本書基於反應工程基礎理論及過程分析，結合環境工程大氣污染控制、水污染控制、固體廢物處理與處置方面的具體套用，體現反應工程的新進展、新成果，特別是一些新技術、新型反應器在環境保護、三廢治理方面的套用。在廣度上注重與其它學科的交叉滲透，如生物反應工程、聚合反應工程、納米材料反應工程、生物質能、垃圾能的開發工程等，無論從人才培養還是學科發展都有積極的參考價值。本書適用於環境工程類專業碩士、博士參考教材，也可以作為相關學科研究、工程設計的參考書籍。
基本介紹
- 書名：環境反應工程導論
- 出版社：化學工業出版社
- 頁數：272頁
- 開本：16
- 品牌：化學工業出版社
- 作者：馬麗萍 曾向東
- 出版日期：2014年5月1日
- 語種：簡體中文
- ISBN：7122188744
內容簡介,圖書目錄,序言,
內容簡介
本書以化學反應與流動、傳熱、傳質過程的相互影響為主線，闡述了廢物處理過程涉及到的化學反應工程基本原理和方法，並用案例說明了這些過程原理和方法在廢物處理過程中的實際套用思路或途徑。
圖書目錄
1緒論1
1.1環境反應工程的基本概念1
1.1.1環境與環境問題1
1.1.2污染控制與反應工程2
1.1.3環境反應工程的發展3
1.2環境反應工程的特徵4
1.2.1基本特點4
1.2.2主要對象和任務4
1.3環境反應工程的研究方法6
1.3.1實驗研究和建模6
1.3.2數值模擬和仿真6
1.3.3工程放大和最佳化7
1.4環境反應工程的重要作用8
2環境反應工程基本原理9
2.1反應體系的化學計量分析9
2.1.1化學計量方程9
2.1.2獨立反應和獨立反應數10
2.1.3複雜反應體系的化學計量學14
2.1.4反應進度、轉化率和膨脹因子14
2.2反應體系的化學平衡分析16
2.2.1化學平衡分析的意義16
2.2.2化學反應平衡的分析與計算17
2.2.3單一反應體系的化學平衡19
2.2.4複雜反應體系的化學平衡22
2.2.5化學反應熱平衡的分析基礎27
2.3反應動力學的理論基礎30
2.3.1均相反應動力學30
2.3.2非均相反應動力學35
2.3.3兩類反應動力學方程的評價38
2.3.4動力學參數及其相互關係39
2.3.5溫度對反應速率的影響43
2.4反應動力學的實驗研究方法45
2.4.1實驗研究的決策過程45
2.4.2實驗的規劃與設計46
2.4.3實驗數據處理及結果表示48
2.4.4實驗反應器55
2.5套用案例分析60
思考題66
3環境反應工程中的反應器及其主要特性69
3.1反應器概論69
3.1.1反應器類型及操作方式69
3.1.2反應器的設計方法71
3.2理想反應器的基本特性72
3.2.1間歇釜式反應器（BSTR）72
3.2.2連續釜式反應器（CSTR）74
3.2.3活塞流反應器（PFR）75
3.3反應器中流體的非理想流動及混合特性80
3.3.1流體混合特性80
3.3.2返混及其作用81
3.4停留時間分布82
3.4.1停留時間理論82
3.4.2停留時間分布的測定83
3.4.3停留時間分布統計特徵84
3.5反應器中非理想流動及模型的建立86
3.5.1反應器模型及分類86
3.5.2離析流模型92
3.5.3多級全混釜串聯模型93
3.5.4軸向擴散模型93
3.6套用案例分析94
思考題101
4環境反應工程中的非均相反應過程分析106
4.1流固相催化反應過程106
4.1.1流固相系統中的化學反應與傳遞現象106
4.1.2流固相催化反應控制步驟107
4.1.3流固相催化反應速率方程110
4.1.4動力學分析示例118
4.2流體與催化劑外表面間的傳質和傳熱125
4.2.1流固相系統中的傳質過程125
4.2.2流固相系統中的傳熱過程128
4.3流體在多孔催化劑中的擴散與反應129
