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第一节 无机化工反应工程的内容与任务1

第一章导论1

第二节 化学反应工程研究中的数学模拟方法3

第三节 反应器的放大方法4

第四节 反应器的最佳化6

第二章化学动力学8

第一节 化学反应速率表示方式8

2-1 间歇系统8

一、连续系统中反应速率的表示方式9

2-2 连续系统9

二、反应率12

第二节 动力学方程13

2-3 动力学方程表示方式13

2-4 单一反应17

2-5 多个反应18

2-6 反应速率常数20

第三节 气—固相催化反应动力学25

一、固体催化剂26

2-7 固体催化剂及孔结构26

二、固体催化剂的孔结构29

2-8 吸附等温方程33

一、物理吸附与化学吸附33

二、理想吸附层等温方程35

三、真实吸附层等温方程37

2-9 均匀表面吸附动力学方程38

一、过程为反应物的化学吸附所控制39

二、过程为表面化学反应所控制40

三、过程为生成物的脱附所控制41

2-10 不均匀表面吸附动力学方程42

一、过程为单组分反应物的化学吸附所控制43

二、过程为表面化学反应控制43

三、过程为单组分生成物的脱附所控制44

参考文献45

习题45

第三章理想流动与非理想流动反应器48

第一节 反应器中流体流动模型48

一、理想流动模型49

3-1 流动系统反应器中流体流动的模型49

二、非理想流动模型50

3-2 流动型式对化学反应速率的影响51

第二节 理想反应器反应体积的计算52

3-3 反应器计算的基本方程52

3-4 间歇反应器反应体积的计算53

3-5 理想置换反应器反应体积的计算56

一、等温理想置换反应器56

二、变温理想置换反应器58

3-6 单级理想混合反应器反应体积的计算61

3-7 多级理想混合反应器反应体积的计算63

一、多级理想混合反应器的推动力63

二、多级理想混合反应器各级浓度的分析计算64

三、多级理想混合反应器各级浓度的图解计算67

四、多级理想混合反应器各级反应率的最佳分配70

3-8 理想流动反应器反应体积的比较72

3-9 想反应器的组合76

3-10 逗留时间分布80

第三节 非理想流动反应器80

3-11 逗留时间分布的实验测定82

一、阶跃注入法82

二、脉冲注入法83

3-12 逗留时间分布函数与分布密度87

一、理想流型的逗留时间分布87

二、实际流型的逗留时间分布89

一、实际反应器的反应率96

3-13 实际流动反应器的计算96

二、扩散模型反应器的反应率97

三、多级串联理想混合反应器的反应率98

第四节 反应器的热稳定性99

3-14 理想混合反应器的热稳定性99

3-15 操作参数对理想混合反应器热稳定性的影响102

参考文献104

习题104

一、固体颗粒的相当直径及形状系数106

4-1 固定床的物理特性106

第一节 固定床流体力学106

第四章颗粒床传递过程106

二、混合颗粒的平均直径及形状系数107

三、固定床的空隙率108

四、固定床的当量直径109

4-2 单相流体在固定床中的流动109

一、流动特性109

二、床层中流体的径向流速分布110

4-3 单相流体通过固定床的压力降110

一、固定床压力降的计算110

二、影响固定床压力降的因素112

第二节 径向流动反应器中流体的分布115

4-4 变质量流动和动量交换系数115

4-5 穿孔阻力系数120

第三节 固定床热量与质量传递过程121

4-6 固定床径向传热过程分析122

4-7 固定床对壁的给热系数123

一、径向有效导热系数124

4-8 固定床径向有效导热系数和管壁给热系数124

二、壁给热系数126

4-9 固定床径向与轴向传热的偏微分方程127

4-10 固定床径向及轴向的扩散128

一、固定床径向及轴向扩散系数128

二、固定床反应器的轴向返混129

4-11 固定床中流体与颗粒外表面的传热与传质系数129

