精細化工反應工程基礎

前言

　　精細化工作為化學工業(yè)的一個重要領域，正以前所未有的速度發(fā)展著，并成為當前世界化學工業(yè)激烈競爭的焦點，引起了世界各國的高度重視和大力發(fā)展。因此，精細化學品的比例被看作一個國家、一個地區(qū)化學工業(yè)發(fā)展水平的重要標志之一。精細化工產(chǎn)品的生產(chǎn)需經(jīng)過一系列的化學和物理處理過程，因而精細化工反應過程已成為應用化學專業(yè)（精細化工方向）的主干課之一。該課程設置的目的是使學生在化工原理的基礎上，進一步了解化工反應過程與設備，從而為精細細化學品的生產(chǎn)、開發(fā)和工藝設計打下必要的理論基礎?！　∧壳?，適用應用化學專業(yè)學生的化學反應工程教材較少，主要是一些少學時的課本，但這些課本大多以化學工程與工藝專業(yè)課程為基礎而編寫的，其中涉及的課程內(nèi)容與應用化學專業(yè)的前述課程的教學內(nèi)容不銜接，學生理解比較困難，因此有必要編寫以應化專業(yè)前導課為基礎，適應應化專業(yè)特點的化學反應工程基礎教材?！　”窘滩牡木帉懼饕Y(jié)合精細化工產(chǎn)品的生產(chǎn)特點，一方面注意保持化學反應工程學體系的完整性、系統(tǒng)性，另一方面力求突出基本概念、基本方法與基本原理，內(nèi)容盡量少而精。為適應應用化學專業(yè)應用人才培養(yǎng)的需求，本教材在介紹反應工程的理論基礎時重在講述基本概念與應用，同時在可能的情況下對數(shù)學推導過程刪繁就簡，且在涉及數(shù)學推導時給出了具體的過程，對于重要的結(jié)論則注意突出其物理意義與工程特點。為了能夠較為接近精細化工生產(chǎn)實際過程，本書除了從教學需要出發(fā)安排若干基礎訓練的例題外，在部分章節(jié)中還有意安排了一些從設計實例中取材的大型例題，以期使學生通過這些例題的講解，了解工程設計的特點，掌握解決問題常用的方法?！　”緯卜譃榘苏?，總教學時數(shù)32～40學時。其中前五章為基本內(nèi)容，講解化學動力學、間歇反應器、理想流動反應器、復雜反應與熱量平衡等主要內(nèi)容，共24學時；后三章主要對精細化工生產(chǎn)過程常用的反應器作了簡要的介紹，基本原理與案例分析相結(jié)合，以案例開發(fā)為例，有利于學生今后運用基本原理指導過程開發(fā)。　　本書由靳海波主編，羅國華、程麗華副主編。具體編寫內(nèi)容：羅國華編寫第2、3章和第5章5.2節(jié)；程麗華編寫第5章5.1、5.3、5.4節(jié)；靳海波編寫第1、4、6、7、8章，并對全書進行了修改、審查和統(tǒng)稿。全書由佟澤民教授主審，提出了很好的建議，在此深表感謝?！　¤b于編者學識與教學經(jīng)驗有限，不當之處在所難免，望讀者批評指正。

內(nèi)容概要

精細化工反應工程是應用化學專業(yè)(精細化工方向)的主干課之一，該課程目的是使學生在化工原理的基礎上，進一步了解化工反應過程與設備，為精細化學品的生產(chǎn)、開發(fā)和工藝設計打下必要的理論基礎，為適應應用化學專業(yè)應用人才培養(yǎng)的需求而編寫的教材。    本教材的編寫主要結(jié)合精細化工產(chǎn)品的生產(chǎn)特點，一方面注意保持化學反應工程學體系的完整性、系統(tǒng)性，另一方面力求突出基本概念、基本方法與基本原理，內(nèi)容盡量少而精。本書共分為八章，主要內(nèi)容為化學動力學基礎、理想反應器、復雜反應與熱量平衡、非理想流動、攪拌釜式反應器、氣液反應器以及氣固相固定床反應器等。    為了能夠較為接近精細化工生產(chǎn)實際過程，本書除了從教學需要出發(fā)安排若干基礎訓練的例題外，在部分章節(jié)中還安排了一些從設計實例中取材的大型例題，以期使學生通過這些例題的講解，了解工程設計的特點，掌握解決問題常用的方法。    本書適用于高等院校應用化學專業(yè)及相近的專業(yè)本科教材，也可供化工領域中從事科研、設計和生產(chǎn)的科技人員參考。

