高等反應(yīng)工程教程

前言

華東理工大學(xué)出版社經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期調(diào)查研究后，決定組織編寫(xiě)并出版一套“化學(xué)工程與技術(shù)”學(xué)科的相關(guān)教學(xué)用叢書(shū)，多位在各自領(lǐng)域?qū)W有所長(zhǎng)并對(duì)研究生培養(yǎng)工作有豐富經(jīng)驗(yàn)的學(xué)者參加編寫(xiě)。對(duì)于華東理工大學(xué)出版社的決定，我非常贊同。我本人是研究生畢業(yè)，從20世紀(jì)70年代末起，一直在指導(dǎo)研究生，包括授課及指導(dǎo)論文，我的主要工作都與研究生培養(yǎng)有關(guān)。加上報(bào)紙雜志的報(bào)道中多認(rèn)為我國(guó)在研究生培養(yǎng)方面尚顯不足，我也經(jīng)常在思考如何提高研究生培養(yǎng)質(zhì)量的問(wèn)題。對(duì)此常感到有些話(huà)想說(shuō)，只是沒(méi)有適當(dāng)?shù)膱?chǎng)合去說(shuō)而已。因此當(dāng)出版社的編輯們要我為叢書(shū)作序時(shí)，我便欣然從命，以便借此說(shuō)上幾句。1.關(guān)于教學(xué)用書(shū)（簡(jiǎn)稱(chēng)教材）教材對(duì)研究生教學(xué)是重要的，好的教材顯然十分有利于學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握相關(guān)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，此外還可以作為學(xué)生在學(xué)完課程后的案頭參考書(shū)。也有一些非常優(yōu)秀的教授在教學(xué)過(guò)程中不規(guī)定使用固定教材，他們?cè)谡n堂上主要講授思想和方法，或即使使用教材，講課時(shí)也完全不局限于教材內(nèi)容，然后要求學(xué)生在課后通過(guò)自學(xué)、做習(xí)題、討論、找材料、做筆記等多種形式掌握知識(shí)。這種教學(xué)方式對(duì)于一部分學(xué)習(xí)主動(dòng)、基礎(chǔ)較好的學(xué)生，可能十分有利，但也許會(huì)使另一些學(xué)生感到困難，甚至抱怨連連。關(guān)鍵是看這些學(xué)生是否有克服困難，通過(guò)努力爭(zhēng)取學(xué)習(xí)主動(dòng)的決心。2.關(guān)于例題和習(xí)題例題的重要性絲毫不遜于理論知識(shí)。正確的方法應(yīng)是有目的地講解例題：一個(gè)例題解決一類(lèi)問(wèn)題，引導(dǎo)多方面的思路，并培養(yǎng)學(xué)生舉一反三的能力。我要特別強(qiáng)調(diào)的是習(xí)題的作用，使學(xué)生鞏固、掌握知識(shí)和運(yùn)用學(xué)到的方法只是起碼的要求，習(xí)題的功能應(yīng)被看作是對(duì)學(xué)生潛在創(chuàng)造力的培養(yǎng)，以及在面對(duì)困難時(shí)應(yīng)有的心理準(zhǔn)備。這里說(shuō)的當(dāng)然不是指我們常見(jiàn)的這些只需稍稍復(fù)習(xí)就可以依樣畫(huà)瓢式的習(xí)題，而是指學(xué)生初看不知如何下手的那一類(lèi)。當(dāng)學(xué)生要做這類(lèi)習(xí)題時(shí)他們不得不去認(rèn)真復(fù)習(xí)和思考，相互討論，查找文獻(xiàn)，才能解答。他們會(huì)認(rèn)為這些習(xí)題很“難”，但也就是這種“難”，可以培養(yǎng)學(xué)生的能力。

