化学反应工程（第四版）

前言

化学反应工程学科自1957年奠基以来发展迅猛，从而快速奠定了“三传一反”在化学工程中的核心地位，并使其内涵从初单纯的传递过程拓展到了伴有化学反应的全化学工程领域，后又陆续滋生出聚合反应工程、生物化学工程、电化学工程及环境化学工程等新的分支。化学反应工程与化工传递过程相伴，成为化学工程与工艺等专业的核心课程，期间国内外关于化学反应工程学科的专著与教材亦层出不穷。

陈甘棠先生结合国外经典专著与毕生教学科研经验，于1981年编写出版了本书，是当时国内本反应工程教材，1987年获得化工部高校优秀教材奖。第二版由全国化学工程课程教学指导委员会组织编写，1990年11月出版。2007年出版的第三版被评为普通高等教育“十一五”规划教材，成为反应工程教科书中的标杆之作。时光荏苒，第三版出版至今已有十四年，这期间，化学反应工程学科的工业实践和理论研究取得了长足进展，化工与化学日益融合发展，深入到了微纳尺度层面的反应过程强化及分子反应工程的研究范畴，学科服务对象也由传统经典化工拓展到了包括新能源化工、材料化工、海洋化工、纳米材料与器件加工等新兴分支的众多过程工业领域。虽然其他学者也相继出版了不少关于反应工程的专著，但本书仍不失为一部经典之作，因此有必要再次修订出版。

第四版在充分尊重原著的基础上，加入了对化学反应工程进展的介绍，对个别较生涩难懂的章节内容进行了删减，修改了部分例题与习题，使其与化工生产实践的背景结合更紧密，并对文中三十余个概念增加了动画链接，以增强读者的感性认识，读者可通过扫描书中二维码观看。其中，第1~4章由陈建峰负责修订，第5~10章由陈纪忠负责修订。特别感谢文利雄、王洁欣、曾晓飞、罗勇等参与修订，感谢北方仿真软件技术有限公司与北京欧倍尔软件技术开发有限公司提供设备及原理素材动画资源和技术支持，感谢乔旭、梁斌、刘有智、杨为民、杨超、陈丰秋、杨朝合、应汉杰、庄英萍、罗正鸿、程易、崔咪芬、李建伟、刘会娥、刘生鹏、王安杰、辛峰、许志美、余皓、朱建华等参与审定。

在第四版新书即将出版之际，追思恩师精湛的学术造诣、严谨的治学态度、坚毅的创新精神、诲人不倦的品格，谨以此书深切缅怀永远的导师和心中的丰碑陈甘棠先生！

因编者水平所限，书中难免存在疏漏之处，恳请读者批评指正。

陈建峰  陈纪忠

2021年3月

版前言

本书是在化工热力学及化工传递过程的基础上,并与化工系统工程互相衔接配合的一门化学工程专业课。

本书是根据化学工程专业化学反应工程学教材的大纲编写的。主要叙述化学反应工程的基本概念、原理和方法以及反应器的设计、强化和过程的研究、开发、放大工作。

本书的体系按决定反应本质的反应动力学特性进行大的区分(如均相、两流体相、气固相等)，而按决定传递特性的反应器型式进行进一步区分(如固定床、流化床等)。在全书以及各章节中尽量按简单到复杂的次序叙述，以适应循序渐进的规律，本书中打有*标记的章节是供基本教学以外进一步学习用的参考内容。

本书由浙江大学陈甘棠（主编，撰写第1,5～7,9章)、华东化工学院顾其威(撰写第3章第6、7节及第8章)、翁元垣（撰写第2、4章和第3章1～5节及第8章第2节）三人合写。

本书为高等学校化学工程专业的教材，也可供有关研究、设计和生产单位工程技术人员参考。

陈甘棠

化学反应工程是化工等专业的核心课程。近年来，化学反应工程学科取得了长足进展，深入到了微纳尺度层面的反应过程强化即分子反应工程的研究范畴，学科服务对象也由传统经典化工拓展到了新能源、新材料等领域。为此，《化学反应工程》（第四版）在第三版基础上，加入了对化学反应工程进展的介绍，对个别较生涩难懂的章节内容进行了删减，修改了部分例题与习题，使其与化工生产实践的背景结合更紧密，并对文中三十余个概念增加了动画链接，以增强读者的感性认识，读者可通过扫描书中二维码观看。本书分为十章，重点介绍了均相反应过程，包括均相反应动力学基础、均相反应器、非理想流动；非均相反应过程，包括气-固相催化反应过程、非催化两流体相反应过程、固定床反应器、流化床反应器；聚合反应过程，包括聚合过程的化学与动力学基础；生化反应过程，包括生化动力学基础、生化反应器。

