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內容簡介: |
《反应工程》(第四版)从理论和实践相结合的角度,系统阐明了反应工程的基本原理和方法。内容包括由基元反应和质量作用定律推导非基元反应的速率方程的步骤;由设计的实验获得反应动力学数据以及拟合出动力学参数的方法;由质量衡算建立反应器设计方程的原理;由连续反应器的停留时间分布确定真实反应器模型参数的过程。并将它们用于理想反应器和真实反应器的设计与分析。此外,生化反应工程基础、聚合反应工程基础和电化学反应工程基础三章内容将为可再生能源加工、新材料生产和新能源装备提供可借鉴的反应器设计方法。本书除作为化工及相关专业本科生教材外,还可供从事化工生产、科研和设计工作的工程技术人员参考。
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關於作者: |
辛峰,天津大学教授,化学反应工程课程负责人,中国化工学会会员,化学反应工程与工艺期刊编委会成员。在近二十余年里,先后讲授了反应工程课程的中文、双语、全英文本科、硕士和博士课程,主持了《反应工程》第三版的修订,组织英文版《Reaction Engineering》的编写。其带领下的天津大学反应工程教学团队,曾获得2004 年国家 级精品课程、2016年国家 级精品资源共享课和2023年国家 级一 流本科课程。辛峰教授在教学方面曾获 2021 年天津大学教学成果奖,天津大学化工学院 2018年度人才培养贡献奖和 2023 年优秀教师奖。主要研究方向:多相催化反应工程;反应和分离过程的集成与强化;清洁化工生产中的反应工程。
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目錄:
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1 绪论 1
1.1 化学反应工程 1
1.2 化学反应的转化率和收率 3
1.2.1 反应进度 3
1.2.2 转化率 4
1.2.3 收率与选择性 5
1.3 化学反应器的类型 7
1.4 化学反应器的操作方式 9
1.5 反应器设计的基本方程 11
1.6 工业反应器的放大 12
1.7 反应工程的新进展 14
习题 16
2 反应动力学基础 18
2.1 化学反应速率 18
2.2 反应速率方程 21
2.3 温度对反应速率的影响 26
2.4 复合反应 30
2.4.1 反应组分的消耗速率和生成速率 30
2.4.2 复合反应的基本类型 31
2.4.3 反应网络 34
2.5 反应速率方程的减变量 35
2.5.1 单一反应 35
2.5.2 复合反应 38
2.6 多相催化与吸附 41
2.6.1 多相催化作用 41
2.6.2 吸附与脱附 42
2.7 多相催化反应动力学 45
2.7.1 定态近似和速率控制步骤 45
2.7.2 多相催化反应速率方程 47
2.8 建立速率方程的步骤 51
习题 53
3 釜式反应器 57
3.1 反应器的设计方程 57
3.2 釜式反应器的物料衡算式 58
3.3 等温间歇釜式反应器的计算(单一反应) 59
3.3.1 反应时间及反应体积的计算 59
3.3.2 优化反应时间 62
3.4 等温间歇釜式反应器的计算(复合反应) 64
3.4.1 平行反应 64
3.4.2 连串反应 66
3.5 连续釜式反应器的反应体积 69
3.6 连续釜式反应器的串联与并联 72
3.6.1 概述 72
3.6.2 串联釜式反应器的计算 73
3.6.3 串联釜式反应器各釜的最佳反应体积比 77
3.7 釜式反应器中复合反应的收率与选择性 79
3.7.1 总收率与总选择性 79
3.7.2 平行反应 80
3.7.3 连串反应 83
3.8 半间歇釜式反应器 85
3.9 变温间歇釜式反应器 88
3.10 连续釜式反应器的定态操作 92
3.10.1 连续釜式反应器的热量衡算式 92
3.10.2 连续釜式反应器的定态 93
习题 97
4 管式反应器 103
4.1 活塞流假设 103
4.2 等温管式反应器设计 104
4.2.1 单一反应 105
4.2.2 复合反应 107
4.2.3 拟均相一维模型 112
4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较 113
4.4 循环反应器 119
4.5 变温管式反应器 120
4.5.1 管式反应器的热量衡算式 120
4.5.2 绝热管式反应器 121
4.5.3 非绝热变温管式反应器 124
4.6 管式反应器的优化温度序列 126
