《化工过程强化关键技术丛书--微界面传质强化技术》 - 中国化工学会组织编写，张志炳等著 - 化学工业出版社 - 香港大書城

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『簡體書』化工过程强化关键技术丛书--微界面传质强化技术

書城自編碼： 3538720
分類：簡體書→大陸圖書→教材→研究生/本科/专科教材
作者：中国化工学会组织编写，张志炳等著
國際書號(ISBN)： 9787122362865
出版社：化学工业出版社
出版日期： 2020-08-01

頁數/字數： /
釘裝：精

售價：HK$ 261.4

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化工过程强化技术支持工厂提高设备效率、简化工艺流程、降低物耗能耗，实现安全清洁生产。
微界面强化反应技术主要利用微米级高能气、液涡流能量转换原理，将气液、气液液、气液固界面的几何尺度由毫－厘米级高效调控为微米级，在数量级上大幅度提高了相界面积和质能传递效率，使化学生产过程的效率成倍提升、能耗物耗大幅下降、安全环保性能得到本质改善。
本书既有新概念、新理论，又有新方法、新技术，还有开发的数学模型和应用实例，全书内容丰富、层次清晰、图文并茂、文字流畅

內容簡介：

《微界面传质强化技术》是《化工过程强化关键技术丛书》的一个分册。
强化传质是强化化学反应的主要技术手段之一。本书从传质基本理论出发，系统论述了气-液、气-液-液、气-液-固、液-液、液-液-固、气-液-液-固等多相体系在微米尺度上的相际传质现象与行为特征，阐述微界面传质对多相反应过程强化的科学机理、调控手段、设备结构和影响规律。主要内容既涉及微界面内涵和微气泡、微液滴的制备技术，又包括对数以亿计的微颗粒（气泡或液滴）及其形成的微界面体系的测试和表征技术，以及微界面传质强化与反应强化的构效调控原理，同时以若干典型实例介绍微界面传质强化技术在不同工业领域的应用。本书还介绍了相关技术在实际工程应用过程中所延伸的各种工艺、材料、装备及技术对策。
《微界面传质强化技术》既有新概念、新理论，又有新方法、新技术，还有开发的数学模型和应用实例，全书内容丰富、层次清晰、图文并茂、文字流畅。可供化工、能源、材料、环境、食品等过程工程领域科技人员阅读，也可供高等学校相关专业师生参考。《微界面传质强化技术》是《化工过程强化关键技术丛书》的一个分册。
强化传质是强化化学反应的主要技术手段之一。本书从传质基本理论出发，系统论述了气-液、气-液-液、气-液-固、液-液、液-液-固、气-液-液-固等多相体系在微米尺度上的相际传质现象与行为特征，阐述微界面传质对多相反应过程强化的科学机理、调控手段、设备结构和影响规律。主要内容既涉及微界面内涵和微气泡、微液滴的制备技术，又包括对数以亿计的微颗粒（气泡或液滴）及其形成的微界面体系的测试和表征技术，以及微界面传质强化与反应强化的构效调控原理，同时以若干典型实例介绍微界面传质强化技术在不同工业领域的应用。本书还介绍了相关技术在实际工程应用过程中所延伸的各种工艺、材料、装备及技术对策。
《微界面传质强化技术》既有新概念、新理论，又有新方法、新技术，还有开发的数学模型和应用实例，全书内容丰富、层次清晰、图文并茂、文字流畅。可供化工、能源、材料、环境、食品等过程工程领域科技人员阅读，也可供高等学校相关专业师生参考。

