化學過程及設備（簡體書）

《過程裝備與控制工程專業內涵拓展系列教材．普通高等教育“十二五”規劃教材：化學過程及設備》主要介紹了應用於不同相態物料的典型化學過程設備的主要類型、傳遞特性、特點、結構及如何選型。在均相反應器中，重點討論了管式反應器和攪拌釜式反應器；在氣一固相催化反應器中，重點討論了固定床反應器和流化床反應器；在氣一液相反應器中，重點討論了板式塔、填料塔、鼓泡塔反應器；在氣一液一固三相反應器中，重點討論了固定床氣一液一固三相反應器和懸浮床氣一液一固三相反應器；此外，還簡要介紹了膜反應器、生化反應器、電化學反應器、聚合反應器。
《過程裝備與控制工程專業內涵拓展系列教材．普通高等教育“十二五”規劃教材：化學過程及設備》可作為大專院校化學、化工專業學生的教材，亦可供從事化學過程的工程設計、生產操作和企業管理人員參考。

《普通高等教育"十二五"規劃教材?過程裝備與控制工程專業內涵拓展系列教材:化學過程及設備》可作為大專院校化學、化工專業學生的教材，亦可供從事化學過程的工程設計、生產操作和企業管理人員參考。

自然資源是人類賴以生存的物質基礎。構成客觀世界的三大要素是物質、能量及信息。首先，世界是物質的，它是一切事物存在的基礎及載體；其次，物質是運動的，事物是變化的，運動及變化過程必然伴隨有能量的變化；再者，信息是人類與物質世界溝通的橋梁，是認識世界、構造人與自然界和諧體系的重要工具。但自然界提供的原始資源形式往往不能滿足人類不斷變化的需求，因此需要對其進行必要的形式轉換。例如，煤、石油、天然氣等天然能源所蘊藏的化學能可通過燃燒轉換為熱能、電能等被人們容易利用的能量形式；通過食品加工技術及過程將食品原料轉換為我們日常享用的各種美味；將客觀物體發出的原始信號轉換為人們可讀并可以理解的信息等。如果從這一角度出發，可以把人類工業發展的歷史歸結為不斷創造和優化資源轉化技術及過程的歷史；將人類的一切生產活動歸結為“轉化”過程。從這個意義上講，機械制造技術的本質只是物體尺寸、形狀及相互關系的轉換（變化）；能源技術及熱力學的研究對象是能量形式轉換的規律及方法。而本系列教材只涉及眾多轉換過程當中的一部分，那就是物料（物質）形式的轉化過程、轉化技術及其裝備。物料轉換存在于眾多的工業生產過程中，涉及物料轉換并應用過程技術的所有工業領域的集合稱為過程工業。過程工業屬于基礎性支柱產業，在國民經濟中占有重要地位。據文獻介紹，在德國大約50%的工業產品源自過程工業。
工業中所涉及的物料轉換過程往往是包含很多子過程的復雜系統。要保證轉換過程在質和量上嚴格按照人們的意愿進行，則需要一套嚴格、精確、完整并系統的過程技術。因此，過程技術是一門研究物料（物質）轉換規律及方法的工程科學。這里“轉換”是一個關鍵詞，實際上，很多生產過程都可以概括為“轉換過程”，即將原料利用生產設備和技術通過“轉換過程”變成產品。
過程技術的研究對象是物料轉換規律及方法。這樣，過程技術及過程裝備中之“過程”的概念就可理解為物料轉化過程。按照其商業用途，物料在被轉換前稱為原料，在被轉換后稱為產品或中間體。因此，上述“過程”也可表述為：一種或多種原料經一系列加工和處理而生產出最終產品或中間體的全過程。原料和產品或中間體可分為固體性材料和流程性材料，而流程性材料包括氣體、液體和粉粒體類材料，也稱為流體性介質。在過程工業中，物料通常是流體性介質，而且對物料及產品計量而不計件。
在過程技術中，工程上有意義的物料轉換是指物料最終至少發生下列變化之一。
1.物料組分的改變：如通過富集提煉礦物、酒精等；通過分離技術凈化水、空氣等；通過分散技術生產染料、乳劑；利用組分在溶劑中溶解度不同所進行的吸收過程可治理廢氣、回收不同組分及制取某些產品等。
2.物料性能的改變：如通過加熱使物料熔化、蒸發和精餾等；通過粉碎生產不同尺度的材料、面粉；通過加熱使蛋白質成為不規則結構的變性蛋白質等。
3.物料種類的改變：如利用化學反應得到新的有機或無機化合物；利用物理方法實現核變化等。
