01 / 導讀
導讀
引用
Denn, M. M. (2011). Chemical Engineering: An Introduction. Cambridge University Press (Cambridge Series in Chemical Engineering).
章節概要
本書篇幅不長：約255頁，共十五章，前有序言，後有兩頁的「後記」（Postface）。丹恩在序言中說明入門課程的角色：把學生從基礎科學與數學帶進構成化學工程學位核心的工程科學課程，同時讓他們綜覽這個專業的全貌；為此，課程應圍繞貼近實務情境的速率過程來安排。本書主要限於液相程序，用出版社的話說，它把數學「當作最基礎層次的語言」來使用。
第1章：化學工程
開篇一章把化學工程定義為「運用物理、化學與生物化學速率過程造福人類的應用科學領域」，並逐一闡釋這個定義的兩個面向。速率過程的第一個例子是口服藥物：從消化、進入血液，到代謝與排出。本章指出，一般人心目中化學工程師生產石化產品的形象，只描述了現代專業中很小的一部分。
第2章：分析的基本概念
本章把建模當作核心活動來介紹：以方程式描述系統、進行預測、與實際比較、加以修正，再把模型用於設計。這個方法透過一個運用總質量均衡的簡單程序單元來示範。
第3–4章：均衡方程式；成分質量均衡
第3章把均衡方程式推廣到不守恆的量，例如在體內被代謝的藥物。其應用實例屬於經濟層面：把淨現值當作對金錢的均衡，用來求出未來支出的真實成本。第4章把質量均衡擴展到充分攪拌、單相、多種不反應成分的系統，以鹽與水為例。
第5章：薄膜分離
書中第一個出現的分離程序。本章介紹分離在生理學與工業中的角色——從肺與腎到乙醇回收與製氧——接著分析薄膜程序：一層薄膜把兩股流體隔開，只讓特定物種通過。出版社將血液透析列為書中的問題之一。
第6–7章：化學反應系統；反應器設計
第6章在幾何形狀簡單的單相反應器中建立反應動力學。第7章在「程序」意義上使用「設計」一詞，亦即決定需要哪些設備、規模多大，並根據第6章的動力學決定反應器尺寸與流量。丹恩指出，完整的程序設計通常是最後一學年的總整設計課程內容；本書則以簡化形式提前引入，並討論設備投資與操作成本之間的取捨。
第8–9章：生物反應器與非線性系統；突破平衡
第8章以廢水處理的活性污泥法為架構，討論生物反應器的設計及其非線性行為；出版社特別提到的問題之一是微生物的「沖出」（washout）。第9章僅有四頁，說明薄膜反應器如何在產物生成時隨即將其移出，從而達到超過平衡限制的轉化率。反應蒸餾也有提及，但因為需要汽液平衡的知識而留待後續課程。
第10–11章：兩相系統與界面質傳；平衡級程序
第10章為兩相系統分類，說明何時可以把混合物當作單一連續相處理、何時不行，並建立相間質傳與平衡級的概念。第11章把平衡級應用於互不相溶溶劑之間的液液萃取，計算達成指定分離程度所需的級數，而不處理接觸設備的機械設計。
第12–15章：能量均衡；熱交換；多成分系統的能量均衡；反應系統的能量均衡
全書最後三分之一把能量當作變數引入。第12章介紹能量均衡，第13章討論熱交換，第14章處理混合物。丹恩在第14章提醒，已發表的能量均衡常有錯誤，並舉一個商用反應器模型為例，其中的錯誤註定會把熱點算錯。第15章針對充分混合的液相反應器引入反應速率的溫度相依性。
後記
簡短的結語，介紹化學工程學位後續的課程，以及大學部學生參與研究的價值。
核心概念
第1–4章：基礎
- 速率過程：以有限速率進行的物理、化學與生物化學過程，丹恩視之為這個學科的根本典範。
- 建模：把物理情境轉化為方程式，以實際情況檢驗預測並加以修正，然後再用於設計。
- 均衡方程式：累積＝輸入－輸出＋淨生成，對守恆量與不守恆量都適用。
- 淨現值：把均衡方程式應用於金錢，以比較發生在不同時間點的成本。
第5–9章：分離與反應器
- 薄膜分離：透過隔開兩股流體的薄層屏障進行選擇性傳輸。
- 反應器尺寸決定：利用動力學決定達成所需轉化率的反應器體積與流量。
- 沖出：在連續式生物反應器中，稀釋速度超過微生物生長速度時，微生物族群從系統中流失。
