化學反應工程(第五版)（簡體書）

《化學反應工程(第5版)》是《化學反應工程(第5版)》第三版(面向21世紀課程教材)和第四版(普通高等教育“十一五”國家級規劃教材)的修訂版，第五版是在第四版經兄弟學校教學使用五年的基礎上，吸取兄弟學校的意見而修訂的。
根據“面向21世紀‘化學工程與工藝’專業培養方案”的要求，化學工程與工藝專業力求培養基礎厚、專業寬、能力強、素質高、具有創新精神的化工專業人才，本教材正是按照這一培養目標編寫的。
《化學反應工程(第5版)》共分九章。全書的主線是化學反應與動量、質量、熱量傳遞交互作用的共性歸納綜合的宏觀反應過程，以及反應裝置的工程分析及設計。《化學反應工程(第5版)》所講述的化學反應工程屬工程學科，用自然科學的原理考察、解釋和處理工程實際問題。化學反應工程的研究方法是應用理論推演和實驗研究工業反應過程的規律而建立的數學模擬方法，結合工程實踐的經驗，應用于工程分析和設計，強調工程觀念，提倡理論與實際的結合。對學生進行定量計算和設計能力的訓練，提高學生分析問題和解決問題的能力及創新精神。
《化學反應工程(第5版)》為高等學校化學工程與工藝專業教材，也可供有關研究、設計和生產單位工程技術人員參考。