顯然，從原料到產品的生產過程是由各個“單元過程”組成的。按照單元過程的本質及自然屬性可將其分為三大類。
1.物理過程：在這類過程中，物料只發生物理變化（可以改變組分及性質）。按照工作原理不同，又可將物理過程技術細分為：
（1）機械過程技術在此類過程中，通過機械作用（力學作用）來改變物料的組分及性質。機械過程技術在工程上俗稱為冷過程技術。例如：粉碎、篩選、分離、混合、包裝、輸送等。
（2）熱力過程技術在這類過程中，通過改變熱力學參數（溫度、壓力等）來改變物料的組成或性質。例如：干燥、蒸發、蒸餾、結晶、吸收、濃縮、吸附、冷凍等。
2.化學過程：在此類過程中，通過化學反應來改變物料的性質及種類。例如：合成、裂解、催化、聚合、氧化、水解等。
3.生物過程：在此類過程中，通過生物作用（生物反應）、生物催化劑來改變物料的性質及種類。例如：發酵、合成、生物凈化等。
目前已知的三大類單元過程（單元操作）大約共60余種。這60余種單元過程通過不同的排列組合可以演變出成千上萬種產品的生產工藝過程。這正像種類有限的電子元件可以組合生產出繁多的電子產品一樣。隨著科學技術的進步，先進的工藝過程不斷出現，新興的過程技術不斷提高，更多新產品和材料被制造出來以滿足現代生活的需求。
我們經常使用過程工程及過程工業的概念，但對其定義及內涵仍缺乏嚴格、準確的描述。在上述“過程”及“過程技術”概念的基礎上，可將其理解為：過程工程是過程技術應用之工程領域的集合，過程工業是應用過程技術之工業分支的總和。應用過程技術所生產的產品種類繁多，生產工藝過程千差萬別。啤酒、食糖、塑料、水泥、汽油、醬油、口紅等都是應用過程技術的典型產品。
掌握了上述過程、過程技術及過程工業的概念后，過程裝備的概念及范疇就不難理解了。通俗地說，過程裝備就是完成物料轉換所必需的成套裝置；也可以表述為：過程裝備就是過程工業中所應用的聯合裝置。因此可將過程裝備定義為：過程裝備是指物料技術轉換過程中所應用之設施的總和。由原料轉化為產品的總過程稱為生產過程。生產過程是由若干單元過程組成的。生產過程所對應的設施稱為（生產）裝備，對應各單元過程的設施稱為單元裝備。裝備往往是由設備、機器、管道及各種測控設施等組成的，即：裝備=設備+機器+輔助設施。過程裝備按照工作原理可以分為物理過程裝備（包括機械過程裝備、熱力過程裝備）、化學過程裝備和生物過程裝備。
“過程裝備與控制過程”是一個涉及多學科的跨學科專業。本專業的研究對象主要包括物料轉換規律、物料轉換裝備的工作原理、設計方法、制造工藝、集成控制及運行管理等。專業特色是機、電、儀一體化，系統各組成部分均相互關聯、相互作用和相互制約，任何一點發生故障都會影響整個系統。基本為長周期穩定運行，加工的流體性物料有些是易燃易爆、有毒或工藝要求在高溫、高壓下進行，系統的安全可靠性要求高。其裝備的大型化、集成化、智能化、自動化、連續長周期運轉帶來高效率、高產值和高新技術的全面應用。
過程裝備與控制工程專業所涉及的主要知識領域為：機械工程，化學工程，生物工程，能源與動力工程，控制工程等。在本專業本科生的培養方案中，專業必修課應主要包括：過程裝備與控制工程概論，過程設備設計，過程流體機械，過程裝備控制技術，過程裝備集成技術，機械（或熱力或化學或生物）過程裝備設計與制造等。
上述定義的過程裝備與控制工程專業包括了更寬泛的專業內涵，化工過程機械只是過程裝備的一個分支。根據這一內涵要求，青島科技大學編寫了包括物理過程及設備、化學過程及設備、生物過程及設備、過程裝備集成及控制等系列教材。該系列教材的顯著特點為：厚基礎、寬口徑、強能力、重特色，即學生應掌握機械工程、化學工程、生物工程、控制工程、管理工程等方面深厚的專業基礎知識；在專業課階段強化學生對基礎知識的應用能力及工程能力的培養；畢業生就業領域拓寬到包括化工、石油化工、食品、制藥、釀造、化妝品、環保等十多個重要工業分支；本專業具有多學科交叉、寬口徑面向之特色，是其他專業不能替代的。若以此為框架進行專業建設，必將賦予其更豐富的內涵、更廣泛的應用領域以及更廣闊的發展前景。
李慶領