關於作者：

張志炳，南京大学二级教授，享受国务院特殊津贴。1978年考入天津大学化工系，1982年和1985年分获学士和硕士学位并留校任教。1988年在职师从余国琮院士攻读博士学位，1992年获英国政府奖学金赴英进修，1994年应邀进入南京大学化学化工学院工作，创建化工学科，重点开展传质与分离技术研究。1996年晋升为教授，1998年被批准为博士生导师，1999年始享受985大学教授二档津贴。自2001年至2019年，长期担任南京大学化工系主任和南京大学分离工程研究中心主任。
張志炳，南京大学二级教授，享受国务院特殊津贴。1978年考入天津大学化工系，1982年和1985年分获学士和硕士学位并留校任教。1988年在职师从余国琮院士攻读博士学位，1992年获英国政府奖学金赴英进修，1994年应邀进入南京大学化学化工学院工作，创建化工学科，重点开展传质与分离技术研究。1996年晋升为教授，1998年被批准为博士生导师，1999年始享受985大学教授二档津贴。自2001年至2019年，长期担任南京大学化工系主任和南京大学分离工程研究中心主任。
长期从事化学工程的教学科研与人才培养工作，已培养博士、硕士100余名。特别注重理论研究和应用开发并重，擅长链条式创新，注重颠覆性科学思维。在传质与分离工程、传质与反应强化、绿色化工等领域具有独到专长。已主持承担了二十余项国家、省部科学基金项目，完成了150余项包括中国石油、中国石化、神华集团、延长石油等在内大型企业集团的应用研究项目。共申请中国、欧美发明专利300余件（已授权115余件，其中欧美已授权12件）。在Angew Chem Int Ed，AIChE J，Chem Eng Sci，Ind Eng Chem Res，Green Chems，Chem Comm等刊物上发表论文200余篇。获国家科技进步二等奖１次、中国发明创业特等奖1次、省部级科技进步和技术发明一等奖3次。获江苏省十大专利发明人、全国十大杰出专利发明人。在南京大学建校110周年庆典上，获南京大学授予的卓越贡献奖。2018年被中国化工学会授予会士荣誉称号；2019年获中国化工学会侯德榜化工科学技术成就奖，同年获江苏省化学化工学会时钧化工成就奖。

