01 / 導讀
導讀
引用
Geankoplis, C. J., Hersel, A. A., & Lepek, D. H. (2018). Transport Processes and Separation Process Principles (5th ed.). Pearson.
章節概要
第五版經過了大規模重組。序言說明，為了使全書更接近當今的傳遞現象與分離過程教材，原來的 14 個長章被拆分為 33 個較短的章，而內容本身改動相對較少。全書約 1,250 頁，分為第一部分「傳遞過程」（第 1–21 章）、第二部分「分離過程原理」（第 22–33 章）以及物性資料附錄。每章以學習目標開頭、以本章小結結尾；例題按節編號，更多習題發布在作者的輔助網站上。
第1章：工程原理與單位概論
這是一章複習內容：傳遞過程與分離過程（單元操作）的分類，SI、cgs 和英制單位，溫度與組成的表示，氣體定律與蒸氣壓，含循環和反應的物料衡算，能量單位，熱量衡算，以及用辛普森法則進行數值積分。序言指出，已掌握這些內容的讀者可以略去本章的全部或一部分。
第2–4章：流體與流體靜力學概論；流體性質與流體流動；總體質量、能量與動量衡算
先講流體靜力學與壓差計、牛頓黏性定律和雷諾數。第 4 章隨後建立總體（宏觀）的質量、能量和動量衡算，包括機械能衡算與伯努利方程，最後用殼層動量衡算求出管內和降液膜中的層流速度分佈。
第5–7章：管內不可壓縮與可壓縮流動；填充床與流體化床中的流動；泵、壓縮機與攪拌裝置
這是流體力學的工程核心：摩擦係數與管件損失、管徑選擇、等溫與絕熱可壓縮流動、從皮托管到堰的各種流量測量；浸沒物體的曳力、填充床與流態化；以及泵、氣體輸送機械、壓縮，和攪拌槽的設計、功率與放大。
第8–11章：流體流動的微分方程；非牛頓流體；勢流與蠕動流；邊界層與紊流
這是較為理論性的流體力學。第 8 章推導連續性方程和運動方程的微分形式，並用於簡單流動。第 9 章把管流和攪拌計算推廣到非牛頓流體。第 10 章介紹流線函數、無黏勢流和蠕動流，第 11 章討論邊界層、紊流、雷諾應力、普朗特混合長度和通用速度分佈。
第12–14章：熱傳概論；穩態熱傳導；非穩態熱傳原理
第 12 章介紹熱傳導、對流和輻射，並重複了第 1 章關於能量單位和熱量衡算的內容。第 13 章討論通過複合平壁、圓筒和球體的穩態熱傳導、內熱源、形狀因子和有限差分法。第 14 章用集總參數法、解析解、圖表和數值方法處理非穩態熱傳導，並有一節討論食品的冷卻與凍結。
第15–17章：對流概論；熱交換器；輻射熱傳概論
第 15 章藉助因次分析和邊界層概念，建立管內流動、外部繞流、自然對流、沸騰與冷凝，以及攪拌槽、翅片熱交換器等特殊情形的對流關聯式。第 16 章篇幅較短，討論熱交換器類型、對數平均溫差修正係數、熱交換器效能、積垢係數和套管熱交換器。第 17 章討論角係數、灰體和吸收性氣體中的輻射。
第18–21章：質傳概論；穩態質傳；非穩態質傳；對流質傳
第 18 章闡述菲克定律、擴散係數的估算以及二元混合物的連續性方程。第 19 章討論氣體、液體、固體、多孔介質（包括克努森擴散）和生物凝膠中的穩態擴散；第 20 章討論非穩態擴散及伴有反應的擴散；第 21 章建立質傳係數以及三種傳遞過程之間的類比。
第22–23章：吸收與解吸；增濕過程
第 22 章先建立相間平衡、級式接觸以及膜質傳係數和總質傳係數，再設計板式和填充吸收塔，包括液泛、質傳單元和熱效應。第 23 章討論濕度、濕度圖和濕球溫度，並設計涼水塔和減濕塔。
第24–25章：過濾與膜分離過程（液–液或固–液相）；氣體膜系統
第 24 章從死端過濾理論（恆壓過濾與恆速過濾）講到微濾、超濾、反滲透和透析，包括人工腎中的血液透析。第 25 章詳細討論氣體滲透，給出全混流、錯流、逆流和並流模型，以及用試算表實現的有限差分法。
第26–27章：蒸餾；液–液萃取
第 26 章討論汽液平衡、閃蒸與間歇蒸餾、McCabe–Thiele 法、塔板效率與塔徑、焓–濃度法以及多成分簡捷計算法。第 27 章討論萃取平衡、萃取裝置和逆流多級萃取設計。
第28–31章：吸附與離子交換；結晶與顆粒粉碎；沉降、沉澱與離心分離；浸取
固定床吸附與離子交換，結晶理論與粉碎，沉降、增稠、離心機與旋風分離器，以及單級和逆流多級浸取。
第32–33章：蒸發；乾燥
第 32 章討論蒸發器類型、單效與多效蒸發計算、冷凝器、生物物料的蒸發和蒸汽再壓縮。第 33 章是全書最長的一章，討論乾燥裝置、平衡含水量、恆速與降速乾燥、各類乾燥器的計算式、冷凍乾燥，以及生物物料的熱處理與滅菌。
核心概念
第一部分：傳遞過程
- 單元操作與傳遞過程：本書的組織思想，即各種分離步驟共享三種基本機理：動量、熱量和質量傳遞。
