《化學反應工程簡明教程》以化學反應動力學和反應器的設計與分析為主線，系統(tǒng)介紹了化學反應工程的基本理論、均相反應動力學基礎、均相理想反應器、停留時間分布與反應器的流動模型、氣-固相催化反應本征動力學、多相催化反應中的傳遞現象、多相反應器的特征及工業(yè)應用等內容。本書突出工程特色，注重對學生反應器設計與分析思維方式的培養(yǎng)，注重工程技術中數理問題的推導，便于學生結合例題和案例理解反應器的類型與流體模型的匹配。本書各章均配有知識脈絡的思維導圖、知識要點分析、學科素養(yǎng)與思考、習題，并通過二維碼配有衍生閱讀內容和計算推導過程，讀者可掃碼觀看或下載。為便于教學，本書還配備了電子教學課件和習題解答，亦可通過掃描二維碼獲取。本書可作為高等院�；ゎ悓I(yè)教材，也可為相關領域的研究人員和工程技術人員提供參考。
化學反應工程是化學工程與工藝專業(yè)的一門核心課程。這門課程在提升學生工程認知和解決復雜工程問題的能力方面，發(fā)揮著重要作用�；瘜W反應工程是建立在數學、物理及化學等基礎學科上而有著自己特點的應用學科，具有邏輯性強、專業(yè)化程度高、理論知識抽象的特點。這些特點導致學生學習該門課程時存在理解和應用方面的困難，使教學工作難以達到預期的效果。為了滿足教學的需要，根據國家關于化學工程與工藝相關專業(yè)學生的培養(yǎng)要求，內蒙古大學、內蒙古鄂爾多斯應用技術學院四位長期從事化學反應工程教學的教師，總結十幾年的教學經驗，在教學講義的基礎上，結合經典教材，編寫了《化學反應工程簡明教程》。
編者在多年的教學實踐中發(fā)現，學生學習化學反應工程遇到的最大困難是數學問題，主要表現為工程思維和工程計算能力不足，遇到反應器設計與分析過程中的計算問題時無從下手。
鑒于上述問題，《化學反應工程簡明教程》在編寫過程中側重于剖析典型例題和工業(yè)反應器的實際案例，注重工程計算中的數理性推導，幫助讀者結合例題和案例，進一步理解反應器類型與流體模型的匹配，確定反應器設計與分析的結構要點和技術參數，建立反應器設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，編者結合學科特點，每個章節(jié)都提出了相應的學科素養(yǎng)與思考，力爭做好人才培養(yǎng)過程中的精神引領和思想保證。另外，圍繞二十大報告提出的加快建設教育強國的戰(zhàn)略部署，編者在教材編寫過程中，以提高人才培養(yǎng)質量為中心，堅持高等教育內涵式發(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)中的二維碼內容，延伸和拓展化學工程與工藝專業(yè)基礎知識，并融入人文學科、化學和材料學科的基礎內容，在章節(jié)內容中推進科教融匯和產教融合，以滿足讀者的多層次、多樣化需求。本教材圍繞化學反應工程的兩大核心問題反應動力學和反應器的設計與分析，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，注重從不同的維度思考化學工程問題，把握宏觀和微觀、特殊和一般的關系，培養(yǎng)讀者的辯證思維、系統(tǒng)思維的能力。
化學反應工程是內蒙古大學的一流本科專業(yè)課程。在內蒙古自治區(qū)級和國家級化學工程與工藝一流本科專業(yè)建設經費的支持下，編者編寫了本書。教材內容具有以下幾個方面的特點：①緒論部分將反應器設計與分析的問題明了化，明確設計參數，幫助學生盡早建立課程學習的思維模式。②注重培養(yǎng)學生的工程素養(yǎng)，教材以核心內容為主線，增加化學反應工程發(fā)展史、學科代表性人物簡介、催化劑應用等背景知識和前沿研究的介紹，以弘揚科學家精神為核心，引導學生將科研和創(chuàng)新精神內化于心，外化于行。③教材各章內容中增加了思維導圖和知識要點，便于引導學生養(yǎng)成辯證思維和系統(tǒng)思維，有助于學生進行復習和知識點的拓展。④教材各章增加學科素養(yǎng)與思考，便于教師課程思政元素的提取，引導學生理論聯(lián)系實際。⑤注重培養(yǎng)和提升學生的工程計算能力，匯集經典例題，分析動力學研究方法、反應器的類型、流體模型、結構和技術參數之間的關聯(lián)，提升學生對反應器設計與分析的認知。⑥根據內蒙古地區(qū)石油化工和煤化工的行業(yè)特點，通過典型工業(yè)應用案例，分析多相反應器的流體特點、傳遞特性、設計模型及設計中的技術難點和關鍵問題。⑦受教材篇幅的限制，部分公式推導過程、四階龍格-庫塔法、Matlab程序求解常微分方程組的數值解的過程，以二維碼的形式加以體現。
