《化學(xué)反應(yīng)工程簡明教程》以化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)和反應(yīng)器的設(shè)計與分析為主線，系統(tǒng)介紹了化學(xué)反應(yīng)工程的基本理論、均相反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)、均相理想反應(yīng)器、停留時間分布與反應(yīng)器的流動模型、氣-固相催化反應(yīng)本征動力學(xué)、多相催化反應(yīng)中的傳遞現(xiàn)象、多相反應(yīng)器的特征及工業(yè)應(yīng)用等內(nèi)容。本書突出工程特色，注重對學(xué)生反應(yīng)器設(shè)計與分析思維方式的培養(yǎng)，注重工程技術(shù)中數(shù)理問題的推導(dǎo)，便于學(xué)生結(jié)合例題和案例理解反應(yīng)器的類型與流體模型的匹配。本書各章均配有知識脈絡(luò)的思維導(dǎo)圖、知識要點分析、學(xué)科素養(yǎng)與思考、習(xí)題，并通過二維碼配有衍生閱讀內(nèi)容和計算推導(dǎo)過程，讀者可掃碼觀看或下載。為便于教學(xué)，本書還配備了電子教學(xué)課件和習(xí)題解答，亦可通過掃描二維碼獲取。本書可作為高等院校化工類專業(yè)教材，也可為相關(guān)領(lǐng)域的研究人員和工程技術(shù)人員提供參考。
化學(xué)反應(yīng)工程是化學(xué)工程與工藝專業(yè)的一門核心課程。這門課程在提升學(xué)生工程認(rèn)知和解決復(fù)雜工程問題的能力方面，發(fā)揮著重要作用�；瘜W(xué)反應(yīng)工程是建立在數(shù)學(xué)、物理及化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科上而有著自己特點的應(yīng)用學(xué)科，具有邏輯性強(qiáng)、專業(yè)化程度高、理論知識抽象的特點。這些特點導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)該門課程時存在理解和應(yīng)用方面的困難，使教學(xué)工作難以達(dá)到預(yù)期的效果。為了滿足教學(xué)的需要，根據(jù)國家關(guān)于化學(xué)工程與工藝相關(guān)專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)要求，內(nèi)蒙古大學(xué)、內(nèi)蒙古鄂爾多斯應(yīng)用技術(shù)學(xué)院四位長期從事化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)的教師，總結(jié)十幾年的教學(xué)經(jīng)驗，在教學(xué)講義的基礎(chǔ)上，結(jié)合經(jīng)典教材，編寫了《化學(xué)反應(yīng)工程簡明教程》。
編者在多年的教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)工程遇到的最大困難是數(shù)學(xué)問題，主要表現(xiàn)為工程思維和工程計算能力不足，遇到反應(yīng)器設(shè)計與分析過程中的計算問題時無從下手。
鑒于上述問題，《化學(xué)反應(yīng)工程簡明教程》在編寫過程中側(cè)重于剖析典型例題和工業(yè)反應(yīng)器的實際案例，注重工程計算中的數(shù)理性推導(dǎo)，幫助讀者結(jié)合例題和案例，進(jìn)一步理解反應(yīng)器類型與流體模型的匹配，確定反應(yīng)器設(shè)計與分析的結(jié)構(gòu)要點和技術(shù)參數(shù)，建立反應(yīng)器設(shè)計與分析的思維方式。
