Оглавление

Главная книга Д. А. Франк-Каменецкого и ее автор

Предисловие к четвертому изданию

Предисловие к третьему изданию

Предисловие редактора к первому изданию

Предисловие

Глава 1.
Введение

1.1. Сведения из химической кинетики

1.1.1. Скорость реакции
1.1.2. Простые и сложные реакции
1.1.3. Порядок реакции и энергия активации
1.1.4. Автокатализ и промежуточные продукты
1.1.5. Цепные реакции
1.1.5.1. Стационарное и нестационарное протекание реакции
1.1.6. Гетерогенные реакции
   1.1.6.1. Активированная адсорбция и гетерогенный катализ
   1.1.6.2. Лангмюровская кинетика
   1.1.6.3. Торможение продуктами реакции
   1.1.6.4. Кинетика на неоднородной поверхности и реакции дробного порядка

1.2. Сведения из теории диффузии и теплопередачи

1.2.1. Подобие процессов диффузии и теплопередачи
1.2.2. Теплопроводность и диффузия в неподвижной среде
1.2.3. Свободная и вынужденная конвекция
   1.2.3.1. Ламинарный и турбулентный режим
1.2.4. Коэффициенты переноса
   1.2.4.1. Коэффициент турбулентного обмена
   1.2.4.2. Коэффициент теплоотдачи
   1.2.4.3. Коэффициент массоотдачи (константа скорости диффузии)
1.2.5. Теория подобия
1.2.6. Приведенная пленка
1.2.7. Внешняя и внутренняя задачи
1.2.8. Коэффициент сопротивлений и аналогия Рейнольдса
1.2.9. Уравнения связи между критериями
1.2.10. Продольное обтекание пластины
1.2.11. Конвекция в слое
1.2.12. Псевдоожиженный (кипящий) слой
1.2.13. Дифференциальные уравнения теплопроводности и диффузии
   1.2.13.1. Анализ дифференциальных уравнений методом теории подобия
1.2.14. Молекулярные потоки

Литература

Глава 2.
Диффузионная кинетика

2.1. Метод равнодоступной поверхности

2.1.1. Реакция первого порядка и сложение сопротивлений
2.1.2. Молекулярно-кинетическая интерпретация сложения сопротивлений
2.1.3. Диффузионная и кинетическая области

2.2. Примеры протекания химических реакций в диффузионной области

2.2.1. Горение угля
2.2.2. Реакции дробного порядка
2.2.3. Кинетика растворения
2.2.4. Гетерогенный обрыв в цепных реакциях
2.2.5. Реакция на стенках замкнутого сосуда

2.3. Диффузионная кинетика сложных реакций

2.3.1. Случай нескольких диффундирующих веществ
2.3.2. Обратимые реакции
2.3.2.1. Диффузионная теория фотографического проявления
2.3.3. Параллельные и последовательные реакции
2.3.4. Автокаталитические реакции

2.4. Равнодоступная поверхность

2.5. Пористая поверхность

2.6. Реакции в несмешивающихся жидких фазах

2.7. Диффузия через мембраны

2.8. Диффузия через поры

2.9. Образование твердых пленок

2.10. Микрогетерогенные процессы

2.10.1. Внутренняя диффузионная область при произвольной кинетике

2.11. Нестационарная диффузионная кинетика и ее применение в радиационной химии

2.12. Операторный метод в нестационарной диффузионной кинетике

2.12.1. Сводка формул операторного метода
2.12.2. Бесконечное полупространство с нулевым начальным условием
2.12.3. Постоянное граничное условие (диффузионная область)
2.12.4. Экспоненциальное граничное условие
2.12.5. Интегрирование диффузионного потока по времени
2.12.6. Граничное условие первого порядка (переходная область)
   2.12.6.1. Операторные формулы для тел конечного размера
   2.12.6.2. Применения операторного метода

