化学反应工程（陈建峰）（第五版）

前言
化学反应工程与化工传递过程相伴，一直是化工类专业的核心课程，也是新工科建设的主干课程，泛化工类专业的重点选修课程，更是21世纪来以“功能需求-产品结构设计-绿色低碳合成”为主题发展的化工学科的重要支撑课程，使得近年来国内外关于化学反应工程学科的专著与教材层出不穷，经典反应工程教材亦是普遍修订再版。
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，是当时国内第一本高等学校反应工程教材，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“十一五”国家级规划教材，成为反应工程教科书中的标杆之作。2021年出版的第四版，则是由陈甘棠先生的弟子陈建峰和陈纪忠负责修订，融合了第三版后十余年来化学反应工程学科中工业实践和理论研究的长足进展，加入了对化学反应工程最新进展的介绍，修改了部分例题与习题，并对文中三十余个概念增加了动画二维码链接。但随着国家新工科建设的进一步推进，党中央对教材工作的高度重视和对“尺寸课本、国之大者”的殷切期望，有必要对本教材再次修订，期待本教材能发挥“培根铸魂、启智增慧”的作用。
第五版在充分尊重前四版的基础上，以“理论 实践 创新”为修订原则，守正创新，注重能力培养；突出家国情怀，强化创新意识和社会责任感；体现大国担当，弘扬科学家精神，展现化工，特别是化学反应工程在“碳达峰、碳中和”和构建人类命运共同体背景下的作用。具体为新增了第9章对新型反应器的介绍；依据反应动力学和反应器技术两大主要内容的衔接性，调整了个别章节的顺序；按照通用性和实践性的原则对各章节进行了系统的修订，修改了部分例题与习题，其中部分案例融入了近年国家三大科技奖等原创成果，使其与化工生产实践的背景结合更紧密；在优化第四版补充的三十余个概念的动画链接基础上，结合内容修订又增加部分动画链接，进一步增强读者的感性认识，读者可通过扫描书中二维码观看。本次修订得到了全国从事化学反应工程教学和科研的许多老师与科技专家的大力支持，各章修订的负责人分别是：第1章为陈建峰、罗勇，第2章为文利雄、王安杰，第3章为崔咪芬、刘会娥、杨为民，第4章为朱建华、辛峰，第5章为陈丰秋、尹红，第6章为周兴贵、段学志、许志美，第7章为程易、卢春喜，第8章为杨超、陈纪忠，第9章为陈建峰、罗勇、王洁欣、曾晓飞，第10章为应汉杰、庄英萍，第11章为罗正鸿、阳永荣，全书统稿为陈建峰、陈丰秋，感谢各位专家的辛勤付出。感谢北京东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，特别感谢王金福、白丁荣、毛在砂、徐春明、高金森、修志龙、李伯耿、朱世平等参与审定。
在第五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、诲人不倦的高尚品格，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，书中难免存有疏漏之处，恳请读者批评指正。

陈建峰
2023年6月

第一版前言
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》（第五版） 在前四版基础上，新增了第9章对新型反应器的介绍，有机融入了课程思政元素，包括七位著名化工科学家的小传，并依据反应动力学和反应器技术两大主要内容的衔接性调整了个别章节的顺序。按照通用性和实践性的原则对各章节进行了系统的修订，修改了部分例题与习题，配置了程序代码，部分案例融入了近年国家三大科技奖等原创成果，使其与化工生产实践的背景结合更紧密。在优化第四版补充的三十余个概念的动画链接基础上，结合内容修订又增加部分动画链接，进一步增强读者的感性认识，读者可通过扫描书中二维码观看。本书共分为十一章，包括绪论、均相反应动力学基础、非均相催化反应动力学基础、理想反应器、非理想流动、固定床反应器、流化床反应器、多相流反应过程及其反应器、新型反应器、生化反应工程基础、聚合反应工程基础。《化学反应工程》（第五版）可作为高等学校化工及相关专业的教材，也可供化工及相关专业科研人员参考。