《化學反應工程(第5版)》是教育部精品教材,普通高等教育“十一五”國家級規劃教材,面向21世紀課程教材之一。

第五版前言
（一）
本書主編朱炳辰先生于2009年1月15日去世，享年80歲。
朱炳辰先生1929年1月7日生于安徽省休寧市，1951年8月畢業于上海交通大學工學院化工系，并留校任教。1952年10月華東化工學院建校，他來到華東化工學院無機化工系工作，先後任助教、講師、副教授、教授，長期擔任無機物工學教研組、無機化工教研組主任，1986年起為博士生導師。1982年至1986年期間曾先後擔任化工系副系主任和華東化工學院研究生處處長。從1981年起為華東化工學院第一、二、三、四、五屆校學術委員會和學位委員會委員，1989年受聘為國家教委博士生導師通訊評議化學工程與工業化學專家組成員，1990年受聘為國家科學基金會“化學工程學科發展戰略研究小組”成員。
朱炳辰先生忠誠黨的教育事業，全身心培養學生，他為國家培養了一大批博士、碩士和英才，他的學生遍及祖國各地，不少人已成為企業領導，為國家做出重大貢獻。他是學生心目中的好老師和好長輩。
朱炳辰先生是我國著名的化學反應工程學者、專家，在幾十年的教學和科研工作中，他積極倡導并身體力行化學工程與化學工藝結合，理論與實踐結合，將科研成果應用于化工生產企業。他勇于探索，注重實踐，在化學與催化反應工程領域開展了大量的基礎和應用。研究工作，成果豐碩。其中“徑向流體分布研究”獲1978年全國科學大會獎，“甲醇合成塔設計新方法”獲1985年國家科技進步二等獎，“年產20萬噸大型甲醇合成塔設計”獲1997年上海市科技進步一等獎，“三相漿態床反應工程應用基礎研究”獲2002年上海市科技進步二等獎等。他的科研成果應用于生產企業後，取得了巨大經濟效益和社會效益。
朱炳辰先生一生中撰寫出版了多部著作，他于20世紀60年代合著的《無機物反應過程動力學》一書是我國早期系統介紹化學反應工程的專著。20世紀80年代，他主編的《無機化工反應工程》教材被數十所高校選用。他的專著《化學反應工程》（第四版）被評為國家“十一五”規劃教材、全國精品教材。他的專著《催化反應工程》是全國研究生推薦教材。他還撰寫合著了《甲醇工學》、《大型合成氨工藝過程分析》等著作。
（二）
朱炳辰先生生前的最後幾年幾乎將全部精力用于《化學反應工程》教材的編寫上，在他去世的前幾天還在醞釀《化學反應工程》第五版的修改方案，在書上標了許多修改記號。
《化學反應工程》已出了四版。第一版由化學工業出版社于1993年出版，獲1996年全國高等學校化工類優秀教材二等獎和1998年化工科技進步三等獎。第二版由化學工業出版社于1998年出版，為上海普通高等學校“九五”重點教材，獲1999年上海普通高等學校優秀教材一等獎。第三版經教育部化工類專業人才培養及課程內容體系改革的研究與實踐項目組批準立項，由化學工業出版社于2001年出版，獲2003年上海市優秀教材一等獎。第四版被列為普通高等教育“十一五”國家級規劃教材，由化學工業出版社于2007年出版，2008年被評為教育部精品教材。
《化學反應工程》第五版是《化學反應工程》第三版（面向21世紀課程教材）和第四版（普通高等教育“十一五”國家級規劃教材，教育部精品教材）的修訂版，第五版是在第四版經兄弟學校教學使用五年的基礎上，吸取兄弟學校的意見而修訂的。
根據“面向21世紀‘化學工程與工藝’專業培養方案”的要求，化學工程與工藝專業力求培養基礎厚、專業寬、能力強、素質高、具有創新精神的化工專業人才，本教材正是按照這一培養目標編寫的。正如朱炳辰先生在第四版前言所說：“全書的主線是化學反應與動量、質量、熱量傳遞交互作用的共性歸納綜合的宏觀反應過程，以及反應裝置的工程分析和設計。本書所講述的化學反應工程屬工程學科，用自然科學的原理考察、解釋和處理工程實際問題。化學反應工程的研究方法是應用理論推演和實驗研究工業反應過程的規律而建立的數學模擬方法，結合工程實踐的經驗，應用于工程分析和設計，強調工程觀念，提倡理論與實際的結合。對學生進行定量計算和設計能力的訓練，培養學生分析問題和解決問題的能力及創新精神。”
《化學反應工程》第五版與第四版相比，加強了化學反應工程基本原理和通用反應工程的闡述，刪去了聚合反應工程基礎、生物反應工程基礎和電化學反應工程基礎三章，對其他各章也進行了適當的修改和刪減。全書的篇幅相當于第四版的2/3左右。
本書共分九章。第一章在回顧物理化學、化工熱力學等學科有關內容的基礎上，討論化學反應工程有關加壓下非理想氣體的反應熱、化學平衡，并強調化學反應器的設計要以化學特性和生產工藝為基礎。第二章至第九章以石油加工、石油化工、煤化工、非金屬礦與金屬礦的化學加工、化肥、基本無機及有機化工、精細化工等工業生產為背景，討論工業生產中宏觀反應過程的普遍規律。
本書第一至四版由我國化學工程與工藝學科著名學者浙江大學陳甘棠教授和華南理工大學黃仲濤教授審稿，兩位教授對書稿嚴格把關，精心潤色，提高了書稿的質量，深表感謝。華東理工大學顧其威教授對本書初稿提出許多寶貴建議，深表感謝。
本書由華東理工大學朱炳辰主編。各章執筆人為：緒論、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編寫；第三章（部分）及第四章由張濂編寫；第六章由張成芳編寫；第七章由房鼎業編寫。《化學反應工程》第五版由房鼎業整理、統稿。
朱子彬、王輔臣、徐懋生、潘銀珍、王弘軾、丁百全、姚佩芳、應衛勇、徐志剛、曹發海、陳閔松、何文軍、高崇、李濤、甘霖、王存文、樊蓉蓉、倪燕惠等提供了相關資料和部分例題的編寫及運算工作。第五版的書稿打印工作由胡智力完成。
（三）
這里，對《化學反應工程》第五版的教學理念、教學內容和教學方法提一些看法。
化學反應工程是化學工程與工藝專業的核心課程。化學工程作為一級工程技術學科就是要把化學實驗室中的研究成果實現產業化，其關鍵就是進行科技成果的開發與放大工作。本課程的研究對象是化學反應過程和反應器，因此應向學生強調本課程是“反應工藝開發之斧，反應設備設計之模，反應過程放大之橋”。本教材在教學理念上重視如下三個結合。
?化學工程與化學工藝相結合。化學反應工程的研究目的是實現工業反應過程與工業反應器的優化。化學工程著眼于反應過程與反應器中的傳遞過程，化學工藝著眼于反應過程與反應器中的化學反應，把兩者結合起來才能有效地實現反應過程的開發放大與優化。
?基本原理與反應器設計相結合。通過《化學反應工程》的學習，學生應掌握反應工程的基本原理，也要了解反應器的選型和設計。闡明原理是本課程的基礎，講述反應器數學模型是本課程的重點，兩者必須很好地結合。基本原理中的化學動力學、返混、反應過程熱量與質量傳遞、復合反應選擇性與收率、反應器熱穩定性等內容與間歇反應器、平推流反應器、全混流反應器的數學模型緊密結合進行教學。
?反應影響與傳遞影響相結合。工業反應過程中化學反應的影響與傳遞過程（動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞）的影響是本教材的基本內容。反應的影響與傳遞的影響是有機聯系的，兩者對反應過程開發、反應器放大都起重要作用。在使用本教材時，闡述均相反應過程、氣固相催化反應過程、氣液相反應過程、流固相非催化反應過程時應處處向學生強調反應影響與傳遞影響的結合，并舉出實例。
在使用本教材時，應將“方法論”作為教學重點。為使學生掌握化學反應工程的基本觀點和工程方法，培養學生分析與解決工程問題的實際能力，在使用本教材時，應特別強調“方法論”教學，結合主講教師的科研實踐，列舉化工過程開發中的實例，通過科學分析，工程思維和優化措施，解決工程實際問題。在使用本教材進行教學時，在闡述化學反應工程開發方法論時，向學生介紹“熱力學與動力學相結合的研究方法”、“反應過程與傳遞過程相結合的分析方法”、“大型冷模與小型熱模相結合的開發方法”、“數學模型與中間試驗相結合的放大方法”，可增強學生分析問題和解決問題的能力。
由于朱炳辰先生已經去世，本書整理、統稿人的水平有限，書中存在錯誤和疏漏之處，敬請讀者批評指正。
房鼎業
2011年5月