Литература

Глава 3.
Стефановский поток

3.1. Введение

3.1.1. Общая скорость течения смеси
3.1.2. Стехиометрия потоков

3.2. Скорость стефановского потока

3.2.1. Стефановский поток при одномерной диффузии
3.2.2. Стефановский поток в сферическом случае
3.2.3. Бинарная смесь

3.3. Перенос тепла стефановским потоком

3.3.1. Автотермические процессы
3.3.2. Реакции с участием конденсированных фаз

3.4. Конденсация паров в присутствии неконденсирующихся газов

3.4.1. Интегрирование формулы Стефана по длине трубы
3.4.2. Роль теплоотдачи при конденсации
3.4.3. Испарение в присутствии инертного газа
3.4.4. Испарение капель жидкости в газовом потоке
3.4.5. Диффузионные процессы химической технологии

Литература

Глава 4.
Неизотермическая и многокомпонентная диффузия

4.1. Термодинамическая теория

4.1.1. Перенос тепла диффузией
4.1.2. Фиксация системы отсчета
4.1.3. Идеальные смеси
4.1.4. Применение к бинарной смеси

4.2. Кинетическая теория

4.2.1. Функция распределения
4.2.2. Элементарная модель термодиффузии в лоренцовом газе
4.2.3. Связь с молекулярными силами
   4.2.3.1. Зависимость сечения от скорости

4.3. Гидродинамическая теория диффузии (многокомпонентная гидродинамика)

4.3.1. Связь с физической кинетикой
4.3.2. Приведенные коэффициенты диффузии
4.3.3. Многокомпонентная диффузия
   4.3.3.1. Простейшие случаи
   4.3.3.2. Массовые концентрации и потоки
   4.3.3.3. Выбор системы отсчета
   4.3.4. Уравнения многокомпонентной диффузии в форме Фика
4.3.4.1. Приближенная теория стефановского потока при многокомпонентной диффузии
4.3.4.2. Точная теория стефановского потока при многокомпонентной диффузии
4.3.5. Дифференциальные уравнения для переменных потоков при многокомпонентной диффузии
4.3.6. Гидродинамическое представление с силами инерции
4.3.7. Неизотермическая диффузия в гидродинамическом представлении
4.3.8. Термодиффузия в бинарной смеси
4.3.8.1. Приближенные формулы для разбавленной смеси

4.4. Формулы кинетической теории

4.5. Коэффициенты диффузии газов при высоких температурах

Литература

Глава 5.
Химическая гидродинамика

5.1. Турбулентная диффузия в жидкостях и структура вязкого подслоя

5.1.1. Сведения из теории турбулентного переноса
5.1.1.1. Модель ламинарного подслоя
5.1.1.2. Ламинарный подслой с зоной сопряжения
5.1.1.3. Вязкий подслой (213).

5.1.1.4. Теория Ландау и Левича

5.2. Химическое зондирование вязкого подслоя

5.3. Диффузия в ламинарном пограничном слое и проверка метода равнодоступной поверх ности

5.3.1. Ламинарный диффузионный слой в вязкой жидкости
5.3.1.1. Ламинарный пограничный слой с химической реакцией на поверхности в предельном случае вязкой среды
5.3.2. Математическая интерпретация метода равнодоступной поверхности
5.3.2.1. Продольное усреднение
5.3.2.2. Перенос вещества в установившемся ламинарном потоке
5.3.2.3. Ламинарное обтекание пластины с химической реакцией на поверхности
5.3.3. Решение интегрального уравнения диффузионной кинетики
5.3.3.1. Решение в виде ряда
5.3.3.2. Численное решение интегрального уравнения
5.3.4. Химическая газодинамика