第四节 流化床热量与质量传递过程130

二、气泡相与颗粒相间的交换131

一、聚式流态化131

4-12 气-固相流化床中气相与固体的接触及混合131

三、固体的混合与气体的混合132

4-13 流化床传热132

一、颗粒间的给热132

二、固体颗粒与流体间的传热132

三、流化床床层与换热元件壁面间的给热133

参考文献135

习题135

5-1 气-固相催化反应过程中反应组分的浓度分布137

第五章气-固相催化反应宏观动力学137

第一节 气-固相催化反应的宏观过程137

5-2 内表面利用率与宏观动力学方程138

5-3 催化反应控制阶段的判别139

一、一级不可逆反应的解析解140

第二节 催化剂颗粒内气体的扩散140

5-4 分子扩散系数141

一、双组分体系141

二、多组分体系142

5-5 努森扩散系数144

5-6 孔内组分的综合扩散系数144

5-7 颗粒内组分的有效扩散系数及曲节因子145

5-8 有效扩散系数及曲节因子的测试146

第三节 内表面利用率147

5-9 球形催化剂颗粒内组分浓度分布及温度分布的微分方程147

一、浓度分布的微分方程147

二、温度分布的微分方程148

5-10 等温情况下催化剂的内表面利用率-幂函数型动力学方程149

二、一级可逆反应的解析解153

三、可逆非一级反应的近似解154

四、可逆非一级反应的数值解159

五、粒度、温度和反应率对内表面利用率的影响164

5-11 非等温情况下球形催化剂的内表面利用率165

5-12 等温情况下催化剂的内表面利用率——双曲型动力学方程166

5-13 催化剂外表面的浓度及温度167

第四节 气-固相催化反应动力学的测试171

5-14 动力学测试的基本要求及测试用反应器171

5-15 气-固相催化反应动力学方程的建立175

一、作图法176

二、参数估值法182

参考文献186

习题187

第六章气-固相绝热催化反应器190

第一节 概述190

6-1 基本设计原则190

6-2 基础数学模型191

6-3 反应器计算的基本方程192

第二节 气-固相催化反应器的最佳操作参数193

6-4 最佳温度194

一、不可逆反应194

二、可逆吸热反应194

三、可逆放热反应194

6-5 可逆放热反应的最佳温度曲线195

一、最佳温度曲线195

二、最佳温度曲线的计算197

三、扩散过程对最佳温度曲线的影响199

6-6 可逆放热催化反应实现最佳温度的方法200

6-7 其他最佳操作参数202

一、最佳反应压力202

二、反应混合物的最佳初始组成202

三、最佳最终反应率与最佳空间速度203

四、最佳催化剂颗粒尺寸和反应混合物的质量流速203

第三节 绝热催化床205

6-8 绝热温升205

6-9 绝热催化床反应体积的计算206

一、图解积分法求解207

二、龙格-库塔法求解209

6-10 单段绝热催化床的最佳进口温度214

6-11 外扩散控制时催化反应器的计算215

笫四节 多段换热式催化反应器220

6-12 多段换热式催化反应器的工艺特征220

一、多段间接换热式221

二、多段直接换热式221

一、多段间接换热式各段始末温度及反应率的最佳分配226

6-13 多段换热式催化反应器各段始末温度及反应率最佳分配226

二、多段冷激式各段始末温度及反应率和段间冷激气量的最佳分配238

参考文献241

习题241

第七章气-固相连续换热式催化反应器244

第一节 连续换热式催化反应器的基本结构244

7-1 连续换热的方式244

7-2 各种冷管结构的比较246

7-3 反应及传热微分方程组数学模型的建立247

第二节 连续换热式催化床的-维模型247

7-4 微分方程组的解249

一、一些常数、系数的计算和边界条件的确定249

二、催化剂的校正系数250

三、修正欧拉法求解251

第三节 连续换热式催化床的二维模型263

7-5 数学模型的建立263

7-6 偏微分方程组的差分法数值解264