書籍目錄

第1章  緒論  1．1  精細化工的發(fā)展    1．1．1  世界精細化工概況    1．1．2  我國精細化工現(xiàn)狀  1．2  精細化工的特點  1．3  化學反應工程的研究方法    1．3．1  化學反應工程與其他學科的關系    1．3．2  反應技術的開發(fā)過程    1．3．3  反應過程的放大程度和開發(fā)周期  1．4  反應裝置與反應方法概述    1．4．1  反應器的分類    1．4．2  反應器的設計第2章  化學反應動力學基礎  2．1  化學計量式  2．2  反應程度、轉(zhuǎn)化率及化學膨脹因子    2．2．1  反應程度    2．2．2  轉(zhuǎn)化率    2．2．3  化學膨脹因子  2．3  化學反應速率的含義及其表示法    2．3．1  化學反應速率的定義    2．3．2  反應速率方程    2．3．3  濃度與反應速率    2．3．4  溫度與反應速率  2．4  化學反應動力學方程的確定    2．4．1  反應速率方程的確定    2．4．2  復合反應速率方程的確定第3章  理想反應器  3．1  概述    3．1．1  流體反應器的空時、空速    3．1．2  反應器設計的基本計算方程  3．2  間歇攪拌釜式反應器(BSTR)    3．2．1  結(jié)構(gòu)與操作特點    3．2．2  間歇反應器的基礎設計式    3．2．3  間歇反應器的停留時間    3．2．4  恒容間歇反應器    3．2．5  恒壓間歇反應器    3．2．6  間歇反應器的體積計算  3．3  平推流反應器(PFR)    3．3．1  平推流的特點    3．3．2  平推流反應器的基礎設計式    3．3．3  反應器體積的計算    3．3．4  恒壓條件平推流反應器的體積  3．4  全混流反應器(CSTR)    3．4．1  全混流反應器特點    3．4．2  全混流反應器的基礎設計式    3．4．3  CSTR體積計算  3．5  PFR與CSTR的比較  3．6  理想反應器的組合    3．6．1  平推流反應器的串聯(lián)    3．6．2  等體積CSTR串聯(lián)反應器    3．6．3  不同體積的CSTR串聯(lián)反應器    3．6．4  最優(yōu)化體積的CSTR串聯(lián)反應器    3．6．5  PFR和CSTR串聯(lián)  3．7  循環(huán)反應器第4章  復雜反應與熱量衡算  4．1  平行反應    4．1．1  間歇反應器和平推流反應器(PFR)    4．1．2  全混流反應器(CSTR)  4．2  不同級數(shù)的平行反應    4．2．1  兩個反應    4．2．2  三個或更多的反應  4．3  串聯(lián)反應    4．3．1  間歇反應器與平推流反應器(PFR)    4．3．2  全混流反應器(CSTR)    4．3．3  PFR與CSTR的對比  4．4  熱量衡算    4．4．1  全混流反應器(CSTR)    4．4．2  平推流反應器(PFR)    4．4．3  間歇反應器    4．4．4  CSTR中復合變量的定常態(tài)    4．4．5  多級絕熱的PFR反應器第5章  非理想流動  5．1  流體的混合  5．2  理想流動模型  5．3  停留時間分布    5．3．1  描述停留時間分布特征函數(shù)    5．3．2  停留時間分布的實驗方法    5．3．3  停留時間分布的數(shù)字特征    5．3．4  理想流動模型的停留時問分布  5．4  非理想流動反應器的反應轉(zhuǎn)化率    5．4．1  平均停留時間的計算    5．4．2  由停留時間計算轉(zhuǎn)化率第6章  攪拌釜式反應器  6．1  釜式反應器的計算  6．2  攪拌設備    6．2．1  概述    6．2．2  混合特性    6．2．3  攪拌裝置    6．2．4  其他攪拌方法  6．3  傳熱裝置    6．3．1  傳熱裝置構(gòu)型    6．3．2  常用熱源第7章氣液反應器  7．1  氣液反應器的分類與特點    7．1．1  氣液反應器的形式和特點    7．1．2  氣液反應器的選擇  7．2  氣-液反應過程宏觀動力學簡單分析    7．2．1  氣液相界面的傳遞模型    7．2．2  氣液反應的基本方程    7．2．3  宏觀氣液反應動力學參數(shù)    7．2．4  氣液反應動力學實驗測定  7．3鼓泡塔反應器設計    7．3．1  鼓泡塔反應器概述    7．3．2  鼓泡塔的操作狀態(tài)    7．3．3  鼓泡塔反應器的設計第8章氣固相固定床反應器  8．1  概述  8．2  固定床反應器類型    8．2．1  絕熱式反應器    8．2．2  換熱式反應器  8．3  固定床反應器內(nèi)的流體流動    8．3．1  催化劑顆粒直徑和形狀系數(shù)    8．3．2 床層空隙率    8．3．3  流體在固定床中的流動特性    8．3．4  流體流過固定床層的壓力降  8．4  固定床反應器內(nèi)的傳熱    8．4．1  床層徑向熱傳遞過程分析    8．4．2  床層對壁總給熱系數(shù)    8．4．3  床層有效導熱系數(shù)和表觀壁膜給熱系數(shù)    8．4．4  流體與催化劑顆粒間給熱系數(shù)  8．5  氣-固相固定床反應器內(nèi)的傳質(zhì)    8．5．1  氣-固相催化反應的歷程    8．5．2  流體與催化劑顆粒外表面間的傳質(zhì)    8．5．3  催化劑顆粒內(nèi)部的傳質(zhì)    8．5．4  床層內(nèi)的混合擴散  8．6  總反率速率方程式  8．7  固定床反應器設計    8．7．1  經(jīng)驗法    8．7．2  數(shù)學模型法參考文獻

