反应工程

章节摘录

版权页：   插图：   5 停留时间分布与反应器的流动模型 在第3章及第4章中讨论了两种不同类型的流动反应器——连续釜式反应器和管式反应器。在相同的情况下，两者的操作效果有很大的差别，究其原因是由于反应物料在反应器内的流动状况不同，即停留时间分布不同。本章将对此作进一步讨论，阐明流动系统的停留时间分布的定量描述及其实验测定方法。 前面关于连续釜式反应器的设计系基于反应区内物料浓度均一这一假定，处理管式反应器问题时则使用了活塞流的假定；如果不符合这两种假定，就需要建立另外的流动模型，以便对反应器进行设计与分析。流动模型的建立是基于停留时间分布，这是本章所要讨论的另一主要内容。此外，还要在所建立模型的基础上，说明该类反应器的性能和设计计算。 化学反应器中流体的混合直接影响到化学反应的进行，本章最后还要简单地介绍有关流动反应器内流体混合问题，阐明几个基本概念。 5.1停留时间分布 5.1.1 概述 化学反应进行的完全程度与反应物料在反应器内停留时间的长短有关，时间越长，反应进行得越完全，可见，研究反应物料在反应器内的停留时间问题具有十分重要的意义。对于间歇反应器，这个问题比较简单，因为反应物料是一次装入，所以在任何时刻下反应器内所有物料在其中的停留时间都是一样的，不存在任何停留时间分布问题，间歇反应器反应物料停留时间的测量与控制是轻而易举的事。对于流动系统，情况就不同了，由于流体连续不断流入系统而又连续地由系统流出，流体的停留时间问题比较复杂，通常所说的停留时间是指流体以进入系统时算起，到其离开系统时为止，在系统内总共经历的时间，即流体从系统的进口至出口所耗费的时间。这里自然会提出这样的一个问题，同时进入系统的流体，是否也同时离开系统？由于流体是连续的，而流体分子的运动又是无序的，所有分子都遵循同一的途径向前移动是不可能的，完全是一个随机过程。正因为这样，不能对单个分子考察其停留时间，而是对一堆分子进行研究。这一堆分子所组成的流体，称之为流体粒子或微团。流体粒子的体积比起系统的体积小到可以忽略不计，但其所包含的分子又足够多，具有确切的统计平均性质。那么，同时进入系统的流体粒子是否也同时离开呢？亦即它们在系统中的停留时间会不会相同呢？现实生活中很难找到这样的系统，但是并不排除会存在大体相等的情况，第四章对管式反应器所作的活塞流假定就是基于这一情况。

前言

第三版序天津大学《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，以满足教育部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日第二版序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月第一版序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