《化学反应工程》（第四版）可作为化工及相关专业的本科生教材，也可供化工及相关专业科研人员参考。

陈甘棠，浙江大学教授，流态化专家。1950年毕业于浙江大学化学工程系 ，1952年浙江大学研究生毕业，同年赴大连工学院任教。1962年调回浙江大学任教，1978年晋升为教授 。1979-1981年于美国哥伦比亚大学和西弗吉尼亚大学作访问教授，为研究生开设《聚合反应工程》课程，并在摩根城能源技术中心从事流态化工程的科学研究，提出了气固流化床的四区模型。1983年与中国石化、浙江大学、华东化工学院一起，创建联合化学反应工程研究所，担任首任所长。同时创办了《化学反应工程与工艺》期刊，并担任主编。曾任浙江大学学术委员会委员、化工系学术委员会主任。曾兼任中国石油化工总公司技术经济顾问委员会委员，中国颗粒学会理事，中国化工学会化学工程学会理事，《加拿大化学工程》期刊的国际顾问。合著《化学反应技术基础》，主编《化学反应工程》。

陈建峰，中国工程院院士，现任中国工程院党组成员、秘书长。浙江省慈溪市人。1986年浙江大学本科毕业，1992年获浙江大学博士学位，1994年6月浙江大学博士后出站至北京化工大学工作。曾任美国凯斯西储大学客座/兼职教授，新加坡南洋理工大学环境科技研究院研究员。提出微观混合反应工程理论，在国际上率先提出并开拓了超重力反应工程新领域，创建了超重力技术平台和新装备，成功应用于百万吨级高端化学品和纳米材料制造、脱硫环保、海洋工程、能源等流程工业中，节能减排、高品质化效果显著，技术和装备出口欧美等。获国家技术发明二等奖3项（2002，2012，2016）、国家科技进步二等奖1项（2007）。获全国首届创新争先奖、何梁何利基金创新奖、中国青年科技奖等荣誉。为使我国超重力技术由合作跟踪到国际工业引领的重大转变做出了突出贡献。

陈纪忠，浙江大学教授。1982年毕业于浙江大学化学工程专业，1987 获浙江大学化学工程专业工学硕士学位，1994年获日本东北大学冶金工程专业博士学位。一直从事多相反应过程的动力学与多相反应器的模拟、生物质的热解与反应机理研究方面的研究。获得国家科技进步二等奖1项，中石化集团股份公司的科技进步一等奖2项。