第一章　绪论1
第一节　引言 1
第二节　界面传质与反应 2
一、经典气-液传质理论简介 3
二、修正的经典模型 6
三、湍流旋涡理论 7
第三节　基于微通道和外场的传质强化 9
一、概述 9
二、基于微通道的传质强化 9
三、基于超重力场的传质强化 10
四、基于超声波的传质强化 11
五、基于电磁波的传质强化 12
第四节　基于机械能的传质强化 14
一、撞击流传质强化 14
二、喷雾传质强化 18
三、气-液混流泵传质强化 22
参考文献 24
第二章微界面传质强化的基本理论问题31
第一节　概述 31
第二节　微界面的涵义 32
一、微颗粒与微颗粒体系 32
二、宏颗粒与宏颗粒体系 33
三、微界面与微界面体系 33
四、宏界面与宏界面体系 34
第三节　微界面传质强化和反应强化概念 35
一、气液相界面积的强化 37
二、气泡平均停留时间的强化 39
第四节　微界面反应强化原理 44
一、气膜传质系数kG 45
二、液膜传质系数kL 47
第五节　s和L的确定 53
一、s的确定 53
二、L的确定 53
三、静止水中空气微气泡的s和K计算 54
四、空气微气泡在水中的上升速度实验值 56
五、液膜（传质边界层）L的计算 57
第六节　催化剂的表面液膜传质系数ks 59
第七节　微气泡的内压 59
第八节　微气泡的碰撞与聚并 62
一、微气泡的碰撞频率 62
二、微气泡的聚并效率 64
参考文献 74
第三章 Marangoni效应及其界面微结构79
第一节　Marangoni界面湍动 79
第二节　Marangoni界面微结构的形成与尺度 80
一、Marangoni界面湍动的形成 80
二、界面湍动现象的表现形式 82
第三节　液-液传质过程中的Marangoni界面微结构 84
一、液-液传质过程中的Marangoni界面微结构 84
二、Marangoni界面湍动微结构对液-液传质的影响 91
第四节　气-液Marangoni效应与界面微结构 92
一、气-液传质过程中的Marangoni界面微结构 93
二、气-液Marangoni界面微结构对传质的影响 97
第五节　Marangoni界面湍动与界面微结构的表征 99
一、示踪剂法 99
二、粒子成像测速法 100
三、光学观测法 100
第六节　Marangoni效应对传质设备效率的影响 102
参考文献 104
第四章气-液微颗粒制备技术111
第一节　概述 111
第二节　微气泡的主要理化特征 112
第三节　气泡的产生、发展与溃灭机理 113
一、微气泡的形成与振荡 113
二、孔口鼓泡和微气泡平动 114
三、微流道中的两相流型 115
四、微气泡的溶解溃灭 116
第四节微气泡的制备技术 116
一、溶气-释气法 117
二、微孔曝气法 118
三、引气-散气法 120
四、微流控方法 123
五、超声声压法 128
六、电解法 130
第五节微液滴制备技术 132
一、概述 132
二、填充床法 133
三、超重力法 135
四、多相流法 137
五、气动法 151
六、电动法 152
七、微液滴制备的其他方法 156
第六节微型乳液制备技术 158
一、概述 158
二、乳液的分类 159
三、机械法 159
四、双T型微通道法 160
五、多重流动聚焦 162
六、膜乳化技术 165
七、填充床法 168
八、温变转相法 169
第七节乳液的稳定性与破乳 170
一、奥氏熟化现象 171
二、过处理问题 172
三、破乳 172
第八节反气泡制备技术 173
一、概述 173
二、制备方法 176
三、反气泡稳定性 178
四、反气泡运动控制 179
参考文献 180
第五章　Q-CT法测试技术 195
第一节　概述 195
第二节毫米-厘米级气泡颗粒测试技术 196
一、毫米-厘米级群颗粒测试技术现状 196
二、基于分水岭算法的气-液颗粒群图像分析技术 197
三、气-液颗粒群实验装置及图像拍摄 201
四、粘连气泡与重叠气泡 202
五、粘连气泡的分水岭分割 202
六、结果与讨论 210
七、小结 214
第三节微气泡测试技术 214
一、实验装置 214
二、样品分析 217
三、结果与讨论 223
四、小结 226
第四节液相微颗粒体系测试技术研究 226
一、背景及原理 226
二、试剂与测试仪器 229
三、实验步骤 231
四、测试与表征 231
第五节误差校正 234
参考文献 234
第六章微界面体系在线成像测量技术 239
第一节　概述 239
第二节　OMIS 系统简介 241
一、OMIS 系统组成 241
二、OMIS 成像原理及放大倍率 241
第三节　OMIS 数据采集与测定方法 242
