环境反应工程导论

1绪论1

1.1环境反应工程的基本概念1

1.1.1环境与环境问题1

1.1.2污染控制与反应工程2

1.1.3环境反应工程的发展3

1.2环境反应工程的特征4

1.2.1基本特点4

1.2.2主要对象和任务4

1.3环境反应工程的研究方法6

1.3.1实验研究和建模6

1.3.2数值模拟和仿真6

1.3.3工程放大和优化7

1.4环境反应工程的重要作用8

2环境反应工程基本原理9

2.1反应体系的化学计量分析9

2.1.1化学计量方程9

2.1.2独立反应和独立反应数10

2.1.3复杂反应体系的化学计量学14

2.1.4反应进度、转化率和膨胀因子14

2.2反应体系的化学平衡分析16

2.2.1化学平衡分析的意义16

2.2.2化学反应平衡的分析与计算17

2.2.3单一反应体系的化学平衡19

2.2.4复杂反应体系的化学平衡22

2.2.5化学反应热平衡的分析基础27

2.3反应动力学的理论基础30

2.3.1均相反应动力学30

2.3.2非均相反应动力学35

2.3.3两类反应动力学方程的评价38

2.3.4动力学参数及其相互关系39

2.3.5温度对反应速率的影响43

2.4反应动力学的实验研究方法45

2.4.1实验研究的决策过程45

2.4.2实验的规划与设计46

2.4.3实验数据处理及结果表示48

2.4.4实验反应器55

2.5应用案例分析60

思考题66

3环境反应工程中的反应器及其主要特性69

3.1反应器概论69

3.1.1反应器类型及操作方式69

3.1.2反应器的设计方法71

3.2理想反应器的基本特性72

3.2.1间歇釜式反应器（BSTR）72

3.2.2连续釜式反应器（CSTR）74

3.2.3活塞流反应器（PFR）75

3.3反应器中流体的非理想流动及混合特性80

3.3.1流体混合特性80

3.3.2返混及其作用81

3.4停留时间分布82

3.4.1停留时间理论82

3.4.2停留时间分布的测定83

3.4.3停留时间分布统计特征84

3.5反应器中非理想流动及模型的建立86

3.5.1反应器模型及分类86

3.5.2离析流模型92

3.5.3多级全混釜串联模型93

3.5.4轴向扩散模型93

3.6应用案例分析94

思考题101

4环境反应工程中的非均相反应过程分析106

4.1流固相催化反应过程106

4.1.1流固相系统中的化学反应与传递现象106

4.1.2流固相催化反应控制步骤107

4.1.3流固相催化反应速率方程110

4.1.4动力学分析示例118

4.2流体与催化剂外表面间的传质和传热125

4.2.1流固相系统中的传质过程125

4.2.2流固相系统中的传热过程128

4.3流体在多孔催化剂中的扩散与反应129

4.3.1催化剂孔内的传质形式129

4.3.2非等温下催化反应的效率因子134

4.3.3催化反应控制阶段的判别135

4.4本征动力学的实验确定136

4.5气液反应系统分析139

4.5.1气液反应过程机理139

4.5.2气液反应模型139

4.5.3不同反应过程动力学分析141

4.6流固非催化反应145

4.6.1流固非催化反应基本特征145

4.6.2一般模型147

4.6.3缩核模型150

4.7工业催化剂设计155

4.7.1催化剂基本性能155

4.7.2工业催化剂设计原则157

4.7.3工业催化剂评价及应用158

4.8催化剂失活160

4.8.1催化剂失活的机理161

4.8.2催化剂失活的数学描述163

4.8.3独立失活催化反应器的计算170

4.9应用案例分析174

思考题180

5环境反应工程中的热效应和能量衡算184

5.1反应速率与温度的关系184

5.1.1Arrhenius方程及其应用184

5.1.2温度对反应速率的影响187

5.1.3反应过程最优温度序列190

5.2反应过程的能量衡算193

5.2.1能量衡算式中的各项193

5.2.2非等温理想反应器的能量衡算193

5.2.3反应器热稳定性分析207

5.3应用案例分析222

思考题229

6环境反应工程中的反应器放大设计方法231

6.1反应器放大方法231

6.1.1逐级经验放大法231

6.1.2部分解析法231

6.1.3数学模拟法231

6.2反应器放大设计232

6.2.1釜式反应器的放大设计233

6.2.2管式反应器的放大设计234

6.2.3反应器放大的影响因素241

6.2.4反应器设计计算方法242

6.3具有复杂失活机理的固定床催化反应器255

6.3.1具有复杂失活机理的固定床反应器的数学模型255

6.3.2具有复杂失活机理的绝热固定床反应器的动态行为256

6.3.3可变床层高度固定床反应器257

6.4应用案例分析259

思考题269

参考文献271

序言

由人类与自然环境之间的冲突而引发的全球范围的环境危机，使人类面临着空前严峻的挑战。基于物理、化学、物理化学、生物化学等基本理论，并从工程技术角度研究解决环境问题的环境工程学科应运而生。环境工程学科所涉及的废物的分离、降解、转化，以及废物处理单元中有关质量、热量、动量传递和反应过程，既与化学工程(特别是化学反应工程)的理论与实践密不可分，又具有环境工程学科自身的特点。

