化学反应工程简明教程（李常艳 ）

化学反应工程是化学工程与工艺专业的一门核心课程。这门课程在提升学生工程认知和解决复杂工程问题的能力方面，发挥着重要作用。化学反应工程是建立在数学、物理及化学等基础学科上而有着自己特点的应用学科，具有逻辑性强、专业化程度高、理论知识抽象的特点。这些特点导致学生学习该门课程时存在理解和应用方面的困难，使教学工作难以达到预期的效果。为了满足教学的需要，根据国家关于化学工程与工艺相关专业学生的培养要求，内蒙古大学、内蒙古鄂尔多斯应用技术学院四位长期从事化学反应工程教学的教师，总结十几年的教学经验，在教学讲义的基础上，结合经典教材，编写了《化学反应工程简明教程》。
编者在多年的教学实践中发现，学生学习化学反应工程遇到的最大困难是数学问题，主要表现为工程思维和工程计算能力不足，遇到反应器设计与分析过程中的计算问题时无从下手。
鉴于上述问题，《化学反应工程简明教程》在编写过程中侧重于剖析典型例题和工业反应器的实际案例，注重工程计算中的数理性推导，帮助读者结合例题和案例，进一步理解反应器类型与流体模型的匹配，确定反应器设计与分析的结构要点和技术参数，建立反应器设计与分析的思维方式。
本教材编写之际恰逢党的二十大召开，围绕二十大报告中提出的“培养什么人、怎样培养人、为谁培养人是教育的根本问题”，编者结合学科特点，每个章节都提出了相应的“学科素养与思考”，力争做好人才培养过程中的精神引领和思想保证。另外，围绕二十大报告提出的“加快建设教育强国”的战略部署，编者在教材编写过程中，以提高人才培养质量为中心，坚持高等教育内涵式发展，利用章节后的辩证思维、拓展阅读、人物故事、科技创新和章节中的二维码内容，延伸和拓展化学工程与工艺专业基础知识，并融入人文学科、化学和材料学科的基础内容，在章节内容中推进科教融汇和产教融合，以满足读者的多层次、多样化需求。本教材围绕化学反应工程的两大核心问题——反应动力学和反应器的设计与分析，以培养读者的工程素养、提升读者的工程计算能力为目标，注重从不同的维度思考化学工程问题，把握宏观和微观、特殊和一般的关系，培养读者的辩证思维、系统思维的能力。
化学反应工程是内蒙古大学的一流本科专业课程。在内蒙古自治区级和国家级化学工程与工艺一流本科专业建设经费的支持下，编者编写了本书。教材内容具有以下几个方面的特点：①绪论部分将反应器设计与分析的问题明了化，明确设计参数，帮助学生尽早建立课程学习的思维模式。②注重培养学生的工程素养，教材以核心内容为主线，增加化学反应工程发展史、学科代表性人物简介、催化剂应用等背景知识和前沿研究的介绍，以弘扬科学家精神为核心，引导学生将科研和创新精神内化于心，外化于行。③教材各章内容中增加了思维导图和知识要点，便于引导学生养成辩证思维和系统思维，有助于学生进行复习和知识点的拓展。④教材各章增加“学科素养与思考”，便于教师课程思政元素的提取，引导学生理论联系实际。⑤注重培养和提升学生的工程计算能力，汇集经典例题，分析动力学研究方法、反应器的类型、流体模型、结构和技术参数之间的关联，提升学生对反应器设计与分析的认知。⑥根据内蒙古地区石油化工和煤化工的行业特点，通过典型工业应用案例，分析多相反应器的流体特点、传递特性、设计模型及设计中的技术难点和关键问题。⑦受教材篇幅的限制，部分公式推导过程、四阶龙格-库塔法、Matlab程序求解常微分方程组的数值解的过程，以二维码的形式加以体现。
本书以介绍反应动力学和反应器的设计与分析为主线，介绍均相反应器、多相反应器的设计方程、优化方法，突出工程特色，注重学生计算能力的培养。本书内容丰富，具有较强的系统性、实用性，参考学时48～64。各章均有学习要求、知识脉络的思维导图、知识要点分析和习题，有利于读者对本书内容的掌握和应用。
为方便本教材在教学中的使用，还配套提供了丰富的课后习题、习题答案和章节课件。
本书由内蒙古大学李常艳主编，郭艳、张先明、谷晓俊副主编。李常艳负责第1章、第2章、第4章、第5章和第6章的书稿内容，李琦、贾文宇、薛原千里、李翎硕、宋佳乐、巩苗霞、杨茂渝、于海阔、张志诚和王可旭参与编写。郭艳负责第3章，谷晓俊参与编写。张先明负责第7章，谷晓俊参与编写。全书由李常艳统稿，并凝练思维导图、学科素养与思考、知识要点。参与章节拓展内容编写、二维码和课件制作的人员有任丽瑶和许冬雪，参与习题答案编写和校对的人员有袁端阳、高美赟、杨喆、高欣、巩苗霞、戴振扬，参与素材搜集的人员有新加坡南洋理工大学的Susanti，对他们的辛苦付出表示由衷的感谢。编者在编写过程中参考了多本《化学反应工程》经典教材中的基本理论，在此一并对这些教材的编者表示感谢！特别感谢华东理工大学许志美教授和内蒙古工业大学周华从教授对本书的审阅。
由于作者的水平有限，书中不足之处在所难免，恳请读者批评指正并不吝赐教。

