化學(xué)反應(yīng)工程

前言

化學(xué)反應(yīng)工程是一門專門研究化學(xué)反應(yīng)器或包含化學(xué)反應(yīng)過程的化工單元的學(xué)科，是化學(xué)工程學(xué)科中重要的且必不可少的分支，也是新世紀(jì)化工專業(yè)高等教育中的一門核心課程。從1970年以后，化學(xué)反應(yīng)工程作為化工專業(yè)學(xué)生的一門必修課程進(jìn)入了大學(xué)課堂。從20世紀(jì)80年代開始，國(guó)內(nèi)出版了多種化學(xué)反應(yīng)工程教材，如四川大學(xué)化工學(xué)院王建華先生主編的《化學(xué)反應(yīng)工程》、天津大學(xué)李紹芬先生編寫的《化學(xué)與催化反應(yīng)工程》、華東理工大學(xué)朱炳辰先生編寫的《無機(jī)化工反應(yīng)工程》、浙江大學(xué)陳甘棠先生編寫的《化學(xué)反應(yīng)工程》等，是我國(guó)大學(xué)課堂上出現(xiàn)的較早的化學(xué)反應(yīng)工程教材。隨著化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)科及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，以及大學(xué)教育的發(fā)展.化學(xué)反應(yīng)工程方面的教材也在不斷修改和完善，很多教材經(jīng)過了多次再版和修訂。化學(xué)反應(yīng)工程是一門復(fù)雜的工程科學(xué)，其精髓是利用精確的數(shù)學(xué)模型，求解復(fù)雜的傳質(zhì)、傳熱及化學(xué)反應(yīng)過程的偶合現(xiàn)象。2003年，我們參考了國(guó)內(nèi)外很多化學(xué)反應(yīng)工程教材，特別是王建華先生編寫的《化學(xué)反應(yīng)工程》、H.Scott Forgler編寫的Elements of Chemical Reaction Engineering，在此基礎(chǔ)上編寫了《化學(xué)反應(yīng)工程》一書，并由科學(xué)出版社出版，在出版后的5年中共印刷4次，近20所大學(xué)（據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)）使用。經(jīng)過幾年的教學(xué)實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)第一版中還有很多地方值得完善和改進(jìn)。同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)有本科學(xué)生情況和本科化工專業(yè)教學(xué)的要求，在本書被列為普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材后，我們對(duì)第一版的教學(xué)執(zhí)行情況進(jìn)行了認(rèn)真的總結(jié)。在第一版基礎(chǔ)上，我們將課堂上成功的例子和圖例添加到修改稿中，試圖讓學(xué)生更加容易理解，教師更加容易演示。在修訂過程中，反復(fù)對(duì)第一版中的一些表述進(jìn)行推敲，力圖做到語(yǔ)言和基本概念更加準(zhǔn)確。我們認(rèn)為，化學(xué)反應(yīng)工程的核心內(nèi)容包括三種典型反應(yīng)器所涉及的質(zhì)量、能量衡算方法，相關(guān)的流動(dòng)基本特征和反應(yīng)速率問題，本學(xué)科的復(fù)雜性在于這些方面的問題相互影響，需要同時(shí)考慮。因此，本書對(duì)典型反應(yīng)器的反應(yīng)和相關(guān)特征進(jìn)行了重點(diǎn)描述，從物理模型人手，引導(dǎo)學(xué)生建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，并利用相關(guān)的數(shù)學(xué)和計(jì)算手段求解反應(yīng)器模型。本書是以2003年科學(xué)出版社出版的由梁斌、段天平、傅紅梅、羅康碧共同編寫的《化學(xué)反應(yīng)工程》作為基礎(chǔ)，由梁斌、段天平、唐盛偉三人共同合作，并總結(jié)第一版書的使用情況進(jìn)行修訂的。

內(nèi)容概要

　　《化學(xué)反應(yīng)工程（第2版）》是針對(duì)化學(xué)工程與工藝本科專業(yè)學(xué)生的核心課程化學(xué)反應(yīng)工程的課堂教學(xué)而編寫的。全書編寫兼顧科學(xué)思維和教學(xué)習(xí)慣，強(qiáng)調(diào)基本概念準(zhǔn)確、處理方法明了、工程目標(biāo)明確?！痘瘜W(xué)反應(yīng)工程（第2版）》主要介紹了反應(yīng)過程的基礎(chǔ)知識(shí)（包括動(dòng)力學(xué)問題、流動(dòng)模型）、基本原理（包括三類典型反應(yīng)器的原理、設(shè)計(jì)方法、物理模型的分析和數(shù)學(xué)模型的建立）、典型反應(yīng)器的基本特征（包括均相／非均相、等溫／非等溫反應(yīng)器、穩(wěn)定性問題）和一些與反應(yīng)器有關(guān)的工程問題。編寫中盡量簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)推演，并提倡使用先進(jìn)的數(shù)值計(jì)算手段，使內(nèi)容更加容易理解。在書中加入了若干實(shí)際工程研究的例子，可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣?！　　痘瘜W(xué)反應(yīng)工程（第2版）》可作為高等院?；瘜W(xué)工程與工藝及相關(guān)專業(yè)本科生教材，也可供研究人員參考。