本教材編寫之際恰逢黨的二十大召開，圍繞二十大報告中提出的培養(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人、為誰培養(yǎng)人是教育的根本問題，編者結(jié)合學(xué)科特點，每個章節(jié)都提出了相應(yīng)的學(xué)科素養(yǎng)與思考，力爭做好人才培養(yǎng)過程中的精神引領(lǐng)和思想保證。另外，圍繞二十大報告提出的加快建設(shè)教育強(qiáng)國的戰(zhàn)略部署，編者在教材編寫過程中，以提高人才培養(yǎng)質(zhì)量為中心，堅持高等教育內(nèi)涵式發(fā)展，利用章節(jié)后的辯證思維、拓展閱讀、人物故事、科技創(chuàng)新和章節(jié)中的二維碼內(nèi)容，延伸和拓展化學(xué)工程與工藝專業(yè)基礎(chǔ)知識，并融入人文學(xué)科、化學(xué)和材料學(xué)科的基礎(chǔ)內(nèi)容，在章節(jié)內(nèi)容中推進(jìn)科教融匯和產(chǎn)教融合，以滿足讀者的多層次、多樣化需求。本教材圍繞化學(xué)反應(yīng)工程的兩大核心問題反應(yīng)動力學(xué)和反應(yīng)器的設(shè)計與分析，以培養(yǎng)讀者的工程素養(yǎng)、提升讀者的工程計算能力為目標(biāo)，注重從不同的維度思考化學(xué)工程問題，把握宏觀和微觀、特殊和一般的關(guān)系，培養(yǎng)讀者的辯證思維、系統(tǒng)思維的能力。
化學(xué)反應(yīng)工程是內(nèi)蒙古大學(xué)的一流本科專業(yè)課程。在內(nèi)蒙古自治區(qū)級和國家級化學(xué)工程與工藝一流本科專業(yè)建設(shè)經(jīng)費的支持下，編者編寫了本書。教材內(nèi)容具有以下幾個方面的特點：①緒論部分將反應(yīng)器設(shè)計與分析的問題明了化，明確設(shè)計參數(shù)，幫助學(xué)生盡早建立課程學(xué)習(xí)的思維模式。②注重培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)，教材以核心內(nèi)容為主線，增加化學(xué)反應(yīng)工程發(fā)展史、學(xué)科代表性人物簡介、催化劑應(yīng)用等背景知識和前沿研究的介紹，以弘揚科學(xué)家精神為核心，引導(dǎo)學(xué)生將科研和創(chuàng)新精神內(nèi)化于心，外化于行。③教材各章內(nèi)容中增加了思維導(dǎo)圖和知識要點，便于引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成辯證思維和系統(tǒng)思維，有助于學(xué)生進(jìn)行復(fù)習(xí)和知識點的拓展。④教材各章增加學(xué)科素養(yǎng)與思考，便于教師課程思政元素的提取，引導(dǎo)學(xué)生理論聯(lián)系實際。⑤注重培養(yǎng)和提升學(xué)生的工程計算能力，匯集經(jīng)典例題，分析動力學(xué)研究方法、反應(yīng)器的類型、流體模型、結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)，提升學(xué)生對反應(yīng)器設(shè)計與分析的認(rèn)知。⑥根據(jù)內(nèi)蒙古地區(qū)石油化工和煤化工的行業(yè)特點，通過典型工業(yè)應(yīng)用案例，分析多相反應(yīng)器的流體特點、傳遞特性、設(shè)計模型及設(shè)計中的技術(shù)難點和關(guān)鍵問題。⑦受教材篇幅的限制，部分公式推導(dǎo)過程、四階龍格-庫塔法、Matlab程序求解常微分方程組的數(shù)值解的過程，以二維碼的形式加以體現(xiàn)。
本書以介紹反應(yīng)動力學(xué)和反應(yīng)器的設(shè)計與分析為主線，介紹均相反應(yīng)器、多相反應(yīng)器的設(shè)計方程、優(yōu)化方法，突出工程特色，注重學(xué)生計算能力的培養(yǎng)。本書內(nèi)容豐富，具有較強(qiáng)的系統(tǒng)性、實用性，參考學(xué)時48～64。各章均有學(xué)習(xí)要求、知識脈絡(luò)的思維導(dǎo)圖、知識要點分析和習(xí)題，有利于讀者對本書內(nèi)容的掌握和應(yīng)用。
