有机催化反应工程
催化剂工程的导论
第一章
1.1953年Ziegler-Natta型催化剂的问世，是化工里程碑。
2•合成氨工业是最伟大的工艺开发：把催化剂理论和工艺实际相结合，解决了热力学、催化剂筛选、高压的问题。
3. Wachker :乙烯制备乙醛，采用纯乙烯和纯
氧，催化剂原位再生，乙烯大量过剩，维持在爆炸极限上限操作，压力为0.3mpa,温度为373K，乙烯经纯化后再生，依稀的收率打95%.
4. 催化剂的基本特性：a催化剂能够加快化学
反应速率，但本身并不进入化学反应的计量b 催化剂对反应具有选择性，即催化剂对反应类型、反应方向和产物的结构具有选择性c催化
剂只能加速热力学上可能进行的反应，而不能
加速热力学上无法进行的反应d催化剂只能
改变化学反应的速率，而不能改变化学平衡的位置e催化剂不改变化学平衡，意味着对正方向有效的催化剂，对反方向的反应也有效。
5. 催化剂按工艺与工程分类：多相固体催化剂，均相配合物催化剂，酶催化剂。
6. 多相固体催化剂包括：主催化剂，共催化剂，助催化剂（结构助催化剂，电子助催化剂，晶格缺陷助催化剂），载体，其他。
第二章
1. 工业催化剂的传统制造方法：沉淀法，浸渍法，混合法，离子交换法，热熔融法。
2. 沉淀法分为：单组分沉淀法，共沉淀法，均匀沉淀法，浸渍沉淀法，导晶沉淀法。
3. 沉淀法的流程：两种以上的金属盐溶液-混合-沉淀剂-沉淀-晶型或非晶型的沉淀-洗涤干燥焙烧-研磨成型活化-催化剂。
4. 共沉淀：将两个或多个组份同时沉淀。关键：T、PH 搅拌程度，加料顺序
5. 均匀沉淀：首先使沉淀金属盐溶液与沉淀剂母体充分混合，形成均匀的体系，调节温度和时间，逐渐提高PH 是沉淀缓慢进行。关键：沉淀剂的选择温度和PH的控制。
高效酶催化有机合成工艺研究
高效酶催化有机合成工艺研究
酶催化有机合成是一种高效、绿色且具有广泛应用前景的方法，近年来得到了越来越多的关注和研究。酶是生物催化剂，可以在
温和的条件下催化多种化学反应，其具有催化效率高、底物选择
性好等优点，因此在有机合成中的应用前景广阔。本文将重点探
讨高效酶催化有机合成工艺的研究现状、挑战和发展方向。
高效酶催化有机合成工艺的研究取得了一定的进展。目前，已
经有多种酶被应用于有机合成领域，如脂肪酶、胆固醇氧化酶、
氧化还原酶等。这些酶能够催化醇酯化、酰化、氧化还原、羟醛
缩合等一系列有机反应，具有较高的催化效率和底物选择性。同时，酶催化反应相对于传统有机合成方法来说，具有更好的环境
友好性，可以减少有毒废物的产生，对环境造成的污染更为轻微。因此，高效酶催化有机合成工艺在绿色化学合成中具有巨大的潜力。
然而，高效酶催化有机合成工艺仍然面临一些挑战。首先，酶
的稳定性是一个重要的问题。酶在催化反应中可能受到高温、酸
碱条件或其他环境因素的影响，导致其活性降低或失活。因此，
寻找稳定性较高的酶或改善酶的稳定性是亟待解决的问题。其次，酶的底物范围通常较窄，对于不同结构的底物的催化活性可能存
在差异。因此，探索更广泛的酶资源或通过酶工程等手段改良酶
的底物适应性是需要继续研究的方向。另外，酶催化反应的缺乏
可控性，难以控制反应速率和生成物选择性，也是需要解决的问题。
为了克服这些挑战并进一步推进高效酶催化有机合成工艺的研究，有以下几个发展方向值得关注。首先，进行高通量的酶筛选
与优化。利用高通量筛选技术，可以快速高效地从大规模的酶库
催化燃烧法工业有机废气治理工程技术规范(征求意见稿)
附件四：
HJ 中华人民共和国国家环境保护标准
HJ □□□—20□□
催化燃烧法工业有机废气治理工程技术规范 Technical specifications of catalytic combustion method
for industrial organic emissions treatment project
（征求意见稿）
20□□–□□–□□发布 20□□-□□-□□实施环 境 保 护 部发布
HJ □□□-20□□
目 次
前 言..............................................................................II
1 适用范围 (1)
2 规范性引用文件 (1)
3 术语和定义 (1)
4 污染物与污染负荷 (3)
5 总体要求 (3)
6 工艺设计 (4)
7 主要工艺设备与材料 (6)
8 检测与过程控制 (7)
9 主要辅助工程 (8)
10 工程施工与验收 (8)
