01 / 导读
导读
引用
Fogler, H. S., Goldsmith, B. R., Nikolla, E., & Singh, N. (2025). Elements of Chemical Reaction Engineering (7th ed.). Pearson.
章节概要
全书共19章和10个附录，超过1,000页。每章结尾都有一节安全课程，题为“And Now… A Word from Our Sponsor—Safety”（AWFOS–S），配套网站还提供交互式模拟和补充材料。导言指出，本科课程通常以第1–13章为重点，研究生课程则增加扩散限制与效率因子（第14–15章）、非理想反应器与停留时间分布（第16–18章）以及电化学反应器（第19章）。
第1–2章：Mole Balances；Conversion and Reactor Sizing（物料衡算；转化率与反应器尺寸）
第一个构件。第1章定义反应速率和一般物质的量衡算方程，并把它应用于间歇式、连续搅拌釜、管式、填充床和流化床反应器，还概述了工业反应器。第2章定义转化率，推导各类反应器的设计方程，对连续流动反应器进行尺寸计算，讨论反应器串联，并引入空时和空速。
第3–4章：Rate Laws；Stoichiometry（速率定律；化学计量学）
第3章讲速率定律，从基元和幂律形式到非基元反应和可逆反应，介绍速率常数及其通过阿伦尼乌斯方程表现的温度依赖性，还有分子模拟。第4章处理间歇和流动系统的化学计量学，包括液相和气相浓度，以及可逆反应和平衡转化率。
第5–6章：Isothermal Reactor Design: Conversion；Isothermal Reactor Design: Moles and Molar Flow Rates（等温反应器设计：转化率；等温反应器设计：物质的量与摩尔流量）
第5章把前四个构件合成间歇反应器、CSTR和管式反应器的设计算法，包括填充床中的压降，并包含综合设计一座化工厂的一节。第6章用物质的量和摩尔流量重述设计方法，并应用于微反应器、膜反应器、非稳态搅拌反应器和半间歇反应器。
第7–8章：Collection and Analysis of Rate Data；Multiple Reactions（速率数据的收集与分析；多重反应）
第7章讲如何由数据得到速率定律：积分法与微分法、非线性回归、微分反应器和实验规划。第8章通过选择性和收率讨论多重反应，包括平行反应、串联反应和复杂反应，以及提高选择性的膜反应器。
第9–10章：Reaction Mechanisms, Pathways, Bioreactions, and Bioreactors；Catalysis and Catalytic Reactors（反应机理、途径、生物反应与生物反应器；催化与催化反应器）
第9章讲活性中间体与拟稳态假设、带有米氏动力学和抑制作用的酶促反应，以及涉及细胞生长、恒化器和洗出的生物反应器。第10章讲催化剂、催化反应的步骤、速率定律与速率控制步骤的综合、非均相数据分析、微电子制造中的反应工程以及催化剂失活。
第11–13章：Nonisothermal Reactor Design（非等温反应器设计）
第11章建立稳态能量衡算和绝热活塞流反应器，包括绝热平衡转化率、级间冷却或加热和最优进料温度。第12章加入带换热的流动反应器、有热效应的CSTR、多重稳态、非等温多重反应以及管式反应器中的温度变化。第13章转向间歇和半间歇反应器的非稳态能量衡算，包括一个失控反应的案例。
第14–15章：Mass Transfer Limitations in Reacting Systems；Diffusion and Reaction（反应体系中的传质限制；扩散与反应）
第14章介绍扩散、传质系数、向单个颗粒的传质、收缩核模型以及填充床中受传质限制的反应。第15章讲催化剂颗粒内的扩散与反应：有效扩散系数、内部和总效率因子、伪动力学以及扩散限制的判据。
第16–18章：Residence Time Distributions of Chemical Reactors；Predicting Conversion Directly from the Residence Time Distribution；Models for Nonideal Reactors（化学反应器的停留时间分布；由停留时间分布直接预测转化率；非理想反应器模型）
