精細(xì)化工反應(yīng)工程基礎(chǔ)

前言

　　精細(xì)化工作為化學(xué)工業(yè)的一個重要領(lǐng)域，正以前所未有的速度發(fā)展著，并成為當(dāng)前世界化學(xué)工業(yè)激烈競爭的焦點(diǎn)，引起了世界各國的高度重視和大力發(fā)展。因此，精細(xì)化學(xué)品的比例被看作一個國家、一個地區(qū)化學(xué)工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。精細(xì)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)需經(jīng)過一系列的化學(xué)和物理處理過程，因而精細(xì)化工反應(yīng)過程已成為應(yīng)用化學(xué)專業(yè)（精細(xì)化工方向）的主干課之一。該課程設(shè)置的目的是使學(xué)生在化工原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步了解化工反應(yīng)過程與設(shè)備，從而為精細(xì)細(xì)化學(xué)品的生產(chǎn)、開發(fā)和工藝設(shè)計打下必要的理論基礎(chǔ)?！　∧壳埃m用應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)生的化學(xué)反應(yīng)工程教材較少，主要是一些少學(xué)時的課本，但這些課本大多以化學(xué)工程與工藝專業(yè)課程為基礎(chǔ)而編寫的，其中涉及的課程內(nèi)容與應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的前述課程的教學(xué)內(nèi)容不銜接，學(xué)生理解比較困難，因此有必要編寫以應(yīng)化專業(yè)前導(dǎo)課為基礎(chǔ)，適應(yīng)應(yīng)化專業(yè)特點(diǎn)的化學(xué)反應(yīng)工程基礎(chǔ)教材?！　”窘滩牡木帉懼饕Y(jié)合精細(xì)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)特點(diǎn)，一方面注意保持化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)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(yīng)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)應(yīng)用人才培養(yǎng)的需求，本教材在介紹反應(yīng)工程的理論基礎(chǔ)時重在講述基本概念與應(yīng)用，同時在可能的情況下對數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程刪繁就簡，且在涉及數(shù)學(xué)推導(dǎo)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(diǎn)。為了能夠較為接近精細(xì)化工生產(chǎn)實際過程，本書除了從教學(xué)需要出發(fā)安排若干基礎(chǔ)訓(xùn)練的例題外，在部分章節(jié)中還有意安排了一些從設(shè)計實例中取材的大型例題，以期使學(xué)生通過這些例題的講解，了解工程設(shè)計的特點(diǎn)，掌握解決問題常用的方法?！　”緯卜譃榘苏?，總教學(xué)時數(shù)32～40學(xué)時。其中前五章為基本內(nèi)容，講解化學(xué)動力學(xué)、間歇反應(yīng)器、理想流動反應(yīng)器、復(fù)雜反應(yīng)與熱量平衡等主要內(nèi)容，共24學(xué)時；后三章主要對精細(xì)化工生產(chǎn)過程常用的反應(yīng)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(xué)生今后運(yùn)用基本原理指導(dǎo)過程開發(fā)?！　”緯山２ㄖ骶?，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(jìn)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。　　鑒于編者學(xué)識與教學(xué)經(jīng)驗有限，不當(dāng)之處在所難免，望讀者批評指正。