一、视频采集 242
二、视频及图片的标尺确定 243
三、微颗粒群粒径分布统计 244
第四节　微界面固定床反应器内微颗粒的测试 248
一、测试装置简介 248
二、微界面固定床颗粒特性测试实例 250
三、视频采集及处理 250
四、结果与讨论 250
第五节　微界面浆态床反应器内微颗粒测试 255
一、试验装置 255
二、视频采集 256
三、结果与讨论 256
参考文献 265
第七章微界面体系构效调控数学模型 267
第一节　概述 267
第二节　微界面体系气泡尺度构效调控数学模型 268
一、微界面体系气泡的聚并与破裂 268
二、d32 计算模型和半经验关联式 271
三、微界面体系气泡Sauter 平均直径通用数学模型 273
四、dmax 和dmin 理论研究 279
五、微界面机组能量耗散率数学模型 283
第三节　气-液微界面体系气含率构效调控数学模型 287
一、气含率研究进展 287
二、微界面体系气含率通用数学表达式 288
三、微界面体系气泡平均上升速度数学表达式 288
四、微界面体系气含率构效调控数学模型 292
第四节　微界面体系气液相界面积构效调控数学模型 292
一、气液相界面积研究进展 292
二、微界面体系气液相界面积一般数学表达 294
三、微界面体系气液相界面积构效调控数学模型 294
第五节　微界面体系传质系数构效调控数学模型 295
一、微界面体系传质概述 295
二、微界面体系气侧传质系数构效调控数学模型 295
三、微界面体系液侧传质系数构效调控数学模型 297
四、微界面体系液-固传质系数构效调控数学模型 298
第六节　微界面气-液-固反应体系宏观反应速率构效调控数学模型 299
一、宏观反应速率通用表达式 299
二、不考虑催化剂内扩散的宏观反应速率模型 300
三、考虑催化剂内扩散的宏观反应速率模型 301
参考文献 302
第八章　微界面反应体系参数的影响311
第一节　概述 311
第二节　体系理化参数估算 312
一、气相扩散系数 312
二、液相扩散系数 313
第三节　理化参数对微界面体系界面传质的影响 313
一、液相密度的影响 314
二、液相动力黏度的影响 318
三、表面张力的影响 321
四、空气-乙醇-水体系 325
第四节　气液比的影响 329
一、气泡Sauter平均直径 330
二、气泡平均上升速度和气含率 330
三、气液相界面积 331
四、液侧传质系数和液侧体积传质系数 332
五、气侧传质系数和气侧体积传质系数 332
第五节　操作压力的影响 333
一、气泡Sauter平均直径 333
二、气泡平均上升速度 335
三、气含率 335
四、气液相界面积 335
五、液侧传质系数和液侧体积传质系数 337
六、气侧传质系数和气侧体积传质系数 338
七、甲醇羰基化反应体系宏观反应速率 340
第六节　操作温度的影响 341
一、液相动力黏度 341
二、表面张力 342
三、气泡Sauter平均直径 342
四、气泡平均上升速度 342
五、气含率 343
六、气液相界面积 344
七、液侧传质系数和液侧体积传质系数 345
八、气侧传质系数和气侧体积传质系数 346
九、甲醇羰基化反应体系宏观反应速率 347
参考文献 348
第九章　微界面气-液体系的理化特性349
第一节　概述 349
第二节　微界面气-液体系的结构与特征 350
第三节　微界面气-液体系的物理特性 351
一、压力特性 351
二、传质特性 351
三、溶解性能 352
四、迁移特性 352
五、电学特性 353
六、表面特性 355
七、流变行为 355
八、力学特性 355
九、收缩特性 356
十、其他物理特性 356
第四节　微界面气-液体系的化学特性 357
一、气-液体系的微界面自由基的形成 357
二、微气泡引起的特异性化学反应 358
三、水处理相关反应特性 359
四、生化反应特性 368
第五节　微气泡与生命起源 369
参考文献 373
第十章　微界面传质强化技术的应用379
第一节　概述 379
第二节　在石化生产方面的应用 379
一、浆态床反应器渣油加氢 379
二、间二甲苯空气氧化合成间甲基苯甲酸 395
第三节在精细化学品生产方面的应用 402
一、蒎烷氢过氧化物生产 402
二、二氢月桂烯醇水合反应过程 409
第四节　在药物原料合成方面的应用 415
一、对乙酰氨基酚生产 415
二、农药原料乙烯利生产过程 420
第五节　在三废处理方面的应用 426
一、NOx废气的资源化治理 426
二、高盐废水湿式氧化 431
参考文献 439
后记443
索引447

