平均温差修正系数、换热器效能、污垢系数和套管换热器。第 17 章讨论角系数、灰体和吸收性气体中的辐射。

第18–21章：传质导论；稳态传质；非稳态传质；对流传质

第 18 章阐述菲克定律、扩散系数的估算以及二元混合物的连续性方程。第 19 章讨论气体、液体、固体、多孔介质（包括克努森扩散）和生物凝胶中的稳态扩散；第 20 章讨论非稳态扩散及伴有反应的扩散；第 21 章建立传质系数以及三种传递过程之间的类比。

第22–23章：吸收与解吸；增湿过程

第 22 章先建立相间平衡、级式接触以及膜传质系数和总传质系数，再设计板式和填料吸收塔，包括液泛、传质单元和热效应。第 23 章讨论湿度、湿度图和湿球温度，并设计凉水塔和减湿塔。

第24–25章：过滤与膜分离过程（液–液或固–液相）；气体膜系统

第 24 章从死端过滤理论（恒压过滤与恒速过滤）讲到微滤、超滤、反渗透和透析，包括人工肾中的血液透析。第 25 章详细讨论气体渗透，给出全混流、错流、逆流和并流模型，以及用电子表格实现的有限差分法。

第26–27章：蒸馏；液–液萃取

第 26 章讨论汽液平衡、闪蒸与间歇蒸馏、McCabe–Thiele 法、塔板效率与塔径、焓–浓度法以及多组分简捷计算法。第 27 章讨论萃取平衡、萃取设备和逆流多级萃取设计。

第28–31章：吸附与离子交换；结晶与颗粒粉碎；沉降、沉淀与离心分离；浸取

固定床吸附与离子交换，结晶理论与粉碎，沉降、增稠、离心机与旋风分离器，以及单级和逆流多级浸取。

第32–33章：蒸发；干燥

第 32 章讨论蒸发器类型、单效与多效蒸发计算、冷凝器、生物物料的蒸发和蒸汽再压缩。第 33 章是全书最长的一章，讨论干燥设备、平衡含水量、恒速与降速干燥、各类干燥器的计算式、冷冻干燥，以及生物物料的热处理与灭菌。

核心概念

第一部分：传递过程

• 单元操作与传递过程：本书的组织思想，即各种分离步骤共享三种基本机理：动量、热量和质量传递。
• 总体衡算与伯努利方程：用于设计管路、泵和流量计的宏观质量、能量和机械能衡算。
• 摩擦系数：在层流和湍流管流中把流量与压降联系起来的无量纲量。
• 连续性方程与运动方程：质量守恒和动量守恒的微分形式。
• 菲克定律与扩散系数：组分的分子扩散通量，以及扩散系数的估算方法。
• 传质系数与类比：对流传质的关联式，以及它与热量和动量传递的对应关系。

第二部分：分离过程原理

• 平衡级与操作线：吸收、蒸馏、萃取和浸取设计的图解与解析基础。
• McCabe–Thiele 法：用逐级作图求二元蒸馏理论板数的方法，包括最小回流比和全回流。
• 穿透曲线：用于设计固定床吸附柱和离子交换柱的出口浓度随时间变化的曲线。
• 恒速干燥与降速干燥：干燥曲线的两个阶段，各有其计算方法。

评析

优点

• 把传递原理与设备联系起来。 序言所述的两部分结构先讲动量、热量和质量传递原理，再讲分离过程，因此课程可以清楚地展示第 21 章的传质系数如何直接用于第 22 章的塔设计，或干燥一章如何同时依赖传热和传质。
• 分离操作覆盖面广。 第二部分的 12 章除了经典的蒸馏、吸收和萃取各章外，还涵盖膜过程（液相与气相）、吸附与离子交换、结晶、沉降和浸取。
• 生物与食品方面的内容。 目录中反复出现生物物料的内容：食品的冷却与冻结、生物凝胶中的扩散和生物溶质的扩散、血液透析、果汁和糖液的蒸发、冷冻干燥以及灭菌动力学。
• 便于灵活安排课程。 序言给出了五种课程方案（用一年半学完传递过程与分离过程、只学传递过程、只学分离过程等），带有学习目标和小结的新短章也便于分段布置。

局限

• 重组留下的痕迹。 拆分旧章节后留下了一些重复：第 1 章中关于能量单位和热量衡算的各节在第 12 章开头再次出现，第 23 章的湿度内容又在第 33 章出现。序言中的第五种课程方案（传质）仍然列出第 12–19 章，而按新的章号，这些章大多是传热内容。
• 各章篇幅不均。 第 2、3、16 章各约 10 到 17 页，而第 22、26、33 章都超过 60 页；章数增多并不意味着每周的分量相同。
• 软件内容在书外。 使用 Aspen 或 CHEMCAD、MATLAB、COMSOL 和 Excel 的习题放在配套网站上，而不在印刷的各章中。

在课程中的定位

在化工过程工程的书单中，本书位于一年级的衡算课程和高年级的设计课程之间。Felder、Rousseau 和 Bullard 的 Elementary Principles of Chemical Processes 以及 Denn 篇幅较短的 Chemical Engineering: An Introduction 讲授物料与能量衡算，Geankoplis 在第 1 章复习这些内容，之后便将其作为前提。McCabe、Smith 和 Harriott 的 Unit Operations of Chemical Engineering 是与本书最接近的教材：两者都涵盖流体流动、传热和主要分离操作，可以对照阅读。区别在于结构：Geankoplis 先在第一部分完整展开传递原理，再转入分离过程，因此适合把传递现象和分离过程作为两门课程分开讲授的教学安排。

Fogler 的 Elements of Chemical Reaction Engineering 讨论反应器，而本书除伴有反应的扩散外不涉及反应器。Towler 和 Sinnott 的 Chemical Engineering Design 放在最后，它在整个流程和工厂设计中运用第二部分的分离单元计算。

如何使用本书

本书面向化学工程专业三、四年级学生，以及食品工程、生物工程等其他过程类专业的学生。读者需要掌握物料与能量衡算、基础热力学以及含常微分方程的微积分；第 8、10、11、14、20 章数学要求最高。

根据教学大纲，从序言的课程方案中选择合适的一种：

• 传递现象课程（两学期）： 第 2–21 章，第 1 章作为可选复习。第 2–7 章和第 12–16 章是实用核心；第 8–11 章补充微分方程和边界层视角，在第一门课中可以少讲；第 18–21 章是传质的核心。
• 分离过程或单元操作课程（一学期）： 从第 22 章开头关于平衡和相间传质的几节开始，然后学习第 26 章（蒸馏）、第 22 章其余部分（吸收）和第 27 章（萃取）。再根据专业需要加入膜、吸附、蒸发或干燥；食品与生物过程方向需要第 32–33 章。
• 只学传质： 第 18–21 章，然后从第二部分中选读。

把各章的学习目标和小结用作自查，做习题之前先动手推演编号例题，并利用配套网站上的软件习题，练习用 Excel、MATLAB 或流程模拟软件求解同样的模型。物性数据可随时查阅附录。