《反應工程》（第四版）從理論和實踐相結合的角度，系統闡明了反應工程的基本原理和方法。內容包括由基元反應和質量作用定律推導非基元反應的速率方程的步驟；由設計的實驗獲得反應動力學數據以及擬合出動力學參數的方法；由質量衡算建立反應器設計方程的原理；由連續反應器的停留時間分布確定真實反應器模型參數的過程。并將它們用于理想反應器和真實反應器的設計與分析。此外，生化反應工程基礎、聚合反應工程基礎和電化學反應工程基礎三章內容將為可再生能源加工、新材料生產和新能源裝備提供可借鑒的反應器設計方法。
本書除作為化工及相關專業本科生教材外，還可供從事化工生產、科研和設計工作的工程技術人員參考。

辛峰，天津大學教授，化學反應工程課程負責人，中國化工學會會員，化學反應工程與工藝期刊編委會成員。在近二十余年里，先后講授了反應工程課程的中文、雙語、全英文本科、碩士和博士課程，主持了《反應工程》第三版的修訂，組織英文版《Reaction Engineering》的編寫。其帶領下的天津大學反應工程教學團隊，曾獲得2004 年國家 級精品課程、2016年國家 級精品資源共享課和2023年國家 級一 流本科課程。辛峰教授在教學方面曾獲 2021 年天津大學教學成果獎，天津大學化工學院 2018年度人才培養貢獻獎和 2023 年優秀教師獎。
主要研究方向：多相催化反應工程；反應和分離過程的集成與強化；清潔化工生產中的反應工程。

前言
反應工程是化工與制藥類本科專業的核心課程，近年來該課程內容不斷改進，旨在為新質生產力的開發、化工產業的升級優化、“雙碳”目標的達成和支撐國家重點領域發展培養人才。
當今世界正經歷著百年未有之大變局。黨的二十大報告首次將“實施科教興國戰略，強化現代化建設人才支撐”作為一個獨立的篇章，部署了“加快建設教育強國、科技強國、人才強國”的全面工作。
跨越三十五年的風云變幻，天津大學《反應工程》教材始終承載著老一輩天大化工人的殷殷重托和廣大讀者的熱切期望。經歷了三代人的努力，取得了有目共睹的成果，也培養了一大批有識之士。希望這本經典教材今后能發揮更大的作用。
作為普通高等教育“九五”國家級重點教材，本教材曾榮獲2002年全國普通高等學校優秀教材一等獎、2014年中國石油和化學工業聯合會優秀出版物(教材類)一等獎。本書是2004年國家級精品課、2016年國家級精品資源共享課和2023年國家級一流本科課程的重要支撐。2017年化學工業出版社和愛思唯爾(Elsevier)出版集團分別向國內和海外發行了《反應工程》教材英文版《ReactionEngineering》，深得海內外讀者的喜愛。
《反應工程》教材如何滿足新時代對人才培養的要求，如何為發展新質生產力、破解關鍵技術卡脖子的難題做出貢獻，是擺在我們面前亟待解答的問題。為此，《反應工程》(第四版)力求思路清晰、敘述準確，使讀者快速獲得要領，在解決問題的同時，留出思考和發揮的空間。同時，嘗試采用新形態的模式，引入了開源的Python計算代碼和掃描二維碼即可獲取的多媒體輔助教學內容；通過定義“反應量”，解決了化學計量關系和反應速率正負號的困擾；利用建立的反應器衡算方程，統一且簡化了理想反應器設計方程的推導過程；調整了部分章節的順序，使內容編排更加科學、合理，符合邏輯；補充了每章章首的提要和章末的總結，便于讀者在快速了解各章內容的同時，掌握它們的核心所在；將科研成果以例題的形式，貫穿相關章節，進一步體現了理論的應用價值。顯然，這些努力還遠遠不夠。為了尋求答案，我們未來還有很長的路要走。
《反應工程》(第四版)是在第三版的基礎上編寫而成?？蚣艿恼{整、內容的增補和勘誤、Python程序的編寫由辛峰執筆，并聽取了王富民、張旭斌和蔡旺鋒三位老師的建議。多媒體資源由徐艷和王燕兩位老師提供。
在此，衷心感謝本教材的讀者，期待指正。

