化学反应工程分析.docx-道客多多

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1、化学反应工程分析朱开宏, 袁渭康编著高等教育出版社内容简介本书共分九章 , 另有前言和后语。前言阐述化学反应工程的研究对象、研究方法和发展前景 ; 第一章是化学反应体系的工程分析 , 阐述从化学计量学、化学热力学、化学动力学诸方面分析和认识反应过程特征的方法 ; 第二章和第三章讨论均相反应体系的分析方法和混合对反应过程的影响 ; 第四至七章

2、分析气固、气液、气液固等非均相反应过程的处理方法 , 各类常用工业反应器的特征 , 阐述根据反应过程化学特征和反应器传递特征确定反应器选型的基本原理 , 介绍各类反应器数学模型和设计计算方法 ; 第八章和第九章分别介绍复杂反应体系和催化剂失活的反应体系的处理方法和研究进展 ; 后语总结全书 , 就化学反应工程的几个基本问题阐述

3、了作者的观点。本书旨在为已具备化学反应工程基础知识的化学工程专业的硕士生提供一本合适的教材 , 以拓宽他们在化学反应工程领域的知识面 , 加深他们对化学反应工程基本原理的理解 , 培养学生分析、解决化学反应器设计、操作和控制中遇到的实际问题的能力。本书在叙述方式上与传统的化学反应工程教材有较大的不同 , 着重于对过程

4、物理本质和处理方法进行分析 , 以便举一反三 , 学以致用。本书可作为化工及相近专业研究生的教科书 , 也可供从事化工生产和设计、研究的工程技术人员参考。图书在版编目 ( CIP) 数据化学反应工程分析 / 朱开宏 , 袁渭康编著 . 北京 :高等教育出版社 , 2002.12ISBN 7 - 04 - 011581 - 6 . 化 . . 朱 . 袁 . . 化学反应工程 . T Q03中国版本图书

5、馆 CIP 数据核字 (2002) 第 079554 号出版发行高等教育出版社购书热线 010 - 64054588社址北京市东城区沙滩后街 55 号免费咨询 800 - 810 - 0598邮政编码 100009 网址 ht tp :/ / www .hep .edu .cn传真 010 - 64014048 ht tp :/ / www .hep .com .cn经销新华书店北京发行所印刷开本 787960 1/ 16 版次年月第版印张 30.25 印次年月第次印刷字

7、权行为 , 希望及时举报 , 本社将奖励举报有功人员。现公布举报电话及通讯地址 :电话 : ( 010) 84043279 13801081108传真 : ( 010) 64033424E - mail : dd hep .com .cn地址 : 北京市东城区沙滩后街 55 号邮编 : 100009策划岳延陆责编耿承延杨树东封面设计李卫青责任绘图吴文信版式设计史新薇责任校对胡晓琪责任印制序本书编者于 1995 年

8、在华东理工大学出版社出版了化学反应工程分析一书。随后 , 该书被华东理工大学和其他几个高校用作为研究生教材 , 反映尚可。然而当初的版本错误甚众 : 有作者编写中的疏忽引起的错 , 更有大量排版中的错误 , 以致后来我们不得不编印了一份不算太薄的勘误表供读者索取。我们除对此向读者深表歉意以外 , 还总想有机会来纠正这些排印错误

9、 , 来弥补我们自己日后所意识到的本书的不足之处。本书于 2001 年由教育部组织专家审定作为研究生推荐教材 , 改由高等教育出版社出版。我们深感这是一个很好的机会以了却我们几年来的心愿。朱开宏对全书作了一次比较全面的修正增删 , 袁渭康则写了 “ 前言” 和 “后语 ”。修改后的篇幅比原书增加了约 1/ 3 , 但总的思想还是在于以工程分

10、析为着眼点 , 对反应工程的原理进行论述。如今读者见到的就是经修改面世的新版本。然而我们还是认为 , 尽管作者已作了努力试图不留下诸多遗憾 , 但由于学科在不断发展 , 作者的水平有限 , 不足之处当然在所难免。作者恳请读者能不吝笔墨 , 将批评意见告诉我们 , 以帮助我们改进。编者2002 年 7 月符号表RD下面汇集了本书使用的常见符号 , 某

11、些专门的符号在使用时定义。A 反应器的传热面积 m2a 组分活度组分分率催化剂活性催化剂颗粒的比表面积或单位液相体积的气液界面积 m - 1k g L pBim 传质 Biot 数 ,eBih 传热 Biot 数 , hL pcA 、 cB 、 ci 组分 A、 B、 i 的物质的量浓度 kmol/ m3c 浓度向量 kmol/ m3cp 比定压热容 kJ/ ( kgK )D a 第一 Damk hler 数 , 定义见第二章D a 第二 Da

