化學(xué)反應(yīng)工程

第1章緒論
1.1化學(xué)反應(yīng)工程的研究對象和目的2
1.1.1約束條件2
1.1.2優(yōu)化的經(jīng)濟指標(biāo)3
1.1.3優(yōu)化的技術(shù)指標(biāo)3
1.1.4決策變量7
1.2化學(xué)反應(yīng)工程的研究內(nèi)容9
1.2.1化學(xué)反應(yīng)過程10
1.2.2物理過程10
1.3化學(xué)反應(yīng)工程的研究方法12
1.4化學(xué)反應(yīng)工程在工業(yè)反應(yīng)過程開發(fā)中的作用13
1.4.1化學(xué)反應(yīng)工程理論在反應(yīng)過程開發(fā)中的作用13
1.4.2反應(yīng)過程開發(fā)與“放大效應(yīng)”14
本章小結(jié)15
習(xí)題15

第2章均相反應(yīng)動力學(xué)
2.1化學(xué)反應(yīng)速率的工程表達(dá)18
2.2均相反應(yīng)中的動力學(xué)20
2.2.1均相與預(yù)混合20
2.2.2反應(yīng)動力學(xué)表達(dá)式21
2.2.3反應(yīng)速率的溫度效應(yīng)和反應(yīng)活化能23
2.2.4反應(yīng)速率的濃度效應(yīng)和反應(yīng)級數(shù)25
2.3典型化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)方程28
2.3.1簡單反應(yīng)28
2.3.2自催化反應(yīng)28
2.3.3可逆反應(yīng)28
2.3.4平行反應(yīng)29
2.3.5串聯(lián)反應(yīng)29
2.3.6更加復(fù)雜的情況30
2.4反應(yīng)動力學(xué)測定方法31
2.4.1動力學(xué)實驗測定方法32
2.4.2均相反應(yīng)的實驗反應(yīng)器37
2.5模型的檢驗和模型參數(shù)的估值38
2.5.1經(jīng)典方法39
2.5.2統(tǒng)計學(xué)方法進行模型識別和參數(shù)估計41
本章小結(jié)42
習(xí)題42

第3章理想間歇反應(yīng)器
3.1反應(yīng)器設(shè)計基本方程45
3.1.1反應(yīng)器設(shè)計的基本內(nèi)容45
3.1.2反應(yīng)器設(shè)計基本方程45
3.2理想間歇反應(yīng)器中的簡單反應(yīng)46
3.2.1理想間歇反應(yīng)器的特征46
3.2.2理想間歇反應(yīng)器性能的數(shù)學(xué)描述47
3.2.3理想間歇反應(yīng)器中的簡單反應(yīng)49
3.2.4理想間歇反應(yīng)器的最優(yōu)反應(yīng)時間56
3.3理想間歇反應(yīng)器中的自催化反應(yīng)58
3.4理想間歇反應(yīng)器中的均相可逆反應(yīng)60
3.4.1可逆反應(yīng)的特點60
3.4.2可逆反應(yīng)的反應(yīng)速率61
3.5理想間歇反應(yīng)器中的均相平行反應(yīng)63
3.5.1平行反應(yīng)反應(yīng)物和產(chǎn)物濃度分布63
3.5.2平行反應(yīng)的選擇率和收率64
3.5.3選擇率的溫度效應(yīng)65
3.5.4選擇率的濃度效應(yīng)65
3.6理想間歇反應(yīng)器中的均相串聯(lián)反應(yīng)66
3.6.1串聯(lián)反應(yīng)反應(yīng)物和產(chǎn)物濃度分布66
3.6.2串聯(lián)反應(yīng)的選擇率和收率67
3.6.3選擇率的溫度效應(yīng)68
3.6.4選擇率的濃度效應(yīng)與最優(yōu)轉(zhuǎn)化率68
本章小結(jié)68
習(xí)題69

第4章理想流動管式反應(yīng)器
4.1理想流動管式反應(yīng)器的特點73
4.2理想流動管式反應(yīng)器設(shè)計基本方程73
4.3空時、空速和停留時間75
4.4反應(yīng)前后分子數(shù)變化的氣相反應(yīng)78
4.4.1膨脹率法78
4.4.2膨脹因子法79
4.4.3變分子數(shù)反應(yīng)過程的反應(yīng)器計算81
本章小結(jié)85
習(xí)題85

