01 / 導讀
導讀
引用
Fogler, H. S., Goldsmith, B. R., Nikolla, E., & Singh, N. (2025). Elements of Chemical Reaction Engineering (7th ed.). Pearson.
章節概要
全書共19章和10個附錄，超過1,000頁。每章結尾都有一節安全課程，題為「And Now… A Word from Our Sponsor—Safety」（AWFOS–S），配套網站還提供互動式模擬和補充材料。導言指出，本科課程通常以第1–13章為重點，研究生課程則增加擴散限制與效率因子（第14–15章）、非理想反應器與停留時間分佈（第16–18章）以及電化學反應器（第19章）。
第1–2章：Mole Balances；Conversion and Reactor Sizing（物料衡算；轉化率與反應器尺寸）
第一個構件。第1章定義反應速率和一般物質的量衡算方程，並把它應用於間歇式、連續攪拌釜、管式、填充床和流化床反應器，還概述了工業反應器。第2章定義轉化率，推導各類反應器的設計方程，對連續流動反應器進行尺寸計算，討論反應器串聯，並引入空時和空速。
第3–4章：Rate Laws；Stoichiometry（速率定律；化學計量學）
第3章講速率定律，從基元和冪律形式到非基元反應和可逆反應，介紹速率常數及其通過阿倫尼烏斯方程表現的溫度依賴性，還有分子模擬。第4章處理間歇和流動系統的化學計量學，包括液相和氣相濃度，以及可逆反應和平衡轉化率。
第5–6章：Isothermal Reactor Design: Conversion；Isothermal Reactor Design: Moles and Molar Flow Rates（等溫反應器設計：轉化率；等溫反應器設計：物質的量與摩爾流量）
第5章把前四個構件合成間歇反應器、CSTR和管式反應器的設計算法，包括填充床中的壓降，並包含綜合設計一座化工廠的一節。第6章用物質的量和摩爾流量重述設計方法，並應用於微反應器、膜反應器、非穩態攪拌反應器和半間歇反應器。
第7–8章：Collection and Analysis of Rate Data；Multiple Reactions（速率資料的收集與分析；多重反應）
第7章講如何由資料得到速率定律：積分法與微分法、非線性迴歸、微分反應器和實驗規劃。第8章通過選擇性和收率討論多重反應，包括平行反應、串聯反應和複雜反應，以及提高選擇性的膜反應器。
第9–10章：Reaction Mechanisms, Pathways, Bioreactions, and Bioreactors；Catalysis and Catalytic Reactors（反應機理、途徑、生物反應與生物反應器；催化與催化反應器）
第9章講活性中間體與擬穩態假設、帶有米氏動力學和抑制作用的酶促反應，以及涉及細胞生長、恆化器和洗出的生物反應器。第10章講催化劑、催化反應的步驟、速率定律與速率控制步驟的綜合、非均相資料分析、微電子製造中的反應工程以及催化劑失活。
第11–13章：Nonisothermal Reactor Design（非等溫反應器設計）
第11章建立穩態能量衡算和絕熱活塞流反應器，包括絕熱平衡轉化率、級間冷卻或加熱和最優進料溫度。第12章加入帶換熱的流動反應器、有熱效應的CSTR、多重穩態、非等溫多重反應以及管式反應器中的溫度變化。第13章轉向間歇和半間歇反應器的非穩態能量衡算，包括一個失控反應的案例。
第14–15章：Mass Transfer Limitations in Reacting Systems；Diffusion and Reaction（反應體系中的傳質限制；擴散與反應）
第14章介紹擴散、傳質係數、向單個顆粒的傳質、收縮核模型以及填充床中受傳質限制的反應。第15章講催化劑顆粒內的擴散與反應：有效擴散係數、內部和總效率因子、偽動力學以及擴散限制的判據。
第16–18章：Residence Time Distributions of Chemical Reactors；Predicting Conversion Directly from the Residence Time Distribution；Models for Nonideal Reactors（化學反應器的停留時間分佈；由停留時間分佈直接預測轉化率；非理想反應器模型）