內(nèi)容概要

　　《高等反應(yīng)工程教程》旨在為已具備化學(xué)反應(yīng)工程基礎(chǔ)知識(shí)的化學(xué)工程專(zhuān)業(yè)碩士生提供一本合適的教材，以拓寬他們?cè)诨瘜W(xué)反應(yīng)工程領(lǐng)域的知識(shí)面，加深他們對(duì)化學(xué)反應(yīng)工程基本原理的理解，培養(yǎng)學(xué)生分析、解決化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計(jì)、操作和控制中遇到的實(shí)際問(wèn)題的能力?！陡叩确磻?yīng)工程教程》著重于理論原理的系統(tǒng)性，以培養(yǎng)研究生對(duì)過(guò)程物理本質(zhì)和處理方法的分析能力，以達(dá)到舉一反三、學(xué)以致用的功效?！　∪珪?shū)共分九章，劃分為四個(gè)知識(shí)層次。第1章為第一層次，闡述復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)體系的表征方法，從化學(xué)計(jì)量學(xué)、化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)諸方面分析和認(rèn)識(shí)反應(yīng)過(guò)程特征；第2章和第3章為第二層次，主要討論均相反應(yīng)體系的分析方法和混合對(duì)反應(yīng)過(guò)程的影響；第4章和第5章為第三層次，從顆粒和液滴尺度分析化學(xué)反應(yīng)器中普遍存在的外擴(kuò)散和內(nèi)擴(kuò)散現(xiàn)象；第6章至第9章為第四層次，也是《高等反應(yīng)工程教程》的最終目的：將所有知識(shí)融匯到反應(yīng)器設(shè)計(jì)中，介紹四大類(lèi)工業(yè)反應(yīng)器——固定床、流化床、氣液反應(yīng)器（填料塔和鼓泡塔為代表）、氣液固三相反應(yīng)器（涓流床和淤漿床為代表）的流體力學(xué)、傳遞過(guò)程、反應(yīng)器模型化方法和反應(yīng)器分析。通過(guò)《高等反應(yīng)工程教程》學(xué)習(xí)，讀者可望在化學(xué)反應(yīng)工程基礎(chǔ)理論方面有一定收獲，為解決反應(yīng)器設(shè)計(jì)放大問(wèn)題打下基礎(chǔ)。　　《高等反應(yīng)工程教程》可作為化工及相近專(zhuān)業(yè)研究生的教材，也可供從事化工生產(chǎn)、設(shè)計(jì)和研究的工程技術(shù)人員參考。

作者簡(jiǎn)介

　　程振民教授：入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才培養(yǎng)計(jì)劃?！度A東理工大學(xué)學(xué)報(bào)》、《化學(xué)反應(yīng)工程與工藝》、《管道技術(shù)與設(shè)備》、Int. J. Eng. Sys.雜志編委。長(zhǎng)期從事多相反應(yīng)器基礎(chǔ)理論研究，對(duì)流動(dòng)與反應(yīng)之間的規(guī)律， 以及參數(shù)和模型化工作有較深入研究，發(fā)明了連續(xù)相變的節(jié)能型反應(yīng)器、水力旋流冷氫箱等?！　≡伎翟菏浚褐袊?guó)工程院院士，現(xiàn)為化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)主任。在反應(yīng)器的研究開(kāi)發(fā)方面，創(chuàng)導(dǎo)了工業(yè)反應(yīng)過(guò)程開(kāi)發(fā)方法的主要思想，并成功主持了幾個(gè)重要的工程應(yīng)用項(xiàng)目。曾數(shù)度獲國(guó)家及部委獎(jiǎng)勵(lì)，獲何梁何利科技進(jìn)步獎(jiǎng)。

