研究所2023試題大補帖【輸送現象與單元操作】(107~111年試題)[適用臺大、清大、中央、中興、成大、臺科大、北科大、中正研究所考試] pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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林隆

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深度解析流體力學與化學反應工程：構建工業過程的堅實基礎 本書並非聚焦於特定年份的研究所考試真題匯編，而是旨在為化學工程、環境工程、材料科學以及相關領域的研究生和工程師，提供一套全麵、深入且極具實踐指導意義的流體力學、單元操作與化學反應工程基礎理論框架。它立足於學科的普適性原理，旨在培養讀者解決復雜工程問題的能力，而非僅僅應付考試。 第一部分：流體力學——理解物質的運動規律 流體力學是所有單元操作的基石。本部分內容詳盡地闡述瞭從宏觀到微觀尺度的流體行為，確保讀者對動量、能量和質量的傳遞機製有深刻的理解。 一、流體靜力學與流場描述： 詳細考察瞭靜止流體中的壓力分布，包括靜水壓計算、測壓計的應用原理及誤差分析。在動量描述方麵，引入瞭拉格朗日和歐拉描述方法，並深入探討瞭流場分析的關鍵工具——連續性方程、動量方程（納維-斯托剋斯方程）的推導與應用。特彆強調瞭邊界條件在確定實際流場中的決定性作用。 二、層流與湍流： 對流動的兩種基本形態進行瞭細緻的區分。在層流部分，重點解析瞭牛頓流體和非牛頓流體的本構方程，並詳細推導瞭圓管、平闆上的典型層流問題的解析解（如泊肅葉流、庫埃特流）。湍流部分，則超越瞭精確解的範疇，深入探討瞭雷諾平均化處理方法，湍流模型（如零方程、單方程模型）的基本概念，以及湍流邊界層中的速度剖麵（如壁麵律、卡門流）的應用。對動量傳遞中的湍流效應進行瞭量化分析。 三、無量綱分析與相似性原理： 無量綱化是工程設計和實驗研究中的核心工具。本章係統迴顧瞭量綱分析方法（如 Buckingham $pi$ 定理），並重點闡述瞭重要的無量綱數（如雷諾數、弗洛德數、歐拉數）的物理意義及其在放大、縮尺效應中的應用。通過對動量、能量和質量傳遞過程的相似性分析，指導讀者如何利用模型實驗預測真實過程的行為。 四、管路流動與不可壓縮流： 詳細分析瞭實際管路係統中流體流動的特性，包括沿程阻力（摩擦因子與雷諾數的關係，Moody 圖的精確使用）、局部阻力（閥門、彎頭等附件的等效長度法和 K 值法）的計算。對流體機械中的泵和壓縮機進行瞭基礎介紹，重點在於分析能量輸入、效率評估和係統麯綫的構建。 第二部分：單元操作——實現物理分離與混閤的藝術 單元操作是連接基礎科學與工業生産的橋梁。本部分著重於過程設計中涉及的相平衡、傳質、傳熱和流體輸送的關鍵技術。 一、傳熱學基礎與設備： 深入講解瞭三種基本傳熱機理：導熱、對流和輻射。對穩態和非穩態導熱問題進行瞭數學建模，尤其是涉及復閤壁和徑嚮導熱（如管殼式換熱器中的管束）的分析。對流傳熱部分，側重於對流換熱係數的估算（利用努塞爾數關聯式）和換熱器設計（如 LMTD 法和 NTU-Effectiveness 法）。重點分析瞭管殼式換熱器、流化床換熱等典型設備的結構與性能。 二、動量、熱量與質量傳遞的耦閤： 本章是理解所有分離過程的理論核心。詳細闡述瞭菲剋第一、第二定律在質量擴散中的應用，以及傅裏葉定律和牛頓冷卻定律在熱傳遞中的地位。關鍵在於闡明速度場如何影響物質和能量的傳遞速率，特彆是對於粘性流體內部的分子擴散與湍流引起的渦鏇擴散的對比分析。 三、單元操作實例：分離過程： 1. 過濾與沉降： 詳細分析瞭過濾操作中的恒定壓力過濾和恒定速率過濾的動力學模型，包括濾餅阻力與濾膜阻力的貢獻。沉降操作則側重於顆粒在流體中的終端沉速計算，並探討瞭離心分離（如澄清器）的基本原理。 2. 蒸餾與吸收： 針對液-氣相分離，係統講解瞭相平衡數據（Raoult 定律、Henry 定律）的構建與應用。在精餾設計中，詳細推導瞭 McCabe-Thiele 圖解法和橫嚮摺綫法，並引入瞭關於最小迴流比和最小塔闆數的計算方法。吸收操作則聚焦於傳質速率的計算，包括液膜控製、氣膜控製以及雙膜理論在吸收塔設計中的應用。 3. 萃取與膜分離： 萃取部分側重於液-液平衡圖（三角圖）的構建與操作綫分析，重點介紹溶劑的選擇原則和多級逆流萃取的效率評估。膜分離技術（如反滲透、納濾）部分，則從流體動力學角度解析瞭滲透通量和選擇性的影響因素。 第三部分：化學反應工程——從反應到過程的轉化 本部分將理論化學動力學與工程實踐相結閤，指導讀者如何設計和放大化學反應器。 一、反應動力學基礎： 係統迴顧瞭反應速率常數的確定方法，包括錶觀級數、真實級數及阿纍尼烏斯方程。深入分析瞭復雜反應（連串反應、平行反應）的動力學特點，並對催化反應速率模型（如 Langmuir-Hinshelwood 模型）進行瞭詳細推導和參數擬閤。 二、理想反應器設計： 這是反應工程的核心。詳細推導瞭間歇反應器（Batch Reactor）、連續攪拌槽反應器（CSTR）和活塞流反應器（PFR）的設計方程，並分析瞭它們在不同反應級數下的性能比較。重點在於體積設計方程的建立，以及如何處理非恒定密度或包含相變的反應體係。 三、反應器放大與非理想效應： 本章探討瞭實際反應器中偏離理想狀態的情況。詳細分析瞭溫度梯度（熱點、爆炸風險）和濃度梯度對反應選擇性和收率的影響。對非理想流動（如返混、死區）的處理，引入瞭分散模型（如泰勒彌散模型）的概念，並探討瞭如何利用 RTD（停留時間分布）函數來評估反應器的真實性能。 四、多相反應器係統： 重點解析瞭氣-固多相催化反應器，特彆是固定床反應器和流化床反應器的設計挑戰。討論瞭催化劑的性質（孔隙結構、活性位點）如何影響宏觀反應速率。對於氣-液多相反應，則側重於氣液相間傳質與反應速率的耦閤分析。 本書通過上述三個相互關聯的部分，構建瞭一個完整的工程科學知識體係。它強調從基本原理齣發，通過嚴謹的數學推導，最終落腳於實際工程問題的量化求解與優化設計，緻力於培養具備深厚理論基礎和強大工程實踐能力的專業人纔。