12、mk hler 数 , 定义见第四章DA 、 DB 组分 A、 B 的分子扩散系数 m2/ sDe 催化剂颗粒内的有效扩散系数 m2/ sDea 、 De r 固定床反应器的轴向有效扩散系数和径向有效扩散系数 m2/ sdp 颗粒直径 md t 反应器内径 mE 活化能 kJ/ kmol气液反应中的液相增强因子E ( t) 停留时间分布密度函数 s - 1F 单位横截面积的质量流量 kg/ ( m2s)F ( t ) 停留

13、时间分布函数f 组分逸度量纲为一浓度 ( 对比浓度 )Gm 摩尔吉布斯自由能 kJ/ mol2 符号表H 亨利常数 m3Pa/ kmol H 反应热 kJ/ kmolHah八田数 , 定义见第六章气膜传热系数 kJ/ ( m2sK )JA 气相组分 A 通过液膜的传质通量 kmol/ ( m s)jD 传质 j 因子jH 传热 j 因子K 化学平衡常数K 反应速率常数矩阵 , 一级反应 s - 1KA 、 KB 双曲线型动力学模型

14、中组分 A、 B的吸附平衡常数Kb c 鼓泡流化床中气泡相和气泡云相之间的交换系数 s - 1Kce 鼓泡流化床中气泡云相和乳化相之间的交换系数 s - 1k 反应速率常数 , 一级反应 s - 1k0kgAr rhe nius 方程中的频率因子 , 一级反应从气相到固体颗粒外表面或气液s - 1界面的传质系数 kmol/ ( m2Pas )kl 液相传质系数 m/ sk1 0 液相物理传质系数 m/

15、sL 反应器轴向长度 mLe LpLewis 数 , cp D颗粒特征尺寸 mmc 催化剂质量 kgm R 反应物料质量 kgMr 平均相对分子质量 kg/ kmolN 传热数 , 定义见第二章固定床反应器参数灵敏性判别准数 ,定义见第五章NA 、 NB 组分 A、 B 反应的物质的量 kmoln 反应级数符号表 Re Reynolds 数 , u drrA径向半径组分 A 的反应速率mkmol/S 固定床反应器参数灵敏性判别

16、准数 , Pe Pclet 数 , u L DeacpPr P rand tl 数 , ppA 、 pB压力组分 A、 B 的分压PaPaptQ总压传热速率PakJ/ ( m2s)Qg 反应器放热速率 kJ/ sQr 反应器移热速率 kJ/ sqn 摩尔流量 kmol/ sqV 体积流量 m3/ sR 摩尔气体常数循环比( m3s)定义见第五章Sc Schmid t 数 , DSeSw h反应选择性重时空速 kg/ ( kgh)T T ad热力学温度绝热温升KKttr时间特征

17、反应时间sst * 固体颗粒完全转化所需时间 sU 总传热系数 kJ/ ( m2sK )u 线速度 m/ sVR 反应器体积 m3xA 组分 A 的转化率YP 产物 P 的产率yA 组分 A 的摩尔分数符号表z 轴向坐标 m 液相总体积和液膜体积之比鼓泡流化床中气泡尾迹体积与气泡体积之比 m3/ m3 化合物中某元素的原子数量纲为一绝热温升( - H ) cA b - 2 3 e x 量纲为一最大外部

18、温升 , cp Tb cp D珋 e x 量纲为一外部温升 , ex e DaDe ( - H ) cA s i n 发热函数 , Ts珋 i 量纲为一内部温升 , i n (1 - e Da)De ( - H ) CA b珋 i n 量纲为一最大内部温升 , Tb b 传质 Biot 数和传热 Biot 数之比液膜厚度流化床中气泡体积和床层体积之比m 量纲为一活化能 , E R T0迭代计算的收敛精度空隙率 l 持液量 m3/ m3 量纲为一反

19、应时间气固相催化反应中的催化剂效率因子气液相反应中的液相有效利用率 e 催化剂外部效率因子 i 催化剂内部效率因子量纲为一温度对比停留时间导热系数 kW/ ( mK) e a 固定床反应器轴向有效导热系数 kW/ ( mK) e r 固定床反应器径向有效导热系数 kW/ ( mK) 化学势动力粘度 kg/ ( ms) 反应进度符号表 DD对比长度 , zL 密度 kg/ m3对比径向距

