销教育部精品教材普通高等教育“十一五”国家级规划教材面向21世纪课程教材化学反应工程Chemical Reaction Engineering第五版主编朱炳辰
第五版前言(一)本书主编朱炳辰先生于2009年1月15日去世，享年80岁。朱炳辰先生1929年1月7日生于安徽省休宁市，1951年8月毕业于上海交通大学工学院化工系，并留校任教。1952年10月华东化工学院建校，他来到华东化工学院无机化工系工作，先后任助教、讲师、副教授、教授，长期担任无机物工学教研组、无机化工教研组主任，1986年起为博士生导师。1982年至1986年期间曾先后担任化工系副系主任和华东化工学院研究生处处长。从1981年起为华东化工学院第一、二、三、四、五届校学术委员会和学位委员会委员，1989年受聘为国家教委博士生导师通讯评议化学工程与工业化学专家组成员，1990年受聘为国家科学基金会“化学工程学科发展战略研究小组”成员。朱炳辰先生忠诚党的教育事业，全身心培养学生，他为国家培养了一大批博士、硕士和英才，他的学生遍及祖国各地，不少人已成为企业领导，为国家做出重大贡献。他是学生心目中的好老师和好长辈。朱炳辰先生是我国著名的化学反应工程学者、专家，在几十年的教学和科研工作中，他积极倡导并身体力行化学工程与化学工艺结合，理论与实践结合，将科研成果应用于化工生产企业。他勇于探索，注重实践，在化学与催化反应工程领域开展了大量的基础和应用。研究工作，成果丰硕。其中“径向流体分布研究”获1978年全国科学大会奖，“甲醇合成塔设计新方法”获1985年国家科技进步二等奖，“年产20万吨大型甲醇合成塔设计”获1997年上海市科技进步一等奖，“三相浆态床反应工程应用基础研究获2002年上海市科技进步二等奖等。他的科研成果应用于生产企业后，取得了巨大经济效益和社会效益。朱炳辰先生一生中撰写出版了多部著作，他于20世纪60年代合著的《无机物反应过程动力学》一书是我国早期系统介绍化学反应工程的专著。20世纪80年代，他主编的《无机化工反应工程》教材被数十所高校选用。他的专著《化学反应工程》（第四版）被评为国家“十一五”规划教材、全国精品教材。他的专著《催化反应工程》是全国研究生推荐教材。他还撰写合著了《甲醇工学》、《大型合成氨工艺过程分析》等著作。(二)朱炳辰先生生前的最后几年几乎将全部精力用于《化学反应工程》教材的编写上，在他去世的前几天还在酝酿《化学反应工程》第五版的修改方案，在书上标了许多修改记号。《化学反应工程》已出了四版。第一版由化学工业出版社于1993年出版，获1996年全国高等学校化工类优秀教材二等奖和1998年化工科技进步三等奖。第二版由化学工业出版社于1998年出版，为上海普通高等学校“九五”重点教材，获1999年上海普通高等学校优秀教材一等奖。第三版经教育部化工类专业人才培养及课程内容体系改革的研究与实践项目组批准立项，由化学工业出版社于2001年出版，获2003年上海市优秀教材一等奖。第四版被列为普通高等教育“十一五”国家级规划教材，由化学工业出版社于2007年出版，2008年被评为教育部精品教材。《化学反应工程》第五版是《化学反应工程》第三版（面向21世纪课程教材）和第四版
（普通高等教育“十一五”国家级规划教材，教育部精品教材）的修订版，第五版是在第四版经兄弟学校教学使用五年的基础上，吸取兄弟学校的意见而修订的。根据“面向21世纪“化学工程与工艺”专业培养方案”的要求，化学工程与工艺专业力求培养基础厚、专业宽、能力强、素质高、具有创新精神的化工专业人才，本教材正是按照这一培养目标编写的。正如朱炳辰先生在第四版前言所说：“全书的主线是化学反应与动量、质量、热量传递交互作用的共性归纳综合的宏观反应过程，以及反应装置的工程分析和设计。本书所讲述的化学反应工程属工程学科，用自然科学的原理考察、解释和处理工程实际问题。化学反应工程的研究方法是应用理论推演和实验研究工业反应过程的规律而建立的数学模拟方法，结合工程实践的经验，应用于工程分析和设计，强调工程观念，提倡理论与实际的结合。对学生进行定量计算和设计能力的训练，培养学生分析问题和解决问题的能力及创新精神。”《化学反应工程》第五版与第四版相比，加强了化学反应工程基本原理和通用反应工程的阑述，删去了聚合反应工程基础、生物反应工程基础和电化学反应工程基础三章，对其他各章也进行了适当的修改和删减。