Литература

Глава 6.
Основные представления теории горения

6.1. Основные явления горения

6.2. Основные процессы горения

6.2.1. Горение в движущемся газе
6.2.2. Турбулентное горение

6.3. Взрывчатые вещества и пороха

6.3.1. Испарение и горение конденсированных фаз
6.3.2. Очаговое воспламенение

6.4. Химическая кинетика реакций горения

6.4.1. Модельные реакции и модельные схемы
6.4.1.1. Реакция водорода с кислородом
6.4.1.2. Разложение озона
6.4.1.3. Реакция окиси углерода с кислородом
6.4.1.4. Пламя распада ацетилена
6.4.1.5. Двухстадийное воспламенение и модельная схема окисления высших углеводородов
6.4.1.6. Кинетика реакций в углеводородных пламенах и догорание окиси углерода

6.5. Методы математической теории горения

6.5.1. Квазилинейные уравнения
6.5.2. Подобие полей концентраций и поля температуры
6.5.3. Пренебрежение начальной скоростью реакции и метод разложения экспонента

6.6. Задачи и результаты математической теории горения

6.6.1. Воспламенение и зажигание
6.6.1.1. Стационарная теория теплового взрыва
6.6.1.2. Условия теплоотдачи
6.6.1.3. Нестационарная теория теплового взрыва
6.6.1.4. Нестационарная теория для автокаталитических реакций
6.6.2. Тепловое распространение пламени
6.6.3. Пределы распространения пламени

6.7. Обратная задача теории горения и значение приближенных методов

Литература

Глава 7.
Теория теплового взрыва

7.1. Стационарная теория

7.1.1. Сопоставление с нестационарной теорией
7.1.2. Аналитическое решение задачи о тепловом взрыве для цилиндрического случая
7.1.3. Внешняя теплоизоляция
7.1.4. Проверка метода разложения экспонента
7.1.5. Несимметричное воспламенение
7.1.6. Локальное поджигание
7.1.7. Очаговое воспламенение

7.2. Период индукции вблизи предела и поправка на выгорание

7.3. Тепловой взрыв в случае автокаталитических реакций

7.4. Экспериментальная проверка теории теплового взрыва

Литература

Глава 8.
Распространение пламени

8.1. Уравнение и граничные условия

8.1.1. Единственность решения

8.2. Тепловое распространение пламени

8.2.1. Метод теплового потока

8.3. Диффузионное (цепное) распространение пламени при автокатализе второго порядка

8.4. Горение в движущемся газе

8.4.1. Турбулентное горение

8.5. Поправка на термическое расширение

8.6. Численная проверка приближенной теории

8.7. Метод оптимума

8.7.1. Неравенство коэффициентов переноса
8.7.2. Нестехиометрические реакции

8.8. Метод баланса

8.8.1. Диффузионная теория горячих пламен

8.9. Сопоставление с опытом

Литература

Глава 9.
Тепловой режим гетерогенных экзотермических реакций

9.1. Качественная теория явлений воспламенения и потухания при произвольной кинетике реакции

9.2. Математическая теория явлений воспламенения и потухания для реакции первого порядка

9.3. Стационарный разогрев поверхности для автотермических процессов

9.3.1. Поправка на термодиффузию и диффузионную теплопроводность
9.3.2. Поправка на стефановский поток

9.4. Общий критерий неустойчивости теплового режима в допущении квазистационарной концентрации

9.5. Экспериментальные данные

9.6. Применения

9.6.1. Тепловой режим контактных аппаратов
9.6.2. Горение угля
9.6.3. Каталитическое окисление изопропилового спирта
9.6.4. Каталитические газоанализаторы

9.7. Тепловой режим слоя или канала

9.8. Тепловой режим поверхности в химической газодинамике

Литература

Глава 10.
Химические колебания, устойчивость и регулирование химических процессов

10.1. Положительная и отрицательная обратная связь

10.2. Затухание, раскачка и автоколебания

10.3. Свойства и классификация особых точек

10.4. Предельные циклы и автоколебания

10.5. Колебательное и термодинамическое равновесие

10.6. Релаксационные и томсоновские системы

10.7. Тривиально-релаксационные и кинетические колебания

10.7.1. Изотермические кинетические колебания
10.7.2. Квазикаталитические реакции в жидкой фазе
10.7.3. Кинетические колебания при фотосинтезе
10.7.4. Термокинетические колебания в замкнутой системе
10.7.5. Термокинетические колебания в проточных системах