第1章绪论1

1.1化学反应工程学的发展及其范畴和任务1

1.1.1化学反应工程发展简述1

1.1.2化学反应工程学的范畴和任务2

1.2化学反应工程内容的分类和编排4

1.2.1化学反应器的操作方式4

1.2.2反应装置的型式4

1.2.3化学反应工程学的课程体系6

1.3化学反应工程的研究方法6

1.4化学反应工程的进展8

参考文献9

第2章均相反应动力学基础10

2.1概述10

2.1.1化学反应速率及其表示10

2.1.2反应速率常数k13

2.2等温恒容过程14

2.2.1单一反应动力学方程的建立14

2.2.2复合反应21

2.3等温变容过程29

2.3.1膨胀因子29

2.3.2膨胀率31

习题33

参考文献34

第3章理想反应器35

3.1概述35

3.2简单理想反应器36

3.2.1间歇反应器37

3.2.2平推流反应器39

3.2.3全混流反应器43

3.3组合反应器46

3.3.1平推流反应器的串联、并联或串并联46

3.3.2具有相同或不同体积的N个全混釜的串联47

3.3.3不同型式反应器的串联49

3.3.4循环反应器49

3.3.5半连续操作的反应器53

3.4非等温过程56

3.4.1温度的影响56

3.4.2非等温操作59

3.4.3一般图解设计程序63

3.5反应器类型和操作方法的评选65

3.5.1单一反应66

3.5.2复合反应72

3.6全混流反应器的热稳定性77

3.6.1全混流反应器的定态基本方程式78

3.6.2全混流反应器的热稳定性79

3.6.3定态热稳定性的判据83

3.7搅拌釜中的流动与传热85

3.7.1搅拌釜的结构和桨叶特性85

3.7.2搅拌釜内的混合过程88

3.7.3搅拌功率的计算90

3.7.4搅拌釜的传热93

习题93

参考文献95

第4章非理想流动96

4.1反应器中的返混现象与停留时间分布96

4.1.1非理想流动与停留时间分布97

4.1.2停留时间分布的实验测定98

4.1.3停留时间分布函数的数学特征99

4.1.4用对比时间θ表示的概率函数100

4.2流动模型102

4.2.1常见的几种流动模型103

4.2.2停留时间分布曲线的应用116

4.3流体的混合态及其对反应的影响117

4.3.1流体的混合态117

4.3.2流体的混合态对反应过程的影响118

习题121

参考文献123

第5章催化剂与催化动力学基础124

5.1催化剂124

5.1.1概述124

5.1.2催化剂的制法127

5.1.3催化剂的性能128

5.2催化剂的物化性质129

5.2.1物理吸附和化学吸附129

5.2.2吸附等温线方程130

5.2.3催化剂的物理结构132

5.3气-固相催化反应动力学134

5.3.1反应的控制步骤134

5.3.2双曲线型的反应速率式134

5.3.3幂数型反应速率方程140

5.3.4反应速率的实验测定法143

5.3.5动力学方程的判定和参数的推定146

5.3.6催化剂的内扩散153

5.3.7内扩散对反应选择性的影响161

5.3.8催化剂的失活163

5.4非催化气-固相反应动力学164

5.4.1粒径不变的缩核模型165

5.4.2颗粒体积缩小的缩粒模型167

习题169

参考文献171

第6章固定床反应器172

6.1概述172

6.2固定床中的传递过程178

6.2.1粒子直径和床层空隙率178

6.2.2床层压降180

6.2.3固定床中的传热182

6.2.4固定床中的传质与混合188

6.3拟均相一维模型190

6.3.1等温反应器的计算190

6.3.2单层绝热床的计算191

6.3.3多层绝热床的计算194

6.3.4多层床的化问题195

6.3.5自热式反应器的设计方法197

6.3.6热稳定性和参数敏感性199

6.4拟均相二维模型201

6.5计算流体力学模拟202

6.6滴流床反应器203

6.6.1概述203

6.6.2滴流床的流体力学204

6.6.3滴流床中的传质205

6.6.4滴流床的设计与放大206

习题206

参考文献208

第7章流化床反应器210

7.1概述210

7.2流化床中的气、固运动214

7.2.1流化床的流体力学214

7.2.2气泡及其行为219

7.2.3乳相的动态223

7.2.4分布板与内部构件225

7.2.5颗粒的带出、捕集和循环227

7.3流化床中的传热和传质230

7.3.1床层与外壁间的给热230

7.3.2床层与浸没于床内的换热面之间的给热231

7.3.3颗粒与流体间的传质233

7.3.4气泡与乳相间的传质233

7.4鼓泡流化床的数学模型234

7.4.1模型的类别235

7.4.2两相模型236

7.4.3Levenspiel鼓泡床模型239

7.4.4流化床反应器的开发与放大241

习题242

参考文献243

第8章多相流的反应过程245

8.1传质理论245

8.2气液相反应过程247

8.2.1基础方程248

8.2.2气液非均相系统中的几个重要参数253

8.2.3反应速率的实验测定255

8.3气液相反应器258

8.3.1气液相反应器的型式和特点258

