化学反应工程

本书为读者提供了化学反应工程的基础知识和基本训练，配有相应的例题、习题和案例，并给出相关MATLAB程序，以示工以利器为助，起举一反三之效。 本书采用双色印刷，图文生动，重点突出。并配有关键知识点视频讲解，可加强读者的学习效果。 本书加强了反应动力学表达，反应器物料衡算、热量衡算方程的建立，反应动力学实验测定方法和数据处理，运用计算机工具求解反应器模型，计算温度分布和浓度分布，解决复杂反应体系的设计计算等内容，以培养学生解决复杂工程问题的能力。

   《化学反应工程》是国际工程教育认证系列教材之一，介绍了化学反应工程的研究目的和内容，着重从工程分析的观点论述化学反应工程的基本概念、理论及研究方法。本书设置了反应动力学、典型反应与反应器、混合现象、反应过程中的质量传递、热量传递与反应器的热稳定性、化学反应过程开发案例等章节，配置了例题、习题和工程开发案例。本书编写过程中结合工程教育认证通用标准，既注重基本原理的阐述，亦强化复杂工程问题的表达和分析，注重现代软件工具的应用，力求开阔思路，理论联系实际，学以致用。本书重点章节配有微课、动画、趣味扩展与Matlab文件，读者可描码观看或下载。

《化学反应工程》为高等学校化工类专业教材，也可供有关研究人员和工程技术人员参考。

许志美，华东理工大学化工学院，教授，许志美，男，1962.8出生，工学博士，教授，硕导，兼化学工程系系主任。长期从事化学反应工程的教学与研究工作，曾获国家 级优 秀教学成果二等奖（2009年）、上海市优 秀教学成果一等奖（2009年）、二等奖（2005年）、三等奖（2000年），宝钢教育奖（2005年），华东理工大学“名师风范杯”教学名师奖（2006年），华东理工大学研究生课程教学一等奖（2012年）。主讲专业核心课程《化学反应工程》、专业课程《反应器分析》，负责化学反应工程课程建设与教学改革，负责反应工程专业实验，主编《化学反应工程原理》、《化学反应工程原理例题与习题》、《化学反应器分析》，在“The Journal of Supercritical Fluids”、“ 高分子材料科学与工程”、“化学反应工程与工艺”等期刊发表论文多篇，发明专利公开5项，授权3项。

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理想间歇反应器的很优反应时间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很优转化率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返混的原因与返混的措施99
5.4.1返混的原因99
5.4.2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可逆反应过程的很优反应温度和很优温度序列153
7.5.3可逆反应过程很优温度条件的实施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
……