章節(jié)摘錄

　　（1）生產(chǎn)技術水平低，產(chǎn)品技術含量低。受綜合國力和科技水平的制約，我國精細化工生產(chǎn)技術普遍低下，甚至還存在一些作坊式生產(chǎn)；在生產(chǎn)路線、單元操作、產(chǎn)品后處理等方面仍停留在70年代世界水平，而且在許多領域，如功能樹脂、信息化學品、磁記錄材料、精細陶瓷等方面尚處于起步階段，有的基本空白。產(chǎn)品技術含量低，高精尖產(chǎn)品少，中低檔產(chǎn)品多，出口基本上是以量取勝?！　。?）產(chǎn)品品種少、總量不足、質(zhì)量差、更新?lián)Q代慢。我國精細化工行業(yè)起步晚，至今品種少，世界有十幾萬個品種，我國近3萬個品種。即使在傳統(tǒng)的行業(yè)中，如染料產(chǎn)品品種僅滿足50％。在許多新興行業(yè)中品種更缺；在總量上，許多重要的產(chǎn)品一直依靠進口；產(chǎn)品質(zhì)量普遍與國外有明顯差距，缺乏系列化；產(chǎn)品更新?lián)Q代慢，例如飼料添加劑中的氨基酸、維生素類產(chǎn)品，食品添加劑中的黃原膠、β-胡蘿卜素，膠粘劑中汽車行業(yè)用膠。再如表面活性劑，目前世界上每年有100多個新品種投入市場，而我國產(chǎn)品總數(shù)僅為700-800種?！　。?）企業(yè)集中度低、生產(chǎn)規(guī)模小、資源配置效率低。我國精細化工行業(yè)總數(shù)有幾萬家，總產(chǎn)值僅3800億元左右（其中新領域精細化工占一半左右），生產(chǎn)規(guī)模普遍偏小，而且低水平重復建設嚴重，因此資源配置效率低?！　。?）科技開發(fā)投入力度不夠，科技創(chuàng)新體系僅處于初創(chuàng)階段。在精細化工行業(yè)中，嚴重存在科技與經(jīng)濟脫節(jié)的問題：科技資源大多數(shù)集中在科研院所和高等院校，科技成果轉(zhuǎn)化率僅10％；企業(yè)科技研發(fā)費用提取率僅2％左右，大多數(shù)企業(yè)沒有自己的技術開發(fā)機構(gòu)；為中小企業(yè)提供技術服務的機構(gòu)不夠健全。　?。?）市場開發(fā)和應用開發(fā)力度不夠。我國精細化工發(fā)展過程中，應用開發(fā)、技術服務極為薄弱，嚴重制約我國精細化工發(fā)展。往往是先上裝置再開發(fā)市場，造成裝置能力不能發(fā)揮，影響投資收益。衍生產(chǎn)品開發(fā)力度不夠，產(chǎn)品應用技術薄弱，配方應用技術差距更大?！　。?）環(huán)境污染已成為精細化工發(fā)展的重要制約因素。