本書以介紹反應動力學和反應器的設計與分析為主線，介紹均相反應器、多相反應器的設計方程、優(yōu)化方法，突出工程特色，注重學生計算能力的培養(yǎng)。本書內容豐富，具有較強的系統(tǒng)性、實用性，參考學時48～64。各章均有學習要求、知識脈絡的思維導圖、知識要點分析和習題，有利于讀者對本書內容的掌握和應用。
為方便本教材在教學中的使用，還配套提供了豐富的課后習題、習題答案和章節(jié)課件。
本書由內蒙古大學李常艷主編，郭艷、張先明、谷曉俊副主編。李常艷負責第1章、第2章、第4章、第5章和第6章的書稿內容，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。郭艷負責第3章，谷曉俊參與編寫。張先明負責第7章，谷曉俊參與編寫。全書由李常艷統(tǒng)稿，并凝練思維導圖、學科素養(yǎng)與思考、知識要點。參與章節(jié)拓展內容編寫、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《化學反應工程》經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許志美教授和內蒙古工業(yè)大學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
本章學習要求1
本章思維導圖1
1.1化學反應工程學科的發(fā)展2
1.2化學反應工程的研究范疇和任務2
1.2.1反應動力學研究3
1.2.2反應器的設計與分析3
1.3化學反應和反應器4
1.3.1化學反應的分類4
1.3.2化學反應器的類型5
1.3.3化學反應器的操作方式7
1.4反應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反應器設計的基本方程9
1.6工業(yè)反應器的放大10
學科素養(yǎng)與思考11
習題12
參考文獻12
第2章均相反應動力學基礎13
本章學習要求13
本章思維導圖14
2.1基本概念14
2.1.1化學反應式與化學反應計量方程14
2.1.2反應進度15
2.1.3反應速率15
2.1.4轉化速率和生成速率18
2.1.5轉化率、收率和選擇性20
2.2反應速率方程的影響因素24
2.2.1速率常數與平衡常數之間的關系25
2.2.2溫度與動力學參數之間的關系26
2.2.3可逆吸熱反應中溫度與化學反應速率的關系27
2.2.4可逆放熱反應中溫度與化學反應速率的關系28
2.3復合反應的動力學方程31
2.3.1平行反應31
2.3.2連串反應32
2.4反應速率方程的變換與積分34
2.4.1單一反應35
2.4.2復合反應38
2.5動力學方程中參數的求解方法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
學科素養(yǎng)與思考45
習題46
參考文獻49
第3章均相理想反應器50
本章學習要求50
本章思維導圖51
3.1理想間歇釜式反應器51
3.1.1理想間歇釜式反應器的特征51
3.1.2理想間歇釜式反應器的設計方程52
3.1.3理想間歇釜式反應器的計算52
3.2理想連續(xù)流動釜式反應器58
3.2.1理想連續(xù)流動釜式反應器的特征58
3.2.2理想連續(xù)流動釜式反應器的設計方程59
3.2.3理想連續(xù)流動釜式反應器的計算59
3.3理想流動管式反應器62
3.3.1理想流動管式反應器的特征62
3.3.2理想流動管式反應器的設計方程63
3.3.3理想流動管式反應器的計算63
3.4均相變溫反應器65
3.4.1間歇釜式反應器非等溫設計65
3.4.2全混流釜式反應器非等溫設計67
3.4.3活塞流管式反應器非等溫設計68
3.5全混流釜式反應器的熱穩(wěn)定性69
3.5.1全混流釜式反應器的定態(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操作參數對多重定態(tài)的影響71
3.6均相反應器的組合及優(yōu)化73