緒論1
一、物質轉化過程工業中的化學加工1
二、化學反應工程與多尺度及多學科的聯系2
三、數學模擬方法2
四、工程放大與優化3
參考文獻5

第一章 應用化學反應動力學及反應器設計基礎6
第一節 化學反應和工業反應器的分類6
一、化學反應的分類6
二、工業反應器的分類7
第二節 化學計量學10
一、化學計量式10
二、反應進度、轉化率及化學膨脹因子10
三、多重反應系統中獨立反應數的確定11
四、多重反應的收率及選擇率12
五、氣相反應的物料衡算13
第三節 加壓下氣相反應的反應焓和化學平衡常數13
一、理想氣體和實際氣體的狀態方程14
二、氣體的摩爾定壓熱容和氣相反應的摩爾反應焓15
三、實際氣體的化學反應平衡常數17
第四節 化學反應速率及動力學方程19
一、間歇系統及連續系統的化學反應速率19
二、動力學方程21
三、溫度對反應速率常數的影響22
第五節 溫度對反應速率的影響及最佳反應溫度23
一、溫度對單一反應速率的影響及最佳溫度曲線23
二、溫度對平行和連串反應速率的影響25
第六節 反應器設計基礎及基本設計方程27
一、反應器設計基礎27
二、反應器設計的基本方程29
第七節 討論與分析30
參考文獻31
習題31