4.3.1催化劑孔內的傳質形式129
4.3.2非等溫下催化反應的效率因子134
4.3.3催化反應控制階段的判別135
4.4本徵動力學的實驗確定136
4.5氣液反應系統分析139
4.5.1氣液反應過程機理139
4.5.2氣液反應模型139
4.5.3不同反應過程動力學分析141
4.6流固非催化反應145
4.6.1流固非催化反應基本特徵145
4.6.2一般模型147
4.6.3縮核模型150
4.7工業催化劑設計155
4.7.1催化劑基本性能155
4.7.2工業催化劑設計原則157
4.7.3工業催化劑評價及套用158
4.8催化劑失活160
4.8.1催化劑失活的機理161
4.8.2催化劑失活的數學描述163
4.8.3獨立失活催化反應器的計算170
4.9套用案例分析174
思考題180
5環境反應工程中的熱效應和能量衡算184
5.1反應速率與溫度的關係184
5.1.1Arrhenius方程及其套用184
5.1.2溫度對反應速率的影響187
5.1.3反應過程最優溫度序列190
5.2反應過程的能量衡算193
5.2.1能量衡算式中的各項193
5.2.2非等溫理想反應器的能量衡算193
5.2.3反應器熱穩定性分析207
5.3套用案例分析222
思考題229
6環境反應工程中的反應器放大設計方法231
6.1反應器放大方法231
6.1.1逐級經驗放大法231
6.1.2部分解析法231
6.1.3數學模擬法231
6.2反應器放大設計232
6.2.1釜式反應器的放大設計233
6.2.2管式反應器的放大設計234
6.2.3反應器放大的影響因素241
6.2.4反應器設計計算方法242
6.3具有複雜失活機理的固定床催化反應器255
6.3.1具有複雜失活機理的固定床反應器的數學模型255
6.3.2具有複雜失活機理的絕熱固定床反應器的動態行為256
6.3.3可變床層高度固定床反應器257
6.4套用案例分析259
思考題269
參考文獻271
1.1環境反應工程的基本概念1
1.1.1環境與環境問題1
1.1.2污染控制與反應工程2
1.1.3環境反應工程的發展3
1.2環境反應工程的特徵4
1.2.1基本特點4
1.2.2主要對象和任務4
1.3環境反應工程的研究方法6
1.3.1實驗研究和建模6
1.3.2數值模擬和仿真6
1.3.3工程放大和最佳化7
1.4環境反應工程的重要作用8
2環境反應工程基本原理9
2.1反應體系的化學計量分析9
2.1.1化學計量方程9
2.1.2獨立反應和獨立反應數10
2.1.3複雜反應體系的化學計量學14
2.1.4反應進度、轉化率和膨脹因子14
2.2反應體系的化學平衡分析16
2.2.1化學平衡分析的意義16
2.2.2化學反應平衡的分析與計算17
2.2.3單一反應體系的化學平衡19
2.2.4複雜反應體系的化學平衡22
2.2.5化學反應熱平衡的分析基礎27
2.3反應動力學的理論基礎30
2.3.1均相反應動力學30
2.3.2非均相反應動力學35
2.3.3兩類反應動力學方程的評價38
2.3.4動力學參數及其相互關係39
2.3.5溫度對反應速率的影響43
2.4反應動力學的實驗研究方法45
2.4.1實驗研究的決策過程45
2.4.2實驗的規劃與設計46
2.4.3實驗數據處理及結果表示48
2.4.4實驗反應器55
2.5套用案例分析60
思考題66
3環境反應工程中的反應器及其主要特性69
3.1反應器概論69
3.1.1反應器類型及操作方式69
3.1.2反應器的設計方法71
3.2理想反應器的基本特性72
3.2.1間歇釜式反應器（BSTR）72
3.2.2連續釜式反應器（CSTR）74
3.2.3活塞流反應器（PFR）75
3.3反應器中流體的非理想流動及混合特性80
3.3.1流體混合特性80