第1章緒論
1．1過程工業與工業化學過程
1．1．1過程工業
1．1．2工業化學過程
1．2化學過程設備中的化學過程和物理過程
1．2．1化學反應過程
1．2．2物理過程
1．3化學過程設備設計的基本內容
1．4過程反應設備的分類
1．4．1過程反應設備的分類
1．4．2常見過程反應設備的類型
1．4．3新型化學反應設備

第2章均相反應器
2．1理想流動模型
2．1．1流體混合的概念及意義
2．1．2理想流動模型
2．2管式反應器
2．2．1管式反應器的設計
2．2．2管式反應器類型及特點
2．2．3外熱式管式反應器--裂解爐
2．2．4蓄熱式反應器
2．2．5移動床卵石反應器（卵石加熱器）
2．2．6火焰反應器
2．2．7換熱器型管式反應器
2．2．8電阻抗加熱的反應器
2．2．9靜態混合器
2．2．10均相絕熱管式反應器
2．3機械攪拌釜式反應器
2．3．1反應釜的總體結構
2．3．2反應釜的釜體尺寸
2．3．3反應釜的傳熱裝置
2．3．4反應釜的攪拌裝置
2．3．5反應器的傳動裝置
2．3．6反應釜的軸封裝置

第3章氣一固相催化反應器
3．1概述
3．1．1氣一固相催化反應過程的步驟
3．1．2常用的實驗反應器
3．1．3氣一固相催化反應器類型
3．1．4氣一固相反應器的選型
3．2固體催化劑的工程設計
3．2．1催化劑的性能要求
3．2．2催化劑的類別
3．2．3催化劑顆粒的形狀和大小
3．2．4固體催化劑的物理特性
3．2．5催化劑顆粒內的活性組分分佈方式與孔徑分佈
3．2．6催化劑的失活
3．2．7催化劑的制法
3．3固定床反應器
3．3．1固定床反應器概述
3．3．2固定床反應器的流體力學
3．3．3固定床床層內流體混合現象
3．3．4固定床的傳熱
3．3．5絕熱式固定床反應器
3．3．6換熱式反應器
3．3．7工業固定床反應器的設計
3．4流化床反應器
3．4．1概述
3．4．2流化床的流動特性
3．4．3氣一固流化床的氣泡行為
3．4．4傳熱
3．4．5流化床反應器的形式和結構
3．4．6流化床反應器的設計
3．4．7固相反應
3．5移動床反應器

第4章氣一液相反應器
4．1概述
4．1．1氣一液相反應器的分類
4．1．2氣一液反應器形式的選擇
4．2板式塔反應器
4．2．1對板式塔設備的要求和設計內容
4．2．2常用板式塔類型
4．2．3塔盤結構
4．3填料塔
4．3．1填料塔的設計內容
4．3．2填料
4．3．3填料塔結構設計
4．3．4塔的附件
4．3．5裙座
4．4鼓泡塔反應器
4．4．1鼓泡塔的流動特性
4．4．2鼓泡現象
4．4．3影響氣含率的因素
4．4．4鼓泡塔內的傳熱
4．5鼓泡攪拌釜