4.6.1 单一反应 126
4.6.2 复合反应 127
4.7 动力学参数的确定 129
4.7.1 积分法 130
4.7.2 微分法 131
习题 135
5 停留时间分布与连续反应器模型 141
5.1 停留时间分布 141
5.1.1 概述 141
5.1.2 停留时间分布的定量描述 143
5.2 停留时间分布的实验测定 145
5.2.1 脉冲法 145
5.2.2 阶跃法 147
5.3 停留时间分布的统计特征值 148
5.4 理想反应器的停留时间分布 151
5.4.1 活塞流模型 151
5.4.2 全混流模型 152
5.5 非理想流动现象 154
5.6 非理想流动模型 156
5.6.1 离析流模型 156
5.6.2 多釜串联模型 161
5.6.3 轴向分散模型 164
5.7 非理想反应器的计算 167
5.8 反应器中流体的混合 169
习题 174
6 多相反应中的传递现象 176
6.1 多相催化反应过程步骤 177
6.1.1 固体催化剂的宏观结构及性质 177
6.1.2 过程步骤 178
6.2 流体与催化剂颗粒外表面间的传质与传热179
6.2.1 传递系数 180
6.2.2 流体与颗粒外表面间的浓度差和温度差 181
6.2.3 外扩散对多相催化反应的影响 182
6.3 气体在催化剂颗粒内的扩散 185
6.3.1 孔扩散 185
6.3.2 多孔颗粒内的扩散 186
6.4 多孔催化剂内的扩散与反应 187
6.4.1 多孔催化剂内反应组分的浓度分布 188
6.4.2 内扩散有效因子 189
6.4.3 非一级反应的内扩散有效因子 193
6.4.4 内外扩散都有影响时的总有效因子195
6.5 内扩散对复合反应选择性的影响 197
6.6 多相催化反应过程中消除扩散影响的判定198
6.6.1 消除外扩散影响的判定 198
6.6.2 消除内扩散影响的判定 199
6.7 扩散干扰下的动力学假象 201
习题 205
7 多相催化反应器的设计与分析 209
7.1 固定床内的传递现象 209
7.1.1 固定床内的流体流动 210
7.1.2 质量和热量的轴向分散 211
7.1.3 径向传质与传热 212
7.2 固定床反应器的数学模型 214
7.3 绝热式固定床反应器 218
7.3.1 绝热反应器的类型 218
7.3.2 固定床绝热反应器的催化剂用量 219
7.3.3 多段绝热式固定床反应器 221
7.4 换热式固定床反应器 225
7.4.1 引言 225
7.4.2 进行单一反应时的分析 226
7.4.3 进行复合反应时的分析 228
7.5 自热式固定床反应器 231
7.5.1 反应物料的流向 231
7.5.2 数学模拟 232
7.6 参数敏感性 233
7.7 流化床反应器 235
7.7.1 流态化 235
7.7.2 流化床催化反应器 237
7.8 实验室催化反应器 239
7.8.1 基本要求 239
7.8.2 主要类型 240
习题 243
8 多相反应器 247
8.1 气液反应 247
8.2 气液反应器 251
8.2.1 主要类型 251
8.2.2 鼓泡塔的设计 252
8.2.3 搅拌釜式反应器的设计 255
8.3 气液固反应 256
8.3.1 概述 256
8.3.2 气液固相催化反应的传递步骤与速率257
8.4 滴流床反应器 258
8.4.1 概述 258
8.4.2 数学模型 259
8.5 浆态反应器 262
8.5.1 类型 262
8.5.2 传质与反应 263
8.5.3 机械搅拌釜的设计 265
习题 268
9 生化反应工程基础 271
9.1 概述 271
9.2 生化反应动力学基础 273
9.2.1 酶催化反应及其动力学 273
9.2.2 微生物的反应过程动力学 280
9.3 固定化生物催化剂 284
9.3.1 概述 284
9.3.2 酶和细胞的固定化 285
9.3.3 固定化生物催化剂的催化动力学 286
9.4 生化反应器 288
9.4.1 生化反应器类型 288
9.4.2 生化反应器的计算 290
习题 297
10 聚合反应工程基础 299
10.1 概述 299
10.2 聚合反应动力学分析 300
10.2.1 聚合反应分类 300
10.2.2 聚合度及其分布 301
10.2.3 均相自由基聚合反应 306
10.2.4 缩聚反应 319
10.2.5 影响聚合反应速率的因素 323
10.3 聚合过程的传热与传质分析 325
10.3.1 聚合过程热效应特点 325
10.3.2 解决聚合过程传热与流动的措施 326
10.3.3 传热系数与传质系数 327
10.4 聚合反应器的设计与分析 327
