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绪论 1

一、物质转化过程工业中的化学加工 1

二、化学反应工程与多尺度及多学科的联系 2

三、数学模拟方法 2

四、工程放大与优化 3

参考文献 5

第一章 应用化学反应动力学及反应器设计基础 6

第一节 化学反应和工业反应器的分类 6

一、化学反应的分类 6

二、工业反应器的分类 7

第二节 化学计量学 10

一、化学计量式 10

二、反应进度、转化率及化学膨胀因子 10

三、多重反应系统中独立反应数的确定 11

四、多重反应的收率及选择率 12

五、气相反应的物料衡算 13

第三节 加压下气相反应的反应焓和化学平衡常数 14

一、理想气体和实际气体的状态方程 14

二、气体的摩尔定压热容和气相反应的摩尔反应焓 16

三、实际气体的化学反应平衡常数 17

第四节 化学反应速率及动力学方程 20

一、间歇系统及连续系统的化学反应速率 20

二、动力学方程 23

三、温度对反应速率常数影响的异常现象 23

第五节 温度对反应速率的影响及最佳反应温度 25

一、温度对单一反应速率的影响及最佳温度曲线 25

二、温度对平行和连串反应速率的影响 27

第六节 反应器设计基础及基本设计方程 29

一、反应器设计基础 29

二、反应器设计的基本方程 31

第七节 讨论与分析 32

参考文献 33

习题 33

第二章 气-固相催化反应本征及宏观动力学 35

第一节 催化及固体催化剂 35

一、催化反应 35

二、固体催化剂 36

第二节 化学吸附与气-固相催化反应本征动力学模型 37

一、吸附等温方程 38

二、均匀表面吸附动力学模型 40

三、不均匀表面吸附动力学模型 41

第三节 气-固相催化反应宏观过程与催化剂颗粒内气体的扩散 43

一、气-固相催化反应宏观过程 43

二、固体催化剂颗粒内气体的扩散与曲折因子 47

第四节 内扩散有效因子 51

一、等温催化剂单一反应内扩散有效因子 51

二、等温内扩散对多重反应选择率的影响 58

三、非等温催化剂内扩散有效因子 58

第五节 气-固相间热、质传递过程对总体速率的影响 62

一、外扩散有效因子 62

二、工业催化反应器中气流主体与催化剂外表面间的浓度差和温度差 63

第六节 固体颗粒催化剂的工程设计 63

一、异形催化剂 63

二、活性组分不均匀分布催化剂 64

三、颗粒催化剂的孔径分布及内表面积设计 65

第七节 气-固相催化反应宏观动力学模型 65

一、工业颗粒催化剂总体速率的实验测定 65

二、宏观与本征反应动力学模型 66

第八节 固体催化剂的失活 68

一、固体催化剂失活的原因 68

二、催化剂失活动力学 68

三、甲醇合成铜基催化剂硫中毒失活研究案例 69

第九节 讨论与分析 71

参考文献 72

习题 74

第三章 釜式及均相管式反应器 77

第一节 间歇釜式反应器 77

一、釜式反应器的特征 77

二、间歇釜式反应器的数学模型 78

三、间歇釜式反应器的工程放大及操作优化 81

第二节 连续流动均相管式反应器 83

一、均相管式反应器的特征 83

二、平推流均相管式反应器的数学模型 84

第三节 连续流动釜式反应器 90

一、连续流动釜式反应器的特征及数学模型 90

二、多级全混釜的串联及优化 91

三、全混流反应器的热稳定性 95

第四节 理想流动反应器的组合和比较 100

一、理想流动反应器的组合 100

二、理想流动反应器的体积比较 101

第五节 多重反应的选择率 102

一、平行反应 102

二、连串反应 103

第六节 半间歇釜式反应器 106

一、半间歇釜式反应器的特征 106

二、半间歇釜式反应器的数学模型 106

第七节 釜式反应器中进行的多相反应 108

一、釜式反应器中进行的液-液非均相反应 108

二、釜式反应器中进行的液-固非均相反应 109

三、釜式反应器中进行的气-液相络合催化反应 109

第八节 讨论与分析 110

参考文献 111

习题 111

第四章 反应器中的混合及对反应的影响 114

第一节 连续反应器中物料混合状态分析 114

一、混合现象的分类 114

二、连续反应过程的考察方法 115

第二节 停留时间分布 116

一、停留时间分布的定义 116

二、停留时间分布的实验测定 117

三、停留时间分布的数字特征 119

四、理想流型反应器的停留时间分布 121

五、停留时间分布曲线的应用 123

第三节 非理想流动模型 124

一、数学模型方法 124

二、轴向混合模型 125

三、多级串联全混流模型 127