11 运行与维护 (9)
I
HJ □□□-20□□
II
前 言
为贯彻《中华人民共和国环境保护法》和《中华人民共和国大气污染防治法》，规范工业有机废气治
理工程的建设，防治工业有机废气的污染，改善环境质量，制定本标准。
本标准规定了工业行业生产过程中所排放的有机废气的催化燃烧法治理原则和措施，以及相关治理工程的设计、施工、验收以及运行管理的技术要求。
本标准为首次发布。
本标准由环境保护部科技标准司组织制订。
本标准主要起草单位：中国环境保护产业协会、中国人民解放军防化研究院、中国科学院生态环境研究中心、北京绿创大气环保工程有限公司、北京云辰天环保科技有限公司、北京奥德维纳环保节能技术有限公司、福建嘉园环保股份有限公司、科迈科（杭州）环保设备有限公司、大拇指环保科技集团（福建）有限公司。
有机催化反应工程-催化剂中毒
当不受扩散限制时， 0 0
F (1CPs ) 强扩散控制时， 0
F 1CPs
均匀中毒与壳层中毒
rA / rA0
1.0
0.8
0.6
0.4
4
0.2
1 2
3
1: 0, 1 2 : 3, 0.67 3 : 10, 0.27 4 : 100, 0.03
0.0
0.0
0.2
0.4wk.baidu.com
0.6
壳层中毒
毒物的内扩散阻力大，此时毒物的吸附速 度极快，内部无毒物，催化剂从外逐渐到 内形成一中毒层。 中毒速度>>反应速度 中毒厚度层逐渐增加，直至完全失活。
Shell-progressive poisoning
壳层中毒
以一级不可逆反应为例 以单颗粒催化剂粒子为基准
rS, CS rC, CC
稳态情况下：扩散速率＝粒内反应量
(a)当i 1，与无内扩散相同。
(b)强内扩散控制时，i
1
i
ri
(2 ai 1
ki De L2
i
)1/
2
(Ciss
)
(
ai
1)
/
2
一级反应时，DeA DeB，
rR rS
k1 CAs k2 CBs
强孔扩散控制的影响使反应速率比 k1 k1
有机液体储氢技术催化脱氢过程强化研究进展
化
工进展
Chemical Industry and Engineering Progress
2024 年第 43 卷第 1 期
有机液体储氢技术催化脱氢过程强化研究进展
盖宏伟1，张辰君2，屈晶莹3，孙怀禄3，脱永笑1，王斌4，金旭2，张茜2，冯翔3，CHEN De 1，5
（1 中国石油大学(华东)新能源学院，山东 青岛266580；2 中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院，北京
100083；3 中国石油大学(华东)化学化工学院，山东 青岛266580；4 西安交通大学化学工程与技术学院，
陕西 西安 710049；5 挪威科技大学化学工程系，挪威 特隆赫姆N-7491）
摘要：氢能是实现化石能源清洁高效利用和支撑可再生能源大规模发展的理想互联媒介，然而氢的储运是制约氢能规模化应用的关键技术瓶颈。有机氢化物（LOHC ）储氢技术具有成本低、储氢密度大、安全稳定等优势，可匹配现有化石能源输运架构，有望在大规模、长距离和分布式的氢储运场景中发挥重要作用。但是，在LOHC 储氢循环中，相对于发展较为成熟的加氢技术，LOHC 脱氢过程效率低、稳定性差，是制约该技术发展的关键。基于此，本文综述了LOHC 储氢技术催化脱氢过程强化的研究进展和发展趋势，概述了LOHC 储氢基本概念和催化脱氢反应基本原理，从催化过程强化、产物分离强化、能量效率强化等方面总结了脱氢过程强化策略，通过对比不同技术手段的特点，分析了LOHC 储氢技术催化脱氢过程目前亟需解决的难题，即开发高效的脱氢催化剂、提高催化脱氢过程的传热传质效率以及降低脱氢过程能耗，这对LOHC 储氢技术的实际应用具有重要的参考和借鉴意义。
有机化工用催化剂设备安全操作规定
有机化工用催化剂设备安全操作规定
1. 前言
为确保有机化工生产过程中催化剂设备的安全和稳定运行，保障生产人员的人身安全和设备的完好性，制定本规定。
2. 适用范围
适用于有机化工生产过程涉及到催化剂设备的所有操作人员。
3. 基本要求
3.1 设备检查
在进行操作之前，对催化剂设备进行检查。
•检查所有设备的接口是否完好；
•检查设备的外观是否漏油、漏气等；
•检查设备部件之间是否完好连接。
未经检查的设备无法进行操作。
3.2 设备保养
在操作过程中，要对催化剂设备进行保养。
•及时更换老化、损坏的设备部件；
•清除设备内外的杂质，保证设备干净；
