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出版者:Springer-Verlag Berlin and Heidelberg GmbH & Co. KG

作者:Jakobsen, Hugo A.

出品人:

页数:1244

译者:

出版时间:

价格:$ 303.97

装帧:

isbn号码:9783540251972

丛书系列:

图书标签:

• 化学反应器
• 建模
• 模拟
• 化工
• 化学工程
• 动力学
• 传质
• 传热
• 数值计算
• MATLAB

动力学与过程控制的交汇：反应器设计与优化进阶 本书聚焦于复杂化学反应体系的动态行为、过程控制策略的建立与实施，以及面向工业化应用的先进反应器概念。本书不涉及化学反应器建模（Chemical Reactor Modeling）的具体数学描述、方程求解或稳态/动态模拟方法，而是将重点放在了反应工程学的更前沿和更侧重于操作层面的内容。 --- 第一部分：高级反应动力学与催化剂失活机制 本部分深入探讨了超越经典阿伦尼乌斯（Arrhenius）模型的反应速率描述，特别关注在非理想条件下（如高压、多相界面、微孔扩散限制）的真实反应速率标定。 第一章：非理想条件下的反应速率关联 本章首先回顾了传统反应动力学的局限性，随后转向了适用于工业环境的复杂速率方程构建。重点内容包括： 吸附与表面络合理论的深入应用： 详细分析了Langmuir-Hinshelwood和Hougen-Watson模型在多物种竞争吸附体系中的修正与扩展。讨论了如何通过实验手段（如程序升温脱附，TPD）来确定表面覆盖度和有效反应活度。 扩散与反应的耦合效应（内/外扩散限制评估）： 详细阐述了Thiele模数和达休斯-韦伯（Damköhler Number）在不同反应器几何结构中的实际意义。重点分析了如何通过精确的粒度控制和孔结构设计，将反应速率从扩散控制区转移至动力学控制区。 反应的非均相性与热点效应： 探讨了在快速反应或高放热反应中，由于局部温度梯度导致的宏观速率偏差。引入了局部热力学平衡概念，以及如何通过优化流场来避免反应系统进入热失控的临界条件。 第二章：催化剂寿命管理与再生技术 催化剂性能的衰减是决定反应器经济效益的关键因素。本章专注于理解和管理这些衰减机制。 失活机理的分类与表征： 详细区分了积碳失活（Coking）、烧结（Sintering）、中毒（Poisoning）和结构塌陷四种主要失活路径。引入了先进的表征技术，如高分辨率透射电镜（HRTEM）和X射线光电子能谱（XPS），用于定位活性位点上的堵塞物。 再生策略的优化设计： 针对不同失活机理，设计了相应的再生方案。例如，针对积碳失活，提出了分步氧化（Staged Oxidation）再生曲线的优化，以平衡积碳去除效率与贵金属载体结构的完整性。探讨了使用反应性气氛或等离子体辅助再生的可行性。 催化剂寿命预测与寿命周期管理（LCM）： 建立了基于操作历史（温度、压力、进料纯度）的统计寿命预测模型，用于指导工厂的停工计划和催化剂更换周期，最大化设备的有效运行时间。 --- 第二部分：反应过程的动态控制与优化 本部分完全侧重于如何利用控制理论来维持反应系统的稳定运行、提高产品质量的一致性，并实现能效的最大化。 第三章：先进过程控制（APC）在反应器中的应用 本章是关于如何将复杂的反应动力学信息转化为可操作的控制律。 模型预测控制（MPC）的基础与构建： 详细介绍了如何使用简化（或降阶）的动态模型来预测未来过程行为，并计算最优控制输入。重点讨论了约束处理（Handling Constraints），包括操作变量的硬约束和软约束（如目标值偏移惩罚）。 多变量耦合控制策略： 分析了典型的热点反应器（如固定床或环流床）中温度、压力和组分浓度之间的强耦合关系。设计了用于解耦控制的解耦矩阵（Decoupling Matrix）的应用，确保对一个变量的调节不会过度干扰其他关键变量。 在线优化与控制器的自适应： 讨论了如何将经济模型纳入控制目标函数，实现实时利润最大化。重点是自适应控制（Adaptive Control）的应用，即当催化剂活性随时间衰减时，控制系统如何自动调整PID增益或MPC权重矩阵以保持性能。 第四章：反应器安全与故障诊断 反应过程的本质高能态要求极高的安全性和可靠性。本章关注的是如何系统性地预防和响应异常工况。 安全仪表系统（SIS）的设计与验证： 深入探讨了基于风险评估（如HAZOP分析）确定安全完整性等级（SIL）的过程。重点在于如何设计满足特定SIL要求的安全联锁逻辑（Interlock Logic），并进行定期的功能安全测试。 异常工况的实时状态监测： 介绍利用先进传感器技术（如在线光谱分析、热电偶阵列）和软测量技术（Soft Sensing）来快速识别过程偏差。重点是基于数据驱动的早期故障检测算法，如主成分分析（PCA）在多变量过程监控中的应用。 失控反应的缓解与响应： 针对极端高放热反应，设计了应急降温和卸压程序。分析了爆破片（Rupture Disc）与安全阀（Relief Valve）的联合保护方案，并讨论了容性卸压容积（Venting Volume）的精确计算。 --- 第三部分：新兴反应器概念与过程强化 本部分探讨了超越传统连续式和间歇式反应器的创新设计，旨在提高效率、减少能耗并缩小设备体积。 第五章：微反应器技术与传质强化 微通道反应器（Microreactor）因其极高的表面积/体积比，在传热和传质方面具有独特优势。 热管理与温控的革命性优势： 详细分析了微反应器中温度梯度被限制在微米量级的物理基础。讨论了其在极端快速反应（如硝化反应、自由基聚合）中实现“绝热”操作的潜力。 多相流的流体力学： 重点研究了在微通道中气-液、液-液或三相流动的行为，如段塞流、环状流的特性。分析了如何通过结构化的进料设计（如静态混合器集成）来维持均匀的接触界面。 过程的模块化与可伸缩性（Scaling-Out）： 区别于传统反应器的“放大”（Scaling-Up），本章阐述了微反应器通过“并联化”（Numbering-Up）实现产能提升的设计原则，以及如何确保并联单元之间性能的一致性。 第六章：反应性分离与过程集成 本章关注将反应和分离单元紧密耦合，以克服热力学限制或提高分离效率。 反应精馏（Reactive Distillation）： 深入分析了酯化、醚化等可逆反应在精馏塔中的集成设计。重点讨论了塔板上的反应速率与汽液平衡的相互影响，以及如何通过优化塔内组分分布来驱动平衡向产物侧移动。 膜反应器技术： 探讨了分离膜在反应器中的集成应用，特别是用于脱除反应生成物以提高转化率（如氢化反应中的氢气渗透）。分析了膜材料的选择性、渗透性与催化性能之间的权衡。 反应与结晶耦合： 讨论了在某些产品（如医药中间体或精细化学品）的生产中，反应后直接进行结晶以一步实现产品纯化的策略，重点关注过饱和度的动态控制。 --- 总结： 本书旨在为反应工程领域的专业人士提供一个聚焦于操作、控制、安全与创新设计的深入视角。它假定读者已掌握了基本的反应动力学和反应器平衡原理，从而将重点完全放在如何将这些原理转化为高效、安全且经济的工业过程。本书内容与反应器数学建模的细节保持清晰的界限，强调工程实践中的动态响应、高级控制架构以及前沿反应器概念的应用与优化。

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