第5章連續(xù)流動釜式反應(yīng)器
5.1連續(xù)流動釜式反應(yīng)器設(shè)計基本方程88
5.1.1全混流假定88
5.1.2連續(xù)流動釜式反應(yīng)器中的反應(yīng)速率88
5.1.3連續(xù)流動釜式反應(yīng)器的基本方程89
5.2連續(xù)流動釜式反應(yīng)器中的均相反應(yīng)91
5.2.1解析解91
5.2.2圖解法93
5.3連續(xù)流動釜式反應(yīng)器中的濃度分布與返混95
5.3.1連續(xù)攪拌釜中的濃度分布特征95
5.3.2管式循環(huán)反應(yīng)器96
5.3.3連續(xù)流動釜式反應(yīng)器中的返混98
5.4返混的原因與限制返混的措施99
5.4.1返混的原因99
5.4.2限制返混的措施99
5.4.3多釜串聯(lián)反應(yīng)器100
本章小結(jié)102
習(xí)題102

第6章反應(yīng)器中的混合現(xiàn)象與非理想流動
6.1混合現(xiàn)象的分類106
6.2停留時間分布及其性質(zhì)107
6.2.1停留時間分布的表達(dá)107
6.2.2停留時間分布的實驗測定108
6.2.3停留時間分布的數(shù)字特征109
6.2.4平推流反應(yīng)器和全混流反應(yīng)器的停留時間分布112
6.2.5停留時間分布曲線的應(yīng)用115
6.3連續(xù)流動釜式反應(yīng)器中的固相反應(yīng)116
6.3.1流固相非催化反應(yīng)動力學(xué)116
6.3.2連續(xù)流動釜式反應(yīng)器中固相反應(yīng)過程的特殊性119
6.3.3連續(xù)反應(yīng)過程的考察方法120
6.3.4停留時間分布對固相加工反應(yīng)結(jié)果的影響122
6.3.5固相加工反應(yīng)過程的計算123
6.4微觀混合及其對反應(yīng)結(jié)果的影響124
6.4.1流體的混合態(tài)124
6.4.2宏觀流體反應(yīng)過程的計算125
6.4.3微觀混合對反應(yīng)結(jié)果的影響126
6.5非理想流動模型128
6.5.1數(shù)學(xué)模型方法128
6.5.2擴散模型129
6.5.3多級全混流模型131
6.6非理想流動反應(yīng)器的計算132
6.6.1多級全混流模型反應(yīng)器的計算133
6.6.2軸向擴散模型反應(yīng)器的計算133
6.6.3數(shù)學(xué)模型方法的應(yīng)用135
本章小結(jié)136
習(xí)題136

第7章反應(yīng)器選型與操作優(yōu)化
7.1概述140
7.2影響反應(yīng)場所濃度的工程因素141
7.3簡單反應(yīng)過程反應(yīng)器型式的比較142
7.4自催化反應(yīng)過程的優(yōu)化147
7.5可逆反應(yīng)過程的優(yōu)化152
7.5.1可逆反應(yīng)過程的濃度效應(yīng)153
7.5.2可逆反應(yīng)過程的最優(yōu)反應(yīng)溫度和最優(yōu)溫度序列153
7.5.3可逆反應(yīng)過程最優(yōu)溫度條件的實施155
7.6平行反應(yīng)過程的優(yōu)化157
7.6.1平行反應(yīng)的選擇率和收率157
7.6.2選擇率的溫度效應(yīng)158
7.6.3選擇率的濃度效應(yīng)159
7.6.4反應(yīng)器選型159
7.6.5反應(yīng)器的操作方式163
7.7串聯(lián)反應(yīng)過程的優(yōu)化166
7.7.1串聯(lián)反應(yīng)的選擇率166
7.7.2串聯(lián)反應(yīng)的收率167
7.7.3反應(yīng)器選型與操作方式168
7.7.4雙組分串聯(lián)反應(yīng)中過量濃度的影響168
7.8復(fù)合反應(yīng)過程的溫度條件170
7.8.1處理方法170
7.8.2選擇率與反應(yīng)速率171
7.9反應(yīng)器組合優(yōu)化實例171
本章小結(jié)173
習(xí)題174

第8章氣固相催化反應(yīng)動力學(xué)
8.1氣固相催化反應(yīng)本征動力學(xué)180
8.1.1氣固相催化反應(yīng)與熱質(zhì)傳遞180
8.1.2氣固相催化反應(yīng)的基本特征181
8.1.3化學(xué)吸附的速率與平衡182
8.1.4氣固相催化反應(yīng)動力學(xué)表達(dá)式185
8.2氣固相催化反應(yīng)動力學(xué)的測定方法189
8.2.1反應(yīng)動力學(xué)實驗前的準(zhǔn)備189
8.2.2測定非均相反應(yīng)動力學(xué)的實驗室反應(yīng)器190
本章小結(jié)192
習(xí)題192

