反應工程(第三版)（簡體書）

《全國普通高等學校優秀教材．普通高等教育“九五”國家級重點教材：反應工程（第3版）》從應用的角度和進行反應器設計與分析的需要出發，闡明反應動力學的基本原理。對於多相系統，較詳細地討論了化學反應與傳遞現象間的相互作用和定量處理方法。以理想流動模型為基礎，對等溫和變溫流動反應器的設計計算作了較詳盡的討論。介紹了流動系統停留時間分佈的基本理論和實驗測定，以及由停留時間分佈建立實際反應器流動模型的方法。在理論反應器的基礎上，對於實際反應器重點討論氣固催化反應器的設計和分析，對於氣液反應和氣液固相催化反應亦作了扼要介紹。有關間歇反應器和半連續反應器的問題本書也予以足夠的重視。此外，還簡單論述了有關生化反應工程、聚合反應工程和電化學反應工程的基本理論與特點。書中編入了大量工業實例和習題。
《全國普通高等學校優秀教材．普通高等教育“九五”國家級重點教材：反應工程（第3版）》除作教材外，還可供從事化工生產、科研和設計工作的工程技術人員參考。

《普通高等教育"九五"國家級重點教材:反應工程(第3版)》系為高等院校本科化工類專業化學反應工程課而編寫的一本教材。《普通高等教育"九五"國家級重點教材:反應工程(第3版)》除作教材外，還可供從事化工生產、科研和設計工作的工程技術人員參考。