全书的篇幅相当于第四版的2/3左右。本书共分九章。第一章在回顾物理化学、化工热力学等学科有关内容的基础上，讨论化学反应工程有关加压下非理想气体的反应热、化学平衡，并强调化学反应器的设计要以化学特性和生产工艺为基础。第二章至第九章以石油加工、石油化工、煤化工、非金属矿与金属矿的化学加工、化肥、基本无机及有机化工、精细化工等工业生产为背景，讨论工业生产中宏观反应过程的普遍规律。本书第一至四版由我国化学工程与工艺学科著名学者浙江大学陈甘棠教授和华南理工大学黄仲涛教授审稿，两位教授对书稿严格把关，精心润色，提高了书稿的质量，深表感谢。华东理工大学顾其威教授对本书初稿提出许多宝贵建议，深表感谢。本书由华东理工大学朱炳辰主编。各章执笔人为：绪论、第一章、第二章、第三章（部分）、第五章、第八章和第九章由朱炳辰编写；第三章（部分）及第四章由张濂编写，第六章由张成芳编写；第七章由房鼎业编写。《化学反应工程》第五版由房鼎业整理、统稿。朱子彬、王辅臣、徐懋生、潘银珍、王弘轼、丁百全、姚佩芳、应卫勇、徐志刚、曹发海、陈闵松、何文军、高崇、李涛、甘霖、王存文、樊蓉蓉、倪燕惠等提供了相关资料和部分例题的编写及运算工作。第五版的书稿打印工作由胡智力完成。（三）这里，对《化学反应工程》第五版的教学理念、教学内容和教学方法提一些看法。化学反应工程是化学工程与工艺专业的核心课程。化学工程作为级工程技术学科就是要把化学实验室中的研究成果实现产业化，其关键就是进行科技成果的开发与放大工作。本课程的研究对象是化学反应过程和反应器，因此应向学生强调本课程是“反应工艺开发之斧，反应设备设计之模，反应过程放大之桥”。本教材在教学理念上重视如下三个结合。①化学工程与化学工艺相结合。化学反应工程的研究目的是实现工业反应过程与工业反应器的优化。化学工程着眼于反应过程与反应器中的传递过程，化学工艺着眼于反应过程与反应器中的化学反应，把两者结合起来才能有效地实现反应过程的开发放大与优化。②基本原理与反应器设计相结合。通过《化学反应工程》的学习，学生应掌握反应工程的基本原理，也要了解反应器的选型和设计。阐明原理是本课程的基础，讲述反应器数学模型是本课程的重点，两者必须很好地结合。基本原理中的化学动力学、返混、反应过程热量与质量传递、复合反应选择性与收率、反应器热稳定性等内容与间歌反应器、平推流反应
器、全混流反应器的数学模型紧密结合进行教学。③反应影响与传递影响相结合。工业反应过程中化学反应的影响与传递过程（动量传递、热量传递、质量传递）的影响是本教材的基本内容。反应的影响与传递的影响是有机联系的，两者对反应过程开发、反应器放大都起重要作用。在使用本教材时，阐述均相反应过程、气-固相催化反应过程、气-液相反应过程、流-固相非催化反应过程时应处处向学生强调反应影响与传递影响的结合，并举出实例。在使用本教材时，应将“方法论”作为教学重点。为使学生掌握化学反应工程的基本观点和工程方法，培养学生分析与解决工程问题的实际能力，在使用本教材时，应特别强调“方法论”教学，结合主讲教师的科研实践，列举化工过程开发中的实例，通过科学分析，工程思维和优化措施，解决工程实际问题。在使用本教材进行教学时，在阐述化学反应工程开发方法论时，向学生介绍“热力学与动力学相结合的研究方法”、“反应过程与传递过程相结合的分析方法”、“大型冷模与小型热模相结合的开发方法”、“数学模型与中间试验相结合的放大方法”，可增强学生分析问题和解决问题的能力。由于朱炳辰先生已经去世，本书整理、统稿人的水平有限，书中存在错误和疏漏之处，敬请读者批评指正。房鼎业2011年5月
序《化工类专业人才培养方案及教学内容体系改革的研究与实践》为教育部（原国家教委）《高等教育面向21世纪教学内容和课程体系改革计划》的03-31项目，于1996年6月立项进行。本项目牵头单位为天津大学，主持单位为华东理工大学、浙江大学、北京化工大学，参加单位为大连理工大学、四川大学、华南理工大学。项目组以邓小平同志提出的“教育要面向现代化，面向世界，面向未来”为宗旨，认真学习国家关于教育工作的各项方针、政策，在广泛调查研究的基础上，分析了国内外化工高等教育的现状、存在问题和未来发展。四年多来项目组共召开了由7校化工学院、系领导亲自参加的10次全体会议进行交流，形成了一个化工专业教育改革的总体方案，主要包括：制定《高等教育面向21世纪“化学工程与工艺”专业人才培养方案》；一组织编写高等教育面向21世纪化工专业课与选修课系列教材；一建设化工专业实验、设计、实习样板基地：一开发与使用现代化教学手段。