10.8. Устойчивость и колебания в химическом реакторе идеального смешения

10.8.1. Автоколебания в гомогенном реакторе
10.8.2. Устойчивость гетерогенного катализа

10.9. Тепловой режим и неустойчивость в случае параллельных реакций

10.10. Химическая кибернетика

Литература

Принятые обозначения

Предисловие

ПРЕДИСЛОВИЕ К ЧЕТВЕРТОМУ ИЗДАНИЮ

Предлагаемая читателям книга написана выдающимся советским ученым Давидом Альбертовичем Франк-Каменецким и впервые издана в 1947 г. С техпор неоднократно переиздавалась на различных языках и до сих пор пользуется огромным успехом, цитируется в научных статьях и является основой различных специальных курсов по расчетам массо- и теплообмена в химических процессах. Чрезвычайно широка область применения разработанных автором и суммированных в книге макрокинетических методов анализа. Это — химическая технология, атмосферные и океанологические процессы, биологические процессы, горение и взрыв, самораспространяющийся высокотемпературный синтез и пр.
Удивительно, но за последние два десятилетия актуальность монографии Д. А. Франк-Каменецкого только возросла: в физике, химии и биологии появились новые научные направления, в которых существенно прослеживаются макрокинетические закономерности, такие как индукционные и критические явления, автоволновое распространение фронта превращения, многостадийность превращений, множественность стационарных состояний и режимов распространения, неустойчивости и переходные процессы. Макрокинетика как наука позволяет проводить аналогии между, казалось бы, совершенно разнородными явлениями и использовать один и тот же математический аппарат для их приближенного описания.
Нам не раз приходилось слышать возражения коллег, мол, в век всеобщей компьютерной грамотности и небывалого развития вычислительной техники во многом приближенный макрокинетический подход медленно изживает себя. В ответ на это приведем слова известного французского ученого и философа Пуанкаре: "Лучше иметь прогноз с небольшой неопределенностью, чем вообще не иметь никакого прогноза". По нашему глубокому
убеждению, именно макрокинетический метод, основанный на разумных упрощениях, позволяет понять систему внутренних связей в сложных нелинейных многопараметрическихзадач ах и найти приближенные решения, которые затем можно сколь угодно уточнять, используя новейшие вычислительные технологии.
Что же такое макрокинетический метод по Франк-Каменецкому? Дадим следующее определение: "Макрокинетический метод — это приближенный метод анализа нелинейной динамической системы с совокупностью взаимодействующихпроцессов, протекающих с конечной скоростью, который для количественного описания эволюции системы использует важнейшие признаки этих процессов и различия между их характерными временными, пространственными и другими масштабами". Чтобы овладеть макрокинетическим методом, необходимо в каждом конкретном случае научиться выделять именно те процессы, которые по своим характерным временным, пространственным и другим масштабам вносят существенный вклад в динамику системы, а также научиться представлять влияние этих процессов на динамику системы в простой математической форме.

Монография Д. А. Франк-Каменецкого дает яркие примеры использования макрокинетического метода для решения ряда важныхпрактических задач — задач теплового взрыва, распространения пламени, горения угля, каталитического окисления углеводородов, автоколебаний в химическом реакторе и т. д.

Мы уверены, что четвертое издание книги станет щедрым подарком новым поколениям физиков, химиков и биологов, которые найдут в ней фундаментальную методологию научного поиска, впитавшую лучшие традиции советской научной школы Н. Н. Семенова, Я. Б. Зельдовича и Д. А. Франк-Каменецкого.

С. М. Фролов, Ал. Ал. Берлин