•对设备加油加润滑油等，并定期更换。
3.3 操作规范
在操作催化剂设备时，要按照操作规范进行。
•操作人员必须参加安全培训并取得合格证书；
•只有经过授权的人员，才有权进行操作；
•操作前要对设备进行检查和保养；
•操作中不能随意对设备部件拆卸、更换；
•操作中要时刻关注设备的运行情况，一旦发现异常，及时停机并汇报。
3.4 废弃物处理
在操作催化剂设备时，废弃物也需要进行规范的处理。
•废弃物必须被正确处理和存放；
•废弃物处置必须符合国家和地方环境保护法规；
•废弃物处置过程中，要避免产生二次污染。
4. 紧急意外处理方法
4.1 火灾
在遇到火灾时，必须采取紧急处理措施。
•首先要迅速报警，通知其他人员；
•尽可能关闭气源、电源；
•用灭火器等灭火设备进行灭火，必要时撤离现场。
4.2 溢出溢出
在遇到液体或气体溢出时，必须采取紧急处理措施。
•首先要迅速报警，通知其他人员；
•立即关闭气源、电源，采取措施控制溢出；
合成生物学工程菌纳米酶在有机催化合成反应的创新应用
合成生物学工程菌纳米酶在有机催化合成反应的创新应用
合成生物学是一门综合性的学科，融合了生物学、化学、物理学和工程学等多个领域的知识，致力于构建新的生物系统和生物分子，并应用于各个领域。在这个领域中，合成生物学工程菌纳米酶成为了一项具有巨大潜力的技术，在有机催化合成反应中展现出了创新的应用。
合成生物学工程菌纳米酶是通过基因工程手段将特定的酶编码基因嵌入细菌中，然后通过调控菌体微环境和酶活性，使其表达和产生特定的酶。这些工程菌纳米酶具有高效、高特异性和可控性等特点，为有机催化合成反应提供了崭新的解决方案。
有机催化合成反应是化学合成领域中一类重要的反应，它对于有机化学的发展和新化合物的合成起着至关重要的作用。然而，传统的催化剂在反应过程中往往需要高温、高压或者有毒物质的参与，限制了催化反应的可持续性和环境友好性。合成生物学工程菌纳米酶的应用为有机催化合成反应带来了创新的解决方案。
首先，合成生物学工程菌纳米酶具有高效催化活性。通过基因工程手段编码特定的酶基因并嵌入细菌中，合成生物学工程菌纳米酶可以表达和产生特定的酶，并在合成反应中发挥高催化活性。这种高效催化活性可以大大提高反应速率和产物收率，减少催化剂的使用量，降低生产成本。
其次，合成生物学工程菌纳米酶具有高特异性。由于合成生物学工程菌纳米酶的基因可以被设计和调控，因此可以实现特定催化基因的表达和酶的产生。这使得合成生物学工程菌纳米酶在催化合成反应中具有高度的特异性，可以选择性地催化
特定的底物或反应，减少不需要的副反应产物，提高反应的选择性。
催化燃烧法工业有机废气治理工程技术规范》
催化燃烧法工业有机废气治理工程技术规范》挥发性有机污染物(Volatile Organic Compounds, VOCs)大多数有毒、有害，具有一定的致癌性;参与光化学反应，形成光化学烟雾;部分可破坏臭氧层。我国一些城市空气中VOCs的浓度是美国城市空气浓度5,15倍，工业排放有机废气已经成为城市主要污染源之一。
涉及VOCs排放的工业行业包括石油化工、精细化工、喷涂、包装印刷、医药与农药制造、半导体及电子产品制造、人造板与木制家具制造、皮革、漆包线、制鞋、涂料、油墨、粘合剂生产、金属铸造等，行业众多，各行业中所产生的VOCs 种类繁多，组成复杂，常见的组分有碳氢化合物、苯系物、醇类、酮类、酚类、醛类、酯类、胺类、腈(氰)类等。目前，在我国VOCs污染源主要分布在全国各地城市与城市群，分布面广，其中90%以上尚未治理，对大气环境影响严重，应依据相关污染治理法规的要求进行治理。
随着我国经济发展、人们对生存环境认识水平的不断提高和国家政策的导向作用，环境治理工程越来越得到广泛重视。目前我国正在逐步完善气态污染物的排放标准，但治理工程设备和设施的规范还没有跟上。制订气态污染物治理的工程技术规范，对环境工程建设的规范化影响深远。对技术相对成熟、应用面广的工程技术进行规范，能大大提高环境工程建设的技术和管理水平，指导主管部门对环境工程全过程实施科学管理。
催化法是一种传统的有机废气治理技术，国外早在上世纪四十年代就已经应用于有机废气的治理，国内从上世纪七十年代也开始应用，是目前我国有机废气治理的主要技术之一。在目前我国有机废气治理设备中，催化燃烧净化设备约占总数的30%左右。因此本规范制定以后可以规范我国有机废气治理中接近30%
有机催化反应工程-工业催化剂性能指标
Freundlich等温线
认为在吸附过程中，吸附活化能Ea、