陈建峰，中国工程院党组成员、秘书长。国际超重力化工技术开拓者之一，在国际上率先提出超重力反应器工程思想并实现了产业化。他以化工反应强化为主线，从理论-装备-工艺三个层面展开研究，提出跨尺度分子混合反应工程理论模型，创建超重力反应器技术及其反应与分离强化新工艺，在化工、纳米材料、环境、海洋能源等领域实现了大规模工业应用，成效显著。主持基金委重大和创新研究群体等国家及国际合作项目，获3项国家技术发明二等奖和1项国家科技进步二等奖，获首届全国创新争先奖、何梁何利创新奖、美国DOW化学基金奖、全国优秀教师等多项奖励和荣誉。2015年当选中国工程院院士。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》。陈丰秋，浙江大学工程师学院党委书记、副院长，化学工程与生物工程学院教授。获2019年浙江大学唐立新教学名师奖。主讲本科生、研究生专业必修课各一门20余年，曾获省级教学成果特等奖1项、一等奖2项。发表学术论文200余篇，获国家授权发明专利60余件、国家技术发明三等奖和省部级科技进步二等奖、三等奖各1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5
1.2.1化学反应的操作方式5
1.2.2反应装置的型式5
1.2.3化学反应工程学的课程体系6
1.3化学反应工程的基本研究方法7
1.4化学反应工程的发展趋势9
参考文献10

第2章均相反应动力学基础11
2.1概述11
2.1.1化学反应速率及其表达式11
2.1.2反应速率常数k14
2.2等温恒容过程15
2.2.1单一反应动力学方程的建立15
2.2.2复合反应22
2.3等温变容过程29
2.3.1膨胀因子29
2.3.2膨胀率31
参考文献34

第3章非均相催化反应动力学基础35
3.1催化剂35
3.1.1概述35
3.1.2催化剂的制备和成型38
3.1.3催化剂的性能40
3.1.4催化剂的物化性质分析41
3.2气固相催化作用45
3.2.1物理吸附和化学吸附45
3.2.2吸附等温线方程46
3.3气固相催化反应动力学49
3.3.1定态近似和速率控制步骤50
3.3.2双曲线型的反应速率式51
3.3.3幂数型反应速率方程56
3.3.4外扩散对气固相催化反应的影响59
3.3.5催化剂的内扩散63
3.3.6内扩散对反应选择性的影响72
3.3.7内外扩散都有影响时的总有效扩散系数74
3.3.8反应速率的实验测定法74
3.3.9动力学方程的判定和参数的推定77
3.3.10催化剂的失活84
3.4气固相非催化反应动力学85
3.4.1粒径不变的缩核模型85
3.4.2颗粒体积缩小的缩粒模型87
参考文献91

第4章理想反应器92
4.1概述92
4.2简单理想反应器94
4.2.1理想间歇搅拌釜式反应器94
4.2.2平推流反应器96
4.2.3全混流反应器101
4.2.4不同型式理想反应器的特性及相互联系103
4.3理想流动反应器组合104
4.3.1平推流反应器的组合105
4.3.2全混流反应器的组合105
4.3.3不同型式理想流动反应器的组合107
4.3.4循环反应器108
4.3.5半间歇（半连续）操作反应器112
4.4非等温理想反应器116
4.4.1温度的影响116
4.4.2非等温操作的理想反应器118
4.4.3一般图解设计程序123
4.5反应器类型和操作方法的评选126
4.5.1单一反应126
4.5.2复合反应132
4.6全混流反应器的热稳定性及安全性141
4.6.1全混流反应器的定态基本方程式142
4.6.2全混流反应器的热稳定性143
4.6.3定态热稳定性的判据147
参考文献151

