化学反应工程

第1章绪论
1.1化学反应工程的研究对象和目的2
1.1.1约束条件2
1.1.2优化的经济指标3
1.1.3优化的技术指标3
1.1.4决策变量7
1.2化学反应工程的研究内容9
1.2.1化学反应过程10
1.2.2物理过程10
1.3化学反应工程的研究方法12
1.4化学反应工程在工业反应过程开发中的作用13
1.4.1化学反应工程理论在反应过程开发中的作用13
1.4.2反应过程开发与“放大效应”14
本章小结15
习题15

第2章均相反应动力学
2.1化学反应速率的工程表达18
2.2均相反应中的动力学20
2.2.1均相与预混合20
2.2.2反应动力学表达式21
2.2.3反应速率的温度效应和反应活化能23
2.2.4反应速率的浓度效应和反应级数25
2.3典型化学反应的动力学方程28
2.3.1简单反应28
2.3.2自催化反应28
2.3.3可逆反应28
2.3.4平行反应29
2.3.5串联反应29
2.3.6更加复杂的情况30
2.4反应动力学测定方法31
2.4.1动力学实验测定方法32
2.4.2均相反应的实验反应器37
2.5模型的检验和模型参数的估值38
2.5.1经典方法39
2.5.2统计学方法进行模型识别和参数估计41
本章小结42
习题42

第3章理想间歇反应器
3.1反应器设计基本方程45
3.1.1反应器设计的基本内容45
3.1.2反应器设计基本方程45
3.2理想间歇反应器中的简单反应46
3.2.1理想间歇反应器的特征46
3.2.2理想间歇反应器性能的数学描述47
3.2.3理想间歇反应器中的简单反应49
3.2.4理想间歇反应器的最优反应时间56
3.3理想间歇反应器中的自催化反应58
3.4理想间歇反应器中的均相可逆反应60
3.4.1可逆反应的特点60
3.4.2可逆反应的反应速率61
3.5理想间歇反应器中的均相平行反应63
3.5.1平行反应反应物和产物浓度分布63
3.5.2平行反应的选择率和收率64
3.5.3选择率的温度效应65
3.5.4选择率的浓度效应65
3.6理想间歇反应器中的均相串联反应66
3.6.1串联反应反应物和产物浓度分布66
3.6.2串联反应的选择率和收率67
3.6.3选择率的温度效应68
3.6.4选择率的浓度效应与最优转化率68
本章小结68
习题69

第4章理想流动管式反应器
4.1理想流动管式反应器的特点73
4.2理想流动管式反应器设计基本方程73
4.3空时、空速和停留时间75
4.4反应前后分子数变化的气相反应78
4.4.1膨胀率法78
4.4.2膨胀因子法79
4.4.3变分子数反应过程的反应器计算81
本章小结85
习题85

第5章连续流动釜式反应器
5.1连续流动釜式反应器设计基本方程88
5.1.1全混流假定88
5.1.2连续流动釜式反应器中的反应速率88
5.1.3连续流动釜式反应器的基本方程89
5.2连续流动釜式反应器中的均相反应91
5.2.1解析解91
5.2.2图解法93
5.3连续流动釜式反应器中的浓度分布与返混95
5.3.1连续搅拌釜中的浓度分布特征95
5.3.2管式循环反应器96
5.3.3连续流动釜式反应器中的返混98
5.4返混的原因与限制返混的措施99
5.4.1返混的原因99
5.4.2限制返混的措施99
5.4.3多釜串联反应器100
本章小结102
习题102

第6章反应器中的混合现象与非理想流动
6.1混合现象的分类106
6.2停留时间分布及其性质107
6.2.1停留时间分布的表达107
6.2.2停留时间分布的实验测定108
6.2.3停留时间分布的数字特征109
6.2.4平推流反应器和全混流反应器的停留时间分布112
6.2.5停留时间分布曲线的应用115
6.3连续流动釜式反应器中的固相反应116
6.3.1流固相非催化反应动力学116
6.3.2连续流动釜式反应器中固相反应过程的特殊性119
6.3.3连续反应过程的考察方法120
6.3.4停留时间分布对固相加工反应结果的影响122
6.3.5固相加工反应过程的计算123
6.4微观混合及其对反应结果的影响124
6.4.1流体的混合态124
6.4.2宏观流体反应过程的计算125
6.4.3微观混合对反应结果的影响126
6.5非理想流动模型128
6.5.1数学模型方法128
6.5.2扩散模型129
6.5.3多级全混流模型131
6.6非理想流动反应器的计算132
6.6.1多级全混流模型反应器的计算133
6.6.2轴向扩散模型反应器的计算133
6.6.3数学模型方法的应用135
本章小结136
习题136