第三版序
天津大學《反應工程》教材是已故李紹芬教授和他的同事們辛勤耕耘的結果，深受國內廣大讀者的青睞。本書曾列為普通高等教育“九五”國家級重點教材，并榮獲2002年全國普通高等學校優秀教材一等獎。本書自1989年出版、2000年修訂再版，至今已累計印刷23次，成為國內不可或缺的高等學校規劃教材之一。
雖然天津大學從事反應工程教學的老一輩教師早已全部退休，但他們留下的優秀教材，歷經二十余年的歲月，依舊在反應工程教學和科研中發揮著重要的作用，且陸續被更多的高校師生所認可與使用，延續了其特有的價值。時間也進一步證明了本書是一本難得的化工專業經典教材。
反應工程的研究，在近十幾年里發生了很多顯著的變化。學科交叉的特點更加突出，在能源、材料、制藥和環境等領域，已經彰顯出越來越重要的作用。在傳統的化工行業，則高度重視反應過程的微觀描述，以及過程集成與強化產生的節能降耗效果。與之相適應的化工類專業人才培養目標，應更加注重工程實踐能力的提高，以滿足教育部提出的卓越工程師教育培養計劃的要求。
為此，對教材再次做出修訂。作為新一輩的教師，盡管難以堪此重負，卻又責無旁貸地肩負起修訂的責任。此次再版，本著保留原教材主要內容和寫作風格的原則，延續了教材文字精練、內容豐富、深入淺出的特點，除對原教材中的疏漏進行了勘誤外，還適當擴充了工程案例，增加并改編了部分例題和習題，簡要敘述了反應工程的新進展，以期更好地服務于高校師生和廣大讀者。
本書的修訂工作由天津大學辛峰教授、王富民教授和蔡旺鋒副教授共同完成。
不妥之處，敬請指正。
修訂者2012年12月2日
第二版序
化學反應工程課是化工類專業大學本科的一門技術基礎課程，國內眾多高校對此已達成共識，《反應工程》一書就是在此基礎上編寫的。第一版由化學工業出版社于1990年出版，已經先后印刷了六次，累計印數為2.41萬冊，且各次印數逐次增加。該書1996年榮獲化工部全國高校化工類優秀教材一等獎，1997年全國優秀教學成果二等獎。
本書為《反應工程》第二版，是為經調整和拓寬專業后而設立的“化學工程和工藝類”專業大學本科生所編寫，被列為國家級“九五”重點立項教材。
《反應工程》第一版問世以來已有十年，經過我校多年的教學實踐，發現了一些不足之處。在此期間一些兄弟院校的同行們對書中部分章節也提出過有價值的建議。為此，第二版對第一版的八章作了適當的修改與補充，使之在有關反應動力學、反應器設計與分析方面的概念更為確切、清楚。在氣固催化流化床中補充了循環流化床反應器。為了拓寬學生專業面，又新添了生化反應工程基礎、聚合反應工程基礎和電化學反應工程基礎三章，以適應信息、材料、生物和環境等高新技術的發展。這三部分雖然都具有其自身的特點和規律，但是它們的基本理論和基礎仍是前八章較為詳述的化學反應工程。所以，后三章側重簡單論述有關的基本理論與特點，以便學生對這些交叉學科有一些初步的了解，為進一步學習打下基礎。這三章可以根據學生的專業方向加以選擇。
本書由李紹芬教授主編。具體參加編寫工作的有李紹芬、張瑛、張好講、廖暉和陳延禧等同志。生物化學工程系趙學明教授、馬紅武講師和有機合成與高分子化工系曹同玉教授、孫經武教授分別對第九、十章進行了修改。所以，全書是天津大學化工學院眾多教師集體智慧的結晶。陳敏恒教授和袁乃駒教授擔任本書的主審，他們對全書進行了詳細的審閱，提出了許多寶貴的意見和建議，在此特向他們表示誠摯的謝意。
由于我們水平有限，缺點和錯誤在所難免，懇切希望讀者予以批評指正。
編者
1999年6月
第一版序
化學反應工程是化學工程學科的一個重要組成部分，也是大學本科化工類專業學生的必修課程之一。國內高等院校對此課程的開設有兩種不同的做法，一是有關專業共同開設，即作為技術基礎課開出；另一種做法則按專業課處理，各專業單獨開課。我們采取前一種做法，本書也就是在此前提下，經過多年的教學實踐，數易其稿而成的。
化學反應工程課的基本內容包括反應動力學和反應器設計與分析兩個方面。本書在物理化學課的基礎上，從應用的角度論述反應器設計與分析所涉及的動力學問題，并作適當的擴充。對于反應器設計與分析則著重在理想反應器方面，使學生打下扎實的基礎，學會分析問題和解決問題的方法，以便遇到較為復雜的問題時不至于無從下手。在反應類別和反應器類型的選擇上保持了一定的廣度，但又有所側重而不是面面俱到。除了均相反應外，對于多相反應，特別是氣固相催化反應及反應器，作了較為詳細的討論。這一方面是因為該類反應及反應器十分典型，掌握其基本原理后，當起到舉一反三、事半功倍的作用。另一方面，也是由于這方面的研究工作較為充分和完善的緣故。再者，此類反應的工業應用也十分廣泛。所以，以多相催化反應及反應器作為重點是十分適宜的。
以往的教學經驗告訴我們，學生學習化學反應工程課時最大的困難是數學問題，這里面原因很多，此處不擬深究。為此，本書所涉及的數學問題除極個別的情況外，只限于初等數學與微積分以及常微分方程，另外還需少量的概率論和數理統計方面的基本知識。為了培養學生的實際計算能力，減少做題中的困難，書中編入了大量的例題，且多為工業生產實際反應的例子，這樣做有利于理論聯系實際，提高學生的學習興趣和聯系實際的能力。當然，書中的例題同樣地起到驗證理論、幫助理解概念和闡明方法等公認的作用。各章末還附有豐富的習題供練習用。這些習題及例題大多數為編者在多年教學實踐中所編就，難易程度和繁簡程度都有所差異，其中有些還需使用計算機計算。
全書系天津大學化工系反應工程教研室全體同志集體智慧的結晶。具體參加編寫工作的有李紹芬、劉邦榮、黃璐、張瑛、廖暉、張好講和趙學明等同志，最后由李紹芬整理、修改和定稿。陳敏恒教授對全書進行了審閱，提出了很好的建議和精辟的見解，在此向他表示衷心的感謝。許多兄弟院校的同行們對本書的部分章節也曾提出了很有價值的意見，使本書增輝不少，這里我們向他們表示深切謝意。然而，我們的水平畢竟有限，錯誤在所難免，懇切希望讀者批評指正。
編者
1989年7月

1緒論
1.1化學反應工程
1.2化學反應的轉化率和收率
1.2.1反應進度
1.2.2轉化率
1.2.3收率與選擇性
1.3化學反應器的類型
1.4化學反應器的操作方式
1.5反應器設計的基本方程
1.6工業反應器的放大
1.7反應工程的新進展
習題