書(shū)籍目錄

第1章 復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)體系的定量表征1.1 反應(yīng)體系的化學(xué)計(jì)量學(xué)分析1.1.1 化學(xué)計(jì)量方程1.1.2 獨(dú)立反應(yīng)和獨(dú)立反應(yīng)數(shù)1.2 反應(yīng)體系的化學(xué)平衡分析1.2.1 化學(xué)平衡分析的意義1.2.2 單一反應(yīng)體系的化學(xué)平衡分析1.2.3 復(fù)雜反應(yīng)體系的化學(xué)平衡計(jì)算1.3 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及其數(shù)學(xué)描述1.3.1 表面催化反應(yīng)概念的形成1.3.2 表面催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程1.3.3 兩類(lèi)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程的評(píng)價(jià)1.4 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究方法l_4.1 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的決策1.4.2 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果的表達(dá)方式1.4.3 實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器1.4.4 實(shí)驗(yàn)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)1.4.5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1.4.6 序貫實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)習(xí)題第2章 理想均相反應(yīng)器分析2.1 理想間歇反應(yīng)器2.1.1 間歇反應(yīng)器的物料衡算和能量衡算方程2.1.2 末期動(dòng)力學(xué)和配料比的影響2.1.3 間歇反應(yīng)器的最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間2.2 理想連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器2.2.1 活塞流反應(yīng)器2.2.2 全混流反應(yīng)器2.3 全混流反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性2.3.1 熱穩(wěn)定性的基本概念2.3.2 全混流反應(yīng)器熱穩(wěn)定性的定態(tài)分析2.3.3 全混流反應(yīng)器熱穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)分析2.3.4 全混流反應(yīng)器的開(kāi)車(chē)參考文獻(xiàn)習(xí)題第3章 化學(xué)反應(yīng)器中的混合現(xiàn)象3.1 宏觀(guān)混合與微觀(guān)混合3.2 返混及其對(duì)反應(yīng)的影響3.2.1 理想流動(dòng)反應(yīng)器的比較3.2.2 理想反應(yīng)器的組合和操作方式的選擇3.3 非理想連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器3.3.1 軸向擴(kuò)散模型3.3.2 軸向擴(kuò)散系數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量3.3.3 多級(jí)全混釜串聯(lián)模型3.4 物系聚集狀態(tài)對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響3.4.1 反應(yīng)物系的混合狀態(tài)3.4.2 聚集狀態(tài)對(duì)簡(jiǎn)單反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響3.4.3 聚集狀態(tài)對(duì)串聯(lián)反應(yīng)選擇性的影響3.5 化學(xué)反應(yīng)器的預(yù)混合問(wèn)題3.5.1 預(yù)混合對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響3.5.2 反應(yīng)過(guò)程開(kāi)發(fā)中混合方式的選擇3.6 混合對(duì)聚合反應(yīng)器選型的影響3.6.1 聚合反應(yīng)的特點(diǎn)3.6.2 返混對(duì)聚合物分子量分布的影響3.6.3 微觀(guān)混合對(duì)聚合物分子量分布的影響參考文獻(xiàn)習(xí)題第4章 外部傳遞過(guò)程對(duì)非均相催化反應(yīng)的影響4.1 