李常艳
2023年8月

《化学反应工程简明教程》以化学反应动力学和反应器的设计与分析为主线，系统介绍了化学反应工程的基本理论、均相反应动力学基础、均相理想反应器、停留时间分布与反应器的流动模型、气-固相催化反应本征动力学、多相催化反应中的传递现象、多相反应器的特征及工业应用等内容。本书突出工程特色，注重对学生反应器设计与分析思维方式的培养，注重工程技术中数理问题的推导，便于学生结合例题和案例理解反应器的类型与流体模型的匹配。本书各章均配有知识脉络的思维导图、知识要点分析、学科素养与思考、习题，并通过二维码配有衍生阅读内容和计算推导过程，读者可扫码观看或下载。为便于教学，本书还配备了电子教学课件和习题解答，亦可通过扫描二维码获取。
本书可作为高等院校化工类专业教材，也可为相关领域的研究人员和工程技术人员提供参考。

第1章绪论1
本章学习要求1
本章思维导图1
1.1化学反应工程学科的发展2
1.2化学反应工程的研究范畴和任务2
1.2.1反应动力学研究3
1.2.2反应器的设计与分析3
1.3化学反应和反应器4
1.3.1化学反应的分类4
1.3.2化学反应器的类型5
1.3.3化学反应器的操作方式7
1.4反应器中流体的流动模型8
1.4.1全混流模型8
1.4.2活塞流模型8
1.4.3非理想流动模型9
1.5反应器设计的基本方程9
1.6工业反应器的放大10
学科素养与思考11
习题12
参考文献12

第2章均相反应动力学基础13
本章学习要求13
本章思维导图14
2.1基本概念14
2.1.1化学反应式与化学反应计量方程14
2.1.2反应进度15
2.1.3反应速率15
2.1.4转化速率和生成速率18
2.1.5转化率、收率和选择性20
2.2反应速率方程的影响因素24
2.2.1速率常数与平衡常数之间的关系25
2.2.2温度与动力学参数之间的关系26
2.2.3可逆吸热反应中温度与化学反应速率的关系27
2.2.4可逆放热反应中温度与化学反应速率的关系28
2.3复合反应的动力学方程31
2.3.1平行反应31
2.3.2连串反应32
2.4反应速率方程的变换与积分34
2.4.1单一反应35
2.4.2复合反应38
2.5动力学方程中参数的求解方法40
2.5.1积分法41
2.5.2微分法42
2.5.3最小二乘法42
辩证思维45
学科素养与思考45
习题46
参考文献49

第3章均相理想反应器50
本章学习要求50
本章思维导图51
3.1理想间歇釜式反应器51
3.1.1理想间歇釜式反应器的特征51
3.1.2理想间歇釜式反应器的设计方程52
3.1.3理想间歇釜式反应器的计算52
3.2理想连续流动釜式反应器58
3.2.1理想连续流动釜式反应器的特征58
3.2.2理想连续流动釜式反应器的设计方程59
3.2.3理想连续流动釜式反应器的计算59
3.3理想流动管式反应器62
3.3.1理想流动管式反应器的特征62
3.3.2理想流动管式反应器的设计方程63
3.3.3理想流动管式反应器的计算63
3.4均相变温反应器65
3.4.1间歇釜式反应器非等温设计65
3.4.2全混流釜式反应器非等温设计67
3.4.3活塞流管式反应器非等温设计68
3.5全混流釜式反应器的热稳定性69
3.5.1全混流釜式反应器的定态与稳定性69
3.5.2定态点的稳定性分析70
3.5.3操作参数对多重定态的影响71
3.6均相反应器的组合及优化73
3.6.1连续流动釜式反应器的串联与并联73
3.6.2釜式反应器和管式反应器的组合优化77
3.6.3复合反应的优化80
拓展阅读84
学科素养与思考85
习题85
参考文献87

