第1章緒論



1.1化學反應工程的研究對像和目的2



1.1.1約束條件2



1.1.2優化的經濟指標3



1.1.3優化的技術指標3



1.1.4決策變量7



1.2化學反應工程的研究內容9



1.2.1化學反應過程10



1.2.2物理過程10



1.3化學反應工程的研究方法12



1.4化學反應工程在工業反應過程開發中的作用13



1.4.1化學反應工程理論在反應過程開發中的作用13



1.4.2反應過程開發與“放大效應”14



本章小結15



習題15







第2章均相反應動力學



2.1化學反應速率的工程表達18



2.2均相反應中的動力學20



2.2.1均相與預混合20



2.2.2反應動力學表達式21



2.2.3反應速率的溫度效應和反應活化能23



2.2.4反應速率的濃度效應和反應級數25



2.3典型化學反應的動力學方程28



2.3.1簡單反應28



2.3.2自催化反應28



2.3.3可逆反應28



2.3.4平行反應29



2.3.5串聯反應29



2.3.6更加復雜的情況30



2.4反應動力學測定方法31



2.4.1動力學實驗測定方法32



2.4.2均相反應的實驗反應器37



2.5模型的檢驗和模型參數的估值38



2.5.1經典方法39



2.5.2統計學方法進行模型識別和參數估計41



本章小結42



習題42







第3章理想間歇反應器



3.1反應器設計基本方程45



3.1.1反應器設計的基本內容45



3.1.2反應器設計基本方程45



3.2理想間歇反應器中的簡單反應46



3.2.1理想間歇反應器的特征46



3.2.2理想間歇反應器性能的數學描述47



3.2.3理想間歇反應器中的簡單反應49



3.2.4理想間歇反應器的反應時間56



3.3理想間歇反應器中的自催化反應58



3.4理想間歇反應器中的均相可逆反應60



3.4.1可逆反應的特點60



3.4.2可逆反應的反應速率61



3.5理想間歇反應器中的均相平行反應63



3.5.1平行反應反應物和產物濃度分布63



3.5.2平行反應的選擇率和收率64



3.5.3選擇率的溫度效應65



3.5.4選擇率的濃度效應65



3.6理想間歇反應器中的均相串聯反應66



3.6.1串聯反應反應物和產物濃度分布66



3.6.2串聯反應的選擇率和收率67



3.6.3選擇率的溫度效應68



3.6.4選擇率的濃度效應與轉化率68



本章小結68



習題69







第4章理想流動管式反應器



4.1理想流動管式反應器的特點73



4.2理想流動管式反應器設計基本方程73



4.3空時、空速和停留時間75



4.4反應前後分子數變化的氣相反應78



4.4.1膨脹率法78



4.4.2膨脹因子法79



4.4.3變分子數反應過程的反應器計算81



本章小結85



習題85







第5章連續流動釜式反應器



5.1連續流動釜式反應器設計基本方程88



5.1.1全混流假定88



5.1.2連續流動釜式反應器中的反應速率88



5.1.3連續流動釜式反應器的基本方程89



5.2連續流動釜式反應器中的均相反應91



5.2.1解析解91



5.2.2圖解法93



5.3連續流動釜式反應器中的濃度分布與返混95



5.3.1連續攪拌釜中的濃度分布特征95



5.3.2管式循環反應器96



5.3.3連續流動釜式反應器中的返混98



5.4返混的原因與限制返混的措施99



5.4.1返混的原因99



5.4.2限制返混的措施99



5.4.3多釜串聯反應器100



本章小結102



習題102







第6章反應器中的混合現像與非理想流動



6.1混合現像的分類106



6.2停留時間分布及其性質107



6.2.1停留時間分布的表達107



6.2.2停留時間分布的實驗測定108



6.2.3停留時間分布的數字特征109



6.2.4平推流反應器和全混流反應器的停留時間分布112



6.2.5停留時間分布曲線的應用115



6.3連續流動釜式反應器中的固相反應116



6.3.1流固相非催化反應動力學116



6.3.2連續流動釜式反應器中固相反應過程的特殊性119



6.3.3連續反應過程的考察方法120



6.3.4停留時間分布對固相加工反應結果的影響122



6.3.5固相加工反應過程的計算123



6.4微觀混合及其對反應結果的影響124



6.4.1流體的混合態124



6.4.2宏觀流體反應過程的計算125



6.4.3微觀混合對反應結果的影響126



6.5非理想流動模型128



6.5.1數學模型方法128



6.5.2擴散模型129



6.5.3多級全混流模型131



6.6非理想流動反應器的計算132



6.6.1多級全混流模型反應器的計算133



6.6.2軸向擴散模型反應器的計算133