非均相催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的表達(dá)方式4.2 外部傳遞過(guò)程的模型化4.3 外部傳遞對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響表征4.3.1 等溫外部效率因子4.3.2 非等溫外部效率因子4.3.3 外部傳遞對(duì)復(fù)雜反應(yīng)選擇性的影響4.3.4 外部傳遞引起的催化劑顆粒的多重定態(tài)參考文獻(xiàn)習(xí)題第5章 內(nèi)部傳遞對(duì)氣固相催化反應(yīng)過(guò)程的影響5.1 流體在多孔介質(zhì)內(nèi)的有效擴(kuò)散系數(shù)5.1.1 圓柱孔內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)5.1.2 多孔催化劑中的氣體有效擴(kuò)散系數(shù)5.2 內(nèi)部傳遞對(duì)氣固相催化反應(yīng)過(guò)程的影響5.2.1 等溫條件下的內(nèi)部效率因子5.2.2 非等溫條件下的內(nèi)部效率因子5.2.3 內(nèi)部傳遞對(duì)復(fù)雜反應(yīng)選擇性的影響5.2.4 催化劑的工程設(shè)計(jì)5.3 外部傳遞和內(nèi)部傳遞的綜合影響5.3.1 等溫條件下的總效率因子5.3.2 非等溫條件下的總效率因子5.3.3 反應(yīng)相內(nèi)外的溫度梯度分布5.4 流固相非催化反應(yīng)過(guò)程5.4.1 基本特征5.4.2 一般模型5.4.3 縮核模型參考文獻(xiàn)習(xí)題第6章 固定床反應(yīng)器6.1 固定床中的傳遞過(guò)程6.1.1 床層空隙率分布與徑向速度分布6.1.2 固定床的壓降6.1.3 固定床反應(yīng)器中的質(zhì)量傳遞過(guò)程6.1.4 固定床反應(yīng)器中的熱量傳遞過(guò)程6.2 固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型6.2.1 擬均相基本模型（A－Ⅰ）6.2.2 擬均相軸向分散模型（A－Ⅱ）6.2.3 擬均相二維模型（A－Ⅲ）6.2.4 考慮顆粒界面梯度的活塞流非均相模型（B－Ⅰ）6.2.5 考慮顆粒界面梯度和顆粒內(nèi)梯度的活塞流非均相模型（B－Ⅱ）6.2.6 非均相二維模型（B－Ⅲ）6.3 擬均相一維模型的求解6.3.1 常微分方程模型的求解6.3.2 常微分方程初值問(wèn)題6.3.3 常微分方程兩點(diǎn)邊值問(wèn)題6.4 固定床反應(yīng)器的熱特性6.4.1 絕熱固定床反應(yīng)器的多重定態(tài)和熱穩(wěn)定性6.4.2 列管式固定床反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性6.4.3 固定床反應(yīng)器的整體穩(wěn)定性6.4.4 列管式固定床反應(yīng)器的參數(shù)敏感性6.4.5 自熱式固定床反應(yīng)器參考文獻(xiàn)習(xí)題第7章 流化床反應(yīng)器7.1 氣固流態(tài)化現(xiàn)象7.1.1 最小流化速度7.1.2 顆粒的流化特性7.2 流化床中的氣泡模型7.2.1 單氣泡結(jié)構(gòu)模型7.2.2 氣泡聚并與氣泡群上升速度模型7.3 流化床反應(yīng)器的模型化7.3.1 兩相模型7.3.2 三相模型參考文獻(xiàn)習(xí)題第8章 氣液反應(yīng)和反應(yīng)器8.1 氣液吸收過(guò)程的物理模型8.1.1 雙膜理論的提出8.1.2 雙膜理論的數(shù)學(xué)描述8.2 液膜內(nèi)的氣液反應(yīng)過(guò)程模型8.2.1 氣液反應(yīng)過(guò)程的基本方程8.2.2 擬一級(jí)不可逆反應(yīng)及反應(yīng)增強(qiáng)因子8.2.3 不可逆飛速反應(yīng)8.2.4 二級(jí)不可逆反應(yīng)8.3 氣液相反應(yīng)器的分類(lèi)和選型8.3.1 氣液相反應(yīng)器的分類(lèi)8.3.2 氣液反應(yīng)器的選型8.4 氣液相反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算8.4.1 填料塔的設(shè)計(jì)計(jì)算8.4.2 鼓泡塔的設(shè)計(jì)計(jì)算參考文獻(xiàn)習(xí)題第9章 氣液固三相反應(yīng)器9.1 氣液固三相反應(yīng)器的分類(lèi)和選型9.1.1 涓流床反應(yīng)器9.1.2 淤漿反應(yīng)器9.1.3 三相反應(yīng)器的選型9.2 氣液固三相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)9.3 淤漿反應(yīng)器模型化9.4 涓流床反應(yīng)器的模型化9.5 涓流床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與放大9.5.1 液固接觸效率9.5.2 床層持液量9.5.3 軸向擴(kuò)散對(duì)床層高度的影響參考文獻(xiàn)習(xí)題