為方便本教材在教學(xué)中的使用，還配套提供了豐富的課后習(xí)題、習(xí)題答案和章節(jié)課件。
本書由內(nèi)蒙古大學(xué)李常艷主編，郭艷、張先明、谷曉俊副主編。李常艷負(fù)責(zé)第1章、第2章、第4章、第5章和第6章的書稿內(nèi)容，李琦、賈文宇、薛原千里、李翎碩、宋佳樂、鞏苗霞、楊茂渝、于海闊、張志誠和王可旭參與編寫。郭艷負(fù)責(zé)第3章，谷曉俊參與編寫。張先明負(fù)責(zé)第7章，谷曉俊參與編寫。全書由李常艷統(tǒng)稿，并凝練思維導(dǎo)圖、學(xué)科素養(yǎng)與思考、知識要點。參與章節(jié)拓展內(nèi)容編寫、二維碼和課件制作的人員有任麗瑤和許冬雪，參與習(xí)題答案編寫和校對的人員有袁端陽、高美赟、楊喆、高欣、鞏苗霞、戴振揚，參與素材搜集的人員有新加坡南洋理工大學(xué)的Susanti，對他們的辛苦付出表示由衷的感謝。編者在編寫過程中參考了多本《化學(xué)反應(yīng)工程》經(jīng)典教材中的基本理論，在此一并對這些教材的編者表示感謝！特別感謝華東理工大學(xué)許志美教授和內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)周華從教授對本書的審閱。
由于作者的水平有限，書中不足之處在所難免，懇請讀者批評指正并不吝賜教。
李常艷
2023年8月
第1章緒論1
本章學(xué)習(xí)要求1
本章思維導(dǎo)圖1
1.1化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)科的發(fā)展2
1.2化學(xué)反應(yīng)工程的研究范疇和任務(wù)2
1.2.1反應(yīng)動力學(xué)研究3
1.2.2反應(yīng)器的設(shè)計與分析3
1.3化學(xué)反應(yīng)和反應(yīng)器4
1.3.1化學(xué)反應(yīng)的分類4
1.3.2化學(xué)反應(yīng)器的類型5
1.3.3化學(xué)反應(yīng)器的操作方式7
1.4反應(yīng)器中流體的流動模型8
1.4.1全混流模型8
1.4.2活塞流模型8
1.4.3非理想流動模型9
1.5反應(yīng)器設(shè)計的基本方程9
1.6工業(yè)反應(yīng)器的放大10
學(xué)科素養(yǎng)與思考11
習(xí)題12
參考文獻(xiàn)12
第2章均相反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)13
本章學(xué)習(xí)要求13
本章思維導(dǎo)圖14
2.1基本概念14
2.1.1化學(xué)反應(yīng)式與化學(xué)反應(yīng)計量方程14
2.1.2反應(yīng)進(jìn)度15
2.1.3反應(yīng)速率15
2.1.4轉(zhuǎn)化速率和生成速率18
2.1.5轉(zhuǎn)化率、收率和選擇性20
2.2反應(yīng)速率方程的影響因素24
2.2.1速率常數(shù)與平衡常數(shù)之間的關(guān)系25
2.2.2溫度與動力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系26
2.2.3可逆吸熱反應(yīng)中溫度與化學(xué)反應(yīng)速率的關(guān)系27
2.2.4可逆放熱反應(yīng)中溫度與化學(xué)反應(yīng)速率的關(guān)系28
2.3復(fù)合反應(yīng)的動力學(xué)方程31
2.3.1平行反應(yīng)31
2.3.2連串反應(yīng)32
2.4反應(yīng)速率方程的變換與積分34
2.4.1單一反應(yīng)35
2.4.2復(fù)合反應(yīng)38