脱附活化能Ed
与覆盖率
的对数成线性关系。
A
Ea Ea0 ln A
Ed Ed0 ln A
则有 A＝Kp1A/b
建立吸附等温线的方法
实验测定曲线θ～p或θ～(p/p*)，利用 Clapeyron方程从等温线中确定q～ θ的关系 。
i与pi关联
A 1 KA pA
i
Ki pi
n
KA pA KB pB KC
pC
KD pD
1 Ki pi
i 1
Langmuir-Hinshelwood模型
r
动力学系数 推动力 （吸附项）n
n为参加反应分子数
Reideal机理
自催化反应、聚合反应
反应机理
动力学方程
理想吸附
真实吸附
吸附在表面能量不均一 吸附分子间可能有相互作用力 非单层吸附 吸附热q是覆盖率θ的函数
q与θ无关 理想吸附 q=q0-r θ 线性关系 q=q0-ζlnθ 指数关系
分子间有 相互作用力
Tёмкин方程（一）
对于中等覆盖度的不均匀表面
认为在
吸附过程
中，Ea随
增加而线性增加，
A
Ed随 A增加而线性下降,即
Ea Ea0 A
Ed Ed0 r A
有机催化反应工程5
c A D c A uc A rA t
2
半无限深液层
被吸收气体
z 0 t 0 cA c
* A
z 0 t 0 c A c AL z t 0 c A c AL
c A RA ( t ) D A z z 0 c B z0 0 z
在许多工业反应器中，催化剂外表面的的气（液） 膜传质速率影响整体的表观反应速率。
质量传递原理
传质通常指扩散起主要作用的传递过程。
费克第一定律 扩散方程
传质边界层
在颗粒周围的某一点，当扩散组分的浓度达到 主体浓度的99％时，该点离催化剂颗粒的距离 定义为传质边界层。
传质系数
k
DAB
N A ( t ) DA z z 0
z t 0 c A c AL
DA * ( c A c AL ) t 平均吸收速率 NA
DA kL 2 t
t
0
N A ( t )dt t
DA * 2 ( c A c AL ) t
表面更新模型
* A
c* c AL A
饱和度 fA
f A c AL / c
* A
快反应或中速反应
本征反应速率与本征传质速率相当或略大
北大郭雪峰课题组合作在单分子催化反应动力学方面取得系列进展
北⼤郭雪峰课题组合作在单分⼦催化反应动⼒学⽅⾯取得系列进展
作为化学合成的重要部分，催化反应在医药⽣产以及⽯油化⼯领域都有着⼴泛的应⽤。对催化反应产率的提升或是新反应的开发都需要对其本征机理的明确解析。然⽽，对有机和有机⾦属催化过程的机理研究⾯临众多挑战，如众多活性的反应中间体的分离、错综复杂的物种转化关系解析以及物种相互作⽤的微观动⼒学分析等。尽管⽤于机理研究的常规宏观技术通过对中间体检测以及唯相反应动⼒学分析已帮助化学家构建催化反应机制的基础，但不可避免的受到系综平均的影响。我们需要新技术从底部空间来更深⼊地解析催化反应的本征机制。
最近，北京⼤学化学与分⼦⼯程学院郭雪峰课题组、北京⼤学材料学院莫凡洋课题组、加利福尼亚⼤学洛杉矶分校Kendall N. Houk课题组以及中国科学技术⼤学朱⽂光课题组合作发展了⼀种基于单分⼦器件平台实现对催化反应精准监测的新技术，以⾦属有机催化——Suzuki-Miyaura偶联、有机⼩分⼦催化——安息⾹缩合为例，发展了对物种检测的单分⼦电学谱，实现了反应路径的直接监测以及微观动⼒学的定性定量分析（图1）。
图1. 单分⼦钯催化和氮杂环卡宾催化器件的结构⽰意图
北京⼤学化学与分⼦⼯程学院郭雪峰课题组长期致⼒于单分⼦反应动⼒学机理的研究，与合作者⼀起揭⽰被系综平均掩盖的新机理和新现象。他们利⽤单分⼦器件观察到了单分⼦的⽴体电⼦效应（Nano Lett. 2017, 17, 856）、光致异构化反应（Science 2016, 352, 1443；Nat. Commun. 2019, 10, 1450）、亲核取代反应（Nano Lett. 2018, 18, 4156）、亲核加成反应（Sci. Adv. 2018, 4, eaar2177）、Diels-Alder反应（Sci. Adv. 2021, 7, eabf0689）以及超分⼦弱相互作⽤（Sci. Adv. 2016, 2, e1601113；Nat. Commun. 2018, 9, 807；Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 22554；Sci. Adv. 2021,7, eabe4365），验证了该平台的可靠性。他们也在综述（Nat. Rev. Phys. 2019, 1, 211；Acc. Chem. Res. 2020, 53, 159）中展⽰了基于单分⼦器件的平台在单分⼦反应动⼒学和单分⼦⽣物物理等基础研究⽅⾯的⼴阔应⽤前景。