- 突破平衡：像薄膜反應器那樣在反應過程中移出產物，使逆反應無法進行。
第10–15章：多相系統與能量
- 界面質傳：成分在相與相之間朝平衡分布方向的移動。
- 平衡級：出口物流彼此達到平衡的理想化接觸器，用來計算分離所需的級數。
- 能量均衡：把熱力學第一定律應用於程序單元，包括混合與反應效應。
- 溫度相依的動力學：溫度對反應速率的強烈影響，是反應器設計中的關鍵操作變數。
評析
優點
- 呈現這個學科在做什麼。 序言把課程建立在實際情境中的速率過程之上，出版社也表示書中的設計與分析問題在形式和規模上都貼近實務。約翰·H·塞恩菲爾德在《AIChE Journal》中稱本書是質能均衡的精簡入門，能讓讀者體會化學工程師所面對的問題。
- 現代的例子。 藥物代謝、血液透析、廢水處理生物反應器與薄膜反應器，和反應器、萃取並列出現。《Chemistry World》的書評認為，以薄膜分離等較新的單元操作來闡釋傳統概念很有吸引力，並評價本書現代而精簡。
- 及早引入設計。 含成本取捨的反應器尺寸決定（第7章）與級數計算（第11章），把作者所說通常延到總整設計課程的設計決策帶進第一門課。
- 對能量均衡的嚴謹。 第14章明確告誡那些會讓多成分能量均衡出錯的捷徑。書中描述的錯誤也出現在已發表的資料中，因此這份嚴謹很有用處。
局限
- 要求學生準備充分。 大衛·L·西爾弗斯坦在《Chemical Engineering Education》的書評中，為讚譽加上了「如果你的學生準備充分」的前提。對微積分或化學基礎不穩的學生而言，建模各章的節奏可能偏快。
- 液相與簡化的物理。 本書刻意主要限於液體與充分混合的容器，不處理汽液平衡與反應蒸餾。標準質能均衡課程中講授的氣相化學計量、狀態方程式與相平衡並非本書重點。
- 章節長短不一。 有些章非常短（第9章四頁，第3章六頁），而分析一章將近四十頁。教師可能需要為較短的章節補充習題。
在課程中的定位
丹恩的書與費爾德、盧梭、布拉德的 Elementary Principles of Chemical Processes 是化工程序工程書單中的兩本入門書，用途不同。費爾德是一本為系統性質能均衡課程編寫的完整教科書，涵蓋單位、程序變數、氣體與相平衡行為，並附有大量習題；丹恩則是一本關於建模與專業範疇的精簡讀物。以均衡為主的第一門課應以費爾德為主要教材，同時閱讀丹恩以開闊視野；以學科概覽開場的課程則可以丹恩為核心，再以費爾德作練習。
丹恩的各部分都為書單中的後續課程鋪路：分離各章通往麥凱布、史密斯與哈里奧特的 Unit Operations of Chemical Engineering，以及吉安科普利斯、赫塞爾與萊佩克的 Transport Processes and Separation Process Principles；反應器各章通往福格勒的 Elements of Chemical Reaction Engineering；設計與成本這條線索則通往為高年級設計課程撰寫的托勒與辛諾特的 Chemical Engineering Design。
如何使用本書
本書以化學工程與生化工程學系第一學期的學生為對象，也適合與化學工程師合作的科學家和工程師——《Chemistry World》的書評也向這類讀者推薦本書。實際需要的背景是大一微積分與普通化學。
- 核心： 第1–4章建立建模方法與均衡方程式。後面每一章都以它們為基礎，因此要用心研讀分析一章。
- 質量均衡的應用： 第5–9章可以當作一組設計研究來讀：分離、反應器、生物反應器與薄膜反應器。時數較少的課程可以從中挑選兩三章。
- 多相系統與能量： 第10–11章通往分離課程，第12–15章介紹能量均衡。時間不足時，可把第12章與第14章一起讀，並記住關於錯誤捷徑的提醒。
- 後記： 放在最後讀，它說明其餘課程如何建立在這些章節之上。
對每個模型，求解前先寫下假設（充分混合、單相、密度固定），再想想在真實工廠中哪一項假設會最先失效——這正是分析一章想要培養的習慣。需要更多標準均衡計算練習的學生，應把本書與費爾德搭配使用。