化學反應工程

第1章緒論
1.1化學反應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3
1.1.3優(yōu)化的技術指標3
1.1.4決策變量7
1.2化學反應工程的研究內容9
1.2.1化學反應過程10
1.2.2物理過程10
1.3化學反應工程的研究方法12
1.4化學反應工程在工業(yè)反應過程開發(fā)中的作用13
1.4.1化學反應工程理論在反應過程開發(fā)中的作用13
1.4.2反應過程開發(fā)與“放大效應”14
本章小結15
習題15

第2章均相反應動力學
2.1化學反應速率的工程表達18
2.2均相反應中的動力學20
2.2.1均相與預混合20
2.2.2反應動力學表達式21
2.2.3反應速率的溫度效應和反應活化能23
2.2.4反應速率的濃度效應和反應級數(shù)25
2.3典型化學反應的動力學方程28
2.3.1簡單反應28
2.3.2自催化反應28
2.3.3可逆反應28
2.3.4平行反應29
2.3.5串聯(lián)反應29
2.3.6更加復雜的情況30
2.4反應動力學測定方法31
2.4.1動力學實驗測定方法32
2.4.2均相反應的實驗反應器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)計學方法進行模型識別和參數(shù)估計41
本章小結42
習題42

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

第4章理想流動管式反應器
4.1理想流動管式反應器的特點73
4.2理想流動管式反應器設計基本方程73
4.3空時、空速和停留時間75
4.4反應前后分子數(shù)變化的氣相反應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)反應過程的反應器計算81
本章小結85
習題85

第5章連續(xù)流動釜式反應器
5.1連續(xù)流動釜式反應器設計基本方程88
5.1.1全混流假定88
5.1.2連續(xù)流動釜式反應器中的反應速率88
5.1.3連續(xù)流動釜式反應器的基本方程89
5.2連續(xù)流動釜式反應器中的均相反應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)反應器96
5.3.3連續(xù)流動釜式反應器中的返混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)反應器100
本章小結102
習題102

第6章反應器中的混合現(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107
6.2.1停留時間分布的表達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平推流反應器和全混流反應器的停留時間分布112
6.2.5停留時間分布曲線的應用115
6.3連續(xù)流動釜式反應器中的固相反應116
6.3.1流固相非催化反應動力學116
6.3.2連續(xù)流動釜式反應器中固相反應過程的特殊性119
6.3.3連續(xù)反應過程的考察方法120
6.3.4停留時間分布對固相加工反應結果的影響122
6.3.5固相加工反應過程的計算123
6.4微觀混合及其對反應結果的影響124
6.4.1流體的混合態(tài)124
6.4.2宏觀流體反應過程的計算125
6.4.3微觀混合對反應結果的影響126
6.5非理想流動模型128
6.5.1數(shù)學模型方法128
6.5.2擴散模型129
6.5.3多級全混流模型131
6.6非理想流動反應器的計算132
6.6.1多級全混流模型反應器的計算133
6.6.2軸向擴散模型反應器的計算133
6.6.3數(shù)學模型方法的應用135
本章小結136
習題136

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

第8章氣固相催化反應動力學
8.1氣固相催化反應本征動力學180
8.1.1氣固相催化反應與熱質傳遞180
8.1.2氣固相催化反應的基本特征181
8.1.3化學吸附的速率與平衡182
8.1.4氣固相催化反應動力學表達式185
8.2氣固相催化反應動力學的測定方法189
8.2.1反應動力學實驗前的準備189
8.2.2測定非均相反應動力學的實驗室反應器190
本章小結192
習題192

第9章氣固相催化反應過程的傳遞現(xiàn)象
9.1氣固相催化反應過程的研究方法197
9.2等溫條件下的催化劑顆粒外部傳質過程199
9.2.1反應速率和傳質速率199
9.2.2極限反應速率和極限傳質速率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外擴散對反應選擇率的影響204
9.2.5雙組分反應系統(tǒng)顆粒外部傳質過程205
9.2.6流速對顆粒外部傳質的影響207
9.3等溫條件下的催化劑顆粒內部傳質過程210
9.3.1催化劑顆粒內的濃度分布210
9.3.2等溫催化劑顆粒的內部效率因子213
9.3.3催化劑顆粒內傳質的表觀動力學特征214
9.3.4顆粒內部傳質對選擇率的影響215
9.3.5雙組分反應時顆粒內部的傳質過程215
9.3.6影響內部效率因子的因素217
9.3.7顆粒內擴散阻力的判別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部傳質過程225
9.6.1催化劑顆粒內部的傳熱225
9.6.2非等溫顆粒內部效率因子226
9.7固體催化劑的工程設計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233
習題234

第10章熱量傳遞與反應器的熱穩(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管式固定床反應器的熱穩(wěn)定性251
10.4.1管式固定床反應器的熱穩(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管式催化反應器的靈敏性253
10.4.4熱反饋與整體穩(wěn)定性254
10.5化學反應系統(tǒng)的傳熱問題254
本章小結255
習題256

第11章化學反應過程開發(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反應過程特性研究264
11.2.2反應器結構與操作條件265
11.2.3中試研究和預混合措施266
11.3列管式固定床反應器開發(fā)案例267
11.3.1過程分析267
11.3.2換熱式反應器的徑向換熱和徑向溫度分布269
11.3.3反應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反應器操作分析274
11.4絕熱式固定床反應器開發(fā)案例275
11.4.1絕熱式固定床反應器操作分析275
11.4.2丙烯腈尾氣處理過程特征276
11.4.3絕熱反應器設計277
11.4.4反應器設計參數(shù)278
11.5甲醇合成催化反應器的數(shù)學模擬案例278
11.5.1反應器數(shù)學模型的確定279
11.5.2物料衡算280
11.5.3管殼型甲醇合成反應器數(shù)學模擬282
本章小結286

符號表287

習題答案289

參考文獻293

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