10.4.1 聚合反应器与搅拌器 327
10.4.2 数学模型 328
10.4.3 聚合反应器的计算与分析 328
习题 331
11 电化学反应工程基础 333
11.1 概述 333
11.1.1 电化学反应的特点 333
11.1.2 电化学反应工程的质量指标 334
11.2 电化学反应工程中的特殊问题 338
11.2.1 电极表面的电位及电流分布 338
11.2.2 析气效应 343
11.2.3 电化学工程中的传质过程 346
11.2.4 电化学工程中的热传递与热衡算 349
11.3 电化学反应器 350
11.3.1 电化学反应器的类型 350
11.3.2 电化学反应器的工作特性 353
11.3.3 电化学反应器的连接与组合 360
习题 363
参考文献 364
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內容試閱:
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前言
反应工程是化工与制药类本科专业的核心课程,近年来该课程内容不断改进,旨在为新质生产力的开发、化工产业的升级优化、“双碳”目标的达成和支撑国家重点领域发展培养人才。
当今世界正经历着百年未有之大变局。党的二十大报告首次将“实施科教兴国战略,强化现代化建设人才支撑”作为一个独立的篇章,部署了“加快建设教育强国、科技强国、人才强国”的全面工作。
跨越三十五年的风云变幻,天津大学《反应工程》教材始终承载着老一辈天大化工人的殷殷重托和广大读者的热切期望。经历了三代人的努力,取得了有目共睹的成果,也培养了一大批有识之士。希望这本经典教材今后能发挥更大的作用。
作为普通高等教育“九五”国家级重点教材,本教材曾荣获2002年全国普通高等学校优秀教材一等奖、2014年中国石油和化学工业联合会优秀出版物(教材类)一等奖。本书是2004年国家级精品课、2016年国家级精品资源共享课和2023年国家级一流本科课程的重要支撑。2017年化学工业出版社和爱思唯尔(Elsevier)出版集团分别向国内和海外发行了《反应工程》教材英文版《ReactionEngineering》,深得海内外读者的喜爱。
《反应工程》教材如何满足新时代对人才培养的要求,如何为发展新质生产力、破解关键技术卡脖子的难题做出贡献,是摆在我们面前亟待解答的问题。为此,《反应工程》(第四版)力求思路清晰、叙述准确,使读者快速获得要领,在解决问题的同时,留出思考和发挥的空间。同时,尝试采用新形态的模式,引入了开源的Python计算代码和扫描二维码即可获取的多媒体辅助教学内容;通过定义“反应量”,解决了化学计量关系和反应速率正负号的困扰;利用建立的反应器衡算方程,统一且简化了理想反应器设计方程的推导过程;调整了部分章节的顺序,使内容编排更加科学、合理,符合逻辑;补充了每章章首的提要和章末的总结,便于读者在快速了解各章内容的同时,掌握它们的核心所在;将科研成果以例题的形式,贯穿相关章节,进一步体现了理论的应用价值。显然,这些努力还远远不够。为了寻求答案,我们未来还有很长的路要走。
《反应工程》(第四版)是在第三版的基础上编写而成。框架的调整、内容的增补和勘误、Python程序的编写由辛峰执笔,并听取了王富民、张旭斌和蔡旺锋三位老师的建议。多媒体资源由徐艳和王燕两位老师提供。
在此,衷心感谢本教材的读者,期待指正。
编者
2024年6月
历版前言
第一版前言
化学反应工程是化学工程学科的一个重要组成部分,也是大学本科化工类专业学生的必修课程之一。国内高等院校对此课程的开设有两种不同的做法,一是有关专业共同开设,即作为技术基础课开出;另一种做法则按专业课处理,各专业单独开课。我们采取前一种做法,本书也就是在此前提下,经过多年的教学实践,数易其稿而成的。
化学反应工程课的基本内容包括反应动力学和反应器设计与分析两个方面。本书在物理化学课的基础上,从应用的角度论述反应器设计与分析所涉及的动力学问题,并作适当的扩充。对于反应器设计与分析则着重在理想反应器方面,使学生打下扎实的基础,学会分析问题和解决问题的方法,以便遇到较为复杂的问题时不至于无从下手。在反应类别和反应器类型的选择上保持了一定的广度,但又有所侧重而不是面面俱到。除了均相反应外,对于多相反应,特别是气固相催化反应及反应器,作了较为详细的讨论。这一方面是因为该类反应及反应器十分典型,掌握其基本原理后,当起到举一反三、事半功倍的作用。另一方面,也是由于这方面的研究工作较为充分和完善的缘故。再者,此类反应的工业应用也十分广泛。所以,以多相催化反应及反应器作为重点是十分适宜的。