3.3.2返混及其作用81
3.4停留時間分布82
3.4.1停留時間理論82
3.4.2停留時間分布的測定83
3.4.3停留時間分布統計特徵84
3.5反應器中非理想流動及模型的建立86
3.5.1反應器模型及分類86
3.5.2離析流模型92
3.5.3多級全混釜串聯模型93
3.5.4軸向擴散模型93
3.6套用案例分析94
思考題101
4環境反應工程中的非均相反應過程分析106
4.1流固相催化反應過程106
4.1.1流固相系統中的化學反應與傳遞現象106
4.1.2流固相催化反應控制步驟107
4.1.3流固相催化反應速率方程110
4.1.4動力學分析示例118
4.2流體與催化劑外表面間的傳質和傳熱125
4.2.1流固相系統中的傳質過程125
4.2.2流固相系統中的傳熱過程128
4.3流體在多孔催化劑中的擴散與反應129
4.3.1催化劑孔內的傳質形式129
4.3.2非等溫下催化反應的效率因子134
4.3.3催化反應控制階段的判別135
4.4本徵動力學的實驗確定136
4.5氣液反應系統分析139
4.5.1氣液反應過程機理139
4.5.2氣液反應模型139
4.5.3不同反應過程動力學分析141
4.6流固非催化反應145
4.6.1流固非催化反應基本特徵145
4.6.2一般模型147
4.6.3縮核模型150
4.7工業催化劑設計155
4.7.1催化劑基本性能155
4.7.2工業催化劑設計原則157
4.7.3工業催化劑評價及套用158
4.8催化劑失活160
4.8.1催化劑失活的機理161
4.8.2催化劑失活的數學描述163
4.8.3獨立失活催化反應器的計算170
4.9套用案例分析174
思考題180
5環境反應工程中的熱效應和能量衡算184
5.1反應速率與溫度的關係184
5.1.1Arrhenius方程及其套用184
5.1.2溫度對反應速率的影響187
5.1.3反應過程最優溫度序列190
5.2反應過程的能量衡算193
5.2.1能量衡算式中的各項193
5.2.2非等溫理想反應器的能量衡算193
5.2.3反應器熱穩定性分析207
5.3套用案例分析222
思考題229
6環境反應工程中的反應器放大設計方法231
6.1反應器放大方法231
6.1.1逐級經驗放大法231
6.1.2部分解析法231
6.1.3數學模擬法231
6.2反應器放大設計232
6.2.1釜式反應器的放大設計233
6.2.2管式反應器的放大設計234
6.2.3反應器放大的影響因素241
6.2.4反應器設計計算方法242
6.3具有複雜失活機理的固定床催化反應器255
6.3.1具有複雜失活機理的固定床反應器的數學模型255
6.3.2具有複雜失活機理的絕熱固定床反應器的動態行為256
6.3.3可變床層高度固定床反應器257
6.4套用案例分析259
思考題269
參考文獻271
序言
由人類與自然環境之間的衝突而引發的全球範圍的環境危機，使人類面臨著空前嚴峻的挑戰。基於物理、化學、物理化學、生物化學等基本理論，並從工程技術角度研究解決環境問題的環境工程學科應運而生。環境工程學科所涉及的廢物的分離、降解、轉化，以及廢物處理單元中有關質量、熱量、動量傳遞和反應過程，既與化學工程(特別是化學反應工程)的理論與實踐密不可分，又具有環境工程學科自身的特點。