書籍目錄

第二版前言第一版前言緒論第1章 化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)1.1 均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)1.1.1 化學(xué)反應(yīng)速率1.1.2 反應(yīng)速率方程式1.1.3 阿倫尼烏斯方程1.1.4 復(fù)雜反應(yīng)系統(tǒng)的反應(yīng)速率1.1.5 反應(yīng)機(jī)理與速率方程1.1.6 反應(yīng)速率方程的積分形式1.2 氣固催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)1.2.1 固體催化劑1.2.2 固體催化劑的孔結(jié)構(gòu)1.2.3 氣固催化反應(yīng)的特征1.2.4 化學(xué)吸附1.2.5 表面催化反應(yīng)速率習(xí)題第2章 反應(yīng)器內(nèi)流體流動(dòng)與混合2.1 三種典型反應(yīng)器2.2 典型反應(yīng)過程的反應(yīng)器體積計(jì)算2.2.1 反應(yīng)器計(jì)算的基本方程2.2.2 間歇過程2.2.3 平推流反應(yīng)器2.2.4 全混流反應(yīng)器2.2.5 多釜串聯(lián)的全混流反應(yīng)器2.2.6 循環(huán)操作的平推流反應(yīng)器2.3 流動(dòng)模型與反應(yīng)器推動(dòng)力、反應(yīng)選擇性2.3.1 流動(dòng)模型與反應(yīng)器推動(dòng)力2.3.2 流動(dòng)模型與反應(yīng)選擇性2.4 非理想流動(dòng)2.4.1 停留時(shí)間分布2.4.2 理想流動(dòng)的停留時(shí)間分布2.4.3 非理想流動(dòng)的停留時(shí)間分布2.4.4 停留時(shí)間分布的實(shí)驗(yàn)測(cè)定2.4.5 停留時(shí)間分布的特征2.4.6 停留時(shí)間分布函數(shù)與反應(yīng)器模型習(xí)題第3章 非均相反應(yīng)與傳遞3.1 氣固催化反應(yīng)過程的控制步驟和速率方程3.2 氣體與催化劑外表面間的傳質(zhì)和傳熱3.2.1 傳質(zhì)和傳熱速率3.2.2 顆粒表面滯流層傳遞對(duì)氣固催化反應(yīng)過程的影響 3.3 氣體在催化劑顆粒內(nèi)的擴(kuò)散3.3.1 孔內(nèi)擴(kuò)散3.3.2 粒內(nèi)擴(kuò)散3.4 內(nèi)擴(kuò)散過程與化學(xué)反應(yīng)3.4.1 等溫情況下催化劑顆粒內(nèi)反應(yīng)的有效因子3.4.2 非等溫催化劑的效率因子3.4.3 內(nèi)擴(kuò)散對(duì)氣固催化反應(yīng)過程的影響3.4.4 內(nèi)外擴(kuò)散影響分析3.5 氣固催化反應(yīng)過程的數(shù)據(jù)處理3.5.1 實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器3.5.2 氣固催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的建立 3.6 流固非催化反應(yīng)3.6.1 流固非催化反應(yīng)模型3.6.2 縮芯模型3.7 流體-流體反應(yīng)3.7.1 無化學(xué)反應(yīng)時(shí)兩相流體間的傳質(zhì) 3.7.2 氣液反應(yīng)宏觀動(dòng)力學(xué)習(xí)題第4章 非等溫反應(yīng)器設(shè)計(jì)4.1 反應(yīng)器能量平衡4.1.1 反應(yīng)系統(tǒng)能量4.1.2 熱量交換速率4.1.3 功耗4.1.4 摩爾流率4.1.5 熱焓4.1.6 反應(yīng)熱的計(jì)算4.2 穩(wěn)態(tài)連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器能量衡算4.2.1 全混流反應(yīng)器4.2.2 絕熱管式反應(yīng)器4.2.3 換熱式管式反應(yīng)器4.3 平衡轉(zhuǎn)化率習(xí)題第5章 氣固催化反應(yīng)器5.1 固定床反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)5.1.1 固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象5.1.2 固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型5.2 絕熱固定床反應(yīng)器5.2.1 氣固催化反應(yīng)的最佳操作溫度5.2.2 單段絕熱固定床反應(yīng)器5.2.3 多段絕熱固定床反應(yīng)器5.3 換熱固定床反應(yīng)器5.4 流化床反應(yīng)器5.4.1 流化床反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)5.4.2 流化床中的質(zhì)、熱傳遞5.4.3 流化床反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型及設(shè)計(jì)計(jì)算5.5 移動(dòng)床反應(yīng)器習(xí)題第6章 反應(yīng)器的穩(wěn)定性6.1 全混流反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性6.1.1 全混流反應(yīng)器的多重定態(tài)6.1.2 定態(tài)點(diǎn)的穩(wěn)定性分析6.1.3 操作參數(shù)對(duì)多重定態(tài)的影響6.1.4 線性微分方程的穩(wěn)定性6.1.5 全混流反應(yīng)器的瞬態(tài)特性6.2 