第1章緒論1

1.1化工生產與設備及其發展1

1.1.1化工反應過程與設備2

1.1.2化工發展的趨勢3

1.2基本概念6

1.2.1反應進程和效率變量6

1.2.2獨立反應數10

1.3反應器的分類和選型13

1.4反應器設計的基本方程及其放大17

習題20



第2章化學反應動力學（微觀動力學）22

2.1反應速率方程22

2.1.1反應速率22

2.1.2反應速率方程25

2.1.3反應速率常數26

2.2均相反應動力學33

2.2.1單一反應34

2.2.2復合反應38

2.2.3反應網絡43

2.3多相催化與吸附44

2.3.1催化劑與催化作用46

2.3.2吸附與脫附49

2.4多相催化反應動力學57

2.4.1簡化假定57

2.4.2表面反應類型57

2.4.3速率方程58

2.5速率方程的建立64

2.5.1積分法65

2.5.2微分法66

習題69



第3章物料衡算71

3.1物料衡算的方法71

3.1.1物料衡算的步驟71

3.1.2物料衡算式72

3.1.3計算基準73

3.1.4聯繫或惰性組分75

3.2復雜過程的物料衡算76

3.2.1自由度分析76

3.2.2穩態過程78

3.2.3非穩態過程80

習題82



第4章能量衡算84

4.1能量衡算方法84

4.1.1能量衡算的目的與步驟84

4.1.2能量衡算式84

4.1.3穩態繫統的熱量衡算87

4.1.4非穩態過程的熱量衡算91

4.2物料和能量聯合衡算91

習題95



第5章釜式反應器96

5.1概述96

5.1.1釜式反應器的特點、結構、類型和材質96

5.1.2基本概念98

5.2釜式反應器的物料衡算99

5.3等溫間歇釜式反應器99

5.3.1單一反應的反應時間與反應體積的計算100

5.3.2反應時間103

5.3.3復合反應105

5.4連續釜式反應器107

5.4.1全混流模型107

5.4.2反應體積108

5.4.3單一反應的特點111

5.4.4全混流反應器的串聯112

5.4.5全混流反應器串聯的反應體積比116

5.4.6全混流反應器的並聯118

5.5半間歇釜式反應器119

5.6復合反應的收率與選擇性122

5.6.1總收率與總選擇性122

5.6.2平行反應123

5.6.3連串反應125

5.7變溫釜式反應器128

5.7.1間歇釜128

5.7.2連續釜129

5.8攪拌器的設計135

5.8.1攪拌器的特性135

5.8.2攪拌器的功率142

5.8.3攪拌器的放大147

5.9攪拌釜的罐體147

5.9.1罐體的尺寸147

5.9.2攪拌釜的傳熱方式148

5.9.3傳熱劑150

5.9.4攪拌軸150

5.9.5攪拌釜的軸（密）封151

5.9.6傳動裝置151

習題151



第6章管式反應器154

6.1等溫管式反應器的設計154

6.1.1管式反應器的特點154

6.1.2活塞流模型154

6.1.3單一反應156

6.1.4多個反應157

6.1.5管式反應器與連續釜式反應器反應體積的比較159

6.1.6活塞流反應器的串聯、並聯163

6.1.7循環反應器164

6.2變溫管式反應器167

6.2.1熱量衡算式167

6.2.2絕熱反應167

6.2.3溫度序列170

習題172



第7章停留時間分布與反應器的流動模型174

7.1停留時間分布（RTD）175

7.1.1概述175

7.1.2RTD的定量描述175

7.1.3RTD的實驗測定177

7.1.4統計特征值179

7.2理想流動模型181

7.2.1模型方法181

7.2.2理想流動模型182

7.3非理想流動現像184

7.4非理想流動模型186

7.4.1離析流模型186

7.4.2多釜串聯模型188

7.4.3軸向擴散模型190

7.4.4組合模型194

7.5流體的混合196

7.5.1流體的混合態196

7.5.2流體混合態對反應的影響197

習題199



第8章多相催化反應器201

8.1多相催化的傳遞過程201

8.1.1速率控制步驟與相間傳遞基本方程201