2.5動力學(xué)方程中參數(shù)的求解方法40
2.5.1積分法41
2.5.2微分法42
2.5.3最小二乘法42
辯證思維45
學(xué)科素養(yǎng)與思考45
習(xí)題46
參考文獻(xiàn)49
第3章均相理想反應(yīng)器50
本章學(xué)習(xí)要求50
本章思維導(dǎo)圖51
3.1理想間歇釜式反應(yīng)器51
3.1.1理想間歇釜式反應(yīng)器的特征51
3.1.2理想間歇釜式反應(yīng)器的設(shè)計方程52
3.1.3理想間歇釜式反應(yīng)器的計算52
3.2理想連續(xù)流動釜式反應(yīng)器58
3.2.1理想連續(xù)流動釜式反應(yīng)器的特征58
3.2.2理想連續(xù)流動釜式反應(yīng)器的設(shè)計方程59
3.2.3理想連續(xù)流動釜式反應(yīng)器的計算59
3.3理想流動管式反應(yīng)器62
3.3.1理想流動管式反應(yīng)器的特征62
3.3.2理想流動管式反應(yīng)器的設(shè)計方程63
3.3.3理想流動管式反應(yīng)器的計算63
3.4均相變溫反應(yīng)器65
3.4.1間歇釜式反應(yīng)器非等溫設(shè)計65
3.4.2全混流釜式反應(yīng)器非等溫設(shè)計67
3.4.3活塞流管式反應(yīng)器非等溫設(shè)計68
3.5全混流釜式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性69
3.5.1全混流釜式反應(yīng)器的定態(tài)與穩(wěn)定性69
3.5.2定態(tài)點的穩(wěn)定性分析70
3.5.3操作參數(shù)對多重定態(tài)的影響71
3.6均相反應(yīng)器的組合及優(yōu)化73
3.6.1連續(xù)流動釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián)73
3.6.2釜式反應(yīng)器和管式反應(yīng)器的組合優(yōu)化77
3.6.3復(fù)合反應(yīng)的優(yōu)化80
拓展閱讀84
學(xué)科素養(yǎng)與思考85
習(xí)題85
參考文獻(xiàn)87
第4章停留時間分布與反應(yīng)器的流動模型89
本章學(xué)習(xí)要求89
本章思維導(dǎo)圖90
4.1停留時間分布及其特征90
4.1.1停留時間分布的表達(dá)90
4.1.2停留時間分布的實驗測定93
4.1.3停留時間分布的統(tǒng)計特征值96
4.1.4用無量綱量表示停留時間統(tǒng)計特征值97
4.1.5脈沖法和階躍法的統(tǒng)計特征值98
4.2理想流動反應(yīng)器的停留時間分布101
4.2.1全混流模型的停留時間分布101
4.2.2活塞流模型的停留時間分布102
4.3非理想流動現(xiàn)象及其停留時間分布103
4.4非理想流動模型及模型參數(shù)104
4.4.1離析流模型104
4.4.2多釜串聯(lián)模型107
4.4.3軸向擴(kuò)散模型111
4.4.4非理想反應(yīng)器的計算116
4.5混合現(xiàn)象與流動模型120
4.5.1宏觀混合120
4.5.2微觀混合121
4.5.3早晚混合123
拓展閱讀125
學(xué)科素養(yǎng)與思考125
習(xí)題126
參考文獻(xiàn)127
第5章氣-固相催化反應(yīng)本征動力學(xué)128
本章學(xué)習(xí)要求128
本章思維導(dǎo)圖129
5.1固體催化劑129
5.1.1固體催化劑的組成129
5.1.2固體催化劑的宏觀物理性質(zhì)130
5.2多相催化與吸附131
5.2.1表面催化概念的產(chǎn)生及發(fā)展131
5.2.2物理吸附和化學(xué)吸附132
5.2.3理想吸附等溫方程134
5.2.4真實吸附等溫方程134
5.3氣-固相催化反應(yīng)動力學(xué)方程的建立137
5.3.1氣-固相催化反應(yīng)步驟137