編者
2024年6月



歷版前言
第一版前言
化學反應工程是化學工程學科的一個重要組成部分，也是大學本科化工類專業學生的必修課程之一。國內高等院校對此課程的開設有兩種不同的做法，一是有關專業共同開設，即作為技術基礎課開出；另一種做法則按專業課處理，各專業單獨開課。我們采取前一種做法，本書也就是在此前提下，經過多年的教學實踐，數易其稿而成的。
化學反應工程課的基本內容包括反應動力學和反應器設計與分析兩個方面。本書在物理化學課的基礎上，從應用的角度論述反應器設計與分析所涉及的動力學問題，并作適當的擴充。對于反應器設計與分析則著重在理想反應器方面，使學生打下扎實的基礎，學會分析問題和解決問題的方法，以便遇到較為復雜的問題時不至于無從下手。在反應類別和反應器類型的選擇上保持了一定的廣度，但又有所側重而不是面面俱到。除了均相反應外，對于多相反應，特別是氣固相催化反應及反應器，作了較為詳細的討論。這一方面是因為該類反應及反應器十分典型，掌握其基本原理后，當起到舉一反三、事半功倍的作用。另一方面，也是由于這方面的研究工作較為充分和完善的緣故。再者，此類反應的工業應用也十分廣泛。所以，以多相催化反應及反應器作為重點是十分適宜的。
以往的教學經驗告訴我們，學生學習化學反應工程課時最大的困難是數學問題，這里面原因很多，此處不擬深究。為此，本書所涉及的數學問題除極個別的情況外，只限于初等數學與微積分以及常微分方程，另外還需少量的概率論和數理統計方面的基本知識。為了培養學生的實際計算能力，減少做題中的困難，書中編入了大量的例題，且多為工業生產實際反應的例子，這樣做有利于理論聯系實際，提高學生的學習興趣和聯系實際的能力。當然，書中的例題同樣地起到驗證理論、幫助理解概念和闡明方法等公認的作用。各章末還附有豐富的習題供練習用。這些習題及例題大多數為編者在多年教學實踐中所編就，難易程度和繁簡程度都有所差異，其中有些還需使用計算機計算。
全書系天津大學化工系反應工程教研室全體同志集體智慧的結晶。具體參加編寫工作的有李紹芬、劉邦榮、黃璐、張瑛、廖暉、張好講和趙學明等同志，最后由李紹芬整理、修改和定稿。陳敏恒教授對全書進行了審閱，提出了很好的建議和精辟的見解，在此向他表示衷心的感謝。許多兄弟院校的同行們對本書的部分章節也曾提出了很有價值的意見，使本書增輝不少，這里我們向他們表示深切謝意。然而，我們的水平畢竟有限，錯誤在所難免，懇切希望讀者批評指正。