第二章 氣-固相催化反應本征及宏觀動力學34
第一節 催化及固體催化劑34
一、催化反應34
二、固體催化劑35
第二節 化學吸附與氣-固相催化反應本征動力學模型36
一、吸附等溫方程37
二、均勻表面吸附動力學模型39
三、不均勻表面吸附動力學模型40
第三節 氣-固相催化反應宏觀過程與催化劑顆粒內氣體的擴散42
一、氣-固相催化反應宏觀過程42
二、固體催化劑顆粒內氣體的擴散與曲折因子46
第四節 內擴散有效因子49
一、等溫催化劑單一反應內擴散有效因子49
二、等溫內擴散對多重反應選擇率的影響54
三、非等溫催化劑內擴散有效因子55
第五節 氣-固相間熱、質傳遞過程對總體速率的影響57
一、外擴散有效因子57
二、工業催化反應器中氣流主體與催化劑外表面間的濃度差和溫度差58
第六節 固體顆粒催化劑的工程設計59
一、異形催化劑59
二、活性組分不均勻分布催化劑59
三、顆粒催化劑的孔徑分布及內表面積設計60
第七節 氣-固相催化反應宏觀動力學模型61
一、工業顆粒催化劑總體速率的實驗測定61
二、宏觀與本征反應動力學模型61
第八節 固體催化劑的失活63
一、固體催化劑失活的原因63
二、催化劑失活動力學64
第九節 討論與分析64
參考文獻66
習題68

第三章 釜式及均相管式反應器70
第一節 間歇釜式反應器70
一、釜式反應器的特征70
二、間歇釜式反應器的數學模型71
三、間歇釜式反應器的工程放大及操作優化74
第二節 連續流動均相管式反應器76
一、均相管式反應器的特征76
二、平推流均相管式反應器的數學模型77
第三節 連續流動釜式反應器83
一、連續流動釜式反應器的特征及數學模型83
二、多級全混釜的串聯及優化84
三、全混流反應器的熱穩定性88
第四節 理想流動反應器的體積比較93
第五節 多重反應的選擇率94
一、平行反應94
二、連串反應95
第六節 半間歇釜式反應器98
一、半間歇釜式反應器的特征98
二、半間歇釜式反應器的數學模型98
第七節 釜式反應器中進行的多相反應100
一、釜式反應器中進行的液-液非均相反應100
二、釜式反應器中進行的液-固非均相反應101
三、釜式反應器中進行的氣-液相絡合催化反應102
第八節 討論與分析102
參考文獻103
習題104

第四章 反應器中的混合及對反應的影響106
第一節 連續反應器中物料混合狀態分析106
一、混合現象的分類106
二、連續反應過程的考察方法107
第二節 停留時間分布108
一、停留時間分布的定義108
二、停留時間分布的實驗測定109
三、停留時間分布的數字特征111
四、理想流型反應器的停留時間分布113
五、停留時間分布曲線的應用116
第三節 非理想流動模型117
一、數學模型方法117
二、軸向混合模型117
三、多級串聯全混流模型119
第四節 非理想流動反應器的計算121
一、軸向混合反應器的轉化率121
二、多級串聯全混流反應器的轉化率122
第五節 討論與分析123
參考文獻124
習題124