2反應動力學基礎
2.1化學反應速率
2.2反應速率方程
2.3溫度對反應速率的影響
2.4複合反應
2.4.1反應組分的轉化速率和生成速率
2.4.2複合反應的基本類型
2.4.3反應網絡
2.5反應速率方程的變換與積分
2.5.1單一反應
2.5.2複合反應
2.6多相催化與吸附
2.6.1多相催化作用
2.6.2吸附與脫附
2.7多相催化反應動力學
2.7.1定態近似和速率控制步驟
2.7.2多相催化反應速率方程
2.8動力學參數的確定
2.8.1積分法
2.8.2微分法
2.9建立速率方程的步驟
習題

3釜式反應器
3.1釜式反應器的物料衡算式
3.2等溫間歇釜式反應器的計算（單一反應）
3.2.1反應時間及反應體積的計算
3.2.2最優反應時間
3.3等溫間歇釜式反應器的計算（複合反應）
3.3.1平行反應
3.3.2連串反應
3.4連續釜式反應器的反應體積
3.5連續釜式反應器的串聯與並聯
3.5.1概述
3.5.2串聯釜式反應器的計算
3.5.3串聯釜式反應器各釜的最佳反應體積比
3.6釜式反應器中複合反應的收率與選擇性
3.6.1總收率與總選擇性
3.6.2平行反應
3.6.3連串反應
3.7半間歇釜式反應器
3.8變溫間歇釜式反應器
3.9連續釜式反應器的定態操作
3.9.1連續釜式反應器的熱量衡算式
3.9.2連續釜式反應器的定態
小結
習題

4管式反應器
4.1活塞流假設
4.2等溫管式反應器設計
4.2.1單一反應
4.2.2多個反應
4.2.3擬均相模型
4.3管式與釜式反應器反應體積的比較
4.4循環反應器
4.5變溫管式反應器
4.5.1管式反應器的熱量衡算式
4.5.2絕熱管式反應器
4.5.3非絕熱變溫管式反應器
4.6管式反應器的最佳溫度序列
4.6.1單一反應
4.6.2複合反應
習題

5停留時間分佈與反應器的流動模型
5.1停留時間分佈
5.1.1概述
5.1.2停留時間分佈的定量描述
5.2停留時間分佈的實驗測定
5.2.1脈衝法
5.2.2階躍法
5.3停留時間分佈的統計特徵值
5.4理想反應器的停留時間分佈
5.4.1活塞流模型
5.4.2全混流模型
5.5非理想流動現象
5.6非理想流動模型
5.6.1離析流模型
5.6.2多釜串聯模型
5.6.3軸向擴散模型
5.7非理想反應器的計算
5.8流動反應器中流體的混合
習題

6多相系統中的化學反應與傳遞現象
6.1多相催化反應過程步驟
6.1.1固體催化劑的宏觀結構及性質
6.1.2過程步驟
6.2流體與催化劑顆粒外表面間的傳質與傳熱
6.2.1傳遞係數
6.2.2流體與顆粒外表面間的濃度差和溫度差
6.2.3外擴散對多相催化反應的影響
6.3氣體在多孔介質中的擴散
6.3.1孔擴散
6.3.2多孔顆粒中的擴散
6.4多孔催化劑中的擴散與反應
6.4.1多孔催化劑內反應組分的濃度分佈
6.4.2內擴散有效因子
6.4.3非一級反應的內擴散有效因子
6.4.4內外擴散都有影響時的有效因子
6.5內擴散對複合反應選擇性的影響
6.6多相催化反應過程中擴散影響的判定
6.6.1外擴散影響的判定
6.6.2內擴散影響的判定
6.7擴散干擾下的動力學假像
習題

7多相催化反應器的設計與分析
7.1固定床內的傳遞現象
7.1.1固定床內的流體流動
7.1.2質量和熱量的軸向擴散
7.1.3徑向傳質與傳熱
7.2固定床反應器的數學模型
7.3絕熱式固定床反應器
7.3.1絕熱反應器的類型
7.3.2固定床絕熱反應器的催化劑用量
7.3.3多段絕熱式固定床反應器
7.4換熱式固定床反應器
7.4.1引言
7.4.2進行單一反應時的分析
7.4.3進行複合反應時的分析
7.5自熱式固定床反應器
7.5.1反應物料的流向
7.5.2數學模擬
7.6參數敏感性
7.7流化床反應器
7.7.1流態化
7.7.2流化床催化反應器
7.8實驗室催化反應器
7.8.1基本要求
7.8.2主要類型
習題