顆粒催化劑的穩(wěn)定性6.2.1 單顆粒催化劑的多重定態(tài)6.2.2 單顆粒催化劑的穩(wěn)定性6.3 固定床催化反應(yīng)器的穩(wěn)定性第7章 其他反應(yīng)過程7.1 聚合反應(yīng)過程7.1.1 自由基聚合步驟7.1.2 聚合反應(yīng)器7.2 生物反應(yīng)過程7.2.1 酶反應(yīng)基礎(chǔ)7.2.2 Michaelis-Menten型酶反應(yīng)與間歇反應(yīng)器設(shè)計(jì)7.2.3 細(xì)胞發(fā)酵及反應(yīng)器7.3 氣液固三相催化反應(yīng)器7.3.1 漿態(tài)反應(yīng)器7.3.2 滴流床反應(yīng)器參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：人類對(duì)化學(xué)反應(yīng)過程的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的過程，在不斷失敗的教訓(xùn)與成功的經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)出了很多與化學(xué)反應(yīng)相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)，如煉丹、染料、制藥等一些與化學(xué)過程相關(guān)的技藝。隨著化學(xué)理論的主體框架相繼建立，各種化學(xué)工業(yè)過程才在無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)和物理化學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來。20世紀(jì)初對(duì)化學(xué)品加工的大量需求帶動(dòng)了相關(guān)工程學(xué)科發(fā)展，以研究化工單元過程的共性為目標(biāo)的化學(xué)工程學(xué)在20世紀(jì)20年代形成，并在以后的幾十年中得到了飛速的發(fā)展。化學(xué)工程學(xué)成為現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，被譽(yù)為20世紀(jì)十大工業(yè)革命之一的流化催化裂化（fluidized catalytic cracking，F(xiàn)CC）無疑是化學(xué)工程學(xué)科研究的一大杰作。在20世紀(jì)初期和中期，化學(xué)工程學(xué)解決工程問題大都基于相似放大理論與實(shí)驗(yàn)歸納方法，在很多化工單元過程（如流體輸送、傳熱、干燥、蒸餾等物理過程）的應(yīng)用中取得了很大的成功。相似放大理論或因次分析方法適應(yīng)于比較簡(jiǎn)單的線性系統(tǒng)，從理論上講，單元設(shè)備的很多特征與特征參數(shù)成正比，可以直接使用相似放大的方法。例如，對(duì)于一個(gè)水管系統(tǒng)，管道流速為1m／s時(shí)，每秒輸送的水量為1m3；如果要設(shè)計(jì)一個(gè)輸送10m3水量的管道系統(tǒng)，只需保持管道系統(tǒng)流速也為1m／s，將管道系統(tǒng)的截面積擴(kuò)大10倍即可。但是，在對(duì)化工過程的核心設(shè)備——反應(yīng)器的研究中遇到了很多困難，化學(xué)反應(yīng)的非線性特征使反應(yīng)過程的研究變得更加復(fù)雜。實(shí)際反應(yīng)器中，傳質(zhì)、傳熱與化學(xué)反應(yīng)并存，不能單純依靠化學(xué)動(dòng)力學(xué)的知識(shí)來解決反應(yīng)器的放大等相關(guān)問題。相似放大的方法也不能簡(jiǎn)單地應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)器的模擬和設(shè)計(jì)。例如，在實(shí)驗(yàn)室中用一個(gè)500mL的燒瓶作為反應(yīng)器對(duì)某吸熱反應(yīng)進(jìn)行小試研究，物料通過反應(yīng)器壁面與油浴進(jìn)行換熱以滿足反應(yīng)的供熱需求。如果將反應(yīng)器擴(kuò)大到500L進(jìn)行生產(chǎn)，按相似放大的方法，反應(yīng)器體積增加1000倍，期望反應(yīng)量也增加1000倍。但是傳熱面積只能擴(kuò)大100倍，使熱量傳遞受到影響，從而可能影響反應(yīng)進(jìn)行的溫度，反應(yīng)就很難按預(yù)計(jì)的條件進(jìn)行。另一種情況，若該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)器體積擴(kuò)大1000倍時(shí)，傳熱面積小而不能有效移走反應(yīng)熱，導(dǎo)致反應(yīng)系統(tǒng)熱量積累，使反應(yīng)物系溫度升高。一般而言，溫度每升高10℃，反應(yīng)速率可能會(huì)隨之增加2～4倍。熱量的積累使得溫度越來越高、反應(yīng)速率越來越快。這種情況的出現(xiàn)不僅影響產(chǎn)品的質(zhì)量，甚至可能產(chǎn)生熱爆炸而導(dǎo)致嚴(yán)重的安全問題。

編輯推薦

《化學(xué)反應(yīng)工程(第2版)》：結(jié)合傳遞過程規(guī)律，分析反應(yīng)過程原理簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)推演過程，闡述基本概念規(guī)律強(qiáng)調(diào)經(jīng)典理論模型，涉足前沿研究領(lǐng)域剖析生產(chǎn)過程案例，理論緊密結(jié)合實(shí)踐

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