8.3.2气液相反应器型式的选择259

8.4鼓泡塔反应器259

8.4.1鼓泡塔的流体力学260

8.4.2鼓泡塔的传热和传质264

8.4.3鼓泡塔的发展266

8.5鼓泡搅拌釜267

8.5.1鼓泡搅拌釜的结构特征267

8.5.2鼓泡搅拌釜内的流体力学268

8.5.3鼓泡搅拌釜的传热和传质272

8.5.4鼓泡搅拌釜的放大273

8.6气液相反应器的数学模型和设计274

8.6.1气相为平推流、液相为全混流274

8.6.2气相和液相均为全混流275

8.6.3气相和液相均为平推流276

习题283

参考文献285

第9章聚合反应工程基础286

9.1聚合反应和聚合方法概述286

9.1.1聚合反应的类别286

9.1.2聚合方法与设备289

9.1.3聚合物的分子结构、分子量和分子量分布294

9.2均相聚合过程296

9.2.1游离基聚合的反应动力学基础296

9.2.2理想流动的连续操作分析302

9.2.3游离基共聚合305

9.2.4离子型溶液聚合312

9.3非均相聚合过程315

9.3.1悬浮聚合315

9.3.2乳液聚合316

9.4缩聚反应过程318

9.4.1缩聚平衡318

9.4.2缩聚动力学319

9.4.3分子量及其分布320

9.5聚合反应器的设计放大和调节321

9.5.1搅拌322

9.5.2非牛顿流体的传热324

9.6聚合过程的拟定和调节328

9.6.1聚合过程的拟定328

9.6.2聚合过程的调节330

习题331

参考文献332

第10章生化反应工程基础333

10.1概述333

10.2酶催化反应334

10.2.1酶的特性334

10.2.2单底物酶催化反应动力学——米氏方程335

10.2.3有抑制作用时的酶催化反应动力学336

10.3微生物的反应过程动力学339

10.3.1细胞生长动力学339

10.3.2基质消耗动力学341

10.3.3产物生成动力学341

10.3.4氧的消耗速率342

10.4固定化生物催化剂343

10.4.1概述343

10.4.2酶和细胞的固定化344

10.5生化反应器345

10.5.1概述345

10.5.2生化反应器的计算347

习题353

参考文献354

符号说明356

化学反应工程是化工等专业的核心课程。近年来，化学反应工程学科取得了长足进展，深入到了微纳尺度层面的反应过程强化即分子反应工程的研究范畴，学科服务对象也由传统经典化工拓展到了新能源、新材料等领域。为此，《化学反应工程》（第四版）在第三版基础上，加入了对化学反应工程进展的介绍，对个别较生涩难懂的章节内容进行了删减，修改了部分例题与习题，使其与化工生产实践的背景结合更紧密，并对文中三十余个概念增加了动画链接，以增强读者的感性认识，读者可通过扫描书中二维码观看。本书分为十章，重点介绍了均相反应过程，包括均相反应动力学基础、均相反应器、非理想流动；非均相反应过程，包括气-固相催化反应过程、非催化两流体相反应过程、固定床反应器、流化床反应器；聚合反应过程，包括聚合过程的化学与动力学基础；生化反应过程，包括生化动力学基础、生化反应器。

《化学反应工程》（第四版）可作为化工及相关专业的本科生教材，也可供化工及相关专业科研人员参考。

陈甘棠，浙江大学教授，流态化专家。1950年毕业于浙江大学化学工程系 ，1952年浙江大学研究生毕业，同年赴大连工学院任教。1962年调回浙江大学任教，1978年晋升为教授 。1979-1981年于美国哥伦比亚大学和西弗吉尼亚大学作访问教授，为研究生开设《聚合反应工程》课程，并在摩根城能源技术中心从事流态化工程的科学研究，提出了气固流化床的四区模型。1983年与中国石化、浙江大学、华东化工学院一起，创建联合化学反应工程研究所，担任首任所长。同时创办了《化学反应工程与工艺》期刊，并担任主编。曾任浙江大学学术委员会委员、化工系学术委员会主任。曾兼任中国石油化工总公司技术经济顾问委员会委员，中国颗粒学会理事，中国化工学会化学工程学会理事，《加拿大化学工程》期刊的国际顾问。合著《化学反应技术基础》，主编《化学反应工程》。

陈建峰，中国工程院院士，现任中国工程院党组成员、秘书长。浙江省慈溪市人。1986年浙江大学本科毕业，1992年获浙江大学博士学位，1994年6月浙江大学博士后出站至北京化工大学工作。曾任美国凯斯西储大学客座/兼职教授，新加坡南洋理工大学环境科技研究院研究员。提出微观混合反应工程理论，在国际上率先提出并开拓了超重力反应工程新领域，创建了超重力技术平台和新装备，成功应用于百万吨级高端化学品和纳米材料制造、脱硫环保、海洋工程、能源等流程工业中，节能减排、高品质化效果显著，技术和装备出口欧美等。获国家技术发明二等奖3项（2002，2012，2016）、国家科技进步二等奖1项（2007）。获全国首届创新争先奖、何梁何利基金创新奖、中国青年科技奖等荣誉。为使我国超重力技术由合作跟踪到国际工业引领的重大转变做出了突出贡献。

陈纪忠，浙江大学教授。1982年毕业于浙江大学化学工程专业，1987 获浙江大学化学工程专业工学硕士学位，1994年获日本东北大学冶金工程专业博士学位。一直从事多相反应过程的动力学与多相反应器的模拟、生物质的热解与反应机理研究方面的研究。获得国家科技进步二等奖1项，中石化集团股份公司的科技进步一等奖2项。