《高等教育面向21世纪“化学工程与工艺”专业人才培养方案》从转变传统教育思想出发，拓宽专业范围，包括了过去的各类化工专业，以培养学生的素质、知识与能力为目标，重组课程体系，在加强基础理论与实践环节的同时，增媚人文社科课和选修课的比例，适当削减专业课分量，并强调采取启发性教学与便用现代化教学手段，因而可以较大幅度地减少授课时数，以增加学生自学与自由探讨的时间，这就有利于逐步树立学生勇于思考与勇于创新的品质。项目组所在各校对培养方案进行了初步试行与教学试点，结果表明是可行的，并收到了良好效果。化学工程与工艺专业教育改革总体方案的另一主要内容是组织编写高等教育面向21世纪课程教材。高质量的教材是培养高素质人才的重要基础。项目组要求教材作者以教改精神为指导，力求新教材从认识规律出发，述本门课程的基本理论与应用及其现代进展，并采用现代化教学手段，做到新体系、厚基础、重实践、易自学、引思考。每门教材采取自由申请及择优选定的原则。项目组拟定了比较严格的项目申请书，包括对本门课程目前国内外教材的评述、拟编写教材的特点、配套的现代化教学手段（例如提供教师在课堂上使用的多媒体教学课件，配合教材的辅助学生自学用的光盘等）、教材编写大纲以及交稿日期。申请书在项目组各校评审，经项目组会议择优选取立项，并及时对样章在各校同行中进行评议。全书编写完成后，经专家审定是否符合高等教育面向21世纪课程教材的要求。项目组、教学指导委员会、出版社签署意见后，报教育部审批批准方可正式出版。项目组按此程序组织编写了一套化学工程与工艺专业高等教育面向21世纪课程教材，共计25种，将陆续推荐出版，其中包括专业课教材、选修课教材、实验课教材、设计课教材以及计算机仿真实验与仿真学习教材等。本教材是其中的一种。按教育部要求，本套教材在内容和体系上体现创新精神、注重拓宽基础、强调能力培养，力求适应高等教育面向21世纪人才培养的需要，但由于受到我们目前对教学改革的研究深度和认识水平所限，仍然会有不妥之处，尚请广大读者予以指正
化学工程与工艺专业的教学改革是一项长期的任务，本项目的全部工作仅仅是一个开端。作为项目组的总负责人，我衷心地对多年来给予本项目大力支持的各校和为本项目贡献力量的人们表示最诚挚的敬意！中国科学院院士、天津大学教授余国琮2000年4月于天津
目录绪论第二章气-固相催化反应本征及宏观一、物质转化过程工业中的化学加工，动力学34化学反应工程与多尺度及多学科的第一节催化及固体催化剂342联系.、催化反应..34三、数学模拟方法.235二、固体催化剂四、工程放大与优化.2第二节化学吸附与气-固相催化反应本征动力学模型36参考文献+一、吸附等温方程37.第一章应用化学反应动力学及反应器二、均匀表面吸附动力学模型......39.........设计基础6三、不均匀表面吸附动力学模型...40第一节化学反应和工业反应器的分类6第三节气-固相催化反应宏观过程与催化剂6“、化学反应的分类颗粒内气体的扩散.427二、工业反应器的分类、气-固相催化反应宏观过程.4210第二节化学计量学二、固体催化剂颗粒内气体的扩散与曲折...10一、化学计量式因子..46二、反应进度、转化率及化学膨胀因子10第四节内扩散有效因子49三、多重反应系统中独立反应数的确定…11、等温催化剂单一反应内扩散有效..12四、多重反应的收率及选择率因子49五、气相反应的物料衡算13二、等温内扩散对多重反应选择率的第三节加压下气相反应的反应焰和化学影响“：54平衡常数13三、非等温催化剂内扩散有效因子..55、理想气体和实际气体的状态方程．14第五节气-固相间热、质传递过程对总体二、气体的摩尔定压热容和气相反应的..57速率的影响“摩尔反应焙15.、外扩散有效因子57.17三、实际气体的化学反应平衡常数…二、工业催化反应器中气流主体与催化剂.19第四节化学反应速率及动力学方程.外表面间的浓度差和温度差..58、间欲系统及连续系统的化学反应第六节固体颗粒催化剂的工程设计5919速率一、异形催化剂.5921二、动力学方程二、活性组分不均匀分布催化剂...59三、温度对反应速率常数的影响...22三、颗粒催化剂的孔径分布及内表面积第五节温度对反应速率的影响及最佳反应设计.60温度.·23第七节气-固相催化反应宏观动力学、温度对单一反应速率的影响及最佳模型61..温度曲线..23、工业颗粒催化剂总体速率的实验二、温度对平行和连串反应速率的影响·25测定..61第六节反应器设计基础及基本设计方程27二、宏观与本征反应动力学模型61一、反应器设计基础..27第八节固体催化剂的失活.63:29二、反应器设计的基本方程.63、固体催化剂失活的原因第七节讨论与分析.30二、催化剂失活动力学64-参考文献3164第九节讨论与分析习题参考文献3166