- 總體衡算與伯努利方程：用於設計管路、泵和流量計的宏觀質量、能量和機械能衡算。
- 摩擦係數：在層流和紊流管流中把流量與壓降連結起來的無因次量。
- 連續性方程與運動方程：質量守恆和動量守恆的微分形式。
- 菲克定律與擴散係數：成分的分子擴散通量，以及擴散係數的估算方法。
- 質傳係數與類比：對流質傳的關聯式，以及它與熱量和動量傳遞的對應關係。
第二部分：分離過程原理
- 平衡級與操作線：吸收、蒸餾、萃取和浸取設計的圖解與解析基礎。
- McCabe–Thiele 法：用逐級作圖求二元蒸餾理論板數的方法，包括最小回流比和全回流。
- 穿透曲線：用於設計固定床吸附柱和離子交換柱的出口濃度隨時間變化的曲線。
- 恆速乾燥與降速乾燥：乾燥曲線的兩個階段，各有其計算方法。
評析
優點
- 把傳遞原理與裝置連結起來。 序言所述的兩部分結構先講動量、熱量和質量傳遞原理，再講分離過程，因此課程可以清楚地展示第 21 章的質傳係數如何直接用於第 22 章的塔設計，或乾燥一章如何同時依賴熱傳和質傳。
- 分離操作覆蓋面廣。 第二部分的 12 章除了經典的蒸餾、吸收和萃取各章外，還涵蓋膜過程（液相與氣相）、吸附與離子交換、結晶、沉降和浸取。
- 生物與食品方面的內容。 目錄中反覆出現生物物料的內容：食品的冷卻與凍結、生物凝膠中的擴散和生物溶質的擴散、血液透析、果汁和糖液的蒸發、冷凍乾燥以及滅菌動力學。
- 便於靈活安排課程。 序言給出了五種課程方案（用一年半學完傳遞過程與分離過程、只學傳遞過程、只學分離過程等），帶有學習目標和小結的新短章也便於分段指派。
局限
- 重組留下的痕跡。 拆分舊章節後留下了一些重複：第 1 章中關於能量單位和熱量衡算的各節在第 12 章開頭再次出現，第 23 章的濕度內容又在第 33 章出現。序言中的第五種課程方案（質傳）仍然列出第 12–19 章，而按新的章號，這些章大多是熱傳內容。
- 各章篇幅不均。 第 2、3、16 章各約 10 到 17 頁，而第 22、26、33 章都超過 60 頁；章數增多並不意味著每週的分量相同。
- 軟體內容在書外。 使用 Aspen 或 CHEMCAD、MATLAB、COMSOL 和 Excel 的習題放在輔助網站上，而不在印刷的各章中。
在課程中的定位
在化工製程工程的書單中，本書位於一年級的衡算課程和高年級的設計課程之間。Felder、Rousseau 和 Bullard 的 Elementary Principles of Chemical Processes 以及 Denn 篇幅較短的 Chemical Engineering: An Introduction 講授物料與能量衡算，Geankoplis 在第 1 章複習這些內容，之後便將其作為前提。McCabe、Smith 和 Harriott 的 Unit Operations of Chemical Engineering 是與本書最接近的教材：兩者都涵蓋流體流動、熱傳和主要分離操作，可以對照閱讀。區別在於結構：Geankoplis 先在第一部分完整展開傳遞原理，再轉入分離過程，因此適合把傳遞現象和分離過程作為兩門課程分開講授的教學安排。
Fogler 的 Elements of Chemical Reaction Engineering 討論反應器，而本書除伴有反應的擴散外不涉及反應器。Towler 和 Sinnott 的 Chemical Engineering Design 放在最後，它在整個流程和工廠設計中運用第二部分的分離單元計算。
如何使用本書
本書面向化學工程學系三、四年級學生，以及食品工程、生物工程等其他過程類科系的學生。讀者需要掌握物料與能量衡算、基礎熱力學以及含常微分方程的微積分；第 8、10、11、14、20 章數學要求最高。
根據教學大綱，從序言的課程方案中選擇合適的一種：
- 傳遞現象課程（兩學期）： 第 2–21 章，第 1 章作為可選複習。第 2–7 章和第 12–16 章是實用核心；第 8–11 章補充微分方程和邊界層視角，在第一門課中可以少講；第 18–21 章是質傳的核心。
- 分離過程或單元操作課程（一學期）： 從第 22 章開頭關於平衡和相間質傳的幾節開始，然後學習第 26 章（蒸餾）、第 22 章其餘部分（吸收）和第 27 章（萃取）。再根據學系需要加入膜、吸附、蒸發或乾燥；食品與生物過程方向需要第 32–33 章。
- 只學質傳： 第 18–21 章，然後從第二部分中選讀。
把各章的學習目標和小結用作自查，做習題之前先動手推演編號例題，並利用輔助網站上的軟體習題，練習用 Excel、MATLAB 或流程模擬軟體求解同樣的模型。物性資料可隨時查閱附錄。