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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