第9章氣固相催化反應(yīng)過程的傳遞現(xiàn)象
9.1氣固相催化反應(yīng)過程的研究方法197
9.2等溫條件下的催化劑顆粒外部傳質(zhì)過程199
9.2.1反應(yīng)速率和傳質(zhì)速率199
9.2.2極限反應(yīng)速率和極限傳質(zhì)速率200
9.2.3等溫條件下催化劑顆粒的外部效率因子202
9.2.4外擴散對反應(yīng)選擇率的影響204
9.2.5雙組分反應(yīng)系統(tǒng)顆粒外部傳質(zhì)過程205
9.2.6流速對顆粒外部傳質(zhì)的影響207
9.3等溫條件下的催化劑顆粒內(nèi)部傳質(zhì)過程210
9.3.1催化劑顆粒內(nèi)的濃度分布210
9.3.2等溫催化劑顆粒的內(nèi)部效率因子213
9.3.3催化劑顆粒內(nèi)傳質(zhì)的表觀動力學(xué)特征214
9.3.4顆粒內(nèi)部傳質(zhì)對選擇率的影響215
9.3.5雙組分反應(yīng)時顆粒內(nèi)部的傳質(zhì)過程215
9.3.6影響內(nèi)部效率因子的因素217
9.3.7顆粒內(nèi)擴散阻力的判別218
9.4等溫條件下的總效率因子220
9.5非等溫條件下的催化劑顆粒外部傳質(zhì)過程221
9.5.1催化劑顆粒外部傳熱221
9.5.2非等溫顆粒外部效率因子223
9.6非等溫條件下的催化劑顆粒內(nèi)部傳質(zhì)過程225
9.6.1催化劑顆粒內(nèi)部的傳熱225
9.6.2非等溫顆粒內(nèi)部效率因子226
9.7固體催化劑的工程設(shè)計228
9.7.1催化劑顆粒的形狀和大小228
9.7.2催化劑顆粒內(nèi)的活性組分分布方式230
9.7.3催化劑的孔徑分布232
本章小結(jié)233
習(xí)題234

第10章熱量傳遞與反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性
10.1熱穩(wěn)定性和參數(shù)靈敏性的概念238
10.2催化劑顆粒溫度的熱穩(wěn)定性240
10.2.1催化劑顆粒的定態(tài)溫度240
10.2.2催化劑顆粒定態(tài)溫度的穩(wěn)定條件241
10.2.3臨界著火條件與臨界熄火條件242
10.2.4在上操作點時的催化劑顆粒溫度245
10.3連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性246
10.3.1全混釜的熱平衡條件246
10.3.2全混釜反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性247
10.3.3操作參數(shù)對熱穩(wěn)定性的影響248
10.3.4最大允許溫差248
10.3.5全混釜的參數(shù)靈敏性249
10.3.6全混釜的可控性249
10.4管式固定床反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性251
10.4.1管式固定床反應(yīng)器的熱穩(wěn)定條件251
10.4.2最大允許管徑和最大允許溫差252
10.4.3管式催化反應(yīng)器的靈敏性253
10.4.4熱反饋與整體穩(wěn)定性254
10.5化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)的傳熱問題254
本章小結(jié)255
習(xí)題256

第11章化學(xué)反應(yīng)過程開發(fā)案例
11.1過程開發(fā)方法概述258
11.1.1逐級經(jīng)驗放大方法258
11.1.2數(shù)學(xué)模型方法259
11.1.3兩種開發(fā)方法的對比260
11.1.4開發(fā)方法的基本原則261
11.2丁二烯氯化制二氯丁烯過程的開發(fā)案例264
11.2.1反應(yīng)過程特性研究264
11.2.2反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與操作條件265
11.2.3中試研究和預(yù)混合措施266
11.3列管式固定床反應(yīng)器開發(fā)案例267
11.3.1過程分析267
11.3.2換熱式反應(yīng)器的徑向換熱和徑向溫度分布269
11.3.3反應(yīng)器的軸向溫度序列和實施方法271
11.3.4單管研究273
11.3.5反應(yīng)器操作分析274
11.4絕熱式固定床反應(yīng)器開發(fā)案例275
11.4.1絕熱式固定床反應(yīng)器操作分析275
11.4.2丙烯腈尾氣處理過程特征276
11.4.3絕熱反應(yīng)器設(shè)計277
11.4.4反應(yīng)器設(shè)計參數(shù)278
11.5甲醇合成催化反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模擬案例278
11.5.1反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型的確定279
11.5.2物料衡算280
11.5.3管殼型甲醇合成反應(yīng)器數(shù)學(xué)模擬282
本章小結(jié)286

符號表287

習(xí)題答案289

參考文獻293

微課視頻
空時與停留時間75
管式循環(huán)反應(yīng)器96
返混特性99
連續(xù)流動反應(yīng)器中的返混測定109
非理想流動模型128
非理想流動反應(yīng)器計算132
串聯(lián)反應(yīng)過程的優(yōu)化166
內(nèi)擴散嚴(yán)重時的表觀動力學(xué)214
催化劑的工程設(shè)計228
催化劑顆粒熱穩(wěn)定性241
臨界著火和臨界熄火242
甲醇反應(yīng)器介紹3D視頻278