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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13

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15

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19

一、间歇系统及连续系统的化学反应速率19

二、动力学方程21

三、温度对反应速率常数的影响22

第五节 温度对反应速率的影响及最佳反应温度23

一、温度对单一反应速率的影响及最佳温度曲线23

二、温度对平行和连串反应速率的影响25

第六节 反应器设计基础及基本设计方程27

一、反应器设计基础27

二、反应器设计的基本方程29

第七节 讨论与分析30

参考文献31

习题31

第二章 气-固相催化反应本征及宏观动力学34

第一节 催化及固体催化剂34

一、催化反应34

二、固体催化剂35

第二节 化学吸附与气-固相催化反应本征动力学模型36

一、吸附等温方程37

二、均匀表面吸附动力学模型39

三、不均匀表面吸附动力学模型40

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42

一、气-固相催化反应宏观过程42

二、固体催化剂颗粒内气体的扩散与曲折因子46

第四节 内扩散有效因子49

一、等温催化剂单一反应内扩散有效因子49

二、等温内扩散对多重反应选择率的影响54

三、非等温催化剂内扩散有效因子55

第五节 气-固相间热、质传递过程对总体速率的影响57

一、外扩散有效因子57

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58

第六节 固体颗粒催化剂的工程设计59

一、异形催化剂59

二、活性组分不均匀分布催化剂59

三、颗粒催化剂的孔径分布及内表面积设计60

第七节 气-固相催化反应宏观动力学模型61

一、工业颗粒催化剂总体速率的实验测定61

二、宏观与本征反应动力学模型61

第八节 固体催化剂的失活63

一、固体催化剂失活的原因63

二、催化剂失活动力学64

第九节 讨论与分析64

参考文献66

习题68

第三章 釜式及均相管式反应器70

第一节 间歇釜式反应器70

一、釜式反应器的特征70

二、间歇釜式反应器的数学模型71

三、间歇釜式反应器的工程放大及操作优化74

第二节 连续流动均相管式反应器76

一、均相管式反应器的特征76

二、平推流均相管式反应器的数学模型77

第三节 连续流动釜式反应器83

一、连续流动釜式反应器的特征及数学模型83

二、多级全混釜的串联及优化84

三、全混流反应器的热稳定性88

第四节 理想流动反应器的体积比较93

第五节 多重反应的选择率94

一、平行反应94

二、连串反应95

第六节 半间歇釜式反应器98

一、半间歇釜式反应器的特征98

二、半间歇釜式反应器的数学模型98

第七节 釜式反应器中进行的多相反应100

一、釜式反应器中进行的液-液非均相反应100

二、釜式反应器中进行的液-固非均相反应101

三、釜式反应器中进行的气-液相络合催化反应102

第八节 讨论与分析102

参考文献103

习题104

第四章 反应器中的混合及对反应的影响106

第一节 连续反应器中物料混合状态分析106

一、混合现象的分类106

二、连续反应过程的考察方法107

第二节 停留时间分布108

一、停留时间分布的定义108

二、停留时间分布的实验测定109

三、停留时间分布的数字特征111

四、理想流型反应器的停留时间分布113

五、停留时间分布曲线的应用116

第三节 非理想流动模型117

一、数学模型方法117

二、轴向混合模型117

三、多级串联全混流模型119

第四节 非理想流动反应器的计算121

一、轴向混合反应器的转化率121

二、多级串联全混流反应器的转化率122

第五节 讨论与分析123

参考文献124

习题124

第五章 固定床气-固相催化反应工程126

第一节 固定床气-固相催化反应器的基本类型和数学模型126

一、固定床气-固相催化反应器的基本类型126

二、固定床催化反应器的数学模型129

第二节 固定床流体力学130

一、固定床的物理特性130

二、单相流体在固定床颗粒层中的流动及压力降132

三、径向流动反应器中流体的分布135

四、固定床流体的径向及轴向混合139

第三节 固定床热量与质量传递过程140

一、固定床径向传热过程分析140

二、固定床对壁的给热系数141

三、固定床径向有效热导率和壁给热系数142

四、固定床径向及轴向传热的偏微分方程143

五、固定床中流体与颗粒外表面间的传热与传质144

第四节 绝热式固定床催化反应器144

一、绝热温升及绝热温降145

二、绝热催化床及乙苯催化脱氢制苯乙烯反应器146

三、多段换热式催化反应器148

第五节 连续换热内冷自热式催化反应器151

一、内冷自热式催化反应器的一维平推流数学模型151

二、内冷自热式氨合成反应器的热稳定性153

第六节 连续换热外冷及外热管式催化反应器154

一、连续换热外冷管式催化床的数学模型154