第5章非理想流动153
5.1流体的流动、混合与停留时间分布153
5.1.1流体的非理想流动与停留时间分布154
5.1.2停留时间分布函数及其数学特征154
5.1.3停留时间分布函数的无量纲化156
5.1.4停留时间分布的实验测定156
5.2流体的流动模型及反应器计算159
5.2.1常见的几种流动模型160
5.2.2停留时间分布曲线的应用174
5.3流体的混合态及其对反应过程的影响175
5.3.1流体的混合态175
5.3.2流体的混合态对反应过程的影响176
参考文献182

第6章固定床反应器183
6.1概述183
6.2固定床中的传递过程189
6.2.1催化剂直径和床层空隙率189
6.2.2床层压降190
6.2.3固定床反应器中的传质与传热192
6.3固定床反应器模型197
6.3.1概述197
6.3.2一维拟均相模型198
6.3.3二维拟均相模型208
6.3.4非均相模型210
6.4热稳定性和参数敏感性211
6.5滴流床反应器213
6.5.1概述213
6.5.2滴流床的流动214
6.5.3滴流床中的传质215
6.5.4滴流床的设计与放大216
参考文献218

第7章流化床反应器220
7.1概述220
7.2流化床中的气、固运动224
7.2.1流化床的流体力学224
7.2.2气泡及其行为231
7.2.3乳相的动态235
7.2.4分布板与内部构件237
7.2.5颗粒的带出、捕集和循环239
7.3流化床中的传热和传质244
7.3.1床层与外壁间的传热244
7.3.2床层与浸没于床内的换热面之间的传热245
7.3.3颗粒与流体间的传质246
7.3.4气泡与乳相间的传质246
7.4鼓泡流化床的数学模型248
7.4.1模型的类别248
7.4.2两相模型249
7.4.3Kunii-Levenspiel鼓泡床模型253
7.4.4鼓泡流化床反应器的开发与放大255
7.5快速流态化的发展和模型化256
7.5.1轴向流体-颗粒团两区两相流模型（Li-Kwauk模型）257
7.5.2一维拟均匀连续分布两区两相流模型259
参考文献263

第8章多相流反应过程及其反应器264
8.1多相物系的传质过程265
8.2气液相间物质传递理论265
8.3气液相反应过程266
8.3.1基础方程268
8.3.2气液非均相系统中重要参数272
8.3.3反应速率的实验测定275
8.4气液相反应器277
8.4.1气液相反应器的型式和特点277
8.4.2气液相反应器型式的选择278
8.5鼓泡塔反应器279
8.5.1鼓泡塔的流体力学280
8.5.2鼓泡塔的传热和传质284
8.5.3其他鼓泡反应器286
8.6鼓泡搅拌釜289
8.6.1鼓泡搅拌釜的结构特性、混合过程与搅拌功率289
8.6.2鼓泡搅拌釜的桨型297
8.6.3鼓泡搅拌釜内的流体力学298
8.6.4鼓泡搅拌釜的传热和传质303
8.6.5鼓泡搅拌釜的放大304
8.7气液相反应器的数学模型和设计305
8.7.1气相为平推流、液相为全混流306
8.7.2气相和液相均为全混流307
8.7.3气相和液相均为平推流307
参考文献317

第9章新型反应器319
9.1概述319
9.2微反应器319
9.2.1微反应器的基本原理320
9.2.2微反应器的特点及分类320
9.2.3微反应器的应用322
9.3超重力反应器323
9.3.1超重力反应器的基本原理324
9.3.2超重力反应器的特点及分类324
9.3.3超重力反应器的应用325
9.4膜反应器326
9.4.1膜反应器的基本原理327
9.4.2膜反应器的特点328
9.4.3膜反应器的应用328
9.5化学气相沉积反应器329
9.5.1化学气相沉积反应器的基本原理329
9.5.2化学气相沉积反应器的应用330
9.6其他新型反应器331
参考文献333