內容試閱：

现代过程工业领域涉及大量由气-液、气-液-液、气-液-固、液-液、液-液-固、气-液-液-固等多相体系组成的传质与反应过程。这些多相体系的传质速率往往决定着生产装置的分离或反应效率，从而直接影响生产过程的能效、物效、本质安全性与产品竞争力。
长期以来，人们对多相体系的化学反应和传质分离过程及其设备的开发与设计模式，一是基于分子尺度上的微观扩散传质（特别是涡流扩散）和反应特征，二是基于毫-厘米尺度上鼓泡、搅拌与混合、颗粒分散与团聚、流型与颗粒分布、设备结构与构效关系等方面的宏观尺度研究结果。这两种模式都忽略了对介于微观和宏观之间的介尺度（mesoscale）上发生的传质与反应行为的了解，从而也难以知晓介尺度上那些至关重要的参数对反应器、分离器和其他关键单元设备性能的控制性影响，以致迄今工业上依然有成千上万台多相反应器和分离器在高能耗、高物耗、高危险状态下运行。尽管生产领域的人们一直期望改变目前这种状态，但鲜有人知晓问题的根源何在，故也难以找到解决此类问题的突破口。因兹事重大，涉及绿色化学制造和人类可持续发展，亟待本领域专家进行深入探索并找到答案。此类问题的最基本特点是，反应效率受传质效率或受传质与反应双重制约，有时可能受传质、传热与反应多重制约，而采用通常的工艺方法本身已无法彻底解决。因此，一旦对这种化学制造领域普遍存在问题找到技术突破口，将不仅具有重要而深远的学术意义，同时也对多相体系化学制造过程的技术进步，以及能源和资源的高效利用具有实质性的推动作用。
有关介尺度上对化学反应和传质过程的特性研究，近十年来受到了国内外学术技术界的高度关注。正如在纳微米层次上的介观领域，科学界已经证实，物质以及由不同种类物质组成的介尺度结构不仅呈现完全有别于微观和宏观状态的理化性质和行为特征，而且物质或体系的宏观性质与性能往往由此尺度上的特殊结构特征所决定。在介尺度上的化学反应和传质特性，是否也呈现出物质在纳米尺度层次上类似的奇异特性，目前人们尚知之甚少，因此值得去深入探索。
《微界面传质强化技术》一书旨在介绍微米尺度上（跨三个数量级）反应体系中相际传质对反应强化的科学机理、行为特征、设备结构、影响规律的探索和发现；同时阐述在实验研究中必然会涉及的尺度为10-6md10-2m五个数量级，以及数以十亿计的微颗粒（气泡或液滴）及其界面的精确测试、表征和调控等复杂技术问题带来的理论和技术挑战及其解决方案；本书最后还介绍相关技术在实际工程应用过程中所延伸的各种工艺、材料、装备及技术对策。
由于微界面传质强化技术的理念在近十年内才初露端倪，相关理论发展尚欠成熟，未成体系，技术方法也有待深入研探。因此，本书无论是在章节或结构安排上，还是在具体内容叙述方面，尚处在粗线条和探索完善阶段。特别是在应用实例方面，还需要今后在实践中的不断积累并通过日益拓展的应用领域进一步丰富其内涵。然而，鉴于本书涉及一项从介尺度视角探索传质过程进而强化反应的新思路及其技术方法，以及它对于许多反应过程特别是受传质控制的慢反应或高压操作的多相反应过程具有突出的强化效果，笔者还是愿意努力付诸一试，以第一时间向读者奉上尚处在发育阶段的新技术之一斑，期望引起更多读者对此关注并参与研究与实践，从而为我国化学工程技术向绿色制造更高层次发展做出贡献。
作为传质与反应强化方面一个新的前沿研究领域，微界面传质强化技术尚未形成体系。国内外虽有零星的关于微气泡方面的论文汇编出版，但并未涉及系统性理论、技术、调控和应用等深层次问题，更鲜见有关微界面传质与反应强化的系统性研究成果。因此，我们期望对十多年来在这一领域的研究成果加以梳理，同时结合国内外与此技术的相关研究进展，以力求形成较为系统性的学术技术成果。这次化学工业出版社委托中国化工学会组织编写《化工过程强化关键技术丛书》并邀请我们团队参加，正好提供了一个极好的机会。