20、离 , rR0 m 摩尔密度 mol/ m3 化学计量系数 2 方差反应器平均停留时间k 修正 T hiele 模数 , 对一级反应 , LpekT hiele 模数 , 对一级反应 , R0e下标A、 B 组分 A、 Ba 轴向B 床层b 主体 , 流化床中气泡相c 固体未反应核 , 流化床中气泡云相e 化学平衡 , 外部 , 流化床中乳化相g 气体i 界面、内部 , 组分编号j 反应编号 , 组分编号l 液相m f 临界流化状

21、态obs 表观r 径向s 定态、固体表面t 极限流化状态0 初始或进口状态上标砓标准态符号k 迭代次数目录前言第一章化学反应体系的工程分析 1第一节反应体系的化学计量学分析 2一、化学计量方程 2二、独立反应和独立反应数 3三、独立反应数概念的应用 9四、复杂反应体系的化学计量学分析 13第二节反应体系的化学平衡分析 17一、化学平衡分析的意义 18二、单一

22、反应体系的化学平衡分析 19三、复杂反应体系的化学平衡计算 23第三节工程反应动力学及其数学描述 29一、反应速率和特征反应时间 30二、幂函数型动力学方程 32三、双曲线型反应动力学方程 36四、两类反应动力学方程的评价 40第四节工程反应动力学的实验研究方法 42一、反应动力学实验研究的决策 42二、反应动力学实验研究结果的表达方式 44三、实验反

23、应器 46四、实验的规划和设计 52五、实验数据处理 53六、序贯实验设计 59参考文献 65习题 67第二章理想均相反应器分析 70第一节理想间歇反应器 71一、间歇反应器的物料衡算和能量衡算方程 71二、末期动力学和配料比的影响 75三、间歇反应器的最优反应时间 79第二节理想连续流动反应器 82 目录一、活塞流反应器 82二、全混流反应器 88第三节全混流反应器

24、的热稳定性 92一、热稳定性的基本概念 92二、全混流反应器热稳定性的定态分析 94三、全混流反应器热稳定性的动态分析 98四、全混流反应器的开车 107参考文献 109习题 109第三章化学反应器中的混合现象 115第一节宏观混合与微观混合 115第二节返混及其对反应的影响 118一、理想流动反应器的比较 118二、理想反应器的组合和操作方式的选择 121第三节

25、非理想连续流动反应器 128一、分散模型 128二、多级全混釜串联模型 131第四节物系聚集状态对化学反应的影响 137一、反应物系的混合状态 137二、聚集状态对简单反应转化率的影响 139三、聚集状态对复杂反应选择性的影响 144第五节化学反应器的预混合问题 146一、预混合对反应结果的影响 146二、反应过程开发中混合方式的选择 149第六节混合对聚合

26、反应器选型的影响 152一、聚合反应的特点 152二、返混对聚合物分子量分布的影响 153三、微观混合对聚合物分子量分布的影响 155参考文献 159习题 160第四章气固相反应和反应器分析 163第一节本征动力学与表观动力学 164第二节外部传递对气固相催化反应过程的影响 166一、等温外部效率因子 166二、非等温外部效率因子 172三、外部传递对复杂反应选

27、择性的影响 176四、外部传递引起的催化剂颗粒的多重定态 181第三节内部传递对气固相催化反应过程的影响 182目录一、等温条件下的内部效率因子 183二、非等温条件下的内部效率因子 192三、内部传递对复杂反应选择性的影响 196四、催化剂的工程设计 199第四节外部传递和内部传递的综合影响 206一、等温条件下的总效率因子 206二、非等温条件下的总效率

28、因子 209三、反应相内外的温度梯度分布 211第五节流固相非催化反应过程 213一、基本特征 214二、一般模型 216三、缩核模型 220第六节气固相反应器的分类和选型 227一、固定床反应器 228二、流化床反应器 230三、移动床反应器 235四、气固相反应器的选型 235参考文献 241习题 242第五章气固相反应器的模型化 247第一节反应器数学模型方法概述 247一、

29、数学模型方法的特征和工作步骤 247二、反应器数学模型的分类 248三、建立反应器数学模型的方法 250第二节固定床反应器的数学模型 257一、拟均相基本模型 ( A - I) 258二、拟均相轴向分散模型 ( A - II) 259三、拟均相二维模型 ( A - III) 260四、考虑颗粒界面梯度的活塞流非均相模型 (B - I) 262五、考虑颗粒界面梯度和颗粒内梯度的活塞流非均相模