編者
1989年7月



第二版前言
化學反應工程課是化工類專業大學本科的一門技術基礎課程，國內眾多高校對此已達成共識，《反應工程》一書就是在此基礎上編寫的。第一版由化學工業出版社于1990年出版，已經先后印刷了六次，累計印數為2.41萬冊，且各次印數逐次增加。該書1996年榮獲化工部全國高校化工類優秀教材一等獎，1997年全國優秀教學成果二等獎。
本書為《反應工程》第二版，是為經調整和拓寬專業后而設立的“化學工程和工藝類”專業大學本科生所編寫，被列為國家級“九五”重點立項教材。
《反應工程》第一版問世以來已有十年，經過我校多年的教學實踐，發現了一些不足之處。在此期間一些兄弟院校的同行們對書中部分章節也提出過有價值的建議。為此，第二版對第一版的八章作了適當的修改與補充，使之在有關反應動力學、反應器設計與分析方面的概念更為確切、清楚。在氣-固催化流化床中補充了循環流化床反應器。為了拓寬學生專業面，又新添了生化反應工程基礎、聚合反應工程基礎和電化學反應工程基礎三章，以適應信息、材料、生物和環境等高新技術的發展。這三部分雖然都具有其自身的特點和規律，但是它們的基本理論和基礎仍是前八章較為詳述的化學反應工程。所以，后三章側重簡單論述有關的基本理論與特點，以便學生對這些交叉學科有一些初步的了解，為進一步學習打下基礎。這三章可以根據學生的專業方向加以選擇。
本書由李紹芬教授主編。具體參加編寫工作的有李紹芬、張瑛、張好講、廖暉和陳延禧等同志。生物化學工程系趙學明教授、馬紅武講師和有機合成與高分子化工系曹同玉教授、孫經武教授分別對第九、十章進行了修改。所以，全書是天津大學化工學院眾多教師集體智慧的結晶。陳敏恒教授和袁乃駒教授擔任本書的主審，他們對全書進行了詳細的審閱，提出了許多寶貴的意見和建議，在此特向他們表示誠摯的謝意。
由于我們水平有限，缺點和錯誤在所難免，懇切希望讀者予以批評指正。

編者
1999年6月



第三版前言
天津大學《反應工程》教材是已故李紹芬教授和他的同事們辛勤耕耘的結果，深受國內廣大讀者的青睞。本書曾列為普通高等教育“九五”國家級重點教材，并榮獲2002年全國普通高等學校優秀教材一等獎。本書自1989年出版、2000年修訂再版，至今已累計印刷23次，成為國內不可或缺的高等學校規劃教材之一。
雖然天津大學從事反應工程教學的老一輩教師早已全部退休，但他們留下的優秀教材，歷經二十余年的歲月，依舊在反應工程教學和科研中發揮著重要的作用，且陸續被更多的高校師生所認可與使用，延續了其特有的價值。時間也進一步證明了本書是一本難得的化工專業經典教材。
反應工程的研究，在近十幾年里發生了很多顯著的變化。學科交叉的特點更加突出，在能源、材料、制藥和環境等領域，已經彰顯出越來越重要的作用。在傳統的化工行業，則高度重視反應過程的微觀描述，以及過程集成與強化產生的節能降耗效果。與之相適應的化工類專業人才培養目標，應更加注重工程實踐能力的提高，以滿足教育部提出的卓越工程師教育培養計劃的要求。
為此，對教材再次做出修訂。作為新一輩的教師，盡管難以堪此重負，卻又責無旁貸地肩負起修訂的責任。此次再版，本著保留原教材主要內容和寫作風格的原則，延續了教材文字精練、內容豐富、深入淺出的特點，除對原教材中的疏漏進行了勘誤外，還適當擴充了工程案例，增加并改編了部分例題和習題，簡要敘述了反應工程的新進展，以期更好地服務于高校師生和廣大讀者。
本書的修訂工作由天津大學辛峰教授、王富民教授和蔡旺鋒副教授共同完成。
不妥之處，敬請指正。

修訂者
2012年12月2日

1 緒論 1
1.1 化學反應工程 1
1.2 化學反應的轉化率和收率 3
1.2.1 反應進度 3
1.2.2 轉化率 4
1.2.3 收率與選擇性 5
1.3 化學反應器的類型 7
1.4 化學反應器的操作方式 9
1.5 反應器設計的基本方程 11
1.6 工業反應器的放大 12
1.7 反應工程的新進展 14
習題 16