反应工程第三版答案李绍芬
反应工程第三版答案李绍芬
【篇一：李绍芬版反应工程(第二版)完整答案】
在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：
2ch3oh?o2?2hcho?2h2o 2ch3oh?3o2?2co2?4h2o
进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%，甲醛的收率为69.2%。试计算（1）（1）反应的选择性；
（2）（2）反应器出口气体的组成。
解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为：
s0.9611?96.11%
（2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3
（摩尔比），当进入反应器的总原料量为100mol时，则反应器的
进料组成为
设甲醇的转化率为xa，甲醛的收率为ypna、np和nc分别为：
na=na0(1-xa)=7.672 mol np=na0yp=18.96 mol
nc=na0(xa-yp)=0.7672 mol
结合上述反应的化学计量式，水（nw）、氧气（no）和氮气（nn）的摩尔数分别为：
nw=nw0+np+2nc=38.30 mol no=no0-1/2np-3/2nc=0.8788 mol
nn=nn0=43.28 mol
所以，反应器出口气体组成为：
1. 1.2工业上采用铜锌铝催化剂由一氧化碳和氢合成甲醇，其主副
反应如下：
co?2h2?ch3oh
2co?4h2?(ch3)2o?h2o co?3h2?ch4?h2o
4co?8h2?c4h9oh?3h2o
co?h2o?co2?h2
由于化学平衡的限制，反应过程中一氧化碳不可能全部转化成甲醇，为了提高原料的利用率，生产上采用循环操作，即将反应后的气体
有机催化反应工程-气固相非催化反应
g bS P(g) M rS
bk Cg
t
1
1 (1 xS ) 3
变径模型（粒径缩小）
气膜扩散控制
K 'rS2
Cg
M
dr dt
bKmCg
Km
K
' m
/r
t
K' Cg
rS2
1
(
r rS
)
2
t
2
1 (1 xS ) 3
总结
整体连续反应模型： 与rS无关
缩核模型
rS2
气固相非催化反应
气固相非催化反应
应用领域：
煤气化 矿石的煅烧处理 结焦催化剂的再生 催化剂的还原与再氧化
气固相非催化反应的特点
气固相反应
颗粒随时间变化 非稳态过程
粒度
1. 长大：原油在碳粒床中的热裂化 2. 变小：煤气化 3. 不变：矿石煅烧、木炭的活化
气固相非催化反应器
在固体连续进料反应中，出口物料由不同 RTD、不同x的各种颗粒组成。
在rC面上的反应
dN g dt
4rS2 K m ( cgb cgs )
dN g dt
4rC2
DC
dcg dr
r rC
dN g dt
4rC2kcgc
产物层中微元体的物料衡算
( 4r 2 DC
化学中的有机催化反应
化学中的有机催化反应
有机催化反应是化学研究的重要领域，在大量的有机反应中起
着关键的作用。催化反应是指通过添加某种物质来加速反应速度，而不改变反应产品的本质。有机催化反应在有机化学中的应用广泛，涉及到诸多重要的化学过程，如纳米材料的制备、生物碱类
化合物的生产以及诸多新型有机化合物的合成等。
一、有机催化反应的分类
有机催化反应按反应方式可以分为加成反应和消除反应两种。
（一）加成反应：即在反应中添加某种试剂来引起反应，如加
氢反应、加烯反应、加醛或酮反应等。
（二）消除反应：即除去某种物质来引起反应，如酯的水解、
烷基转移反应、亲核取代反应等。
二、有机催化反应机制
有机催化反应的机制包括酸碱催化、金属催化和生物催化。
（一）酸碱催化：这种催化物不是一种独立的分子，而是在反
应中存在的其它化合物。它们可以通过吸收或释放质子来影响反
应的速度和方向性，如氧化还原反应的酸碱催化就是很典型的例子。
（二）金属催化：该反应是利用金属离子参与的反应。金属参
与反应的方式有很多，主要有配位使得反应中的物质更倾向于亲
