化學反應工程

本書在第一版的基礎上對內容作了較大的調整，按照教學需要增加了氣固相催化反應流化床反應器—章，同6慢新了例題和習題。

全書包括緒論和九章，從第一章到第九章主要是關於均相單一反應動力學和理想反應器，複合反應與反應器選型，非理想流動反應器，氣固相催化反應本徵動力學，氣固相催化反應宏觀動力學，氣固相催化反應固定床反應器，氣固相催化反應流化床反應器，氣液相反應過程與反應器，反應器的熱穩定性和參數靈敏性等內容的學習指導。各章后附有小結和習題，並在書後附有習題參考答案，同時為老師提供解題思路和過程。

本書是根據新一輪教學大綱編寫的反應工程學簡明教材，可作為高校化學工程與工藝專業本科教材(50-60學時)；若配合可下載的多媒體課件，可在48學時講完。除去3、8、9章后，也可作為大專40學時教學之用；同時也可供從事化學工程與工藝的工程技術人員或非本專業的本科、研究生作學習參考。

《化學反應工程》第一版於2000年由化學工業出版社出版發行，至今已經印刷7次，印數達到27000冊，受到廣大師生、讀者的歡迎。也正是由於讀者的厚愛，使本書的第二版進入了普通高等教育“十一五”國家級規劃教材的行列。

本教材，最大的讀者群是學生。教材的編寫，要從學生的角度出發，用心體驗學生對問題的理解能力。一本好的教材，要求編寫者逐字逐句地斟酌，避免歧義，並將重要的概念，無可置疑地表述清楚。許多時候，教師認為不成問題的地方恰恰是學生學習的障礙。教材上少寫一句話，學生就要多用幾個小時去揣摩，因此本教材在編寫中盡量避免這種情況發生。

本修訂版的特色是：

（1）基本概念力求清晰、突出基礎、淡化專業，著重講解解決問題的思想方法；

（2）突出課程的重點和難點，刪除一些與教學大綱聯繫不十分密切的和重複的內容；

（3）由於教學手段的進步，多媒體課件的引入，使得教學進度有所提高。在課時不變的情況下可以介紹更多的內容。為此，增加了流化床反應器一章；

（4）增加習題與答案，便於學生練習。

（5）提供全書教學用多媒體課件素材，聯繫方式：cipedu@163com。

本次修訂，由郭鍇、唐小恆進行。郭鍇編寫流化床反應器一章，周緒美、馮元鼎統覽全書，郭奮、李建偉對本教材的修訂提出了很好的建議，錢智、馬麗麗、沈淑玲、趙光磊、付景坤、曹會博、張奎等對書稿進行了認真的校對。

