環(huán)境反應(yīng)工程導(dǎo)論圖書目錄

1緒論1

1.1環(huán)境反應(yīng)工程的基本概念1

1.1.1環(huán)境與環(huán)境問題1

1.1.2污染控制與反應(yīng)工程2

1.1.3環(huán)境反應(yīng)工程的發(fā)展3

1.2環(huán)境反應(yīng)工程的特征4

1.2.1基本特點(diǎn)4

1.2.2主要對(duì)象和任務(wù)4

1.3環(huán)境反應(yīng)工程的研究方法6

1.3.1實(shí)驗(yàn)研究和建模6

1.3.2數(shù)值模擬和仿真6

1.3.3工程放大和優(yōu)化7

1.4環(huán)境反應(yīng)工程的重要作用8

2環(huán)境反應(yīng)工程基本原理9

2.1反應(yīng)體系的化學(xué)計(jì)量分析9

2.1.1化學(xué)計(jì)量方程9

2.1.2獨(dú)立反應(yīng)和獨(dú)立反應(yīng)數(shù)10

2.1.3復(fù)雜反應(yīng)體系的化學(xué)計(jì)量學(xué)14

2.1.4反應(yīng)進(jìn)度、轉(zhuǎn)化率和膨脹因子14

2.2反應(yīng)體系的化學(xué)平衡分析16

2.2.1化學(xué)平衡分析的意義16

2.2.2化學(xué)反應(yīng)平衡的分析與計(jì)算17

2.2.3單一反應(yīng)體系的化學(xué)平衡19

2.2.4復(fù)雜反應(yīng)體系的化學(xué)平衡22

2.2.5化學(xué)反應(yīng)熱平衡的分析基礎(chǔ)27

2.3反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ)30

2.3.1均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)30

2.3.2非均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)35

2.3.3兩類反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程的評(píng)價(jià)38

2.3.4動(dòng)力學(xué)參數(shù)及其相互關(guān)系39

2.3.5溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響43

2.4反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究方法45

2.4.1實(shí)驗(yàn)研究的決策過程45

2.4.2實(shí)驗(yàn)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)46

2.4.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及結(jié)果表示48

2.4.4實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器55

2.5應(yīng)用案例分析60

思考題66

3環(huán)境反應(yīng)工程中的反應(yīng)器及其主要特性69

3.1反應(yīng)器概論69

3.1.1反應(yīng)器類型及操作方式69

3.1.2反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方法71

3.2理想反應(yīng)器的基本特性72

3.2.1間歇釜式反應(yīng)器（BSTR）72

3.2.2連續(xù)釜式反應(yīng)器（CSTR）74

3.2.3活塞流反應(yīng)器（PFR）75

3.3反應(yīng)器中流體的非理想流動(dòng)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(shí)間分布82