第16章定义并测量停留时间分布，并用于诊断与排障。第17章据此用离析模型、最大混合度模型和串联釜模型预测转化率。第18章建立扩散（轴向弥散）模型和双参数模型来描述非理想反应器。
第19章：Electrochemical Reactor Design（电化学反应器设计）
第七版新增。讲电化学反应的用途（储能与转换、电沉积、腐蚀、化学品生产）、基本定义与速率定律，以及等温和非等温电化学反应器的建模。
核心概念
第1–6章：核心的等温算法
- 物质的量衡算：起点方程，应用于每一类反应器。
- 速率定律与化学计量学：把速率表示为浓度和转化率函数的构件。
- 反应器尺寸与设计算法：把各构件结合起来求反应器体积或时间。
第7–10章：数据、多重反应、机理与催化
- 速率数据分析：积分法、微分法和回归法。
- 选择性与收率：衡量多重反应的指标。
- 拟稳态假设与米氏动力学：处理机理和酶的工具。
- 催化剂失活：催化剂活性的丧失。
第11–13章：非等温设计
- 能量衡算：在非等温反应器中取代“组合”步骤的构件。
- 多重稳态与失控：放热反应器的不稳定现象。
第14–19章：传递限制、非理想流动与电化学
- 效率因子：说明催化剂颗粒内部扩散限制的比值。
- 停留时间分布：用于表征和诊断实际反应器的工具。
- 离析模型与最大混合度模型：由分布预测转化率的方法。
- 电化学反应器：速率与电流、电位相关联的反应器。
评析
优点
- 一套统一的算法。 导言介绍了各个构件（物质的量衡算、速率定律、化学计量学，然后是组合与求解，非等温反应中由能量衡算取代“组合”），使问题通过推理而不是死记许多公式来解决。
- 交互式材料。 本书配有包含80多个交互式模拟（Living Example Problems）的网站，使用Wolfram和Python，另有Polymath、Wolfram、Python、MATLAB和COMSOL教程，以及辅导、自测和网络专题。
- 每章都有安全内容。 每章末尾的安全课程基于真实事故或概念，从NFPA菱形和瑞士奶酪模型，到T2 Laboratories事故和锂离子电池过热。
- 覆盖面广。 作者把本书设计为本科和研究生课程两用，二者的分界落在第13章之后，第七版新增了电化学反应器一章。
局限
- 篇幅很长。 本书超过1,000页，远多于一门课的内容，导言还说明，更多材料因书的厚度所限被移到了网上。
- 依赖网络资源。 扩展材料、“专业参考书架”和模拟大多在网站上，所以只有书并不能获得完整体验；附录介绍了所用的软件工具。
- 大量使用软件。 Living Example Problems和许多作业题需要Polymath、Wolfram、Python或MATLAB。
在课程中的定位
在本化工课程书单中，Fogler是反应器设计教材。Felder、Rousseau和Bullard的 Elementary Principles of Chemical Processes 与Denn的 Chemical Engineering: An Introduction 是讲物料与能量衡算的入门课教材，也是通常的准备读物；Fogler的物质的量衡算方法建立在它们的基础上。McCabe、Smith和Harriott的 Unit Operations of Chemical Engineering 讲单元操作和传递现象，Geankoplis的 Transport Processes and Separation Process Principles 讲动量、热量和质量传递以及分离过程；两者都与Fogler第14–15章的扩散与反应相配合。
Towler和Sinnott的 Chemical Engineering Design 排在其后，是讲工艺与工厂设计的毕业设计教材，其中第15章涉及反应器；Fogler提供设计所用的反应动力学和反应器分析。
如何使用本书
导言说明，本书既是本科教材，也是研究生教材。读者应已学过物料与能量衡算、热力学、微分方程和一些物理化学。
实用的阅读安排：
- 本科核心： 按顺序读第1–13章。第1–6章是基础，不可跳过；第5章和第6章是各部分汇合之处，第11–13章加入能量衡算。
- 研究生及进阶话题： 第14–15章讲扩散限制，第16–18章讲非理想反应器，第19章讲电化学反应器。
- 配合阅读： 运行Living Example Problems并改变参数，研读安全课程，使用网站上的笔记和自测。
先掌握这些构件，并用它们以同样的方式建立每一道题，再去借助软件。