习题68117二、轴向混合模型·119三、多级串联全混流模型第三章釜式及均相管式反应器..70第四节非理想流动反应器的计算…121第一节、间歇釜式反应器..70、轴向混合反应器的转化率..12170一、釜式反应器的特征+.+ +二、多级串联全混流反应器的转化率.122二、间歇釜式反应器的数学模型....71第五节讨论与分析..:123三、间歇签式反应器的工程放大及操作参考文献….124优化..74..习题·124第二节连续流动均相管式反应器..76第五章固定床气-固相催化反应、均相管式反应器的特征76二、平推流均相管式反应器的数学模型…77工程...126第三节连续流动釜式反应器83第一节E固定床气-固相催化反应器的基本、连续流动签式反应器的特征及数学类型和数学模型.126模型83一、固定床气-固相催化反应器的基本二、多级全混签的串联及优化84类型....12688三、全混流反应器的热稳定性二、固定床催化反应器的数学模型....129...93第四节理想流动反应器的体积比较第二节固定床流体力学·130第五节多重反应的选择率94“、固定床的物理特性….13094一、平行反应二、单相流体在固定床颗粒层中的流动及二、连串反应.95压力降.132第六节半间歌釜式反应器98三、径向流动反应器中流体的分布.135、半间歇签式反应器的特征...98++四、固定床流体的径向及轴向混合.139二、半间歇釜式反应器的数学模型...98第三节固定床热量与质量传递过程140第七节签式反应器中进行的多相反应100一、固定床径向传热过程分析….·...140一、签式反应器中进行的液-液非均相二、固定床对壁的给热系数141反应:100三、固定床径向有效热导率和壁给热二、釜式反应器中进行的液-周非均相系数...142反应101四、固定床径向及轴向传热的偏微分三、釜式反应器中进行的气-液相络合方程.143催化反应102五、固定床中流体与颗粒外表面间的传热102第八节讨论与分析与传质..144参考文献..103第四节绝热式固定床催化反应器.144习题：104一、绝热温升及绝热温降145第四章章反应器中的混合及对反应的二、绝热催化床及乙苯催化脱氢制苯乙烯影响106反应器146第一节连续反应器中物料混合状态三、多段换热式催化反应器..148分析...106第五节连续换热内冷自热式催化反“、混合现象的分类….106应器..2151..107二、连续反应过程的考察方法、内冷自热式催化反应器的一维平推流第二节停留时间分布.:108数学模型…151108一、停留时间分布的定义二、内冷自热式氨合成反应器的热稳:109二、停留时间分布的实验测定定性..153..111三、停留时间分布的数字特征.第六节连续换热外冷及外热管式催化四、理想流型反应器的停留时间分布113反应器154116五、停留时间分布曲线的应用…、连续换热外冷管式催化床的数学...117第三节非理想流动模型..模型.154117一、数学模型方法…..二、连续换热外冷管式催化反应器的
154三、妓泡反应器的轴向混合195飞温及参数敏感性四、鼓泡反应器的传质、传热特性…．196三、强放热多重反应管式反应器的.197设计.158五、鼓泡反应器的简化反应模型..200四、管式反应器的床层宏观反应动力学和六、搅拌鼓泡反应器….200七、鼓泡反应器的热稳定性…环氧乙烷合成反应器的活性校正系数201案例...159第六节填料反应器.五、连续换热外热管式催化反应器..16.：202填料特性和两相流动特征.203第七节薄床层催化反应器..161二、填料的润湿表面和传质系数·:204一、薄床层催化反应器轴向返混模型..161三、填料反应器的轴向混合.204二、薄床层氨氧化催化反应器的一维轴向四、气-液接触有效表面162...204弥散数学模型五、填料反应器有效高度的计算....207第八节催化反应过程进展·164第七节讨论与分析一、气-液反应的特征..207、强制振荡非定态周期操作催化反应.164过程二、气-液反应器的适应性..208参考文献..208二、催化-吸收耦联.164习题….