2 反應動力學基礎 18
2.1 化學反應速率 18
2.2 反應速率方程 21
2.3 溫度對反應速率的影響 26
2.4 復合反應 30
2.4.1 反應組分的消耗速率和生成速率 30
2.4.2 復合反應的基本類型 31
2.4.3 反應網絡 34
2.5 反應速率方程的減變量 35
2.5.1 單一反應 35
2.5.2 復合反應 38
2.6 多相催化與吸附 41
2.6.1 多相催化作用 41
2.6.2 吸附與脫附 42
2.7 多相催化反應動力學 45
2.7.1 定態近似和速率控制步驟 45
2.7.2 多相催化反應速率方程 47
2.8 建立速率方程的步驟 51
習題 53

3 釜式反應器 57
3.1 反應器的設計方程 57
3.2 釜式反應器的物料衡算式 58
3.3 等溫間歇釜式反應器的計算(單一反應) 59
3.3.1 反應時間及反應體積的計算 59
3.3.2 優化反應時間 62
3.4 等溫間歇釜式反應器的計算(復合反應) 64
3.4.1 平行反應 64
3.4.2 連串反應 66
3.5 連續釜式反應器的反應體積 69
3.6 連續釜式反應器的串聯與并聯 72
3.6.1 概述 72
3.6.2 串聯釜式反應器的計算 73
3.6.3 串聯釜式反應器各釜的最佳反應體積比 77
3.7 釜式反應器中復合反應的收率與選擇性 79
3.7.1 總收率與總選擇性 79
3.7.2 平行反應 80
3.7.3 連串反應 83
3.8 半間歇釜式反應器 85
3.9 變溫間歇釜式反應器 88
3.10 連續釜式反應器的定態操作 92
3.10.1 連續釜式反應器的熱量衡算式 92
3.10.2 連續釜式反應器的定態 93
習題 97

4 管式反應器 103
4.1 活塞流假設 103
4.2 等溫管式反應器設計 104
4.2.1 單一反應 105
4.2.2 復合反應 107
4.2.3 擬均相一維模型 112
4.3 管式與釜式反應器反應體積的比較 113
4.4 循環反應器 119
4.5 變溫管式反應器 120
4.5.1 管式反應器的熱量衡算式 120
4.5.2 絕熱管式反應器 121
4.5.3 非絕熱變溫管式反應器 124
4.6 管式反應器的優化溫度序列 126
4.6.1 單一反應 126
4.6.2 復合反應 127
4.7 動力學參數的確定 129
4.7.1 積分法 130
4.7.2 微分法 131
習題 135

5 停留時間分布與連續反應器模型 141
5.1 停留時間分布 141
5.1.1 概述 141
5.1.2 停留時間分布的定量描述 143
5.2 停留時間分布的實驗測定 145
5.2.1 脈沖法 145
5.2.2 階躍法 147
5.3 停留時間分布的統計特征值 148
5.4 理想反應器的停留時間分布 151
5.4.1 活塞流模型 151
5.4.2 全混流模型 152
5.5 非理想流動現象 154
5.6 非理想流動模型 156
5.6.1 離析流模型 156
5.6.2 多釜串聯模型 161
5.6.3 軸向分散模型 164
5.7 非理想反應器的計算 167
5.8 反應器中流體的混合 169
習題 174

6 多相反應中的傳遞現象 176
6.1 多相催化反應過程步驟 177
6.1.1 固體催化劑的宏觀結構及性質 177
6.1.2 過程步驟 178
6.2 流體與催化劑顆粒外表面間的傳質與傳熱179
6.2.1 傳遞系數 180
6.2.2 流體與顆粒外表面間的濃度差和溫度差 181
6.2.3 外擴散對多相催化反應的影響 182
6.3 氣體在催化劑顆粒內的擴散 185
6.3.1 孔擴散 185
6.3.2 多孔顆粒內的擴散 186
6.4 多孔催化劑內的擴散與反應 187
6.4.1 多孔催化劑內反應組分的濃度分布 188
6.4.2 內擴散有效因子 189
6.4.3 非一級反應的內擴散有效因子 193
6.4.4 內外擴散都有影響時的總有效因子195
6.5 內擴散對復合反應選擇性的影響 197
6.6 多相催化反應過程中消除擴散影響的判定198
6.6.1 消除外擴散影響的判定 198
6.6.2 消除內擴散影響的判定 199
6.7 擴散干擾下的動力學假象 201
習題 205