第五章 固定床氣-固相催化反應工程126
第一節 固定床氣-固相催化反應器的基本類型和數學模型126
一、固定床氣-固相催化反應器的基本類型126
二、固定床催化反應器的數學模型129
第二節 固定床流體力學130
一、固定床的物理特性130
二、單相流體在固定床顆粒層中的流動及壓力降132
三、徑向流動反應器中流體的分布135
四、固定床流體的徑向及軸向混合139
第三節 固定床熱量與質量傳遞過程140
一、固定床徑向傳熱過程分析140
二、固定床對壁的給熱系數141
三、固定床徑向有效熱導率和壁給熱系數142
四、固定床徑向及軸向傳熱的偏微分方程143
五、固定床中流體與顆粒外表面間的傳熱與傳質144
第四節 絕熱式固定床催化反應器144
一、絕熱溫升及絕熱溫降145
二、絕熱催化床及乙苯催化脫氫制苯乙烯反應器146
三、多段換熱式催化反應器148
第五節 連續換熱內冷自熱式催化反應器151
一、內冷自熱式催化反應器的一維平推流數學模型151
二、內冷自熱式氨合成反應器的熱穩定性153
第六節 連續換熱外冷及外熱管式催化反應器154
一、連續換熱外冷管式催化床的數學模型154
二、連續換熱外冷管式催化反應器的飛溫及參數敏感性154
三、強放熱多重反應管式反應器的設計158
四、管式反應器的床層宏觀反應動力學和環氧乙烷合成反應器的活性校正系數案例159
五、連續換熱外熱管式催化反應器161
第七節 薄床層催化反應器161
一、薄床層催化反應器軸向返混模型161
二、薄床層氨氧化催化反應器的一維軸向彌散數學模型162
第八節 催化反應過程進展164
一、強制振蕩非定態周期操作催化反應過程164
二、催化-吸收耦聯164
三、催化-吸附耦聯165
四、催化-催化耦聯165
五、催化-蒸餾165
六、膜催化166
七、超臨界化學反應166
八、均相催化多相化167
九、微化工技術168
第九節 討論與分析168
參考文獻170
習題173

第六章 氣-液反應工程176
第一節 氣-液反應平衡176
一、氣-液相平衡176
二、溶液中氣體溶解度的估算177
三、帶化學反應的氣-液相平衡178
第二節 氣-液反應歷程180
一、氣-液相間物質傳遞180
二、化學反應在相間傳遞中的作用180
第三節 氣-液反應動力學特征182
一、伴有化學反應的液相擴散過程182
二、一級不可逆反應183
三、不可逆瞬間反應185
四、二級不可逆反應186
五、可逆反應187
六、平行反應189
第四節 氣-液反應器概述190
一、工業生產對氣-液反應器的要求190
二、氣-液反應器的形式和特點191
第五節 鼓泡反應器192
一、鼓泡反應器的操作狀態193
二、鼓泡反應器的流體力學特征194
三、鼓泡反應器的軸向混合195
四、鼓泡反應器的傳質、傳熱特性196
五、鼓泡反應器的簡化反應模型197
六、攪拌鼓泡反應器200
七、鼓泡反應器的熱穩定性200
第六節 填料反應器201
一、填料特性和兩相流動特征202
二、填料的潤濕表面和傳質系數203
三、填料反應器的軸向混合204
四、氣-液接觸有效表面204
五、填料反應器有效高度的計算204
第七節 討論與分析207
一、氣-液反應的特征207
二、氣-液反應器的適應性208
參考文獻208
習題210

第七章 流-固相非催化反應212
第一節 流-固相非催化反應的分類及特點212
一、流-固相非催化反應的分類212
二、流-固相非催化反應的特點214
三、流-固相非催化反應的研究方法215
第二節 流-固相非催化反應模型215
一、收縮未反應芯模型215
二、整體反應模型216
三、有限厚度反應區模型217
第三節 粒徑不變時縮芯模型的總體速率及控制218
一、總體速率218
二、流體滯流膜擴散控制220
三、固體產物層內擴散控制220
四、化學反應控制221
第四節 顆粒縮小時縮芯模型的總體速率222
一、流體滯流膜擴散控制223
二、化學反應控制223
三、宏觀反應過程與控制階段的判別223
第五節 流-固相非催化反應器及其計算226
一、流-固相非催化反應器226
二、固體顆粒呈平推流流動228
三、固體顆粒呈全混流流動229
第六節 討論與分析231
參考文獻233
習題234

第八章 流化床反應工程236
第一節 固體流態化的基本特征及工業應用236
一、流態化現象236
二、流化床反應器的流型、流型轉變及基本特征237
三、流態化技術的基本問題及與其他流-固接觸技術的比較241
四、流態化技術的工業應用242
第二節 流化床的特征速度243
一、臨界流化速度及起始鼓泡速度243
二、起始湍動流化速度、快速流態化及
密相氣力輸送的轉變速度246
第三節 氣-固密相流化床247
一、氣-固密相流化床的基本結構247
二、氣-固鼓泡流化床250
三、鼓泡流化床反應器的數學模型255
四、湍動流化床256
五、氣-固密相流化床的工業應用257
第四節 循環流化床260
一、流型轉變260
二、循環流化床的工業應用261
第五節 討論與分析266
參考文獻267
習題268