3.6.1連續(xù)流動釜式反應器的串聯(lián)與并聯(lián)73
3.6.2釜式反應器和管式反應器的組合優(yōu)化77
3.6.3復合反應的優(yōu)化80
拓展閱讀84
學科素養(yǎng)與思考85
習題85
參考文獻87
第4章停留時間分布與反應器的流動模型89
本章學習要求89
本章思維導圖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非理想流動現象及其停留時間分布103
4.4非理想流動模型及模型參數104
4.4.1離析流模型104
4.4.2多釜串聯(lián)模型107
4.4.3軸向擴散模型111
4.4.4非理想反應器的計算116
4.5混合現象與流動模型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
學科素養(yǎng)與思考125
習題126
參考文獻127
第5章氣-固相催化反應本征動力學128
本章學習要求128
本章思維導圖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130
5.2多相催化與吸附131
5.2.1表面催化概念的產生及發(fā)展131
5.2.2物理吸附和化學吸附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-固相催化反應動力學方程的建立137
5.3.1氣-固相催化反應步驟137
5.3.2定態(tài)近似和速率控制138
5.3.3氣-固相催化反應機理139
5.3.4氣-固相反應速率方程的建立141
5.4氣-固相催化反應本征動力學研究147
5.4.1動力學研究的意義和作用147
5.4.2丙烷脫氫反應的動力學研究147
人物故事150
學科素養(yǎng)與思考151
習題151
參考文獻153
第6章多相催化反應中的傳遞現象154
本章學習要求154
本章思維導圖155
6.1流體與催化劑顆粒外表面間的傳質速率與傳熱速率155
6.1.1傳遞系數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等溫外擴散有效因子158
6.1.4等溫外擴散對典型復合反應選擇性的影響159
6.2氣體在多孔介質中的擴散163
6.2.1擴散的類型163
6.2.2多孔顆粒中的擴散165
6.3多孔催化劑中的擴散與反應166
6.3.1薄片催化劑內反應組分的濃度分布166
6.3.2球形催化劑內反應組分的濃度分布168
6.3.3內擴散有效因子與梯爾模數169
6.3.4非一級反應的內擴散有效因子174
6.3.5總有效因子176
6.3.6等溫內擴散對典型復合反應選擇性的影響178
6.4氣-固相催化反應過程179
6.4.1傳質過程的控制階段180
6.4.2外擴散影響的判定181
6.4.3內擴散影響的判定182
6.4.4擴散對動力學本征參數的影響184
科技創(chuàng)新186
學科素養(yǎng)與思考187
習題187
參考文獻189
第7章多相反應器的特征及工業(yè)應用191
本章學習要求191
本章思維導圖192
7.1固定床反應器192
7.1.1固定床反應器的基本類型193
7.1.2固定床反應器的流體力學194
7.1.3固定床反應器中的傳遞現象196
7.1.4固定床反應器的數學模型197
7.1.5典型固定床反應器的應用案例198
7.2流化床反應器206
7.2.1流化床反應器的基本類型和特征速度206
7.2.2流化床反應器的傳遞現象209
7.2.3流化床反應器中的數學模型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-液反應器221
7.3.1氣-液反應器的基本類型和工業(yè)應用221
7.3.2氣-液反應器內的傳遞現象222
7.3.3鼓泡反應器226
7.3.4填料反應器231
7.4氣-液-固三相反應器233
7.4.1氣-液-固三相反應器的宏觀反應動力學233
7.4.2滴流床反應器235
7.4.3三相流化床反應器237
7.4.4鼓泡淤漿床反應器238
大國重器239
學科素養(yǎng)與思考239
習題240
參考文獻242
電子教學課件和習題解答獲取方式242
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