第10章生化反应工程基础334
10.1概述334
10.2酶催化反应335
10.2.1酶的特性335
10.2.2单底物酶催化反应动力学——米氏方程(Michaelis-Menten)336
10.2.3多底物酶催化反应动力学338
10.2.4有抑制作用时的酶催化反应动力学340
10.2.5多酶级联反应343
10.3微生物反应过程动力学345
10.3.1细胞生长动力学345
10.3.2基质消耗动力学346
10.3.3产物生成动力学347
10.3.4氧的消耗速率348
10.4固定化生物催化剂349
10.4.1概述349
10.4.2酶和细胞的固定化349
10.4.3固定化对生物催化剂动力学特性的影响351
10.5生化反应器352
10.5.1概述352
10.5.2生化反应器的计算355
10.6生化反应工程的现状与发展360
10.6.1概述360
10.6.2微观与宏观相结合的细胞代谢调控机制研究361
10.6.3生化反应器宏观生理参数与流场特性相结合过程放大技术362
10.7生化反应工程的发展展望364
10.7.1动物细胞大规模培养反应器与过程调控364
10.7.2生化反应工程研究中的挑战与展望——智能生物制造366
参考文献370

第11章聚合反应工程基础371
11.1聚合反应基础371
11.1.1聚合物的分子结构、分子量和分子量分布371
11.1.2聚合反应374
11.1.3连锁聚合的主要方法377
11.2均相聚合过程378
11.2.1自由基聚合的反应动力学基础378
11.2.2理想流动的连续操作分析382
11.2.3自由基共聚合386
11.2.4离子型溶液聚合393
11.3非均相自由基聚合过程396
11.3.1悬浮聚合396
11.3.2乳液聚合397
11.4缩聚反应过程399
11.4.1缩聚平衡399
11.4.2缩聚动力学400
11.4.3分子量及其分布400
11.5聚合反应器的设计、放大和调控402
11.5.1聚合设备403
11.5.2搅拌406
11.5.3传热409
11.6聚合过程的设计和调控412
11.6.1聚合过程的设计412
11.6.2聚合过程的调控419
参考文献425

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》（第五版） 在前四版基础上，新增了第9章对新型反应器的介绍，有机融入了课程思政元素，包括七位著名化工科学家的小传，并依据反应动力学和反应器技术两大主要内容的衔接性调整了个别章节的顺序。按照通用性和实践性的原则对各章节进行了系统的修订，修改了部分例题与习题，配置了程序代码，部分案例融入了近年国家三大科技奖等原创成果，使其与化工生产实践的背景结合更紧密。在优化第四版补充的三十余个概念的动画链接基础上，结合内容修订又增加部分动画链接，进一步增强读者的感性认识，读者可通过扫描书中二维码观看。本书共分为十一章，包括绪论、均相反应动力学基础、非均相催化反应动力学基础、理想反应器、非理想流动、固定床反应器、流化床反应器、多相流反应过程及其反应器、新型反应器、生化反应工程基础、聚合反应工程基础。《化学反应工程》（第五版）可作为高等学校化工及相关专业的教材，也可供化工及相关专业科研人员参考。

陈建峰，中国工程院党组成员、秘书长。国际超重力化工技术开拓者之一，在国际上率先提出超重力反应器工程思想并实现了产业化。他以化工反应强化为主线，从理论-装备-工艺三个层面展开研究，提出跨尺度分子混合反应工程理论模型，创建超重力反应器技术及其反应与分离强化新工艺，在化工、纳米材料、环境、海洋能源等领域实现了大规模工业应用，成效显著。主持基金委重大和创新研究群体等国家及国际合作项目，获3项国家技术发明二等奖和1项国家科技进步二等奖，获首届全国创新争先奖、何梁何利创新奖、美国DOW化学基金奖、全国优秀教师等多项奖励和荣誉。2015年当选中国工程院院士。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》。陈丰秋，浙江大学工程师学院党委书记、副院长，化学工程与生物工程学院教授。获2019年浙江大学唐立新教学名师奖。主讲本科生、研究生专业必修课各一门20余年，曾获省级教学成果特等奖1项、一等奖2项。发表学术论文200余篇，获国家授权发明专利60余件、国家技术发明三等奖和省部级科技进步二等奖、三等奖各1项。