第九章 氣-液-固三相反應工程270
第一節 氣-液-固三相反應器的類型及宏觀反應動力學270
一、氣-液-固三相反應器的類型270
二、氣-液-固三相反應的宏觀反應動力學273
第二節 三相滴流床反應器275
一、氣、液并流向下通過固定床的流體力學275
二、滴流床三相反應器中的傳遞過程277
三、石油加工中催化加氫裂化的加壓滴流床三相反應器278
第三節 機械攪拌鼓泡懸浮式三相反應器279
一、機械攪拌鼓泡懸浮式三相反應器的特征279
二、機械攪拌反應器中三相床甲醇合成和一步法二甲醚合成案例279
第四節 鼓泡淤漿床反應器282
一、鼓泡淤漿床反應器的流體力學282
二、鼓泡淤漿反應器中的傳遞過程285
第五節 氣-液并流向上三相流化床反應器287
一、煤的直接液化三相流化床反應器287
二、氣-液并流向上三相流化床的流體力學288
三、氣-液并流向上三相流化床中的傳遞過程290
第六節 氣-液-固三相懸浮床反應器的數學模型291
一、三相懸浮床反應器的數學模型291
二、鼓泡三相淤漿床甲醇合成的數學模型和試驗驗證292
三、三相床F-T合成294
第七節 討論與分析296
參考文獻297
習題300

?應掌握化學及催化劑研究工作者所獲有關反應網絡，催化劑對主、副反應的促進及抑制能力，對反應溫度、原料組成、壓力、空速的要求和在一定條件下能獲得的轉化率、選擇率和收率的研究成果。
?應掌握反應過程的熱力學數據和黏度、熱導率及擴散系數等物性數據。有關生產工藝書籍常介紹許多反應的理想氣體狀態的反應平衡常數及反應焓與溫度的關聯式。許多工業氣一固相催化反應在加壓下進行，如果壓力較高而必須考慮氣體的非理想性質時，需按逸度計算反應平衡常數和反應速率，并計入加壓對反應焓和物性數據的影響。為此，本章第三節在物理化學和化工熱力學的基礎上，闡述了狀態方程及其他方法供編制計算機程序時使用。
?研究工作者所進行的反應動力學研究大都是在等溫條件下，通過改變反應物系進口組成、空速和溫度等參數的實驗數據，再經整理而得的本征動力學，缺少反應器設計需要的內、外擴散過程及還原、失活等過程影響的工業顆粒催化劑宏觀動力學數據。在這種情況下，反應器設計工作者往往只能按本征動力學計算，再加以校正；或者在工業反應的壓力和相應的組成及溫度范圍內測試工業顆粒催化劑包含內擴散過程在內的宏觀反應動力學，再加以校正。
?許多與流體、固體顆粒流動狀況密切相關的反應器，如流化床反應器，按工業反應器考慮的反應動力學，又稱為反應器級或床層級宏觀反應動力學，必須在顆粒級宏觀反應動力學的基礎上考慮流動狀況的影響，這些問題往往是當今反應工程研究工作者的重點研究內容。
?盡管催化劑開發的研究工作者對催化劑的失活與毒物的品種及含量，起始活性溫度和耐熱溫度等問題進行過必要的實驗研究，但最好多了解工業反應器中催化劑的實際操作運行情況，如工業催化劑的失活與毒物含量、使用時間的關系，催化反應操作失控而導致飛溫，由于氣一液、氣一固等反應器各種部件設計不妥導致流體分布不均，從而達不到設計工藝指標等方面的實際案例，以便對反應器的設計、操作和原料氣制備方面提出必要的改進建議。