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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FT合成294
第七节讨论与分析296
参考文献297
习题300
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第五版前言
一
本书主编朱炳辰先生于2009年1月15日去世，享年80岁。
朱炳辰先生1929年1月7日生于安徽省休宁市，1951年8月毕业于上海交通大学工学院化工系，并留校任教。1952年10月华东化工学院建校，他来到华东化工学院无机化工系工作，先后任助教、讲师、副教授、教授，长期担任无机物工学教研组、无机化工教研组主任，1986年起为博士生导师。1982年至1986年期间曾先后担任化工系副系主任和华东化工学院研究生处处长。从1981年起为华东化工学院第一、二、三、四、五届校学术委员会和学位委员会委员，1989年受聘为国家教委博士生导师通讯评议化学工程与工业化学专家组成员，1990年受聘为国家科学基金会化学工程学科发展战略研究小组成员。
朱炳辰先生忠诚党的教育事业，全身心培养学生，他为国家培养了一大批博士、硕士和英才，他的学生遍及祖国各地，不少人已成为企业领导，为国家做出重大贡献。他是学生心目中的好老师和好长辈。
朱炳辰先生是我国著名的化学反应工程学者、专家，在几十年的教学和科研工作中，他积极倡导并身体力行化学工程与化学工艺结合，理论与实践结合，将科研成果应用于化工生产企业。他勇于探索，注重实践，在化学与催化反应工程领域开展了大量的基础和应用。研究工作，成果丰硕。其中径向流体分布研究获1978年全国科学大会奖，甲醇合成塔设计新方法获1985年国家科技进步二等奖，年产20万吨大型甲醇合成塔设计获1997年上海市科技进步一等奖，三相浆态床反应工程应用基础研究获2002年上海市科技进步二等奖等。他的科研成果应用于生产企业后，取得了巨大经济效益和社会效益。
朱炳辰先生一生中撰写出版了多部著作，他于20世纪60年代合著的《无机物反应过程动力学》一书是我国早期系统介绍化学反应工程的专著。20世纪80年代，他主编的《无机化工反应工程》教材被数十所高校选用。他的专著《化学反应工程》（第四版）被评为国家十一五规划教材、全国精品教材。他的专著《催化反应工程》是全国研究生推荐教材。他还撰写合著了《甲醇工学》、《大型合成氨工艺过程分析》等著作。
二
朱炳辰先生生前的最后几年几乎将全部精力用于《化学反应工程》教材的编写上，在他去世的前几天还在酝酿《化学反应工程》第五版的修改方案，在书上标了许多修改记号。
《化学反应工程》已出了四版。第一版由化学工业出版社于1993年出版，获1996年全国高等学校化工类优秀教材二等奖和1998年化工科技进步三等奖。第二版由化学工业出版社于1998年出版，为上海普通高等学校九五重点教材，获1999年上海普通高等学校优秀教材一等奖。第三版经教育部化工类专业人才培养及课程内容体系改革的研究与实践项目组批准立项，由化学工业出版社于2001年出版，获2003年上海市优秀教材一等奖。第四版被列为普通高等教育十一五国家级规划教材，由化学工业出版社于2007年出版，2008年被评为教育部精品教材。
《化学反应工程》第五版是《化学反应工程》第三版面向21世纪课程教材和第四版普通高等教育十一五国家级规划教材，教育部精品教材的修订版，第五版是在第四版经兄弟学校教学使用五年的基础上，吸取兄弟学校的意见而修订的。
根据面向21世纪化学工程与工艺专业培养方案的要求，化学工程与工艺专业力求培养基础厚、专业宽、能力强、素质高、具有创新精神的化工专业人才，本教材正是按照这一培养目标编写的。正如朱炳辰先生在第四版前言所说：全书的主线是化学反应与动量、质量、热量传递交互作用的共性归纳综合的宏观反应过程，以及反应装置的工程分析和设计。本书所讲述的化学反应工程属工程学科，用自然科学的原理考察、解释和处理工程实际问题。化学反应工程的研究方法是应用理论推演和实验研究工业反应过程的规律而建立的数学模拟方法，结合工程实践的经验，应用于工程分析和设计，强调工程观念，提倡理论与实际的结合。对学生进行定量计算和设计能力的训练，培养学生分析问题和解决问题的能力及创新精神。