6.6.3數學模型方法的應用135



本章小結136



習題136







第7章反應器選型與操作優化



7.1概述140



7.2影響反應場所濃度的工程因素141



7.3簡單反應過程反應器型式的比較142



7.4自催化反應過程的優化147



7.5可逆反應過程的優化152



7.5.1可逆反應過程的濃度效應153



7.5.2可逆反應過程的反應溫度和溫度序列153



7.5.3可逆反應過程溫度條件的實施155



7.6平行反應過程的優化157



7.6.1平行反應的選擇率和收率157



7.6.2選擇率的溫度效應158



7.6.3選擇率的濃度效應159



7.6.4反應器選型159



7.6.5反應器的操作方式163



7.7串聯反應過程的優化166



7.7.1串聯反應的選擇率166



7.7.2串聯反應的收率167



7.7.3反應器選型與操作方式168



7.7.4雙組分串聯反應中過量濃度的影響168



7.8復合反應過程的溫度條件170



7.8.1處理方法170



7.8.2選擇率與反應速率171



7.9反應器組合優化實例171



本章小結173



習題174







第8章氣固相催化反應動力學



8.1氣固相催化反應本征動力學180



8.1.1氣固相催化反應與熱質傳遞180



8.1.2氣固相催化反應的基本特征181



8.1.3化學吸附的速率與平衡182



8.1.4氣固相催化反應動力學表達式185



8.2氣固相催化反應動力學的測定方法189



8.2.1反應動力學實驗前的準備189



8.2.2測定非均相反應動力學的實驗室反應器190



本章小結192



習題192







第9章氣固相催化反應過程的傳遞現像



9.1氣固相催化反應過程的研究方法197



9.2等溫條件下的催化劑顆粒外部傳質過程199



9.2.1反應速率和傳質速率199



9.2.2極限反應速率和極限傳質速率200



9.2.3等溫條件下催化劑顆粒的外部效率因子202



9.2.4外擴散對反應選擇率的影響204



9.2.5雙組分反應繫統顆粒外部傳質過程205



9.2.6流速對顆粒外部傳質的影響207



9.3等溫條件下的催化劑顆粒內部傳質過程210



9.3.1催化劑顆粒內的濃度分布210



9.3.2等溫催化劑顆粒的內部效率因子213



9.3.3催化劑顆粒內傳質的表觀動力學特征214



9.3.4顆粒內部傳質對選擇率的影響215



9.3.5雙組分反應時顆粒內部的傳質過程215



9.3.6影響內部效率因子的因素217



9.3.7顆粒內擴散阻力的判別218



9.4等溫條件下的總效率因子220



9.5非等溫條件下的催化劑顆粒外部傳質過程221



9.5.1催化劑顆粒外部傳熱221



9.5.2非等溫顆粒外部效率因子223



9.6非等溫條件下的催化劑顆粒內部傳質過程225



9.6.1催化劑顆粒內部的傳熱225



9.6.2非等溫顆粒內部效率因子226



9.7固體催化劑的工程設計228



9.7.1催化劑顆粒的形狀和大小228



9.7.2催化劑顆粒內的活性組分分布方式230



9.7.3催化劑的孔徑分布232



本章小結233



習題234







第10章熱量傳遞與反應器的熱穩定性



10.1熱穩定性和參數靈敏性的概念238



10.2催化劑顆粒溫度的熱穩定性240



10.2.1催化劑顆粒的定態溫度240



10.2.2催化劑顆粒定態溫度的穩定條件241



10.2.3臨界著火條件與臨界熄火條件242



10.2.4在上操作點時的催化劑顆粒溫度245



10.3連續攪拌釜式反應器的熱穩定性246



10.3.1全混釜的熱平衡條件246



10.3.2全混釜反應器的熱穩定性247



10.3.3操作參數對熱穩定性的影響248



10.3.4允許溫差248



10.3.5全混釜的參數靈敏性249



10.3.6全混釜的可控性249



10.4管式固定床反應器的熱穩定性251



10.4.1管式固定床反應器的熱穩定條件251



10.4.2允許管徑和允許溫差252



10.4.3管式催化反應器的靈敏性253



10.4.4熱反饋與整體穩定性254



10.5化學反應繫統的傳熱問題254



本章小結255



習題256







第11章化學反應過程開發案例



11.1過程開發方法概述258



11.1.1逐級經驗放大方法258



11.1.2數學模型方法259



11.1.3兩種開發方法的對比260



11.1.4開發方法的基本原則261



11.2丁二烯氯化制二氯丁烯過程的開發案例264



11.2.1反應過程特性研究264



11.2.2反應器結構與操作條件265



11.2.3中試研究和預混合措施266



11.3列管式固定床反應器開發案例267



11.3.1過程分析267



11.3.2換熱式反應器的徑向換熱和徑向溫度分布269