30、型 (B - II ) 263六、非均相二维模型 ( B - III) 264第三节拟均相一维模型的求解 ( 常微分方程模型的求解 ) 265一、常微分方程初值问题 266二、常微分方程两点边值问题 273第四节拟均相二维模型的求解 282第五节固定床反应器的热特性 289一、绝热固定床反应器的多重定态和热稳定性 289二、列管式固定床反应器的热稳定性 291 目录三、固定床反应

31、器的整体稳定性 295四、列管式固定床反应器的参数敏感性 296五、自热式固定床反应器 299第六节流化床反应器的模型化 303一、鼓泡流化床的数学模型 303二、循环流化床或提升管反应器的模型化 311参考文献 312习题 314第六章气液相反应和反应器分析 319第一节气液相反应动力学 319一、气液反应过程的基本方程 319二、拟一级不可逆反应 322三、不可逆飞

32、速反应 325四、二级不可逆反应 328第二节气液相反应器的分类和选型 330一、填料塔 331二、喷洒塔 332三、板式塔 332四、鼓泡塔 333五、通气搅拌釜 334六、气液反应器的选型 335第三节气液相反应器的设计计算 337一、填料塔的设计计算 338二、鼓泡塔的设计计算 341三、通气搅拌釜的设计计算 345参考文献 348习题 349第七章气液固三相反应和反应器分析 35

33、2第一节气液固三相反应动力学 352第二节气液固三相反应器的分类和选型 357一、滴流床反应器 359二、淤浆反应器 360三、三相反应器的选型 360第三节三相反应器的计算 361一、半间歇三相反应器的设计计算 362二、连续三相反应器的设计计算 365参考文献 370习题 371目录第八章复杂反应体系的动力学分析 374第一节单分子可逆反应网络的动力学分析 37

34、5一、 Wei - Prater 法的实质 375二、单分子可逆反应体系的几何特征 378三、速率常数矩阵的特征方向 380四、自然体系和特征体系之间的组成变换 383五、特征根的确定和反应速率常数的计算 386六、单分子可逆反应体系的一种工程模型 391第二节复杂反应体系的集总动力学模型 392一、集总动力学模型的概况 392二、一个实例 : 催化裂化集总动力学模型 393

35、三、集总方法的理论分析 400四、实际集总的一般原则 407参考文献 409习题 410第九章催化剂失活 413第一节催化剂失活的机理 413一、中毒 413二、烧结和热失活 415三、污染 417第二节催化剂失活的数学描述 417一、失活动力学方程 418二、独立失活的载流时间理论 422第三节独立失活催化反应器的计算 428一、固定床反应器 429二、并流移动床反应器 430三、

36、流化床反应器 430第四节具有复杂失活机理的固定床催化反应器 433一、具有复杂失活机理的固定床反应器的数学模型 433二、具有复杂失活机理的绝热固定床反应器的动态行为 434三、案例分析 : 可变床层高度固定床反应器 436参考文献 441习题 442后语 445参考文献 458前言化学反应工程是化学工程学科的一个重要分支。经历了大约半个世纪的发展 , 化

37、学反应工程已成为四肢健全、羽毛丰满的成熟学科了。但是 “成熟” 二字有时也含贬义 , 即有已近暮年之意。在高科技受到人们特别重视的今天 , 化学工程被归入传统学科一类。 “ 传统 ”可理解为是 “新兴” 的反义词 , 其含义大体是 , 经过一段时间发展的传统学科 , 其前景已远不如那些新兴学科了。但不论成熟也罢 , 传统也罢 , 一门学科一旦形成 ,

38、它总会顽强地表现出自己的生命力 , 何况化学反应工程直接关系到用好资源 , 保护好环境 , 与国计民生关系密切 , 又是生物工程和材料科学等的重要基础 , 据此 , 我们可以认为化学反应工程还是会发展 , 会进一步深化的。1. 化学反应工程化学工程学科发展里程的一个标志普遍认为 , 化学工程学科的发展始自 19 世纪末。早期化学工程学科的工

39、业背景是化学工业 ( 可能还有冶金工业 ) , 显然今天我们的理解已绝非仅限于此。今天的化学工程 , 已成为过程工程的核心。在发展的早期 , 化学工程简单地被看作是单元操作 , 仅限于物理过程 , 并不包括化学反应工程这一独立的分支。原因显然并不在于化学工业不涉及化学反应 , 而是由于当时还没有把伴有化学反应的过程提炼为一门学科的科