三、催化-吸附耦联165210四、催化-催化耦联165第七章流-固相非催化反应...212165五、催化-蒸馏第一节流-固相非催化反应的分类及六、膜催化...166特点......212..166七、超临界化学反应·.212一、流-固相非催化反应的分类.八、均相催化多相化…....167二、流-固相非催化反应的特点.214..168九、微化工技术.三、流-固相非催化反应的研究方法…215第九节讨论与分析168第二节流-固相非催化反应模型.215参考文献·170一、收缩未反应芯模型·：215习题…...173216二、整体反应模型第六章气-液反应工程...176三、有限厚度反应区模型：217第一节气-液反应平衡..176第三节粒径不变时缩芯模型的总体速率...176及控制...218一、气-液相平衡.177总体速率218二、溶液中气体溶解度的估算...178二、流体滞流膜扩散控制220三、带化学反应的气-液相平衡.180三、固体产物层内扩散控制·220第二节气-液反应历程..180四、化学反应控制…221一、气-液相间物质传递第四节颗粒缩小时缩芯模型的总体二、化学反应在相间传递中的作用…180速率..182222第三节气-液反应动力学特征223一、伴有化学反应的液相扩散过程......182、流体滞流膜扩散控制…二、化学反应控制.223183二、一级不可逆反应：185三、宏观反应过程与控制阶段的三、不可逆瞬间反应·.判别…..186...223四、二级不可逆反应·..187第五节流-固相非催化反应器及其计算226五、可逆反应226六、平行反应.189、流-固相非催化反应器...228二、固体颗粒呈平推流流动…第四节气-液反应器概述...190.229三、固体颗粒呈全混流流动·.、工业生产对气-液反应器的要求....190第六节讨论与分析...231二、气-液反应器的形式和特点191......192参考文献233第五节鼓泡反应器.习题…、鼓泡反应器的操作状态...193..234第八章流化床反应工程二、鼓泡反应器的流体力学特征194236
一、气、液并流向下通过固定床的流体第一节固体流态化的基本特征及工业275.236力学应用236二、滴流床三相反应器中的传递过程…·277“、流态化现象三、石油加工中催化加氢裂化的加压滴流二、流化床反应器的流型、流型转变及+278.237床三相反应器·.基本特征.第三节机械搅拌鼓泡悬浮式三相三、流态化技术的基本问题及与其他流279...241反应器固接触技术的比较..242、机械搅拌鼓泡悬浮式三相反应器的四、流态化技术的工业应用特征....279第二节流化床的特征速度..243.*243二、机械搅拌反应器中三相床甲醇合成和、临界流化速度及起始鼓泡速度...279一步法二甲醚合成案例二、起始动流化速度、快速流态化及282.246第四节鼓泡淤浆床反应器·密相气力输送的转变速度*247一、鼓泡淤浆床反应器的流体力学…282第三节：气-固密相流化床..247二、鼓泡淤浆反应器中的传递过程..285一、气-固密相流化床的基本结构..250第五节气-液并流向上三相流化床二、气-固鼓泡流化床..287三、鼓泡流化床反应器的数学模型…255反应器一、煤的直接液化三相流化床反应器…287..256四、瑞动流化床….257二、气-液并流向上三相流化床的流体五、气-固密相流化床的工业应用260288第四节循环流化床力学.260三、气-液并流向上三相流化床中的传递一、流型转变.261290二、循环流化床的工业应用过程.266第六节气-液-固三相悬浮床反应器的数学第五节讨论与分析.267291模型参考文献268、三相悬浮床反应器的数学模型291习题·二、鼓泡三相淤浆床甲醇合成的数学模型气-液-固三相反应工程，第九章..*270292和试验验证：第一节气-液-固三相反应器的类型及宏观294三、三相床F-T合成..270反应动力学296第七节讨论与分析、气-液-固三相反应器的类型…270-297参考文献二、气-液-固三相反应的宏观反应动习题300273力学…主要符号一览表275301第二节三相滴流床反应器