二、连续换热外冷管式催化反应器的飞温及参数敏感性154

三、强放热多重反应管式反应器的设计158

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159

五、连续换热外热管式催化反应器161

第七节 薄床层催化反应器161

一、薄床层催化反应器轴向返混模型161

二、薄床层氨氧化催化反应器的一维轴向弥散数学模型162

第八节 催化反应过程进展164

一、强制振荡非定态周期操作催化反应过程164

二、催化-吸收耦联164

三、催化-吸附耦联165

四、催化-催化耦联165

五、催化-蒸馏165

六、膜催化166

七、超临界化学反应166

八、均相催化多相化167

九、微化工技术168

第九节 讨论与分析168

参考文献170

习题173

第六章 气-液反应工程176

第一节 气-液反应平衡176

一、气-液相平衡176

二、溶液中气体溶解度的估算177

三、带化学反应的气-液相平衡178

第二节 气-液反应历程180

一、气-液相间物质传递180

二、化学反应在相间传递中的作用180

第三节 气-液反应动力学特征182

一、伴有化学反应的液相扩散过程182

二、一级不可逆反应183

三、不可逆瞬间反应185

四、二级不可逆反应186

五、可逆反应187

六、平行反应189

第四节 气-液反应器概述190

一、工业生产对气-液反应器的要求190

二、气-液反应器的形式和特点191

第五节 鼓泡反应器192

一、鼓泡反应器的操作状态193

二、鼓泡反应器的流体力学特征194

三、鼓泡反应器的轴向混合195

四、鼓泡反应器的传质、传热特性196

五、鼓泡反应器的简化反应模型197

六、搅拌鼓泡反应器200

七、鼓泡反应器的热稳定性200

第六节 填料反应器201

一、填料特性和两相流动特征202

二、填料的润湿表面和传质系数203

三、填料反应器的轴向混合204

四、气-液接触有效表面204

五、填料反应器有效高度的计算204

第七节 讨论与分析207

一、气-液反应的特征207

二、气-液反应器的适应性208

参考文献208

习题210

第七章 流-固相非催化反应212

第一节 流-固相非催化反应的分类及特点212

一、流-固相非催化反应的分类212

二、流-固相非催化反应的特点214

三、流-固相非催化反应的研究方法215

第二节 流-固相非催化反应模型215

一、收缩未反应芯模型215

二、整体反应模型216

三、有限厚度反应区模型217

第三节 粒径不变时缩芯模型的总体速率及控制218

一、总体速率218

二、流体滞流膜扩散控制220

三、固体产物层内扩散控制220

四、化学反应控制221

第四节 颗粒缩小时缩芯模型的总体速率222

一、流体滞流膜扩散控制223

二、化学反应控制223

三、宏观反应过程与控制阶段的判别223

第五节 流-固相非催化反应器及其计算226

一、流-固相非催化反应器226

二、固体颗粒呈平推流流动228

三、固体颗粒呈全混流流动229

第六节 讨论与分析231

参考文献233

习题234

第八章 流化床反应工程236

第一节 固体流态化的基本特征及工业应用236

一、流态化现象236

二、流化床反应器的流型、流型转变及基本特征237

三、流态化技术的基本问题及与其他流-固接触技术的比较241

四、流态化技术的工业应用242

第二节 流化床的特征速度243

一、临界流化速度及起始鼓泡速度243

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246

第三节 气-固密相流化床247

一、气-固密相流化床的基本结构247

二、气-固鼓泡流化床250

三、鼓泡流化床反应器的数学模型255

四、湍动流化床256

五、气-固密相流化床的工业应用257

第四节 循环流化床260

一、流型转变260

二、循环流化床的工业应用261

第五节 讨论与分析266

参考文献267

习题268

第九章 气-液-固三相反应工程270

第一节 气-液-固三相反应器的类型及宏观反应动力学270

一、气-液-固三相反应器的类型270

二、气-液-固三相反应的宏观反应动力学273

第二节 三相滴流床反应器275

一、气、液并流向下通过固定床的流体力学275

二、滴流床三相反应器中的传递过程277

三、石油加工中催化加氢裂化的加压滴流床三相反应器278

第三节 机械搅拌鼓泡悬浮式三相反应器279

一、机械搅拌鼓泡悬浮式三相反应器的特征279

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279

第四节 鼓泡淤浆床反应器282

一、鼓泡淤浆床反应器的流体力学282

二、鼓泡淤浆反应器中的传递过程285

第五节 气-液并流向上三相流化床反应器287

一、煤的直接液化三相流化床反应器287

二、气-液并流向上三相流化床的流体力学288

三、气-液并流向上三相流化床中的传递过程290

第六节 气-液-固三相悬浮床反应器的数学模型291

一、三相悬浮床反应器的数学模型291

二、鼓泡三相淤浆床甲醇合成的数学模型和试验验证292

三、三相床F-T合成294

第七节 讨论与分析296

参考文献297

习题300

主要符号一览表301