第7章反应器选型与操作优化
7.1概述140
7.2影响反应场所浓度的工程因素141
7.3简单反应过程反应器型式的比较142
7.4自催化反应过程的优化147
7.5可逆反应过程的优化152
7.5.1可逆反应过程的浓度效应153
7.5.2可逆反应过程的最优反应温度和最优温度序列153
7.5.3可逆反应过程最优温度条件的实施155
7.6平行反应过程的优化157
7.6.1平行反应的选择率和收率157
7.6.2选择率的温度效应158
7.6.3选择率的浓度效应159
7.6.4反应器选型159
7.6.5反应器的操作方式163
7.7串联反应过程的优化166
7.7.1串联反应的选择率166
7.7.2串联反应的收率167
7.7.3反应器选型与操作方式168
7.7.4双组分串联反应中过量浓度的影响168
7.8复合反应过程的温度条件170
7.8.1处理方法170
7.8.2选择率与反应速率171
7.9反应器组合优化实例171
本章小结173
习题174

第8章气固相催化反应动力学
8.1气固相催化反应本征动力学180
8.1.1气固相催化反应与热质传递180
8.1.2气固相催化反应的基本特征181
8.1.3化学吸附的速率与平衡182
8.1.4气固相催化反应动力学表达式185
8.2气固相催化反应动力学的测定方法189
8.2.1反应动力学实验前的准备189
8.2.2测定非均相反应动力学的实验室反应器190
本章小结192
习题192

第9章气固相催化反应过程的传递现象
9.1气固相催化反应过程的研究方法197
9.2等温条件下的催化剂颗粒外部传质过程199
9.2.1反应速率和传质速率199
9.2.2极限反应速率和极限传质速率200
9.2.3等温条件下催化剂颗粒的外部效率因子202
9.2.4外扩散对反应选择率的影响204
9.2.5双组分反应系统颗粒外部传质过程205
9.2.6流速对颗粒外部传质的影响207
9.3等温条件下的催化剂颗粒内部传质过程210
9.3.1催化剂颗粒内的浓度分布210
9.3.2等温催化剂颗粒的内部效率因子213
9.3.3催化剂颗粒内传质的表观动力学特征214
9.3.4颗粒内部传质对选择率的影响215
9.3.5双组分反应时颗粒内部的传质过程215
9.3.6影响内部效率因子的因素217
9.3.7颗粒内扩散阻力的判别218
9.4等温条件下的总效率因子220
9.5非等温条件下的催化剂颗粒外部传质过程221
9.5.1催化剂颗粒外部传热221
9.5.2非等温颗粒外部效率因子223
9.6非等温条件下的催化剂颗粒内部传质过程225
9.6.1催化剂颗粒内部的传热225
9.6.2非等温颗粒内部效率因子226
9.7固体催化剂的工程设计228
9.7.1催化剂颗粒的形状和大小228
9.7.2催化剂颗粒内的活性组分分布方式230
9.7.3催化剂的孔径分布232
本章小结233
习题234

第10章热量传递与反应器的热稳定性
10.1热稳定性和参数灵敏性的概念238
10.2催化剂颗粒温度的热稳定性240
10.2.1催化剂颗粒的定态温度240
10.2.2催化剂颗粒定态温度的稳定条件241
10.2.3临界着火条件与临界熄火条件242
10.2.4在上操作点时的催化剂颗粒温度245
10.3连续搅拌釜式反应器的热稳定性246
10.3.1全混釜的热平衡条件246
10.3.2全混釜反应器的热稳定性247
10.3.3操作参数对热稳定性的影响248
10.3.4最大允许温差248
10.3.5全混釜的参数灵敏性249
10.3.6全混釜的可控性249
10.4管式固定床反应器的热稳定性251
10.4.1管式固定床反应器的热稳定条件251
10.4.2最大允许管径和最大允许温差252
10.4.3管式催化反应器的灵敏性253
10.4.4热反馈与整体稳定性254
10.5化学反应系统的传热问题254
本章小结255
习题256

第11章化学反应过程开发案例
11.1过程开发方法概述258
11.1.1逐级经验放大方法258
11.1.2数学模型方法259
11.1.3两种开发方法的对比260
11.1.4开发方法的基本原则261
11.2丁二烯氯化制二氯丁烯过程的开发案例264
11.2.1反应过程特性研究264
11.2.2反应器结构与操作条件265
11.2.3中试研究和预混合措施266
11.3列管式固定床反应器开发案例267
11.3.1过程分析267
11.3.2换热式反应器的径向换热和径向温度分布269
11.3.3反应器的轴向温度序列和实施方法271
11.3.4单管研究273
11.3.5反应器操作分析274
11.4绝热式固定床反应器开发案例275
11.4.1绝热式固定床反应器操作分析275
11.4.2丙烯腈尾气处理过程特征276
11.4.3绝热反应器设计277
11.4.4反应器设计参数278
11.5甲醇合成催化反应器的数学模拟案例278
11.5.1反应器数学模型的确定279
11.5.2物料衡算280
11.5.3管壳型甲醇合成反应器数学模拟282
本章小结286

符号表287

习题答案289

参考文献293

微课视频
空时与停留时间75
管式循环反应器96
返混特性99
连续流动反应器中的返混测定109
非理想流动模型128
非理想流动反应器计算132
串联反应过程的优化166
内扩散严重时的表观动力学214
催化剂的工程设计228
催化剂颗粒热稳定性241
临界着火和临界熄火242
甲醇反应器介绍3D视频278