参考文献274

习题274

第八章气—固相外热管式催化反应器275

第一节 烃类蒸汽转化的工艺特征276

8-1 烃类蒸汽转化反应276

一、烃类蒸汽转化反应的平衡组成276

二、转化催化剂279

三、反应机理与反应动力学方程280

四、扩散过程的影响与宏观动力学方程281

一、概述283

二、炉型比较285

第二节 燃烧管式反应器中的辐射传热286

8-3 燃烧管式反应器传热过程分析286

8-4 辐射传热及辐射能的量度287

8-2 烃类蒸汽转化管式炉288

8-5 辐射传热计算289

一、辐射传热基本计算式289

二、角系数291

三、总辐射能到达率294

四、气体辐射295

五、辐射室传热的区域分析法296

第三节 转化炉的数学模型299

8-6 一维简化模型299

一、速率方程299

二、热量衡算方程300

三、压力降方程300

第九章流—固相非催化反应动力学及反应器300

8-7 二维模型与径向梯度304

8-8 管内管外数学模型的综合解307

习题308

参考文献308

第一节 流—固相非催化反应的模型309

第二节 固体颗粒大小不变时的反应速率311

9-1 反应步骤与速率公式311

9-2 气体滞流膜扩散控制314

9-3 固相产物层内的扩散控制315

9-4 化学反应控制315

第三节 固体颗粒缩小时的反应速率316

9-5 气体滞流膜扩散控制317

9-6 化学反应控制318

9-7 控制步骤的判别318

第四节 流—固相非催化反应器的计算322

9-8 固体颗粒呈理想置换流动322

9-9 固体颗粒呈理想混合流动324

一、均匀颗粒324

二、不均匀颗粒326

9-10 流体反应物浓度变化时的计算332

参考文献335

习题335

第十章气—液相反应动力学及反应器337

第一节 伴有化学反应的气—液相平衡337

10-1 气—液相平衡337

10-2 溶液中气体溶解度系数的估算339

10-3 相平衡与化学平衡的关联341

10-4 气—液相间的物质传递344

第二节 气液反应历程344

10-5 化学反应在吸收中的作用346

一、化学反应可忽略的吸收过程346

二、在液流主体中进行缓慢化学反应的吸收过程346

三、在液膜中进行反应的化学吸收和增大因子347

第三节 气—液相反应动力学349

10-6 伴有化学反应的液相扩散过程349

10-7 一级不可逆反应350

10-8 不可逆瞬间反应353

10-9 二级不可逆反应355

10-10 以有限速率进行的可逆反应357

10-11 瞬间可逆反应359

第四节 无机化工气—液相反应实例360

10-12 硫化氢与氨水的反应360

10-13 一氧化碳与铜氨液的反应361

10-14 氧化碳与碳酸盐的反应363

10-15 氮氧化物与水的反应365

10-16 槽式反应器368

第五节 气液吸收传质系数测试368

10-17 湿壁塔370

10-18 圆盘塔372

第六节 气液吸收器373

10-19 吸收剂选择373

一、水溶液吸收合成氨原料气中硫化氢374

二、原料气中二氧化碳的脱除375

10-20 吸收过程工艺流程376

10-21 气液反应器选型与强化377

10-22 带化学反应气—液吸收器计算方法与实例379

一、液相β·H很大而全塔处于气膜控制380

二、快速虚拟一级不可逆反应系统381

三、不可逆瞬间反应吸收382

四、慢速一级不可逆反应383

五、复杂反应吸收系统计算的原则步骤384

第七节 热量与质量同时传递的气液过程384

10-23 混合气体的增湿与减湿384

一、增湿与减湿过程384

二、气体洗涤塔的基本计算387

10-24 混合气体中可凝性气体的冷凝390

10-25 热量与质量同时传递的吸收过程395

参考文献399

习题399

附录402

一、某些微分方程的解402

二、气体分子扩散系数407

三、加压下混合气体的粘度及导热系数409

四、加压下混合气体的定压热容411