第4章停留时间分布与反应器的流动模型89
本章学习要求89
本章思维导图90
4.1停留时间分布及其特征90
4.1.1停留时间分布的表达90
4.1.2停留时间分布的实验测定93
4.1.3停留时间分布的统计特征值96
4.1.4用无量纲量θ表示停留时间统计特征值97
4.1.5脉冲法和阶跃法的统计特征值98
4.2理想流动反应器的停留时间分布101
4.2.1全混流模型的停留时间分布101
4.2.2活塞流模型的停留时间分布102
4.3非理想流动现象及其停留时间分布103
4.4非理想流动模型及模型参数104
4.4.1离析流模型104
4.4.2多釜串联模型107
4.4.3轴向扩散模型111
4.4.4非理想反应器的计算116
4.5混合现象与流动模型120
4.5.1宏观混合120
4.5.2微观混合121
4.5.3早晚混合123
拓展阅读125
学科素养与思考125
习题126
参考文献127

第5章气-固相催化反应本征动力学128
本章学习要求128
本章思维导图129
5.1固体催化剂129
5.1.1固体催化剂的组成129
5.1.2固体催化剂的宏观物理性质130
5.2多相催化与吸附131
5.2.1表面催化概念的产生及发展131
5.2.2物理吸附和化学吸附132
5.2.3理想吸附等温方程134
5.2.4真实吸附等温方程134
5.3气-固相催化反应动力学方程的建立137
5.3.1气-固相催化反应步骤137
5.3.2定态近似和速率控制138
5.3.3气-固相催化反应机理139
5.3.4气-固相反应速率方程的建立141
5.4气-固相催化反应本征动力学研究147
5.4.1动力学研究的意义和作用147
5.4.2丙烷脱氢反应的动力学研究147
人物故事150
学科素养与思考151
习题151
参考文献153

第6章多相催化反应中的传递现象154
本章学习要求154
本章思维导图155
6.1流体与催化剂颗粒外表面间的传质速率与传热速率155
6.1.1传递系数156
6.1.2流体与颗粒外表面间的浓度差和温度差157
6.1.3等温外扩散有效因子158
6.1.4等温外扩散对典型复合反应选择性的影响159
6.2气体在多孔介质中的扩散163
6.2.1扩散的类型163
6.2.2多孔颗粒中的扩散165
6.3多孔催化剂中的扩散与反应166
6.3.1薄片催化剂内反应组分的浓度分布166
6.3.2球形催化剂内反应组分的浓度分布168
6.3.3内扩散有效因子与梯尔模数169
6.3.4非一级反应的内扩散有效因子174
6.3.5总有效因子176
6.3.6等温内扩散对典型复合反应选择性的影响178
6.4气-固相催化反应过程179
6.4.1传质过程的控制阶段180
6.4.2外扩散影响的判定181
6.4.3内扩散影响的判定182
6.4.4扩散对动力学本征参数的影响184
科技创新186
学科素养与思考187
习题187
参考文献189

第7章多相反应器的特征及工业应用191
本章学习要求191
本章思维导图192
7.1固定床反应器192
7.1.1固定床反应器的基本类型193
7.1.2固定床反应器的流体力学194
7.1.3固定床反应器中的传递现象196
7.1.4固定床反应器的数学模型197
7.1.5典型固定床反应器的应用案例198
7.2流化床反应器206
7.2.1流化床反应器的基本类型和特征速度206
7.2.2流化床反应器的传递现象209
7.2.3流化床反应器中的数学模型211
7.2.4气-固密相流化床214
7.2.5循环流化床217
7.3气-液反应器221
7.3.1气-液反应器的基本类型和工业应用221
7.3.2气-液反应器内的传递现象222
7.3.3鼓泡反应器226
7.3.4填料反应器231
7.4气-液-固三相反应器233
7.4.1气-液-固三相反应器的宏观反应动力学233
7.4.2滴流床反应器235
7.4.3三相流化床反应器237
7.4.4鼓泡淤浆床反应器238
大国重器239
学科素养与思考239
习题240
参考文献242

电子教学课件和习题解答获取方式242