0緒論1

1均相單一反應動力學和理想反應器4

1.1基本概念4

1.1.1化學反應式與化學反應計量方程4

1.1.2反應程度4

1.1.3轉化率5

1.1.4化學反應速率6

1.1.5化學反應動力學方程7

1.2建立動力學方程的方法9

1.2.1積分法9

1.2.2微分法11

1.2.3最小方差分析法12

1.3化學反應器設計基礎13

1.3.1反應器的分類13

1.3.2反應器設計的基礎方程14

1.3.3幾個時間概念15

1.4等溫條件下理想反應器的設計分析16

1.4.1間歇操作的充分攪拌槽式反應器16

1.4.2理想置換反應器21

1.4.3全混流反應器27

1.5非等溫條件下理想反應器的設計30

1.5.1間歇反應器的熱量衡算30

1.5.2平推流反應器的熱量衡算32

1.5.3全混流反應器的熱量衡算32

本章小結33

習題35

2複合反應與反應器選型39

2.1單一不可逆反應過程與反應器40

2.1.1單一不可逆反應過程平推流反應器與全混流反應器的比較40

2.1.2理想流動反應器的組合43

2.1.3不同型式反應器的組合46

2.1.4循環反應器47

2.2自催化反應特性與反應器選型49

2.3可逆反應特性與反應器選型52

2.4平行反應特性與反應器選型56

2.5連串反應特性與反應器選型61

本章小結66

習題68

3非理想流動反應器70

3.1概述70

3.1.1返混定義70

3.1.2返混對反應過程的影響70

3.1.3按返混程度對反應器的分類70

3.2流體在反應器內的停留時間分佈71

3.2.1停留時間分佈的定量描述71

3.2.2停留時間分佈規律的實驗測定72

3.2.3用對比時間作變數的停留時間分佈77

3.2.4兩種理想反應器的停留時間分佈規律78

3.3非理想流動模型81

3.3.1凝集流模型81

3.3.2多級混合槽模型82

3.3.3軸向擴散模型86

3.3.4模型法進行均相反應過程計算小結91

本章小結93

習題95

4氣固相催化反應本徵動力學97

4.1氣固相催化過程97

4.1.1催化過程及特徵97

4.1.2非均相催化反應速率表達99

4.1.3非均相催化反應過程100

4.2固體催化劑101

4.2.1催化劑的組成和組分選擇101

4.2.2催化劑的製備103

4.2.3固體催化劑的比表面積、孔體積和孔體積分佈104

4.3氣固相催化反應本徵動力學107

4.3.1化學吸附與脫附108

4.3.2表面化學反應113

4.3.3反應本徵動力學114

4.4本徵動力學方程的實驗測定120

4.4.1外擴散與內擴散影響的消除120

4.4.2固定床積分反應器121

4.4.3微分法及其實驗裝置122

4.4.4循環反應器122

4.4.5動力學模型建立概述123

本章小結124

習題127

5氣固相催化反應宏觀動力學130

5.1催化劑顆粒內氣體擴散130

5.1.1分子擴散131

5.1.2克努森擴散132

5.1.3綜合擴散132

5.1.4以顆粒為基準的有效擴散133

5.2氣固相催化等溫反應的宏觀動力學方程134

5.2.1球形催化劑上等溫反應宏觀動力學方程134

5.2.2其他形狀催化劑的等溫宏觀動力學方程140

5.3非等溫過程的宏觀動力學143

5.3.1催化劑顆粒內部的溫度分佈規律143

5.3.2非等溫條件下的宏觀動力學方程144

5.3.3內擴散對複合反應選擇性的影響145

5.4流體與催化劑外表面間的傳質和傳熱147

5.4.1流體與催化劑顆粒外表面間的傳質147

5.4.2流體與催化劑顆粒外表面間的傳熱150

5.5催化劑的失活152

5.5.1失活現象152

5.5.2失活反應動力學153

5.5.3工業上處理失活問題的方法154

本章小結155

習題157

6氣固相催化反應固定床反應器159

6.1流體在固定床內的傳遞特性159

6.1.1流體在固定床內的流動特性159

6.1.2固定床內徑向傳遞163

6.2固定床催化反應器的設計164

6.2.1固定床催化反應器的特點及類型164

6.2.2採用一維擬均相理想流動模型對反應器進行設計計算167

6.3固定床反應器模型評述177

6.3.1一維擬均相非理想流模型177

6.3.2二維擬均相模型178

6.3.3非均相模型180

本章小結182

習題183

7氣固相催化反應流化床反應器184

7.1流化床的基本概念184

7.1.1流化床的基本概念184

7.1.2散式流化和聚式流化185

7.1.3濃相段和稀相段185

7.1.4流態化的不正常現象186

7.2流化床的工藝計算187

7.2.1反應器內徑的計算187

7.2.2流化床反應器床高的確定190

7.2.3流化床的熱傳遞192

7.3流化床內反應過程的計算193

7.3.1床層中氣泡行為193

7.3.2流化床的鼓泡床模型193

7.3.3反應過程的估算193

本章小結198

習題199

8氣液相反應過程與反應器201

8.1概述201

8.1.1氣液反應的步驟201

8.1.2氣液反應過程的計算關係式201

8.2氣液反應動力學203

8.2.1氣液反應過程的基礎方程203

8.2.2極慢反應過程205

8.2.3慢反應過程206

8.2.4中速反應過程207

8.2.5快反應過程208

8.2.6瞬時反應過程208

8.2.7氣液反應過程的重要參數210

8.3氣液反應器212

8.3.1工業上常用的氣液反應器213

8.3.2填料塔式反應器的計算214

8.3.3鼓泡塔式反應器的計算217

本章小結220

習題221

9反應器的熱穩定性和參數靈敏性223

9.1全混流反應器的熱穩定性223

9.1.1全混流反應器的熱量衡算223

9.1.2全混流反應器的定態224

9.2管式反應器的熱穩定性226

9.2.1徑向傳熱管式反應器的熱量衡算方程226

9.2.2管式反應器允許的最大溫度差及允許管徑227

9.2.3管式反應器的熱點228

9.3反應器參數的靈敏性229

9.3.1反應器的安全性229

9.3.2反應器參數的靈敏性230

習題答案234

符號表240

參考文獻242