《化学反应工程》第五版与第四版相比，加强了化学反应工程基本原理和通用反应工程的阐述，删去了聚合反应工程基础、生物反应工程基础和电化学反应工程基础三章，对其他各章也进行了适当的修改和删减。全书的篇幅相当于第四版的23左右。
本书共分九章。第一章在回顾物理化学、化工热力学等学科有关内容的基础上，讨论化学反应工程有关加压下非理想气体的反应热、化学平衡，并强调化学反应器的设计要以化学特性和生产工艺为基础。第二章至第九章以石油加工、石油化工、煤化工、非金属矿与金属矿的化学加工、化肥、基本无机及有机化工、精细化工等工业生产为背景，讨论工业生产中宏观反应过程的普遍规律。
本书第一至四版由我国化学工程与工艺学科著名学者浙江大学陈甘棠教授和华南理工大学黄仲涛教授审稿，两位教授对书稿严格把关，精心润色，提高了书稿的质量，深表感谢。华东理工大学顾其威教授对本书初稿提出许多宝贵建议，深表感谢。
本书由华东理工大学朱炳辰主编。各章执笔人为：绪论、第一章、第二章、第三章（部分）、第五章、第八章和第九章由朱炳辰编写；第三章（部分）及第四章由张濂编写；第六章由张成芳编写；第七章由房鼎业编写。《化学反应工程》第五版由房鼎业整理、统稿。
朱子彬、王辅臣、徐懋生、潘银珍、王弘轼、丁百全、姚佩芳、应卫勇、徐志刚、曹发海、陈闵松、何文军、高崇、李涛、甘霖、王存文、樊蓉蓉、倪燕惠等提供了相关资料和部分例题的编写及运算工作。第五版的书稿打印工作由胡智力完成。
三
这里，对《化学反应工程》第五版的教学理念、教学内容和教学方法提一些看法。
化学反应工程是化学工程与工艺专业的核心课程。化学工程作为一级工程技术学科就是要把化学实验室中的研究成果实现产业化，其关键就是进行科技成果的开发与放大工作。本课程的研究对象是化学反应过程和反应器，因此应向学生强调本课程是反应工艺开发之斧，反应设备设计之模，反应过程放大之桥。本教材在教学理念上重视如下三个结合。
①化学工程与化学工艺相结合。化学反应工程的研究目的是实现工业反应过程与工业反应器的优化。化学工程着眼于反应过程与反应器中的传递过程，化学工艺着眼于反应过程与反应器中的化学反应，把两者结合起来才能有效地实现反应过程的开发放大与优化。
②基本原理与反应器设计相结合。通过《化学反应工程》的学习，学生应掌握反应工程的基本原理，也要了解反应器的选型和设计。阐明原理是本课程的基础，讲述反应器数学模型是本课程的重点，两者必须很好地结合。基本原理中的化学动力学、返混、反应过程热量与质量传递、复合反应选择性与收率、反应器热稳定性等内容与间歇反应器、平推流反应器、全混流反应器的数学模型紧密结合进行教学。
③反应影响与传递影响相结合。工业反应过程中化学反应的影响与传递过程（动量传递、热量传递、质量传递）的影响是本教材的基本内容。反应的影响与传递的影响是有机联系的，两者对反应过程开发、反应器放大都起重要作用。在使用本教材时，阐述均相反应过程、气固相催化反应过程、气液相反应过程、流固相非催化反应过程时应处处向学生强调反应影响与传递影响的结合，并举出实例。
在使用本教材时，应将方法论作为教学重点。为使学生掌握化学反应工程的基本观点和工程方法，培养学生分析与解决工程问题的实际能力，在使用本教材时，应特别强调方法论教学，结合主讲教师的科研实践，列举化工过程开发中的实例，通过科学分析，工程思维和优化措施，解决工程实际问题。在使用本教材进行教学时，在阐述化学反应工程开发方法论时，向学生介绍热力学与动力学相结合的研究方法、反应过程与传递过程相结合的分析方法、大型冷模与小型热模相结合的开发方法、数学模型与中间试验相结合的放大方法，可增强学生分析问题和解决问题的能力。
由于朱炳辰先生已经去世，本书整理、统稿人的水平有限，书中存在错误和疏漏之处，敬请读者批评指正。
房鼎业
2011年5月
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