40、学基础。单元操作就方法而言 , 主要是归纳法 , 即把物理量归纳为量纲为一的数 , 并用实验关联其关系。对伴有化学反应的过程 , 由于多数具有很强的非线性性质 , 归纳法已不适用 , 但当时还缺少知识的积累 , 也还没有进行数值分析的必要工具计算机 , 因而不得已而将伴有化学反应的过程排除在化学工程学科的范围之外。这一阶段一直延续

41、到大约 20 世纪的五六十年代。这一阶段被学术界公认为化学工程发展的第一个里程。学术界普遍认为 , 化学工程发展的第二里程始于 20 世纪 60 年代初 , 那时出现的传递过程成为一个单独的学科分支。事实上化学反应工程作为一个重要的学科分支也几乎在那时同时形成 , 共同标志着化学工程学科发展进入第二个里程。第二里程与第一里程有着

42、明显的区别 :(1 ) 观察问题的尺度从单元操作的设备尺度 ( 如塔、热交换器、塔板 )转入液滴、气泡、颗粒尺度 , 也就是更深入到过程的本质行为。前言(2 ) 计算技术的迅速普及已使原来无法解决的非线性分析成为可能。从而传统的归纳法已不再是主要可用的研究方法 , 而代之以演绎法为基础的模型方法。显然 , 对传质传热和流体流动等基础

43、知识的大量积累在第一里程向第二里程的过渡中起了重要作用。化学工程是一门传统学科。化学反应工程虽是一门相对年轻的学科分支 , 但总体上毫无疑问地应属于传统学科。当然 , 传统学科仍应深化和发展 , 包括学科的完善、拓展 , 以及与其他学科不断的交叉并形成新的研究方向。自从化学工程学科的第二里程形成以来 , 近半个世纪已经过去

44、 , 出现学科的某些老化也在情理之中。关键的问题是如何不断使传统学科滋生新的活力。我们相信 , 作为国民经济重要支柱的过程工业的学科基础 , 作为生物工程和材料科学的支撑学科 , 化学工程的重要性绝不能低估 , 其中化学反应工程是一个关键的分支。国际学术界十分重视化学工程学科的前途。最早系统研究化学工程前沿的可能是 1988

45、年美国国家研究委员会编写的那份研究报告 1 。人们也十分重视什么是化学工程的第三里程 , 虽然至今尚无定论 , 但也已提出了一些有前瞻性的观点。 “里程” 毕竟是有回顾性质的 , 就像我们当初也不见得已意识到第一里程和第二里程的到来。重要的是 , 我们这些同行对该学科的发展应保持足够的敏感 , 尽可能使我们的工作处在前沿。2. 化学反应

46、工程 : 理论体系和实用化方法化学反应工程的传统内容包括化学动力学 , 混合与返混 , 催化剂外部和内部的传热和扩散 , 相内外的传递 , 反应器的稳定性和参数的敏感性 , 以及后来得到延伸的反应器的控制和优化。复杂反应系统的简化处理方法 , 如集总方法等 , 也曾为石油化工这样的复杂对象起了重要作用。本书作者对化学反应工程学科的理

47、解是 , 经过约半个世纪的发展 , 它已形成了自己完整的学科体系 : 有特色的理论基础和有效的实验研究方法 , 以及关于处理复杂实际反应系统的指导思想等。目前存在的问题中 , 最突出的可能是化学反应工程的理论几乎都建立在最简单的反应体系的简化假定之上 , 这些简化假定与复杂的实际过程相去甚远。虽然也为如何处理实际反应体系作了

48、种种努力 , 但总似不足。一方面我们承认目前还没有足以把实际反应体系进行详尽描述的能力 , 另一方面恐怕也应认识到不见得有必要一定要做到这一点 , 因为正确运用这些在简化假定基础上建立起来的理论 , 加上我们已掌握了在充分理解理论基础上的判断、鉴别和处理问题的能力、方法和技巧 , 通过合理有效且有针对性地组织实验工作 , 是

49、可以解决绝大多数实际问题的。与任何学科领域一样 , 化学反应工程作为一门工程学科 , 其理论体系前言首先是以建立各种变量之间严格定量关系为基点的。众多的化学反应工程研究工作者为此作了十分出色的工作 , 使得我们今天看到的本学科在理论上是如此完善。例如 , 反应过程的非线性性质是反应工程中表现得非常突出的一个问题。这主要是由于反应体系速率与温度之间所存在的十分复杂的非线性关系。正因

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