我國精細化工企業(yè)規(guī)模小，資金不足，布局分散，造成生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量“三廢”，治理難度大，效果差，已對環(huán)境造成了一定影響，制約了行業(yè)發(fā)展?！　』瘜W工程經(jīng)過100多年的發(fā)展，已作為一個包括單元操作、反應工程、控制工程、系統(tǒng)工程在內(nèi)的完整學科，可以改變物質(zhì)結(jié)構(gòu)、改善物質(zhì)性能、合成新的物質(zhì)，對于多品種的精細化工來說，這一點更顯得重要。世界主要從事精細化工生產(chǎn)的公司都十分重視化學工程新技術的開發(fā)和應用。還要著重提到的是生物工程技術，它是由基因工程、細胞工程、酶工程和發(fā)酵工程組成的新技術，它不僅可為精細化工提供更為廣闊的新技術，其對精細化工的研究開發(fā)十分重要，而且可為精細化工提供更為廣闊的原料和產(chǎn)品，同時還將引起已有精細化工傳統(tǒng)工藝的革新，出現(xiàn)少污染、省能源的新工藝。國際上許多知名的化學公司投入大量資金和人力進行生物工程技術的研究，并取得了許多重要成果。生物工程技術將更多地應用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、營養(yǎng)品等中。醫(yī)藥是精細化工中最大的一個門類，目前世界醫(yī)藥產(chǎn)品中有60％左右是采用生物技術生產(chǎn)的。此外，納米技術在改造傳統(tǒng)精細化工產(chǎn)品中將發(fā)揮十分重要的作用。除了采用高新技術外，重視精細化工產(chǎn)品自身技術含量、附加值的高新化很重要，要注重產(chǎn)品功能的延伸和系列化。還要著重提到的是，要花大力氣發(fā)展專用化學品。從世界精細化工發(fā)展的趨勢分析，近年來，專用化學品比精細化學品的附加值高、增長速度快、市場容量大?？梢灶A測，專用化學品是精細化工發(fā)展的主潮流，必然引起我國化工界的特別關注。還需要提到的是，今后精細化工研發(fā)的投入將大大增加，不但是在新產(chǎn)品、新技術的研發(fā)上，而且在產(chǎn)品應用的開發(fā)上，都將投入更大更多的人力和財力。

編輯推薦

　　為適應應用化學專業(yè)應用人才培養(yǎng)的需求，本教材在介紹反應工程的理論基礎時重在講述基本概念與應用，同時在可能的情況下對數(shù)學推導過程刪繁就簡，且在涉及數(shù)學推導時給出了具體的過程，對于重要的結(jié)論則注意突出其物理意義與工程特點?！　　毒毣し磻こ袒A》適用于高等院校應用化學專業(yè)及相近的專業(yè)本科教材，也可供化工領域中從事科研、設計和生產(chǎn)的科技人員參考。

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