7 多相催化反應器的設計與分析 209
7.1 固定床內的傳遞現象 209
7.1.1 固定床內的流體流動 210
7.1.2 質量和熱量的軸向分散 211
7.1.3 徑向傳質與傳熱 212
7.2 固定床反應器的數學模型 214
7.3 絕熱式固定床反應器 218
7.3.1 絕熱反應器的類型 218
7.3.2 固定床絕熱反應器的催化劑用量 219
7.3.3 多段絕熱式固定床反應器 221
7.4 換熱式固定床反應器 225
7.4.1 引言 225
7.4.2 進行單一反應時的分析 226
7.4.3 進行復合反應時的分析 228
7.5 自熱式固定床反應器 231
7.5.1 反應物料的流向 231
7.5.2 數學模擬 232
7.6 參數敏感性 233
7.7 流化床反應器 235
7.7.1 流態化 235
7.7.2 流化床催化反應器 237
7.8 實驗室催化反應器 239
7.8.1 基本要求 239
7.8.2 主要類型 240
習題 243

8 多相反應器 247
8.1 氣液反應 247
8.2 氣液反應器 251
8.2.1 主要類型 251
8.2.2 鼓泡塔的設計 252
8.2.3 攪拌釜式反應器的設計 255
8.3 氣液固反應 256
8.3.1 概述 256
8.3.2 氣液固相催化反應的傳遞步驟與速率257
8.4 滴流床反應器 258
8.4.1 概述 258
8.4.2 數學模型 259
8.5 漿態反應器 262
8.5.1 類型 262
8.5.2 傳質與反應 263
8.5.3 機械攪拌釜的設計 265
習題 268

9 生化反應工程基礎 271
9.1 概述 271
9.2 生化反應動力學基礎 273
9.2.1 酶催化反應及其動力學 273
9.2.2 微生物的反應過程動力學 280
9.3 固定化生物催化劑 284
9.3.1 概述 284
9.3.2 酶和細胞的固定化 285
9.3.3 固定化生物催化劑的催化動力學 286
9.4 生化反應器 288
9.4.1 生化反應器類型 288
9.4.2 生化反應器的計算 290
習題 297

10 聚合反應工程基礎 299
10.1 概述 299
10.2 聚合反應動力學分析 300
10.2.1 聚合反應分類 300
10.2.2 聚合度及其分布 301
10.2.3 均相自由基聚合反應 306
10.2.4 縮聚反應 319
10.2.5 影響聚合反應速率的因素 323
10.3 聚合過程的傳熱與傳質分析 325
10.3.1 聚合過程熱效應特點 325
10.3.2 解決聚合過程傳熱與流動的措施 326
10.3.3 傳熱系數與傳質系數 327
10.4 聚合反應器的設計與分析 327
10.4.1 聚合反應器與攪拌器 327
10.4.2 數學模型 328
10.4.3 聚合反應器的計算與分析 328
習題 331

11 電化學反應工程基礎 333
11.1 概述 333
11.1.1 電化學反應的特點 333
11.1.2 電化學反應工程的質量指標 334
11.2 電化學反應工程中的特殊問題 338
11.2.1 電極表面的電位及電流分布 338
11.2.2 析氣效應 343
11.2.3 電化學工程中的傳質過程 346
11.2.4 電化學工程中的熱傳遞與熱衡算 349
11.3 電化學反應器 350
11.3.1 電化學反應器的類型 350
11.3.2 電化學反應器的工作特性 353
11.3.3 電化學反應器的連接與組合 360
習題 363

參考文獻 364