3.4.1停留時(shí)間理論82

3.4.2停留時(shí)間分布的測(cè)定83

3.4.3停留時(shí)間分布統(tǒng)計(jì)特征84

3.5反應(yīng)器中非理想流動(dòng)及模型的建立86

3.5.1反應(yīng)器模型及分類86

3.5.2離析流模型92

3.5.3多級(jí)全混釜串聯(lián)模型93

3.5.4軸向擴(kuò)散模型93

3.6應(yīng)用案例分析94

思考題101

4環(huán)境反應(yīng)工程中的非均相反應(yīng)過程分析106

4.1流固相催化反應(yīng)過程106

4.1.1流固相系統(tǒng)中的化學(xué)反應(yīng)與傳遞現(xiàn)象106

4.1.2流固相催化反應(yīng)控制步驟107

4.1.3流固相催化反應(yīng)速率方程110

4.1.4動(dòng)力學(xué)分析示例118

4.2流體與催化劑外表面間的傳質(zhì)和傳熱125

4.2.1流固相系統(tǒng)中的傳質(zhì)過程125

4.2.2流固相系統(tǒng)中的傳熱過程128

4.3流體在多孔催化劑中的擴(kuò)散與反應(yīng)129

4.3.1催化劑孔內(nèi)的傳質(zhì)形式129

4.3.2非等溫下催化反應(yīng)的效率因子134

4.3.3催化反應(yīng)控制階段的判別135

4.4本征動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)確定136

4.5氣液反應(yīng)系統(tǒng)分析139

4.5.1氣液反應(yīng)過程機(jī)理139

4.5.2氣液反應(yīng)模型139

4.5.3不同反應(yīng)過程動(dòng)力學(xué)分析141

4.6流固非催化反應(yīng)145

4.6.1流固非催化反應(yīng)基本特征145

4.6.2一般模型147

4.6.3縮核模型150

4.7工業(yè)催化劑設(shè)計(jì)155

4.7.1催化劑基本性能155

4.7.2工業(yè)催化劑設(shè)計(jì)原則157

4.7.3工業(yè)催化劑評(píng)價(jià)及應(yīng)用158

4.8催化劑失活160

4.8.1催化劑失活的機(jī)理161

4.8.2催化劑失活的數(shù)學(xué)描述163

4.8.3獨(dú)立失活催化反應(yīng)器的計(jì)算170

4.9應(yīng)用案例分析174

思考題180

5環(huán)境反應(yīng)工程中的熱效應(yīng)和能量衡算184

5.1反應(yīng)速率與溫度的關(guān)系184

5.1.1Arrhenius方程及其應(yīng)用184

5.1.2溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響187

5.1.3反應(yīng)過程最優(yōu)溫度序列190

5.2反應(yīng)過程的能量衡算193

5.2.1能量衡算式中的各項(xiàng)193

5.2.2非等溫理想反應(yīng)器的能量衡算193

5.2.3反應(yīng)器熱穩(wěn)定性分析207

5.3應(yīng)用案例分析222

思考題229

6環(huán)境反應(yīng)工程中的反應(yīng)器放大設(shè)計(jì)方法231

6.1反應(yīng)器放大方法231

6.1.1逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大法231

6.1.2部分解析法231

6.1.3數(shù)學(xué)模擬法231

6.2反應(yīng)器放大設(shè)計(jì)232

6.2.1釜式反應(yīng)器的放大設(shè)計(jì)233

6.2.2管式反應(yīng)器的放大設(shè)計(jì)234

6.2.3反應(yīng)器放大的影響因素241

6.2.4反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算方法242

6.3具有復(fù)雜失活機(jī)理的固定床催化反應(yīng)器255

6.3.1具有復(fù)雜失活機(jī)理的固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型255

6.3.2具有復(fù)雜失活機(jī)理的絕熱固定床反應(yīng)器的動(dòng)態(tài)行為256

6.3.3可變床層高度固定床反應(yīng)器257

6.4應(yīng)用案例分析259

思考題269

參考文獻(xiàn)271

序言

由人類與自然環(huán)境之間的沖突而引發(fā)的全球范圍的環(huán)境危機(jī)，使人類面臨著空前嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)?；谖锢?、化學(xué)、物理化學(xué)、生物化學(xué)等基本理論，并從工程技術(shù)角度研究解決環(huán)境問題的環(huán)境工程學(xué)科應(yīng)運(yùn)而生。環(huán)境工程學(xué)科所涉及的廢物的分離、降解、轉(zhuǎn)化，以及廢物處理單元中有關(guān)質(zhì)量、熱量、動(dòng)量傳遞和反應(yīng)過程，既與化學(xué)工程(特別是化學(xué)反應(yīng)工程)的理論與實(shí)踐密不可分，又具有環(huán)境工程學(xué)科自身的特點(diǎn)。

鑒于化學(xué)反應(yīng)工程在環(huán)境工程學(xué)科中的重要性，昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院早在2000年就將其列為環(huán)境工程專業(yè)碩士、博士研究生的學(xué)科基礎(chǔ)課。但在以往的教學(xué)中，選用的大多為化工專業(yè)的經(jīng)典化學(xué)反應(yīng)工程教材。對(duì)于學(xué)科背景差異較大的環(huán)境工程專業(yè)碩士、博士研究生而言，不少同學(xué)在本科生階段很少(甚至幾乎沒有)接受過諸如熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、電化學(xué)、傳遞現(xiàn)象等化學(xué)反應(yīng)工程基礎(chǔ)課程的訓(xùn)練，若按傳統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)工程教材深度來講授，由于缺乏相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，將使得這些學(xué)生難以很好地理解和掌握化學(xué)反應(yīng)工程的基本原理，進(jìn)而加以靈活應(yīng)用。此外，現(xiàn)有經(jīng)典化學(xué)反應(yīng)工程教材中的例題和思考題均是化工領(lǐng)域的案例，盡管對(duì)環(huán)境工程專業(yè)的碩士、博士研究生可能有所啟迪，但并不完全適合于環(huán)境工程學(xué)科的特定研究對(duì)象。因此，也有必要在充分借鑒化學(xué)反應(yīng)工程理論體系和實(shí)踐成果的基礎(chǔ)上，編寫一本反映環(huán)境工程學(xué)科特點(diǎn)的環(huán)境反應(yīng)工程圖書，用以滿足環(huán)境工程專業(yè)碩士、博士研究生教學(xué)需要。