鑒於化學反應工程在環境工程學科中的重要性，昆明理工大學環境科學與工程學院早在2000年就將其列為環境工程專業碩士、博士研究生的學科基礎課。但在以往的教學中，選用的大多為化工專業的經典化學反應工程教材。對於學科背景差異較大的環境工程專業碩士、博士研究生而言，不少同學在本科生階段很少(甚至幾乎沒有)接受過諸如熱力學、動力學、電化學、傳遞現象等化學反應工程基礎課程的訓練，若按傳統的化學反應工程教材深度來講授，由於缺乏相關基礎知識，將使得這些學生難以很好地理解和掌握化學反應工程的基本原理，進而加以靈活套用。此外，現有經典化學反應工程教材中的例題和思考題均是化工領域的案例，儘管對環境工程專業的碩士、博士研究生可能有所啟迪，但並不完全適合於環境工程學科的特定研究對象。因此，也有必要在充分借鑑化學反應工程理論體系和實踐成果的基礎上，編寫一本反映環境工程學科特點的環境反應工程圖書，用以滿足環境工程專業碩士、博士研究生教學需要。
本書一方面重點介紹化學反應工程的理論體系，包括化學反應動力學及熱力學，均相反應與非均相反應過程，理想反應器等方面的基礎知識，並套用這些知識分析討論廢物處理過程與反應器的核心和本質問題；另一方面突出環境工程學科自身的特點，結合廢物處理過程，補充和完善化學反應熱力學、動力學分析，增加環保類工業催化劑的設計和廢物處理的案例分析，便於讀者進一步了解、熟悉和掌握環境反應工程的基本原理和方法，加強理論和實際的聯繫，從而增強分析問題和解決問題的能力。在編寫方法上，力求避免繁瑣的數學推導，著重基本概念、基礎知識和工程理念的闡述。
本書編寫過程中，書稿的資料整理得到本課題組全體研究生的大力協助，部分整理和錄入由張杭、王倩倩、資澤成、周龍、謝龍貴、陳建濤、馬俊等同學幫助完成。在此向他們表示感謝！
本書的編寫得益於化學反應工程領域諸多前輩的經典著作、教材和研究成果的啟發和支撐，本書的出版得到了化學工業出版社的大力支持和昆明理工大學研究生百門核心課程建設項目的資助。在此深表謝意！
由於編者水平有限，編寫過程中的疏漏、不足之處在所難免，敬請專家、同行及讀者批評指正。
編者2013年8月於昆明理工大學
鑒於化學反應工程在環境工程學科中的重要性，昆明理工大學環境科學與工程學院早在2000年就將其列為環境工程專業碩士、博士研究生的學科基礎課。但在以往的教學中，選用的大多為化工專業的經典化學反應工程教材。對於學科背景差異較大的環境工程專業碩士、博士研究生而言，不少同學在本科生階段很少(甚至幾乎沒有)接受過諸如熱力學、動力學、電化學、傳遞現象等化學反應工程基礎課程的訓練，若按傳統的化學反應工程教材深度來講授，由於缺乏相關基礎知識，將使得這些學生難以很好地理解和掌握化學反應工程的基本原理，進而加以靈活套用。此外，現有經典化學反應工程教材中的例題和思考題均是化工領域的案例，儘管對環境工程專業的碩士、博士研究生可能有所啟迪，但並不完全適合於環境工程學科的特定研究對象。因此，也有必要在充分借鑑化學反應工程理論體系和實踐成果的基礎上，編寫一本反映環境工程學科特點的環境反應工程圖書，用以滿足環境工程專業碩士、博士研究生教學需要。
本書一方面重點介紹化學反應工程的理論體系，包括化學反應動力學及熱力學，均相反應與非均相反應過程，理想反應器等方面的基礎知識，並套用這些知識分析討論廢物處理過程與反應器的核心和本質問題；另一方面突出環境工程學科自身的特點，結合廢物處理過程，補充和完善化學反應熱力學、動力學分析，增加環保類工業催化劑的設計和廢物處理的案例分析，便於讀者進一步了解、熟悉和掌握環境反應工程的基本原理和方法，加強理論和實際的聯繫，從而增強分析問題和解決問題的能力。在編寫方法上，力求避免繁瑣的數學推導，著重基本概念、基礎知識和工程理念的闡述。
本書編寫過程中，書稿的資料整理得到本課題組全體研究生的大力協助，部分整理和錄入由張杭、王倩倩、資澤成、周龍、謝龍貴、陳建濤、馬俊等同學幫助完成。在此向他們表示感謝！
本書的編寫得益於化學反應工程領域諸多前輩的經典著作、教材和研究成果的啟發和支撐，本書的出版得到了化學工業出版社的大力支持和昆明理工大學研究生百門核心課程建設項目的資助。在此深表謝意！
由於編者水平有限，編寫過程中的疏漏、不足之處在所難免，敬請專家、同行及讀者批評指正。
編者2013年8月於昆明理工大學