章節(jié)摘錄

插圖：工業(yè)反應(yīng)過(guò)程的開(kāi)發(fā)和反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、操作及控制均是以正確地把握所研究的特定反應(yīng)體系的基本特征為基礎(chǔ)的?；瘜W(xué)工程師應(yīng)根據(jù)反應(yīng)特征，通過(guò)正確選擇反應(yīng)器的型式、結(jié)構(gòu)尺寸、操作條件和控制方案，力求在反應(yīng)器內(nèi)形成一種比較適宜的濃度分布和溫度分布，使反應(yīng)器的運(yùn)行盡可能達(dá)到安全、高效、低耗的目標(biāo)。一個(gè)反應(yīng)體系的主要特征至少包括以下三個(gè)方面。（1）化學(xué)計(jì)量學(xué)——研究反應(yīng)過(guò)程中發(fā)生的反應(yīng)情況，是簡(jiǎn)單反應(yīng)還是復(fù)雜反應(yīng)。對(duì)同時(shí)發(fā)生多個(gè)反應(yīng)的復(fù)雜反應(yīng)，研究這些反應(yīng)之間的相互關(guān)系是怎樣的，是并聯(lián)的還是串聯(lián)的，以及每一反應(yīng)中各組分變化量之間的相互關(guān)系。（2）化學(xué)熱力學(xué)——研究反應(yīng)過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化和反應(yīng)體系的平衡性質(zhì)。反應(yīng)過(guò)程中最常見(jiàn)的能量轉(zhuǎn)化是化學(xué)能和熱能之間的相互轉(zhuǎn)化，即反應(yīng)的熱效應(yīng)，反應(yīng)是放熱的還是吸熱的，反應(yīng)熱效應(yīng)的大小對(duì)反應(yīng)器的選型和操作條件的選擇都有重要影響。在電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中還會(huì)遇到化學(xué)能和電能之間的相互轉(zhuǎn)化。反應(yīng)體系的平衡性質(zhì)包括化學(xué)平衡和相平衡，反映了過(guò)程所能達(dá)到的極限狀態(tài)，通過(guò)合理選擇反應(yīng)器的型式和操作條件使平衡向有利方向移動(dòng)是反應(yīng)過(guò)程開(kāi)發(fā)中需要考慮的一個(gè)重要問(wèn)題。（3）反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——研究反應(yīng)進(jìn)行的速率以及溫度、濃度等因素對(duì)反應(yīng)速率的影響。反應(yīng)速率不僅是決定反應(yīng)器尺寸的主要因素，在存在副反應(yīng)的過(guò)程中，反應(yīng)的選擇性亦由主副反應(yīng)速率的相對(duì)大小決定。在非均相反應(yīng)過(guò)程中，相間傳質(zhì)和傳熱將會(huì)改變反應(yīng)實(shí)際進(jìn)行場(chǎng)所的濃度和溫度，從而影響反應(yīng)的速率和選擇性，也需對(duì)其進(jìn)行考察。利用文獻(xiàn)和手冊(cè)中的資料和數(shù)據(jù)，有時(shí)即可對(duì)反應(yīng)體系的化學(xué)計(jì)量學(xué)特征和化學(xué)熱力學(xué)特征進(jìn)行初步分析。即使在文獻(xiàn)和手冊(cè)中不能查到有關(guān)數(shù)據(jù)，也可用各種基團(tuán)貢獻(xiàn)法進(jìn)行估算。因此，如需要，在反應(yīng)過(guò)程開(kāi)發(fā)之初就應(yīng)進(jìn)行這種分析，以及時(shí)把握反應(yīng)體系的某些重要特征，例如反應(yīng)是否可逆、反應(yīng)熱效應(yīng)的大小等。

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