第四节 混合程度及对反应结果的影响 129

一、停留时间分布对固相加工反应结果的影响 129

二、固相加工反应过程的计算 130

三、微观混合及对反应结果的影响 131

第五节 非理想流动反应器的计算 133

一、轴向混合反应器的转化率 133

二、多级串联全混流反应器的转化率 134

第六节 讨论与分析 135

参考文献 136

习题 136

第五章 固定床气-固相催化反应工程 138

第一节 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型 138

一、固定床气-固相催化反应器的基本类型 138

二、固定床催化反应器的数学模型 141

第二节 固定床流体力学 142

一、固定床的物理特性 142

二、单相流体在固定床颗粒层中的流动及压力降 144

三、径向流动反应器中流体的分布 147

四、固定床流体的径向及轴向混合 151

第三节 固定床热量与质量传递过程 152

一、固定床径向传热过程分析 152

二、固定床对壁的给热系数 153

三、固定床径向有效导热系数和壁给热系数 154

四、固定床径向及轴向传热的偏微分方程 155

五、固定床中流体与颗粒外表面间的传热与传质 156

第四节 绝热式固定床催化反应器 156

一、绝热温升及绝热温降 157

二、绝热催化床及乙苯催化脱氢制苯乙烯反应器 158

三、多段换热式催化反应器 160

第五节 连续换热内冷自热式催化反应器 163

一、内冷自热式催化反应器的一维平推流数学模型 163

二、内冷自热式氨合成反应器的热稳定性 165

第六节 连续换热外冷及外热管式催化反应器 166

一、连续换热外冷管式催化床的数学模型 166

二、连续换热外冷管式催化反应器的飞温及参数敏感性 166

三、强放热多重反应管式反应器的设计 170

四、管式反应器的床层宏观反应动力学和环氧乙烷合成反应器的活性校正系数案例 171

五、连续换热外热管式催化反应器 173

第七节 薄床层催化反应器 173

一、薄床层催化反应器轴向返混模型 173

二、薄床层氨氧化催化反应器的一维轴向弥散数学模型 174

第八节 催化反应过程进展 176

一、强制振荡非定态周期操作催化反应过程 176

二、催化-吸收耦联 176

三、催化-吸附耦联 177

四、催化-催化耦联 177

五、催化-蒸馏 177

六、膜催化 178

七、超临界化学反应 178

八、均相催化多相化 180

九、微化工技术 180

第九节 讨论与分析 180

参考文献 182

习题 185

第六章 气-液反应工程 187

第一节 气-液反应平衡 187

一、气-液相平衡 187

二、溶液中气体溶解度的估算 188

三、带化学反应的气-液相平衡 189

第二节 气-液反应历程 191

一、气-液相间物质传递 191

二、化学反应在相间传递中的作用 191

第三节 气-液反应动力学特征 193

一、伴有化学反应的液相扩散过程 193

二、一级不可逆反应 194

三、不可逆瞬间反应 196

四、二级不可逆反应 197

五、可逆反应 198

六、平行反应 200

第四节 气-液反应器概述 201

一、工业生产对气-液反应器的要求 201

二、气-液反应器的形式和特点 202

第五节 鼓泡反应器 203

一、鼓泡反应器的操作状态 204

二、鼓泡反应器的流体力学特征 205

三、鼓泡反应器的轴向混合 206

四、鼓泡反应器的传质、传热特性 207

五、鼓泡反应器的简化反应模型 208

六、搅拌鼓泡反应器 211

七、鼓泡反应器的热稳定性 211

第六节 填料反应器 212

一、填料特性和两相流动特征 213

二、填料的润湿表面和传质系数 214

三、填料反应器的轴向混合 214

四、气-液接触有效表面 215

五、填料反应器有效高度的计算 215

第七节 讨论与分析 218

一、气-液反应的特征 218

二、气-液反应器的适应性 219

参考文献 219

习题 221

第七章 流-固相非催化反应 223

第一节 流-固相非催化反应的分类及特点 223

一、流-固相非催化反应的分类 223

二、流-固相非催化反应的特点 225

三、流-固相非催化反应的研究方法 226

第二节 流-固相非催化反应模型 226

一、收缩未反应芯模型 226

二、整体反应模型 227

三、有限厚度反应区模型 228

四、其他模型 228

第三节 粒径不变时缩芯模型的总体速率及控制 229

一、总体速率 229

二、流体滞流膜扩散控制 231

三、固体产物层内扩散控制 232