本書一方面重點(diǎn)介紹化學(xué)反應(yīng)工程的理論體系，包括化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及熱力學(xué)，均相反應(yīng)與非均相反應(yīng)過程，理想反應(yīng)器等方面的基礎(chǔ)知識(shí)，并應(yīng)用這些知識(shí)分析討論廢物處理過程與反應(yīng)器的核心和本質(zhì)問題；另一方面突出環(huán)境工程學(xué)科自身的特點(diǎn)，結(jié)合廢物處理過程，補(bǔ)充和完善化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，增加環(huán)保類工業(yè)催化劑的設(shè)計(jì)和廢物處理的案例分析，便于讀者進(jìn)一步了解、熟悉和掌握環(huán)境反應(yīng)工程的基本原理和方法，加強(qiáng)理論和實(shí)際的聯(lián)系，從而增強(qiáng)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(shù)學(xué)推導(dǎo)，著重基本概念、基礎(chǔ)知識(shí)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(xié)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(xué)幫助完成。在此向他們表示感謝！

本書的編寫得益于化學(xué)反應(yīng)工程領(lǐng)域諸多前輩的經(jīng)典著作、教材和研究成果的啟發(fā)和支撐，本書的出版得到了化學(xué)工業(yè)出版社的大力支持和昆明理工大學(xué)研究生百門核心課程建設(shè)項(xiàng)目的資助。在此深表謝意！

由于編者水平有限，編寫過程中的疏漏、不足之處在所難免，敬請(qǐng)專家、同行及讀者批評(píng)指正。

編者2013年8月于昆明理工大學(xué)

本書以化學(xué)反應(yīng)與流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)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(xué)反應(yīng)工程基本原理和方法，并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(shí)際應(yīng)用思路或途徑。

《工程與環(huán)境導(dǎo)論》為《環(huán)境科學(xué)與工程經(jīng)典譯叢》之一。內(nèi)容涉及環(huán)境科學(xué)和技術(shù)諸方面，包括綠色設(shè)計(jì)、工業(yè)生態(tài)學(xué)、污染防治、可持續(xù)發(fā)展等?！豆こ膛c環(huán)境導(dǎo)論》應(yīng)用案例研究的方法，將環(huán)境基礎(chǔ)科學(xué)和工程原理應(yīng)用于現(xiàn)代環(huán)境設(shè)計(jì)技術(shù)中，有利于指導(dǎo)學(xué)生解決實(shí)際環(huán)境問題。

該書自始至終通過提供大量的經(jīng)特別設(shè)計(jì)的例題鼓勵(lì)自學(xué)，每一章的結(jié)尾還給出了大量的習(xí)題，為學(xué)生理解基礎(chǔ)知識(shí)提供了必要的工具，同時(shí)也容易被非工程和自然科學(xué)類學(xué)生所理解。

《環(huán)境工程與科學(xué)導(dǎo)論(第3版)》還介紹了地下水修復(fù)新技術(shù)、“從油井到車輪”的生命周期效率分析、室內(nèi)氡氣污染、2007年IPCC第四次評(píng)估報(bào)告、固體廢物優(yōu)先層級(jí)管理與溫室氣體關(guān)系等新內(nèi)容。

內(nèi)容簡(jiǎn)介

本書是針對(duì)環(huán)境工程專業(yè)的特點(diǎn)，為天津大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)研究生課程“高級(jí)環(huán)境工程原理”編寫的一本配套教材。本教材主要對(duì)環(huán)境工程中的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與操作兩部分內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)、深入的闡述，具有較強(qiáng)的理論性和系統(tǒng)性，體現(xiàn)了環(huán)境工程專業(yè)的特色。其中，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)部分首先概述了一 般反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的概念和基本解析方法，在此基礎(chǔ)上詳細(xì)介紹了環(huán)境工程中常見的反應(yīng)過程，固相催化反應(yīng)、多相催化反應(yīng)、氣液相化學(xué)反應(yīng)、光化學(xué)反應(yīng)和微生物反應(yīng)等過程的基本概念和動(dòng)力學(xué)解析方法。反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與操作部分主要講述了均相化學(xué)反應(yīng)器、固相催化反應(yīng)器、氣液相反應(yīng)器和微生物反應(yīng)器的基本理論及設(shè)計(jì)、操作方法等。本教材從環(huán)境工程的實(shí)際需求出發(fā)，通過與環(huán)境工程實(shí)踐緊密結(jié)合的例題，對(duì)基本原理進(jìn)行深入淺出的闡述，注重分析問題和解決問題能力的培養(yǎng)，能滿足不同學(xué)科背景的環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生的需求。