鉴于化学反应工程在环境工程学科中的重要性，昆明理工大学环境科学与工程学院早在2000年就将其列为环境工程专业硕士、博士研究生的学科基础课。但在以往的教学中，选用的大多为化工专业的经典化学反应工程教材。对于学科背景差异较大的环境工程专业硕士、博士研究生而言，不少同学在本科生阶段很少(甚至几乎没有)接受过诸如热力学、动力学、电化学、传递现象等化学反应工程基础课程的训练，若按传统的化学反应工程教材深度来讲授，由于缺乏相关基础知识，将使得这些学生难以很好地理解和掌握化学反应工程的基本原理，进而加以灵活应用。此外，现有经典化学反应工程教材中的例题和思考题均是化工领域的案例，尽管对环境工程专业的硕士、博士研究生可能有所启迪，但并不完全适合于环境工程学科的特定研究对象。因此，也有必要在充分借鉴化学反应工程理论体系和实践成果的基础上，编写一本反映环境工程学科特点的环境反应工程图书，用以满足环境工程专业硕士、博士研究生教学需要。

本书一方面重点介绍化学反应工程的理论体系，包括化学反应动力学及热力学，均相反应与非均相反应过程，理想反应器等方面的基础知识，并应用这些知识分析讨论废物处理过程与反应器的核心和本质问题；另一方面突出环境工程学科自身的特点，结合废物处理过程，补充和完善化学反应热力学、动力学分析，增加环保类工业催化剂的设计和废物处理的案例分析，便于读者进一步了解、熟悉和掌握环境反应工程的基本原理和方法，加强理论和实际的联系，从而增强分析问题和解决问题的能力。在编写方法上，力求避免繁琐的数学推导，着重基本概念、基础知识和工程理念的阐述。

本书编写过程中，书稿的资料整理得到本课题组全体研究生的大力协助，部分整理和录入由张杭、王倩倩、资泽成、周龙、谢龙贵、陈建涛、马俊等同学帮助完成。在此向他们表示感谢！

本书的编写得益于化学反应工程领域诸多前辈的经典著作、教材和研究成果的启发和支撑，本书的出版得到了化学工业出版社的大力支持和昆明理工大学研究生百门核心课程建设项目的资助。在此深表谢意！

由于编者水平有限，编写过程中的疏漏、不足之处在所难免，敬请专家、同行及读者批评指正。

编者2013年8月于昆明理工大学

本书以化学反应与流动、传热、传质过程的相互影响为主线，阐述了废物处理过程涉及到的化学反应工程基本原理和方法，并用案例说明了这些过程原理和方法在废物处理过程中的实际应用思路或途径。

《工程与环境导论》为《环境科学与工程经典译丛》之一。内容涉及环境科学和技术诸方面，包括绿色设计、工业生态学、污染防治、可持续发展等。《工程与环境导论》应用案例研究的方法，将环境基础科学和工程原理应用于现代环境设计技术中，有利于指导学生解决实际环境问题。

该书自始至终通过提供大量的经特别设计的例题鼓励自学，每一章的结尾还给出了大量的习题，为学生理解基础知识提供了必要的工具，同时也容易被非工程和自然科学类学生所理解。

《环境工程与科学导论(第3版)》还介绍了地下水修复新技术、“从油井到车轮”的生命周期效率分析、室内氡气污染、2007年IPCC第四次评估报告、固体废物优先层级管理与温室气体关系等新内容。

内容简介

本书是针对环境工程专业的特点，为天津大学环境工程专业研究生课程“高级环境工程原理”编写的一本配套教材。本教材主要对环境工程中的反应动力学和反应器的设计与操作两部分内容进行系统、深入的阐述，具有较强的理论性和系统性，体现了环境工程专业的特色。其中，反应动力学部分首先概述了一 般反应动力学的概念和基本解析方法，在此基础上详细介绍了环境工程中常见的反应过程，固相催化反应、多相催化反应、气液相化学反应、光化学反应和微生物反应等过程的基本概念和动力学解析方法。反应器的设计与操作部分主要讲述了均相化学反应器、固相催化反应器、气液相反应器和微生物反应器的基本理论及设计、操作方法等。本教材从环境工程的实际需求出发，通过与环境工程实践紧密结合的例题，对基本原理进行深入浅出的阐述，注重分析问题和解决问题能力的培养，能满足不同学科背景的环境工程专业学生的需求。