5.3.2定態(tài)近似和速率控制138
5.3.3氣-固相催化反應(yīng)機(jī)理139
5.3.4氣-固相反應(yīng)速率方程的建立141
5.4氣-固相催化反應(yīng)本征動力學(xué)研究147
5.4.1動力學(xué)研究的意義和作用147
5.4.2丙烷脫氫反應(yīng)的動力學(xué)研究147
人物故事150
學(xué)科素養(yǎng)與思考151
習(xí)題151
參考文獻(xiàn)153
第6章多相催化反應(yīng)中的傳遞現(xiàn)象154
本章學(xué)習(xí)要求154
本章思維導(dǎo)圖155
6.1流體與催化劑顆粒外表面間的傳質(zhì)速率與傳熱速率155
6.1.1傳遞系數(shù)156
6.1.2流體與顆粒外表面間的濃度差和溫度差157
6.1.3等溫外擴(kuò)散有效因子158
6.1.4等溫外擴(kuò)散對典型復(fù)合反應(yīng)選擇性的影響159
6.2氣體在多孔介質(zhì)中的擴(kuò)散163
6.2.1擴(kuò)散的類型163
6.2.2多孔顆粒中的擴(kuò)散165
6.3多孔催化劑中的擴(kuò)散與反應(yīng)166
6.3.1薄片催化劑內(nèi)反應(yīng)組分的濃度分布166
6.3.2球形催化劑內(nèi)反應(yīng)組分的濃度分布168
6.3.3內(nèi)擴(kuò)散有效因子與梯爾模數(shù)169
6.3.4非一級反應(yīng)的內(nèi)擴(kuò)散有效因子174
6.3.5總有效因子176
6.3.6等溫內(nèi)擴(kuò)散對典型復(fù)合反應(yīng)選擇性的影響178
6.4氣-固相催化反應(yīng)過程179
6.4.1傳質(zhì)過程的控制階段180
6.4.2外擴(kuò)散影響的判定181
6.4.3內(nèi)擴(kuò)散影響的判定182
6.4.4擴(kuò)散對動力學(xué)本征參數(shù)的影響184
科技創(chuàng)新186
學(xué)科素養(yǎng)與思考187
習(xí)題187
參考文獻(xiàn)189
第7章多相反應(yīng)器的特征及工業(yè)應(yīng)用191
本章學(xué)習(xí)要求191
本章思維導(dǎo)圖192
7.1固定床反應(yīng)器192
7.1.1固定床反應(yīng)器的基本類型193
7.1.2固定床反應(yīng)器的流體力學(xué)194
7.1.3固定床反應(yīng)器中的傳遞現(xiàn)象196
7.1.4固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型197
7.1.5典型固定床反應(yīng)器的應(yīng)用案例198
7.2流化床反應(yīng)器206
7.2.1流化床反應(yīng)器的基本類型和特征速度206
7.2.2流化床反應(yīng)器的傳遞現(xiàn)象209
7.2.3流化床反應(yīng)器中的數(shù)學(xué)模型211
7.2.4氣-固密相流化床214
7.2.5循環(huán)流化床217
7.3氣-液反應(yīng)器221
7.3.1氣-液反應(yīng)器的基本類型和工業(yè)應(yīng)用221
7.3.2氣-液反應(yīng)器內(nèi)的傳遞現(xiàn)象222
7.3.3鼓泡反應(yīng)器226
7.3.4填料反應(yīng)器231
7.4氣-液-固三相反應(yīng)器233
7.4.1氣-液-固三相反應(yīng)器的宏觀反應(yīng)動力學(xué)233
7.4.2滴流床反應(yīng)器235
7.4.3三相流化床反應(yīng)器237
7.4.4鼓泡淤漿床反應(yīng)器238
大國重器239
學(xué)科素養(yǎng)與思考239
習(xí)題240
參考文獻(xiàn)242
電子教學(xué)課件和習(xí)題解答獲取方式242
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