四、化学反应控制 232

第四节 颗粒缩小时缩芯模型的总体速率 234

一、流体滞流膜扩散控制 234

二、化学反应控制 235

三、宏观反应过程与控制阶段的判别 237

第五节 流-固相非催化反应器及其计算 240

一、流-固相非催化反应器 240

二、固体颗粒呈平推流流动 241

三、固体颗粒呈全混流流动 242

第六节 讨论与分析 245

参考文献 246

习题 247

第八章 流化床反应工程 249

第一节 固体流态化的基本特征及工业应用 249

一、流态化现象 249

二、流化床反应器的流型、流型转变及基本特征 250

三、流态化技术的基本问题及与其他流固接触技术的比较 254

四、流态化技术的工业应用 255

第二节 流化床的特征速度 256

一、临界流化速度及起始鼓泡速度 256

二、起始湍动流化速度、快速流态化及密相气力输送的转变速度 259

三、颗粒的终端速度 260

第三节 气-固密相流化床 261

一、气-固密相流化床的基本结构 261

二、气-固鼓泡流化床 264

三、鼓泡流化床反应器的数学模型 269

四、湍动流化床 270

五、气-固密相流化床的工业应用 271

第四节 循环流化床 273

一、流型转变 273

二、循环流化床的工业应用 275

第五节 讨论与分析 280

参考文献 281

习题 282

第九章 气-液-固三相反应工程 283

第一节 气-液-固三相反应器的类型及宏观反应动力学 283

一、气-液-固三相反应器的类型 283

二、气-液-固三相反应的宏观反应动力学 286

第二节 三相滴流床反应器 288

一、气、液并流向下通过固定床的流体力学 288

二、滴流床三相反应器中的传递过程 290

三、滴流床三相催化反应过程开发研究 291

四、石油加工中催化加氢裂化的加压滴流床三相反应器 291

第三节 机械搅拌鼓泡悬浮式三相反应器 292

一、机械搅拌鼓泡悬浮式三相反应器的特征 292

二、机械搅拌反应器中三相床甲醇合成和一步法二甲醚合成案例 293

第四节 鼓泡淤浆床反应器 295

一、鼓泡淤浆床反应器的流体力学 295

二、鼓泡淤浆反应器中的传递过程 299

第五节 气-液并流向上三相流化床反应器 301

一、煤的直接液化三相流化床反应器 301

二、气-液并流向上三相流化床的流体力学 301

三、气-液并流向上三相流化床中的传递过程 303

第六节 三相悬浮床中的相混合 304

一、三相流化床中的相混合 304

二、三相鼓泡淤浆床的液相和气相混合 305

第七节 压力对三相悬浮床反应器操作性能的影响 306

一、对气含率、气泡直径及气-液相界面积的影响 306

二、对流型转变的影响 307

三、压力及气体密度对气-液传质系数的影响 307

四、压力对气-液鼓泡床液相轴向混合的影响 307

第八节 气-液-固三相悬浮床反应器的数学模型 308

一、三相悬浮床反应器的数学模型 308

二、鼓泡三相淤浆床甲醇合成的数学模型和试验验证 308

三、三相床F-T合成 311

第九节 讨论与分析 313

参考文献 314

习题 317

第十章 聚合反应工程基础 318

第一节 概述 318

一、聚合反应工程发展简述 318

二、聚合反应工程的研究内容 319

第二节 聚合过程中的工艺和设备基础 321

一、聚合反应的分类 321

二、聚合实施方法 327

第三节 聚合反应动力学 329

一、自由基聚合基元反应及速率方程 329

二、自由基聚合分子量及分布 331

参考文献 335

习题 336

第十一章 生物反应工程基础 337

第一节 酶催化反应动力学 337

一、简单酶反应动力学 337

二、竞争性和非竞争性抑制 341

三、pH值和温度的作用 343

第二节 细胞生长和产物生成的动力学 344

一、细胞的生长和维持 345

二、产物生成 347

三、底物利用 348

四、温度和pH值的影响 349

五、重组微生物的稳定性 349

第三节 常用的生物反应器 351

一、机械搅拌式反应器 351

二、气升式反应器 355

三、其他形式的生物反应器 356

参考文献 359

第十二章 电化学反应工程基础 360

第一节 电化学反应过程的原理及动力学 360

一、电化学反应过程的原理 361

二、电极过程动力学 362

三、电化学反应工程中的常用术语 366

第二节 常用的电化学反应器 368

一、电化学反应器的特点 368

二、电化学反应器的构成 368

三、常用结构的电化学反应器 369

四、电化学反应器的组装、连接与组合 376

参考文献 377

主要符号一览表 379