电性，还有利用共价键的形式让金属离子成为反应的主导。
（三）生物催化：有机生物催化是利用活性多肽、酶或微生物，也可以通过蛋白质表面的特定燃料标记来酶催化反应，来加速或
产生选择性反应的过程，如酵素催化。
三、应用
有机催化反应在石油化工、制药、农药、染料、电子等行业中
广泛应用。例如，某些催化剂可在低温下催化氮氧化物的还原，
从而减少大气中有害气体的排放。有机催化反应还可以用于光学
材料的制备，提高颜色鲜艳度和色泽饱和度。同时，有机催化反
天津大学化工学院硕士研究生培养方案
化工过程机械学科硕士研究生培养方案
学科代码：080706 校内编号：S20706
一级学科：动力工程与工程热物理培养单位：化工学院
主要研究方向：
1．过程装备可靠性2．固液分离技术与设备3．过程控制与测试技术4．节能技术与装备
学科代码：081701 校内编号：S20701
一级学科：化学工程与技术培养单位：化工学院主要研究方向：
1．界面传质理论与精馏技术2. 工业结晶及粒子科学与技术
学科代码：081702 校内编号：S20702
一级学科：化学工程与技术培养单位：化工学院
主要研究方向：1．一碳化学与化工2．功能化学品及新材料的绿色合成3．生物质能源与生物质的化学加工
学科代码：081703 校内编号：S20703
一级学科：化学工程与技术培养单位：化工学院
主要研究方向：
1．生物信息学2．生物分离工程3．生物反应与代谢工程4．生物制药工程
应用化学（精细化工方向）学科硕士研究生培养方案
学科代码：081704 校内编号：S20704
一级学科：化学工程培养单位：化工学院精细化工系
主要研究方向：精细化工产品制备、分离与精制、产品复配商品化及精细化学品、专用化学品、特种功能材料、化学及物理电池材料及器件研制过程中的合成化学、物理化学、化学单
应用化学（电化学）学科硕士研究生培养方案
学科代码：081704 校内编号：S20718
一级学科：化学工程与科学培养单位：化工学院
主要研究方向：
1．纳米材料、功能材料科学与技术2．新型高比能化学电源、物理电源、电化学电容器3．微、纳器件的制备技术及应用4．半导体光电化学
5．金属电沉积与化学沉积、腐蚀与防护技术
催化反应工程华东理工大学工业反应过程分析导论(2)
所以D1/ 2 (D1/ 2 )T ，因此
X r D1 X i 0
（29）
把式（27）代入式（29）得：X
T r
D
1[aˆ x
(0)
X
r
]
0
整理后得：
[
X
T r
D
1aˆ
x
(0)]
(30)
[
X
T r
D
1
X
r
]
20
反应过程分析
实际实验时，需先通过实验求得虚拟直线反应轨迹的初始组
成向量aˆx (0)。可以用任意初始组成的混合物a(0）进行实验，利用 式(25)投影到(1,1,1)平面，求出虚拟反应轨迹。根据该虚拟反应轨
反应过程分析
通过求虚拟直线反应轨迹求出一个特征向量X 1 , 利用
求出的X
r
和X
，进而
1
可采用可逆系统类似的
方法，
用正交
关系求出
另一个
特征向量X
。
2
于是，求得的特征向量矩阵X为：X ( X r X1X 2 )
利用线性代数方法即可求逆矩阵X 1。用公式b(t) X 1a(t)
把任意曲线反应轨迹转化为B坐标系统，则它们在B坐标系
(5)由Λ、Ｘ求Ｋ
(6)求取Ｘ
反应过程分析
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反应过程分析
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绿色化学的手段
非传统底物/原料
非传统试剂 非传统溶剂 非传统产物/目标分子 在线分析化学
非传统催化剂
绿色化学的原理
1.
防止废物的产生优于在其生成后再进行处理或
清理。 合成方法应被设计成能把反应过程中所用的所 有材料尽可能多地转化到最终产物中。 只要可行，合成方法应被设计成能使用和产生
Ni 0 Ni 反应物Ai已转化的物质的量 Xi Ni 0 反应物Ai的起始物质的量
反应程度以摩尔量为计量单位 0≤Xi ≤1 不同的关键组分可得到不同的转化率数值 计量基准常选择反应器进口状态，但当反应物 循环通过反应器，或讨论在复杂流程中的转化 率时也可选择不含产物的假想状态为基准。
5.
可逆反应：目的不同，反应用不同方向。
6.
原料配比不同，产物不同。
甲烷氯化反应
7.
同一原料，同一产物，可采用不同途径。
丁二烯：丁烯脱氢、丁烯氧化脱氢
有机催化反应特点
8.