以往的教学经验告诉我们,学生学习化学反应工程课时最大的困难是数学问题,这里面原因很多,此处不拟深究。为此,本书所涉及的数学问题除极个别的情况外,只限于初等数学与微积分以及常微分方程,另外还需少量的概率论和数理统计方面的基本知识。为了培养学生的实际计算能力,减少做题中的困难,书中编入了大量的例题,且多为工业生产实际反应的例子,这样做有利于理论联系实际,提高学生的学习兴趣和联系实际的能力。当然,书中的例题同样地起到验证理论、帮助理解概念和阐明方法等公认的作用。各章末还附有丰富的习题供练习用。这些习题及例题大多数为编者在多年教学实践中所编就,难易程度和繁简程度都有所差异,其中有些还需使用计算机计算。
全书系天津大学化工系反应工程教研室全体同志集体智慧的结晶。具体参加编写工作的有李绍芬、刘邦荣、黄璐、张瑛、廖晖、张好讲和赵学明等同志,最后由李绍芬整理、修改和定稿。陈敏恒教授对全书进行了审阅,提出了很好的建议和精辟的见解,在此向他表示衷心的感谢。许多兄弟院校的同行们对本书的部分章节也曾提出了很有价值的意见,使本书增辉不少,这里我们向他们表示深切谢意。然而,我们的水平毕竟有限,错误在所难免,恳切希望读者批评指正。
编者
1989年7月
第二版前言
化学反应工程课是化工类专业大学本科的一门技术基础课程,国内众多高校对此已达成共识,《反应工程》一书就是在此基础上编写的。第一版由化学工业出版社于1990年出版,已经先后印刷了六次,累计印数为2.41万册,且各次印数逐次增加。该书1996年荣获化工部全国高校化工类优秀教材一等奖,1997年全国优秀教学成果二等奖。
本书为《反应工程》第二版,是为经调整和拓宽专业后而设立的“化学工程和工艺类”专业大学本科生所编写,被列为国家级“九五”重点立项教材。
《反应工程》第一版问世以来已有十年,经过我校多年的教学实践,发现了一些不足之处。在此期间一些兄弟院校的同行们对书中部分章节也提出过有价值的建议。为此,第二版对第一版的八章作了适当的修改与补充,使之在有关反应动力学、反应器设计与分析方面的概念更为确切、清楚。在气-固催化流化床中补充了循环流化床反应器。为了拓宽学生专业面,又新添了生化反应工程基础、聚合反应工程基础和电化学反应工程基础三章,以适应信息、材料、生物和环境等高新技术的发展。这三部分虽然都具有其自身的特点和规律,但是它们的基本理论和基础仍是前八章较为详述的化学反应工程。所以,后三章侧重简单论述有关的基本理论与特点,以便学生对这些交叉学科有一些初步的了解,为进一步学习打下基础。这三章可以根据学生的专业方向加以选择。
本书由李绍芬教授主编。具体参加编写工作的有李绍芬、张瑛、张好讲、廖晖和陈延禧等同志。生物化学工程系赵学明教授、马红武讲师和有机合成与高分子化工系曹同玉教授、孙经武教授分别对第九、十章进行了修改。所以,全书是天津大学化工学院众多教师集体智慧的结晶。陈敏恒教授和袁乃驹教授担任本书的主审,他们对全书进行了详细的审阅,提出了许多宝贵的意见和建议,在此特向他们表示诚挚的谢意。
由于我们水平有限,缺点和错误在所难免,恳切希望读者予以批评指正。
编者
1999年6月
第三版前言
天津大学《反应工程》教材是已故李绍芬教授和他的同事们辛勤耕耘的结果,深受国内广大读者的青睐。本书曾列为普通高等教育“九五”国家级重点教材,并荣获2002年全国普通高等学校优秀教材一等奖。本书自1989年出版、2000年修订再版,至今已累计印刷23次,成为国内不可或缺的高等学校规划教材之一。
虽然天津大学从事反应工程教学的老一辈教师早已全部退休,但他们留下的优秀教材,历经二十余年的岁月,依旧在反应工程教学和科研中发挥着重要的作用,且陆续被更多的高校师生所认可与使用,延续了其特有的价值。时间也进一步证明了本书是一本难得的化工专业经典教材。
反应工程的研究,在近十几年里发生了很多显著的变化。学科交叉的特点更加突出,在能源、材料、制药和环境等领域,已经彰显出越来越重要的作用。在传统的化工行业,则高度重视反应过程的微观描述,以及过程集成与强化产生的节能降耗效果。与之相适应的化工类专业人才培养目标,应更加注重工程实践能力的提高,以满足提出的卓越工程师教育培养计划的要求。
为此,对教材再次做出修订。作为新一辈的教师,尽管难以堪此重负,却又责无旁贷地肩负起修订的责任。此次再版,本着保留原教材主要内容和写作风格的原则,延续了教材文字精练、内容丰富、深入浅出的特点,除对原教材中的疏漏进行了勘误外,还适当扩充了工程案例,增加并改编了部分例题和习题,简要叙述了反应工程的新进展,以期更好地服务于高校师生和广大读者。
本书的修订工作由天津大学辛峰教授、王富民教授和蔡旺锋副教授共同完成。
不妥之处,敬请指正。
修订者
2012年12月2日
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