8多相反應器
8.1氣液反應
8.2氣液反應器
8.2.1主要類型
8.2.2鼓泡塔的設計
8.2.3攪拌釜式反應器的設計
8.3氣液固反應
8.3.1概述
8.3.2氣液固相催化反應的傳遞步驟與速率
8.4滴流床反應器
8.4.1概述
8.4.2數學模型
8.5漿態反應器
8.5.1類型
8.5.2傳質與反應
8.5.3機械攪拌釜的設計
習題

9生化反應工程基礎
9.1概述
9.2生化反應動力學基礎
9.2.1酶催化反應及其動力學
9.2.2微生物的反應過程動力學
9.3固定化生物催化劑
9.3.1概述
9.3.2酶和細胞的固定化
9.3.3固定化生物催化劑的催化動力學
9.4生化反應器
9.4.1生化反應器類型
9.4.2生化反應器的計算
習題

10聚合反應工程基礎
10.1概述
10.2聚合反應動力學分析
10.2.1聚合反應分類
10.2.2聚合度及其分佈
10.2.3均相自由基聚合反應
10.2.4縮聚反應
10.2.5影響聚合反應速率的因素
10.3聚合過程的傳熱與傳質分析
10.3.1聚合過程熱效應特點
10.3.2解決聚合過程傳熱與流動的措施
10.3.3傳熱係數與傳質係數
10.4聚合反應器的設計與分析
10.4.1聚合反應器與攪拌器
10.4.2數學模型
10.4.3聚合反應器的計算與分析
習題

11電化學反應工程基礎
11.1引言
11.1.1電化學反應的特點
11.1.2電化學反應工程的質量指標
11.2電化學反應工程中的特殊問題
11.2.1電極表面的電位及電流分佈
11.2.2析氣效應
11.2.3電化學工程中的傳質過程
11.2.4電化學工程中的熱傳遞與熱衡算
11.3電化學反應器
11.3.1電化學反應器的類型
11.3.2電化學反應器的工作特性
11.3.3電化學反應器的聯結與組合
習題
參考文獻

5 停留時間分布與反應器的流動模型
在第3章及第4章中討論了兩種不同類型的流動反應器——連續釜式反應器和管式反應器。在相同的情況下，兩者的操作效果有很大的差別，究其原因是由于反應物料在反應器內的流動狀況不同，即停留時間分布不同。本章將對此作進一步討論，闡明流動系統的停留時間分布的定量描述及其實驗測定方法。
前面關于連續釜式反應器的設計系基于反應區內物料濃度均一這一假定，處理管式反應器問題時則使用了活塞流的假定；如果不符合這兩種假定，就需要建立另外的流動模型，以便對反應器進行設計與分析。流動模型的建立是基于停留時間分布，這是本章所要討論的另一主要內容。此外，還要在所建立模型的基礎上，說明該類反應器的性能和設計計算。
化學反應器中流體的混合直接影響到化學反應的進行，本章最后還要簡單地介紹有關流動反應器內流體混合問題，闡明幾個基本概念。
5.1停留時間分布
5.1.1 概述
化學反應進行的完全程度與反應物料在反應器內停留時間的長短有關，時間越長，反應進行得越完全，可見，研究反應物料在反應器內的停留時間問題具有十分重要的意義。對于間歇反應器，這個問題比較簡單，因為反應物料是一次裝入，所以在任何時刻下反應器內所有物料在其中的停留時間都是一樣的，不存在任何停留時間分布問題，間歇反應器反應物料停留時間的測量與控制是輕而易舉的事。對于流動系統，情況就不同了，由于流體連續不斷流入系統而又連續地由系統流出，流體的停留時間問題比較復雜，通常所說的停留時間是指流體以進入系統時算起，到其離開系統時為止，在系統內總共經歷的時間，即流體從系統的進口至出口所耗費的時間。這里自然會提出這樣的一個問題，同時進入系統的流體，是否也同時離開系統？由于流體是連續的，而流體分子的運動又是無序的，所有分子都遵循同一的途徑向前移動是不可能的，完全是一個隨機過程。正因為這樣，不能對單個分子考察其停留時間，而是對一堆分子進行研究。這一堆分子所組成的流體，稱之為流體粒子或微團。流體粒子的體積比起系統的體積小到可以忽略不計，但其所包含的分子又足夠多，具有確切的統計平均性質。那么，同時進入系統的流體粒子是否也同時離開呢？亦即它們在系統中的停留時間會不會相同呢？現實生活中很難找到這樣的系統，但是并不排除會存在大體相等的情況，第四章對管式反應器所作的活塞流假定就是基于這一情況。