第5章其他化學反應器
5．1氣一液一固三相反應器
5．1．1氣一液一固三相反應器的類型
5．1．2固定床氣一液一固三相反應器
5．1．3懸浮床氣一液一固三相反應器
5．2膜反應器
5．2．1金屬膜反應器
5．2．2多孔無機膜反應器
5．3生化反應器
5．4電化學反應器
5．4．1邑化學反應器的類型
5．4．2電化學反應器的重要構件
5．5聚合反應器
5．5．1聚合反應器的類型
5．5．2常用聚合反應器
5．5．3特殊形式聚合反應器
參考文獻

2.2.6 火焰反應器
有一些很快的放熱反應在相當高的溫度下進行，形成一種火焰燃燒混合物。所需的接觸時間通常都特別短，而且還需要快速急冷以防止不希望有的副反應。這類工業反應包括：烴的部分燃燒制造合成氣（CO和H2）、部分原料燃燒引起烴的高溫裂解生成乙炔、氫與氯燃燒生成HCl、烴的冷焰氧化等。
火焰反應器由二個或三個主要部分組成：一個是燒嘴或燃燒部分，如果需要的話，還可有一個反應部分，以便引入反應物，使在火焰產生的強熱中進行反應；另一個是急冷部分，在得到所希望的混合產物的瞬時，迅速使反應終止。事實上由于反應進行太快，在所有部分都發生反應，從這個意義來說每一部分都是一個反應器。
2.2.6.1 燒嘴或燃燒部分
一般是將氣化的原料供給火焰反應器中的燒嘴，氣化了的原料或者預先與氧或空氣混合，或者與空氣分別引入燃燒室在此混合和燃燒。顯然，兩種情況下所得的混合物都必須在可燃范圍之內，對于非預混型，熄火極限更寬一些，因為即使過剩的空氣非常多，但系統中總有若干部分，其中可燃物的濃度足以維持火焰。
火焰的穩定性是成功操作的另一個要求。把燒嘴放在導管中，這是一個特殊的問題，此時導管必須同時容納反應物及產物。導管的聲學特性對振蕩現象起共振器的作用，使火焰的不穩定趨于強化。
在火焰反應器中，由于火焰和導管中速度梯度兩者所產生的湍動使情況大為復雜。剪切流動引起燃燒波損失相當的熱量，同時熱被對流帶回。當湍動增加則熱損失變大，熱損失增加則降低了火焰溫度和燃燒反應速率，使燃燒速率降低，并使燃燒波的厚度增加，因而由于剪切流動作用使熱損失進一步加速，這個過程最終可引起火焰被自身的氣體所熄滅。燒嘴和火焰反應器研制的一個主要問題就是要克服高強度燃燒所要求的高速流動造成的影響。
有四種基本方法可穩定這種湍動火焰，主要是要向燃燒著的蒸氣供給熱量。
（1）通過傳導和對流向進人物流的反方向供給熱量；
（2）預熱進入的氣體；
（3）對進入的燃料／空氣物流從燃燒區反向輻射供熱；
（4）熱的燃燒產物再循環，并與燃料／空氣混合物相混合。
雖然每種方法都可操作，但前三種有其本身的限制，單獨使用都無助于火焰的穩定。物流只能提供有限的熱量，使火焰傳遞速度只增加到層流火焰的四倍。預熱是一種有價值的方法，但單獨使用是有限制的，因為不可能把燃料和空氣混合物流預熱到接近著火溫度。各股物流通常在各自的爐子中加熱到較高的溫度，但需要額外的熱源。反向輻射也能提供大量的熱，但燃料的消耗量受很大的限制，除非先預熱到高溫。再循環證明是傳熱的最有效方法，實驗已證明，當循環燃燒產物對進入的燃料／空氣混合物之比為4：1時，可達到最大燃燒速度。若比例再大將使反應緩慢，因為火焰已被稀釋。