同一反应可在不同相态下进行。
乙烯与苯合成乙苯：AlCl3 气液相反应 ZSM-5 气固相反应
9.
在相同相态下进行同一反应，可采用不同 反应器。
11.
12.
应尽可能降低发生化学事故的可能性，包括：
泄漏、爆炸和火灾。
Some Aspects of Green Chemistry
Safer Reactions
& Reagents
Catalysis
Solvent Replacement
Separation Processes
Green
Use of
有机催化反应特点
1.
大多数反应是在催化剂存在下进行的。
环氧乙烷、丙烯腈、苯乙烯
2.
相同物料，不同催化剂，反应不同，产物 不同。
有机催化反应特点
3.
同一产品可以由不同原料出发生产。
顺丁烯二酸酐：丁烷、苯、碳四馏分 氯乙烯：乙烯、乙炔
4.
反应物料和催化剂相同，反应条件不同， 产物不同。
有机催化反应特点
复杂反应：其他反应导致中间产物或副产物 的生成，使目的产物收率下降
主反应：2C2H4 + O2 = 2C2H4O 副反应：C2H4 + 3O2 = 2CO2 + 2H2O
i YP P
得到目的产物
P
的物质的量 i 物质的量
进入反应器的关键组分 P
用于生成目的产物
所消耗的关键组分 i的物质的量 i 物质的量
n
：反应进度
恒容反应
vi ci(t) ci 0 c10 X1 v1
变容反应：δ1
v ;
i
v1
V0c10X1 1 V V0 V0(1 1X1); ci0
vi ci 0 c10X1 v1 ci 1 ε1X1
c10 1 1 ; ci0
Chemistry
Renewable Feedstocks
Energy Efficiency Process Intensification Waste Minimisation
化学反应工程基础
化学反应工程基础
化学反应动力学
简单与复杂体系的本征动力学、受传递影响的 宏观动力学 复杂过程分解为若干子过程，逐一进行研究 子过程在空间与时间域上综合，得到对反应器 总体认识。
进入反应器的关键组分
i P P
得到目的产物 P的物质的量 已转化的关键组分 i物质的量
YP XiP
用于生成目的产物 P所消耗的关键组分 i的物质的量 已转化的关键组分 i物质的量
反应体系的组成及在反应过程的变化
ni c 物质的量浓度： i V
摩尔分数： yi
ni
（液相体系Ｖ不变） （总物质的量∑ni一般 会变化） （总质量∑mi不变）
2.
3.
对人类健康无毒性或很低毒性的物质。
绿色化学的原理
4. 5.
化工产品应被设计成既保留功效、又降低毒性。
应尽可能避免使用辅助性物质（如溶剂、分离 剂等），如用时应是无毒的。
6.
应认识到能源消耗对环境和经济的影响，应尽 量少地使用能源。合成应在常温和常压下进行。
绿色化学的原理
7.
只要技术和经济可行，原料或反应底物应是可
气液反应
气液相传质、反应宏观动力学、气液反应特征 参数
气固相非催化反应
气固相非催化反应特征、单颗粒的动力学分析
课程内容（四）
化学反应速率的数据收集与分析
间歇反应器 初始速率法 半衰期法 微分反应器方法
最小二乘法
实验反应器
参考书目
G. F. Froment & K. B. Bischoff. Chemical Reactor Analysis and Design. J. B. Rawlings & J. H. Ekerdt. Chemical Reactor Analysis and Design Fundamentals. 屠雨恩，周为民，许根慧. 有机化工反应工程. 朱炳辰. 化学反应工程. 李绍芬. 反应工程. 姜信真. 气液反应理论与应用基础.
思考题1
First and second order in a batch reactor. Consider the liquid-phase reaction and the following two-cases 1. First-order reaction, r = kcA
2A B
2. Second-order reaction, r = kcA2 (a) Write down the material balances for both cases, solve them and find cA(t). (b) Given cA0 = 1.5 mol/L and k = 8 hr−1, how long does it take to reach 95% conversion for the first-order case. (c) Given cA0 = 1.5 mol/L and k = 12 L/mol· how long does it hr, take to reach 95% conversion for the second-order case. (d) Draw an accurate sketch of cA(t)/cA0 for both of these cases.