书籍目录

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2 1.2.1反应进度2 1.2.2转化率3 1.2.3收率与选择性5 1.3化学反应器的类型6 1.4化学反应器的操作方式8 1.5反应器设计的基本方程10 1.6工业反应器的放大11 1.7反应工程的新进展13 习题14 2反应动力学基础16 2.1化学反应速率16 2.2反应速率方程19 2.3温度对反应速率的影响22 2.4复合反应27 2.4.1反应组分的转化速率和生成速率27 2.4.2复合反应的基本类型28 2.4.3反应网络31 2.5反应速率方程的变换与积分32 2.5.1单一反应32 2.5.2复合反应35 2.6多相催化与吸附38 2.6.1多相催化作用38 2.6.2吸附与脱附39 2.7多相催化反应动力学42 2.7.1定态近似和速率控制步骤42 2.7.2多相催化反应速率方程44 2.8动力学参数的确定48 2.8.1积分法48 2.8.2微分法49 2.9建立速率方程的步骤53 习题54 3釜式反应器59 3.1釜式反应器的物料衡算式59 3.2等温间歇釜式反应器的计算（单一反应）60 3.2.1反应时间及反应体积的计算60 3.2.2最优反应时间62 3.3等温间歇釜式反应器的计算（复合反应）64 3.3.1平行反应64 3.3.2连串反应66 3.4连续釜式反应器的反应体积68 3.5连续釜式反应器的串联与并联71 3.5.1概述71 3.5.2串联釜式反应器的计算72 3.5.3串联釜式反应器各釜的最佳反应体积比75 3.6釜式反应器中复合反应的收率与选择性77 3.6.1总收率与总选择性77 3.6.2平行反应78 3.6.3连串反应81 3.7半间歇釜式反应器83 3.8变温间歇釜式反应器86 3.9连续釜式反应器的定态操作90 3.9.1连续釜式反应器的热量衡算式90 3.9.2连续釜式反应器的定态91 小结94 习题94 4管式反应器100 4.1活塞流假设100 4.2等温管式反应器设计101 4.2.1单一反应101 4.2.2多个反应104 4.2.3拟均相模型108 4.3管式与釜式反应器反应体积的比较109 4.4循环反应器113 4.5变温管式反应器114 4.5.1管式反应器的热量衡算式114 4.5.2绝热管式反应器115 4.5.3非绝热变温管式反应器118 4.6管式反应器的最佳温度序列120 4.6.1单一反应120 4.6.2复合反应121 习题124 5停留时间分布与反应器的流动模型129 5.1停留时间分布129 5.1.1概述129 5.1.2停留时间分布的定量描述130 5.2停留时间分布的实验测定132 5.2.1脉冲法132 5.2.2阶跃法134 5.3停留时间分布的统计特征值136 5.4理想反应器的停留时间分布138 5.4.1活塞流模型139 5.4.2全混流模型140 5.5非理想流动现象142 5.6非理想流动模型144 5.6.1离析流模型144 5.6.2多釜串联模型147 5.6.3轴向扩散模型150 5.7非理想反应器的计算153 5.8流动反应器中流体的混合156 习题158 6多相系统中的化学反应与传递现象161 6.1多相催化反应过程步骤161 6.1.1固体催化剂的宏观结构及性质161 6.1.2过程步骤163 6.2流体与催化剂颗粒外表面间的传质与传热164 6.2.1传递系数164 6.2.2流体与颗粒外表面间的浓度差和温度差165 6.2.3外扩散对多相催化反应的影响167 6.3气体在多孔介质中的扩散170 6.3.1孔扩散170 6.3.2多孔颗粒中的扩散171 6.4多孔催化剂中的扩散与反应172 6.4.1多孔催化剂内反应组分的浓度分布172 6.4.2内扩散有效因子174 6.4.3非一级反应的内扩散有效因子177 6.4.4内外扩散都有影响时的有效因子178 6.5内扩散对复合反应选择性的影响180 6.6多相催化反应过程中扩散影响的判定182 6.6.1外扩散影响的判定182 6.6.2内扩散影响的判定183 6.7扩散干扰下的动力学假象184 习题187 7多相催化反应器的设计与分析190 7.1固定床内的传递现象190 7.1.1固定床内的流体流动190 7.1.2质量和热量的轴向扩散192 7.1.3径向传质与传热193 7.2固定床反应器的数学模型195 7.3绝热式固定床反应器197 7.3.1绝热反应器的类型197 7.3.2固定床绝热反应器的催化剂用量199 7.3.3多段绝热式固定床反应器201 7.4换热式固定床反应器204 7.4.1引言204 7.4.2进行单一反应时的分析205 7.4.3进行复合反应时的分析207 7.5自热式固定床反应器210 7.5.1反应物料的流向210 7.5.2数学模拟211 7.6参数敏感性212 7.7流化床反应器214 7.7.1流态化214 7.7.2流化床催化反应器216 7.8实验室催化反应器218 7.8.1基本要求218 7.8.2主要类型219 习题221 8多相反应器225 8.1气液反应225 8.2气液反应器229 8.2.1主要类型229 8.2.2鼓泡塔的设计230 8.2.3搅拌釜式反应器的设计232 8.3气液固反应234 8.3.1概述234 8.3.2气液固相催化反应的传递步骤与速率234 8.4滴流床反应器235 8.4.1概述235 8.4.2数学模型236 8.5浆态反应器239 8.5.1类型239 8.5.2传质与反应239 8.5.3机械搅拌釜的设计242 习题244 9生化反应工程基础247 9.1概述247 9.2生化反应动力学基础248 9.2.1酶催化反应及其动力学248 9.2.2微生物的反应过程动力学255 9.3固定化生物催化剂259 9.3.1概述259 9.3.2酶和细胞的固定化260 9.3.3固定化生物催化剂的催化动力学261 9.4生化反应器263 9.4.1生化反应器类型264 9.4.2生化反应器的计算265 习题271 10聚合反应工程基础274 10.1概述274 10.2聚合反应动力学分析275 10.2.1聚合反应分类275 10.2.2聚合度及其分布275 10.2.3均相自由基聚合反应280 10.2.4缩聚反应294 10.2.5影响聚合反应速率的因素297 10.3聚合过程的传热与传质分析299 10.3.1聚合过程热效应特点299 10.3.2解决聚合过程传热与流动的措施299 10.3.3传热系数与传质系数301 10.4聚合反应器的设计与分析301 10.4.1聚合反应器与搅拌器301 10.4.2数学模型302 10.4.3聚合反应器的计算与分析302 习题305 11.电化学反应工程基础307 11.1引言307 11.1.1电化学反应的特点307 11.1.2电化学反应工程的质量指标308 11.2电化学反应工程中的特殊问题312 11.2.1电极表面的电位及电流分布312 11.2.2析气效应317 11.2.3电化学工程中的传质过程319 11.2.4电化学工程中的热传递与热衡算322 11.3电化学反应器323 11.3.1电化学反应器的类型323 11.3.2电化学反应器的工作特性326 11.3.3电化学反应器的联结与组合332 习题335 参考文献337

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《普通高等教育"九五"国家级重点教材:反应工程(第3版)》系为高等院校本科化工类专业化学反应工程课而编写的一本教材。《普通高等教育"九五"国家级重点教材:反应工程(第3版)》除作教材外，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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《反应工程(第3版)》系为高等院校本科化工类专业化学反应工程课而编写的一本教材。《反应工程(第3版)》从应用的角度和进行反应器设计与分析的需要出发，阐明反应动力学的基本原理。对于多相系统，较详细地讨论了化学反应与传递现象间的相互作用和定量处理方法。以理想流动模型为基础，对等温和变温流动反应器的设计计算作了较详尽的讨论。介绍了流动系统停留时间分布的基本理论和实验测定，以及由停留时间分布建立实际反应器流动模型的方法。在理论反应器的基础上，对于实际反应器重点讨论气固催化反应器的设计和分析，对于气液反应和气液固相催化反应亦作了扼要介绍。有关间歇反应器和半连续反应器的问题《反应工程(第3版)》也予以足够的重视。此外，还简单论述了有关生化反应工程、聚合反应工程和电化学反应工程的基本理论与特点。书中编入了大量工业实例和习题。《反应工程(第3版)》除作教材外，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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