內(nèi)容概要

精細(xì)化工反應(yīng)工程是應(yīng)用化學(xué)專業(yè)(精細(xì)化工方向)的主干課之一，該課程目的是使學(xué)生在化工原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步了解化工反應(yīng)過程與設(shè)備，為精細(xì)化學(xué)品的生產(chǎn)、開發(fā)和工藝設(shè)計打下必要的理論基礎(chǔ)，為適應(yīng)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)應(yīng)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(xì)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)特點(diǎn)，一方面注意保持化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)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(xué)動力學(xué)基礎(chǔ)、理想反應(yīng)器、復(fù)雜反應(yīng)與熱量平衡、非理想流動、攪拌釜式反應(yīng)器、氣液反應(yīng)器以及氣固相固定床反應(yīng)器等。    為了能夠較為接近精細(xì)化工生產(chǎn)實際過程，本書除了從教學(xué)需要出發(fā)安排若干基礎(chǔ)訓(xùn)練的例題外，在部分章節(jié)中還安排了一些從設(shè)計實例中取材的大型例題，以期使學(xué)生通過這些例題的講解，了解工程設(shè)計的特點(diǎn)，掌握解決問題常用的方法。    本書適用于高等院校應(yīng)用化學(xué)專業(yè)及相近的專業(yè)本科教材，也可供化工領(lǐng)域中從事科研、設(shè)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(xì)化工的發(fā)展    1．1．1  世界精細(xì)化工概況    1．1．2  我國精細(xì)化工現(xiàn)狀  1．2  精細(xì)化工的特點(diǎn)  1．3  化學(xué)反應(yīng)工程的研究方法    1．3．1  化學(xué)反應(yīng)工程與其他學(xué)科的關(guān)系    1．3．2  反應(yīng)技術(shù)的開發(fā)過程    1．3．3  反應(yīng)過程的放大程度和開發(fā)周期  1．4  反應(yīng)裝置與反應(yīng)方法概述    1．4．1  反應(yīng)器的分類    1．4．2  反應(yīng)器的設(shè)計第2章  化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)  2．1  化學(xué)計量式  2．2  反應(yīng)程度、轉(zhuǎn)化率及化學(xué)膨脹因子    2．2．1  反應(yīng)程度    2．2．2  轉(zhuǎn)化率    2．2．3  化學(xué)膨脹因子  2．3  化學(xué)反應(yīng)速率的含義及其表示法    2．3．1  化學(xué)反應(yīng)速率的定義    2．3．2  反應(yīng)速率方程    2．3．3  濃度與反應(yīng)速率    2．3．4  溫度與反應(yīng)速率  2．4  化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方程的確定    2．4．1  反應(yīng)速率方程的確定    2．4．2  復(fù)合反應(yīng)速率方程的確定第3章  理想反應(yīng)器  3．1  概述    3．1．1  流體反應(yīng)器的空時、空速    3．1．2  反應(yīng)器設(shè)計的基本計算方程  3．2  間歇攪拌釜式反應(yīng)器(BSTR)    3．2．1  結(jié)構(gòu)與操作特點(diǎn)    3．2．2  間歇反應(yīng)器的基礎(chǔ)設(shè)計式    3．2．3  間歇反應(yīng)器的停留時間    3．2．4  恒容間歇反應(yīng)器    3．2．5  恒壓間歇反應(yīng)器    3．2．6  間歇反應(yīng)器的體積計算  3．3  平推流反應(yīng)器(PFR)    3．3．1  平推流的特點(diǎn)    3．3．2  平推流反應(yīng)器的基礎(chǔ)設(shè)計式    3．3．3  反應(yīng)器體積的計算    3．3．4  恒壓條件平推流反應(yīng)器的體積  3．4  全混流反應(yīng)器(CSTR)    3．4．1  全混流反應(yīng)器特點(diǎn)    3．4．2  全混流反應(yīng)器的基礎(chǔ)設(shè)計式    3．4．3  CSTR體積計算  3．5  PFR與CSTR的比較  3．6  理想反應(yīng)器的組合    3．6．1  平推流反應(yīng)器的串聯(lián)    3．6．2  等體積CSTR串聯(lián)反應(yīng)器    3．6．3  不同體積的CSTR串聯(lián)反應(yīng)器    3．6．4  最優(yōu)化體積的CSTR串聯(lián)反應(yīng)器    3．6．5  PFR和CSTR串聯(lián)  3．7  循環(huán)反應(yīng)器第4章  復(fù)雜反應(yīng)與熱量衡算  4．1  平行反應(yīng)    4．1．1  間歇反應(yīng)器和平推流反應(yīng)器(PFR)    4．1．2  全混流反應(yīng)器(CSTR)  4．2  不同級數(shù)的平行反應(yīng)    4．2．1  兩個反應(yīng)    4．2．2  三個或更多的反應(yīng)  4．3  串聯(lián)反應(yīng)    4．3．1  間歇反應(yīng)器與平推流反應(yīng)器(PFR)    4．3．2  全混流反應(yīng)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(yīng)器(CSTR)    4．4．2  平推流反應(yīng)器(PFR)    4．4．3  間歇反應(yīng)器    4．4．4  CSTR中復(fù)合變量的定常態(tài)    4．4．5  多級絕熱的PFR反應(yīng)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(yīng)器的反應(yīng)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(yīng)器  6．1  釜式反應(yīng)器的計算  6．2  攪拌設(shè)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(yīng)器  7．1  氣液反應(yīng)器的分類與特點(diǎn)    7．1．1  氣液反應(yīng)器的形式和特點(diǎn)    7．1．2  氣液反應(yīng)器的選擇  7．2  氣-液反應(yīng)過程宏觀動力學(xué)簡單分析    7．2．1  氣液相界面的傳遞模型    7．2．2  氣液反應(yīng)的基本方程    7．