第16章定義並測量停留時間分佈，並用於診斷與排障。第17章據此用離析模型、最大混合度模型和串聯釜模型預測轉化率。第18章建立擴散（軸向彌散）模型和雙引數模型來描述非理想反應器。
第19章：Electrochemical Reactor Design（電化學反應器設計）
第七版新增。講電化學反應的用途（儲能與轉換、電沉積、腐蝕、化學品生產）、基本定義與速率定律，以及等溫和非等溫電化學反應器的建模。
核心概念
第1–6章：核心的等溫演算法
- 物質的量衡算：起點方程，應用於每一類反應器。
- 速率定律與化學計量學：把速率表示為濃度和轉化率函式的構件。
- 反應器尺寸與設計算法：把各構件結合起來求反應器體積或時間。
第7–10章：資料、多重反應、機理與催化
- 速率資料分析：積分法、微分法和迴歸法。
- 選擇性與收率：衡量多重反應的指標。
- 擬穩態假設與米氏動力學：處理機理和酶的工具。
- 催化劑失活：催化劑活性的喪失。
第11–13章：非等溫設計
- 能量衡算：在非等溫反應器中取代「組合」步驟的構件。
- 多重穩態與失控：放熱反應器的不穩定現象。
第14–19章：傳遞限制、非理想流動與電化學
- 效率因子：說明催化劑顆粒內部擴散限制的比值。
- 停留時間分佈：用於表徵和診斷實際反應器的工具。
- 離析模型與最大混合度模型：由分佈預測轉化率的方法。
- 電化學反應器：速率與電流、電位相關聯的反應器。
評析
優點
- 一套統一的演算法。 導言介紹了各個構件（物質的量衡算、速率定律、化學計量學，然後是組合與求解，非等溫反應中由能量衡算取代「組合」），使問題通過推理而不是死記許多公式來解決。
- 互動式材料。 本書配有包含80多個互動式模擬（Living Example Problems）的網站，使用Wolfram和Python，另有Polymath、Wolfram、Python、MATLAB和COMSOL教學課程，以及輔導、自測和網路專題。
- 每章都有安全內容。 每章末尾的安全課程基於真實事故或概念，從NFPA菱形和瑞士乳酪模型，到T2 Laboratories事故和鋰離子電池過熱。
- 覆蓋面廣。 作者把本書設計為本科和研究生課程兩用，二者的分界落在第13章之後，第七版新增了電化學反應器一章。
侷限
- 篇幅很長。 本書超過1,000頁，遠多於一門課的內容，導言還說明，更多材料因書的厚度所限被移到了網上。
- 依賴網路資源。 擴充套件材料、「專業參考書架」和模擬大多在網站上，所以只有書並不能獲得完整體驗；附錄介紹了所用的軟體工具。
- 大量使用軟體。 Living Example Problems和許多作業題需要Polymath、Wolfram、Python或MATLAB。
在課程中的定位
在本化工課程書單中，Fogler是反應器設計教材。Felder、Rousseau和Bullard的 Elementary Principles of Chemical Processes 與Denn的 Chemical Engineering: An Introduction 是講物料與能量衡算的入門課教材，也是通常的準備讀物；Fogler的物質的量衡算方法建立在它們的基礎上。McCabe、Smith和Harriott的 Unit Operations of Chemical Engineering 講單元操作和傳遞現象，Geankoplis的 Transport Processes and Separation Process Principles 講動量、熱量和質量傳遞以及分離過程；兩者都與Fogler第14–15章的擴散與反應相配合。
Towler和Sinnott的 Chemical Engineering Design 排在其後，是講工藝與工廠設計的畢業設計教材，其中第15章涉及反應器；Fogler提供設計所用的反應動力學和反應器分析。
如何使用本書
導言說明，本書既是本科教材，也是研究生教材。讀者應已學過物料與能量衡算、熱力學、微分方程和一些物理化學。
實用的閱讀安排：
- 本科核心： 按順序讀第1–13章。第1–6章是基礎，不可跳過；第5章和第6章是各部分匯合之處，第11–13章加入能量衡算。
- 研究生及進階話題： 第14–15章講擴散限制，第16–18章講非理想反應器，第19章講電化學反應器。
- 配合閱讀： 執行Living Example Problems並改變引數，研讀安全課程，使用網站上的筆記和自測。
先掌握這些構件，並用它們以同樣的方式建立每一道題，再去借助軟體。