11.3.3反應器的軸向溫度序列和實施方法271



11.3.4單管研究273



11.3.5反應器操作分析274



11.4絕熱式固定床反應器開發案例275



11.4.1絕熱式固定床反應器操作分析275



11.4.2丙烯腈尾氣處理過程特征276



11.4.3絕熱反應器設計277



11.4.4反應器設計參數278



11.5甲醇合成催化反應器的數學模擬案例278



11.5.1反應器數學模型的確定279



11.5.2物料衡算280



11.5.3管殼型甲醇合成反應器數學模擬282



本章小結286







符號表287







習題答案289







參考文獻293







微課視頻



空時與停留時間75



管式循環反應器96



返混特性99



連續流動反應器中的返混測定109



非理想流動模型128



非理想流動反應器計算132



串聯反應過程的優化166



內擴散嚴重時的表觀動力學214



催化劑的工程設計228



催化劑顆粒熱穩定性241



臨界著火和臨界熄火242



甲醇反應器介紹3D視頻278

化學反應工程是以工業規模的化學反應過程為研究對像，研究過程速率及其變化規律，宏觀動力學因素對化學反應過程的影響，以實現工業反應過程開發、放大、設計和操作的優化，可謂反應工藝開發之斧，反應設備設計之模，反應過程放大之橋。化學反應工程作為化學工程學科的重要分支，它不僅與物理、化學、數學等基礎學科密切相關，而且與熱力學、化學動力學、傳遞過程等存在著交叉關繫。



本書作為化學反應工程的基礎教材，根據化學反應工程學科進展，結合作者多年教學實踐，以張濂等編著的《化學反應工程原理》為基礎，延續化學反應工程基本原理的框架體繫，參考國內外相關教材與專著進行編寫，涵蓋了均相反應動力學、典型化學反應器、混合返混、非均相反應過程中的傳質與傳熱、反應器的熱穩定性等主要內容，注重反應動力學、物料衡算、熱量衡算方程的建立和求解，結合現代軟件工具的應用，尋求解決復雜工程問題之道。在編寫方法上注重基本概念、基本理論和工程觀點的闡述，一方面突出化學反應工程學科的共性問題，即影響反應結果的工程因素，如返混、預混合、質量傳遞和熱量傳遞等，按共性問題設置章節。另一方面突出反應工程理論思維方法，即工程因素通過影響反應場所溫度與濃度而改變反應結果，使讀者了解實際反應過程開發中過程的分解與綜合、個性與共性之間的關繫，從而增強工程分析和解決工程問題的能力。



化學反應工程作為化工類及相關專業的核心課程，配套教材既要滿足化工類專業知識體繫的基本要求，還需要考慮並體現“學習成果導向”（OBE）的工程教育理念。對照《工程教育認證通用標準》(2015版)中提出的畢業要求，化學反應工程課程目標對畢業要求的支撐主要體現在以下五個方面，即①工程知識：應用數學和相關工程知識解決復雜工程問題的能力；②問題分析：識別、表達並分析復雜工程問題的能力；③設計/開發解決方案：設計復雜工程問題解決方案的能力；④研究：設計實驗、分析和處理數據的能力；⑤使用現代工具：使用現代工程工具的能力。因此，我們在教材編寫中加強了反應動力學表達，反應器物料衡算、熱量衡算方程的建立，反應動力學實驗測定方法和數據處理，運用計算機工具求解反應器模型，計算溫度分布和濃度分布，解決復雜反應體繫的設計計算等內容，培養學生解決復雜工程問題的能力。



本書共11章。第1章論述化學反應工程的研究對像和目的、研究內容與研究方法，以及化學反應工程在工業反應過程開發中的作用。第2章闡述化學反應動力學的基本概念和原理，並就均相反應討論它們常見的動力學表達式，為以後各章學習作必要的準備。第3章介紹理想間歇反應器的基本特征和設計方程，並分別討論五種典型化學反應的基本特征和設計計算。第4、5章主要闡述理想流動管式反應器、連續流動釜式反應器的特征和設計計算。第6章討論反應器中的混合現像與非理想流動。第7章是在前述各章內容的基礎上，綜合分析各類典型化學反應的反應器的選型與操作優化。第8、9章闡述氣固相催化反應動力學、氣固相催化反應過程中的熱質傳遞及其對化學反應結果的影響。第10章討論放熱反應過程的熱穩定性和參數靈敏性問題。第11章以若干工業反應過程的開發案例來討論化學反應工程基本原理的綜合應用，深入剖析反應過程開發方法，了解數學模型方法在過程開發中的應用。



本書各章節之間的關繫見下圖。



本書為讀者提供了化學反應工程的基礎知識和基本訓練，配有相應的例題、習題和案例，力求概念清晰，理論聯繫實際，並在例題及附錄中列出相關MATLAB程序，以示工以利器為助，起舉一反三之效。



本書由華東理工大學許志美等編著，許志美（編寫第1、5、10章）、孫偉振（編寫第4、7章）、朱貽安（編寫第2、8章）、劉濤（編寫第6章）、曹發海（編寫第11章）、奚楨浩 （編寫第3章）、錢偉鑫（編寫第9章）等分別負責了各章節的編寫，許志美 、孫偉振、朱貽安編寫了各章首引言及插圖。全書由許志美整理、統稿。在編寫期間和完稿時，張濂先生提出了很好的修改建議並審閱了全書，華東理工大學的研究生參與了部分例題的編寫、插圖和編程求解，同時本書也得到了諸多同仁的寶貴建議，不再一一列舉，在此一並表示由衷的感謝。



由於作者的水平有限，書中定有不足或遺漏之處，期待讀者不吝指正。







編者



2019年3月