丙烯氨氧化合成丙烯腈： 流化床 固定床
绿色化学
绿色化学是指利用一系列原理来降低或消除在化 工产品的设计、生产及应用中有害物质的使用和 产生。 绿色化学的最有效的用途在于它能通过减少内在 的危害而使发展具有可持续性。 绿色化学、对环境无害的化学合成、防止污染的 非传统合成路线和无毒害设计、环境友好工艺。
生成速率（产物）
（单位体积）（单位时 间）
1 dni 由此：整个反应的速率： r viV dt
化学反应速率的表示方法
dci 1）物质的量浓度表示： 恒容过程： ri dt 1 d(Vci) dci ci dV 变容过程： ri V dt dt V dt dFi F ：反应组分的摩尔流量 i 对定常流动体系： ri dVR VR：所观察的 流动体系的体
化学反应器的分析
化学反应器的优化操作与设计放大
化学反应工程的数学模型方法
单元操作
经验归纳法：因次分析、相似分析
化学反应工程：数学模型方法
化学动力学模型 流动模型 传递模型 反应器总体模型
化学反应工程基础
化学计量学 化学反应速率方程 理想反应器 停留时间分布
转化率
2）其他方法表示：
积
多相催化中：单位固相表面积的反应速率mol/(m2· s) 或用单位固相质量的反应速率mol/(g· s)
复杂反应的化学反应速率
反应速率常数（比反应速率）
k Ae
E RT
E 1 ln k ln A R T
反应活化能的测定
经验法表明：反应温度每增加10º C，反应速率增加一倍。 E=53.6kJ/mol, T=300K 310K E=147kJ/mol, T=500K 510K
多个参数（如 X，Y，φ）才能决定体系的组 成，所需的参数个数等于独立反应数。
化学反应速率
单一反应 vi Ai 0 组分i的反应速率r 定义为： i
i
vi ni(t) ni 0 n10 X 1(t) v1 Ai消耗速率（反应物）或 反应速率 1 dni ri V dt
化学反应器的分析 与设计
课程内容（一）
有机催化（催化剂工程）
流化床
气液反应
气固相非催化反应 化学反应速率的数据收集与分析
课程内容（二）
有机催化（催化剂工程）
催化特征、吸附与催化、中毒失活及动力学
流化床
流化床特征、泡相乳相行为、流化床传热及相
关数学模型
课程内容（三）
ຫໍສະໝຸດ Baidu
卢天雄. 流化床反应器
J. B. Rawlings & J. H. Ekerdt.
Chemical Reactor Analysis and Design Fundamentals
The stoichiometry of reactions Chemical Equilibrium The Material Balance for Chemical reactors Chemical kinetics The Energy Balance for Chemical Reactors Fixed-Bed Catalytic Reactors Mixing in Chemical Reactors Parameters Estimation for Reactors Models
n
i 1
n
i
质量分数：
wi
mi
m
i 1
n
i
气相反应体系亦可用分压表示浓度，
理想气体中，pV=nRT
pi py i y ip ci RT
非理想气体中，经Zi修正后，piV=pZiyi
yip ci ZiRT
简单反应体系
简单反应 vi Ai 0 若关键组分A 的转化率X (t)，则 1 1 i 1 vi ni(t) ni 0 n 10 X1(t) v1 ni(t) ni 0 n 10 X1 n 1 n 10 vi v1 v1
思考题2
一级反应，r=kcA，k=0.08/s，
cA0=3.2kmol/m3，v0=3.6m3/h，XA0=0， XAf=0.998，求用活塞流反应器、间歇式反应器、 单级全混流、2级全混流、4级全混流反应器完成 同样任务的反应器体积。
思考题3
理想表面的催化动力学模型推导
有机催化反应工程基础
再生的而不是耗竭的。 应尽可能避免不必要的衍生化（阻断基团、保 护/脱保护、物理和化学过程的暂时的修饰）。 催化性试剂（有尽可能好的选择性）优于化学 计量试剂。
8.
9.
绿色化学的原理
10.
化工产品应被设计成在完成使命后不在环境中
久留并降解为无毒的物质。 分析方法需进一步发展，以使在有害物质的生 成前能够进行即时的和在线的跟踪及控制。 在化学转换过程中，所用的物质和物质的形态
若用摩尔分数表示
nT不变： nT变化：
yi yi 0 -
vi yi 0 x; v1
nT N 0 N 0 y 10δ1x vi yi 0 - yi 0 x v1 yi ; 1 ε1x
若用质量分数表示：
viMi mi为常数 wi wi 0- v1M 1 w10 x;
复杂反应体系
有机催化反应工程
天津大学化工学院 马新宾
办公地点：天南大联合大厦B-103、20-231 E-mail: xbma@tju.edu.cn
化学反应工程－课程体系
化学反应工程
化学反应动力学
Chemical Reaction Engineering Chemical Reaction Kinetics Chemical Reactor Analysis and Design
水煤气变换反应
CO + H2O﹦CO2 + H2
反应器进口组成：关键组分CO为35%，H2O为50%；
CO2为5%；H2为10%。出口器中CO为10%。求以反应 器进口状态为基准的转化率。若以反应器流程上游某处
不含氢气的状态为基准，转化率又为多少？
收率与选择性
简单反应：若只有一个反应，选择性为100%