本书将从微颗粒、微界面、微界面体系等学术名词解释入手，首先大致介绍经典的界面传质理论与原理，进而概述国内外现有的与微界面传质和强化反应相关的技术及实验研究成果，再尝试进一步较系统地论述微界面传质强化所涉及的基础理论和技术原理，如微界面传质强化的科学基础、技术方法、数学模型、测试与表征技术、调控手段，以及微界面传质强化反应的思路与途径等，最后阐述微界面传质强化技术在不同领域的应用。
总之，本书将力求以新的视角，较系统地介绍长期以来容易被化学家和化学工程学家忽视的、从传质强化角度解决受传质控制或同时受传质和反应双重影响的气-液、气-液-液、气-液-固、液-液-固等反应体系效率低下而导致的高能耗、高物耗、高危险这一疑难问题的理论方法、技术原理和工程实践。
本书共设十章，由南京大学张志炳教授统稿，周政教授、胡兴邦教授、张锋副教授、李磊副教授、王晓副教授、杨高东博士、田洪舟博士、杨国强博士、贺向坡博士、王宝荣工程师、罗华勋工程师等分别参加了撰稿工作。此外，还特别邀请了浙江大学付新教授、胡亮副教授、吉晨博士和厦门大学沙勇副教授等专家一起参加本书的撰写。
第一章由南京大学周政、王晓和杨国强等共同撰写，第二章由南京大学张志炳主笔，第三章由南京大学张锋和厦门大学沙勇联合撰写，第四章由浙江大学付新、胡亮和吉晨共同撰写，第五章由南京大学张志炳、杨国强、贺向坡和田洪舟共同撰写，第六章由南京大学张志炳与杨国强共同撰写，第七章和第八章由南京大学张志炳与田洪舟共同撰写，第九章由南京大学胡兴邦撰写，第十章由南京大学张志炳、周政、李磊、杨高东、杨国强、罗华勋、王宝荣等联合撰写。
由于本书所涉及的内容首次组稿，各位撰稿人必须查阅大量文献并进行详细整理，因此费时很多。值得一提的是，书中有许多数据、图片是迄今为止国际上本领域尚未见报道的第一手资料。
在此，笔者诚挚感谢多年来在本实验室进行辛勤测试和理论研究的所有老师与同学们！此外，也特别感谢《化工过程强化关键技术丛书》编委会的费维扬院士、舒兴田院士、张锁江院士、陈建峰院士、刘有智教授等给予笔者团队撰写本书的宝贵机会。感谢曹湘洪院士、陈懿院士为本书倾情作序。
在撰写过程中，始终得到化学工业出版社的支持和帮助，笔者对此深表谢意。
在本书成稿过程中，本人的导师、已年过97岁高龄的余国琮院士自始至终高度关注，并表示成稿后要亲自审阅。作为学生，本人深感荣幸并万分感激！
本书所涉及的大多数研究工作得到了国家自然科学基金面上项目降膜流动过程的Marangoni效应及其对传热传质特性的研究（张志炳）、液气循环喷射反应器中甲苯液相催化氧化制备苯甲醛的研究（张锋）、苯乙烯催化氧化过程的界面强化与调控研究（张志炳）、好氧发酵体系的微界面传质强化反应器构效调控研究（张志炳）的资助；也得到了国家自然科学基金重大研究计划培育项目介观结构催化剂及其介尺度机制与调控的高性能催化过程（丁卫平、张志炳）和国家自然科学基金重大研究计划超细气泡反应体系的传质特性与介尺度构效调控（张锋、张志炳）的资助；同时还得到中国石油化工集团公司、陕西延长石油集团公司等单位合作项目的大力资助； 2018年，本技术又被列入国家重点研发计划煤炭清洁高效利用和新型节能技术重点专项和水资源高效开发利用重点专项予以支持。在此，一并表示衷心感谢。
虽然界面传质与传质强化等方面的学术和技术研究已有较长历史，但有关微界面传质强化反应的研究则起步不久。因此，本书无论是在内容细节、研究结论方面，还是在关于该技术的科学原理和特性行为的认知深度与广度方面，均难免浅薄、片面或疏漏，故敬请读者不吝赐教，以利进一步完善。
张志炳　
2019年12月

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