2．3  宏觀氣液反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)    7．2．4  氣液反應(yīng)動力學(xué)實驗測定  7．3鼓泡塔反應(yīng)器設(shè)計    7．3．1  鼓泡塔反應(yīng)器概述    7．3．2  鼓泡塔的操作狀態(tài)    7．3．3  鼓泡塔反應(yīng)器的設(shè)計第8章氣固相固定床反應(yīng)器  8．1  概述  8．2  固定床反應(yīng)器類型    8．2．1  絕熱式反應(yīng)器    8．2．2  換熱式反應(yīng)器  8．3  固定床反應(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(yīng)器內(nèi)的傳質(zhì)    8．5．1  氣-固相催化反應(yīng)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(kuò)散  8．6  總反率速率方程式  8．7  固定床反應(yīng)器設(shè)計    8．7．1  經(jīng)驗法    8．7．2  數(shù)學(xué)模型法參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　（1）生產(chǎn)技術(shù)水平低，產(chǎn)品技術(shù)含量低。受綜合國力和科技水平的制約，我國精細(xì)化工生產(chǎn)技術(shù)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(lǐng)域，如功能樹脂、信息化學(xué)品、磁記錄材料、精細(xì)陶瓷等方面尚處于起步階段，有的基本空白。產(chǎn)品技術(shù)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(xì)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(jìn)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(xì)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(lǐng)域精細(xì)化工占一半左右），生產(chǎn)規(guī)模普遍偏小，而且低水平重復(fù)建設(shè)嚴(yán)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(xì)化工行業(yè)中，嚴(yán)重存在科技與經(jīng)濟(jì)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(fèi)用提取率僅2％左右，大多數(shù)企業(yè)沒有自己的技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)；為中小企業(yè)提供技術(shù)服務(wù)的機(jī)構(gòu)不夠健全?！　。?）市場開發(fā)和應(yīng)用開發(fā)力度不夠。我國精細(xì)化工發(fā)展過程中，應(yīng)用開發(fā)、技術(shù)服務(wù)極為薄弱，嚴(yán)重制約我國精細(xì)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(yīng)用技術(shù)薄弱，配方應(yīng)用技術(shù)差距更大?！　。?）環(huán)境污染已成為精細(xì)化工發(fā)展的重要制約因素。我國精細(xì)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(xué)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(yīng)工程、控制工程、系統(tǒng)工程在內(nèi)的完整學(xué)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(xì)化工來說，這一點(diǎn)更顯得重要。世界主要從事精細(xì)化工生產(chǎn)的公司都十分重視化學(xué)工程新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。還要著重提到的是生物工程技術(shù)，它是由基因工程、細(xì)胞工程、酶工程和發(fā)酵工程組成的新技術(shù)，它不僅可為精細(xì)化工提供更為廣闊的新技術(shù)，其對精細(xì)化工的研究開發(fā)十分重要，而且可為精細(xì)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(xì)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(xué)公司投入大量資金和人力進(jìn)行生物工程技術(shù)的研究，并取得了許多重要成果。生物工程技術(shù)將更多地應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、營養(yǎng)品等中。醫(yī)藥是精細(xì)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(shù)生產(chǎn)的。此外，納米技術(shù)在改造傳統(tǒng)精細(xì)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(shù)外，重視精細(xì)化工產(chǎn)品自身技術(shù)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(xué)品。從世界精細(xì)化工發(fā)展的趨勢分析，近年來，專用化學(xué)品比精細(xì)化學(xué)品的附加值高、增長速度快、市場容量大?？梢灶A(yù)測，專用化學(xué)品是精細(xì)化工發(fā)展的主潮流，必然引起我國化工界的特別關(guān)注。還需要提到的是，今后精細(xì)化工研發(fā)的投入將大大增加，不但是在新產(chǎn)品、新技術(shù)的研發(fā)上，而且在產(chǎn)品應(yīng)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(yīng)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)應(yīng)用人才培養(yǎng)的需求，本教材在介紹反應(yīng)工程的理論基礎(chǔ)時重在講述基本概念與應(yīng)用，同時在可能的情況下對數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程刪繁就簡，且在涉及數(shù)學(xué)推導(dǎo)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(diǎn)?！　　毒?xì)化工反應(yīng)工程基礎(chǔ)》適用于高等院校應(yīng)用化學(xué)專業(yè)及相近的專業(yè)本科教材，也可供化工領(lǐng)域中從事科研、設(shè)計和生產(chǎn)的科技人員參考。

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