8.1.2外擴散的影響203

8.1.3內擴散的影響206

8.1.4內外擴散的綜合影響212

8.1.5擴散影響的判定214

8.2固定床反應器216

8.2.1多相催化反應器的類型216

8.2.2固定床中的壓降與數學模型217

8.2.3絕熱式固定床反應器219

8.2.4換熱式固定床反應器222

8.2.5自熱式固定床反應器223

8.2.6熱點溫度224

8.3流化床反應器225

8.3.1流態化225

8.3.2流化床催化反應器226

8.4實驗室催化反應器226

8.4.1基本要求227

8.4.2實驗反應器227



第9章多相反應器231

9.1氣液反應器231

9.1.1氣液反應231

9.1.2擬一級反應233

9.1.3氣液反應器的主要類型235

9.1.4鼓泡塔的設計237

9.1.5攪拌鼓泡釜的設計239

9.2氣液固反應器240

9.2.1氣液固反應240

9.2.2滴（涓）流床反應器242

9.2.3漿態反應器243



第10章生化反應工程基礎246

10.1概述246

10.1.1生物技術246

10.1.2生化反應過程246

10.2生化反應動力學基礎247

10.2.1酶催化反應及其動力學247

10.2.2微生物反應過程的動力學258

10.3固定化生物催化劑266

10.3.1概述266

10.3.2酶和細胞的固定化267

10.4生化反應器269

10.4.1概述269

10.4.2生化反應器的類型269

10.4.3生化反應器的計算273



附錄278

附錄Ⅰ模擬試題278

附錄Ⅱ量子化學計算簡介281



參考文獻295

從20世紀70年代開始，化學工業在經歷了“化肥”時代和“塑料”時代之後進入了“精細化工”時代。精細化工與工農業生產、人民生活及國防等領域都息息相關，並成為世界化學工業發展的重點；同時，精細化工的發展水平成為衡量國家綜合實力與綜合技術水平的標志之一。因此，精細化工專業或化學工程與工藝專業相繼在成百所院校開設以滿足社會的大量需求。

化學工程或化學工業是在工業規模上實現化學反應過程，其主要知識內容或理論基石可概括為“三傳一反”。三傳即質量、能量和動量傳遞，這是“化工原理”課程中的主要內容；一反包括化學反應與反應器，其中反應器主要由“反應工程”課程進行設計，以使其中發生的化學反應能正常進行和達到預定目標。物料衡算、能量衡算是化學工程的核心，而將物料衡算、能量衡算與化學動力學結合則是反應工程的核心。物料衡算和能量衡算主要在“化工計算”課程中涵蓋，但化學工程與工藝專業一般沒有開設此門課程；學生在經過“化工原理”課程對物料衡算和能量衡算的初步訓練後，更繫統地學習物料衡算、能量衡算是有必要的，這為學生更好地理解、掌握本課程和為今後的畢業設計等奠定了基礎。本書有專門的章節涵蓋物料衡算、能量衡算等相關內容，同時注重與精細化工進行結合。

精細化工產品以其小批量、多品種、更新快、步驟多等特點而采用多用途、多功能的生產設備，即多用間歇反應器，這些幾乎都是釜式反應器；精細化工生產中釜式反應器約占反應器總數的90%，即便在化學工業中攪拌釜也占反應器總數的70%，因此本書對該類反應器的講解比較繫統深入；同時，完整的釜式反應器的設計必須考慮攪拌器和罐體等，所以本書專門講解了攪拌器和罐體的設計。由於大約90%的化工過程都使用催化劑，而且催化過程中約80%為多相催化，因此本書對氣固相催化反應速率方程的推導比較詳細和全面；本書也講解了綠色化學化工的幾個重要概念及其計算，如原子經濟性、環境因子等；本書附錄還對計算化學或分子模擬進行了比較完整深入的介紹。

《反應工程》是編者在吉林大學化學學院的化學工程與工藝專業多年講授精細化工反應工程學課程的基礎之上編寫而成的。雖然在本書末尾列出了一些主要參考書籍，但對其他很多中外文書籍和文獻的個別觀點、數據、圖表等也進行了參考或引用。感謝吉林大學化學學院郭玉鵬副院長和張玉敏教授的督促和幫助，張玉敏教授還審閱了全書，對一些文字提出了有益的修改建議。本書還得到了化學工業出版社相關編輯的幫助與支持，在此一並表示感謝！

由於編者的水平有限，書中難免存在疏漏和不當之處，歡迎讀者給予批評指正。



張貽亮

2019年6月於長春