化学反应工程陈甘棠第一章
化学反应工程第一章习题参考答案
2010级第一章习题参考答案1-1 在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：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）反应的选择性；（2）反应器出口气体的组成解一：（1）由（1-17）式得反应的选择性为：0.629YS0.961196.11%X0.720====（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设甲醇的转化率为A P醛和二氧化碳的摩尔数nA 、nP和nc分别为：n A=n A0(1-X A)=7.672 mol n P=n A0Y P=18.96 moln C=n A0(X A-Y P)=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：n W=n W0+n P+2n C=38.30 moln O=n O0-1/2n P-3/2n C=0.8788 mol n N=n N0=43.28 mol解二：（1）根据定义：目的产物收率L AY=A消耗于主产物上的关键组分的量进入反应系统的的初始量目的产物选择率L AS=A消耗于主产物上的关键组分的量转化了的关键组分的量反应物的转化率AAAx转化了的关键组分的量＝进入反应系统的的初始量转化率、收率和选择率的关系Y=SAx已知：x CH3OH = 72% Y HCHO = 69.2%则%11.96%72%2.693===OHCHHCHOxYS（2）为方便计算，设进入反应器的甲醇的物质的量为2mol ，则即反应后混合气体中：N CH3OH = 2*(1-72%) =0.56molN HCHO = 2*69.2%=1.384molN H2O =1.3+2*69.2%+2*(72%-69.2%)*4/2=2.796molN CO2 = 2*(72%-69.2%)=0.056molN 空气 = 4-2*69.2%*1/2-2*(72%-69.2%)*3/2=3.224mol(其中N O2 = 4*21%-2*69.2%*1/2-2*(72%-69.2%)*3/2=0.064molN N2 = 4*79%=3.16mol ）总物质的量为：N T = 0.56+3.224+1.384+2.796+0.056=8.02mol各组分组成为：y CH3OH =0.56/8.02*100%=6.98%y 空气 = 3.224/8.02*100%=40.20%（其中y O2=0.80%,y N2=39.4%）y HCHO =1.384/8.02*100%=17.26%y H2O =2.796/8.02*100%=34.86%y CO2 = 0.056/8.02*100%=0.70%1-5 某气-固一级不可逆催化反应，按单位质量催化剂表示的本征动力学方程为A w A f k dW dN =-，式中f A 为反应组分A 的逸度。
反应工程第一章
选用教材张濂，许志美，袁向前。
《化学反 应工程原理》。
华东理工大学出版社第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 第十章 第十一章 第十二章绪论 反应动力学 化学反应动力学 反应器 理想间歇反应器 传递现象 理想管式反应器 连续流动釜式反应器 反应过程中的混合现象及其对反应的影响 反应器选型与操作方式 气固催化反应过程的传递现象 反应过程的温度特征和反应器的温度分布 热量传递与反应器的热稳定性 反应动力学的实验测定 反应过程研究实例分析参考书目1. 朱炳宸。
《化学反应工程》（第三版/第四版/第五版， 21世纪教材）。
化学工业出版社，2001/2006/2011 2. 陈甘棠。
《化学反应工程》（第三版，21世纪教材）。
化学工业出版社，2007 3. 李绍芬。
《反应工程》（第二版）化学工业出版社 4. 郭锴。
《化学反应工程》（第二版，21世纪教材）。
化 学工业出版社，2008 5. 程振民，朱开宏，袁渭康。
《高等反应工程教程》，华 东理工大学出版社，2010 6. Levenspiel O，《Chemical Reaction Engineering》，1962。
预备知识高等数学：微积分、代数方程及微分 方程的求解等 物理化学：动力学、热力学 化工原理：流体流动、传递过程课程安排6-18周，每周4节，45学时，2.5学分 授课方式：讲课与讨论相结合 成绩：平时成绩(30%)+ 课程考试(70%)绪论内容大纲01 化学反应工程的发展历史 化学反应工程的研究对象和目的 化学反应工程研究内容 化学反应工程研究方法 化学反应工程在工业反应过程开发中的作用 本章小结0203 04 05061.1 化学反应工程的发展历史萌芽阶段：1937年，丹克莱尔在实验数据十分贫乏的情况 下，较系统地论述了扩散、流体流动和传热对反应器产率 的影响，为化学反应工程的创立奠定了基础。
初步形成：1947年，出版了两本书:《化学过程原理》的第 三卷，专门讲述动力学与催化过程,《化学动力学中的扩散 与传热》； 正式命名：1957年，在荷兰首都举行了第一次欧洲化学反应 工程会议。
第一章 绪论
• <四>、按传热条件分类，分为 • 1． 等温反应器，整个反应器维持恒温， 这对传热要求很高。 • 2． 绝热反应器，反应器与外界没有热量 交换，全部反应热效应使物料升温或降 温。 • 3． 非等温、非绝热反应器，与外界有热 量交换，但不等温。
10
重 油 的 催 化 裂 化 流 化 床 反 应 器
17
• 2．流体流动模型 活塞流模型
（1）理想流动模型
全混流模型
（2）非理想流动模型
多级串联模型 轴向扩散模型 离析流模型等
18
五.反应器设计的基本任务（或内容）
• 1．选择合适的反应器型式
• 2．确定操作方式和最佳操作条件
• 3．针对所选的反应器型式和确定的操作 条件，计算完成规定的生产任务所需的 反应器有效体积。
化学反应工程（CRE） Chemical Reaction Engineering
使用教材：陈甘棠主编《化学反应工程》第三版 重点参考教材：郭锴等编《化学反应工程》第二版 主讲教师：化学化工学院 黄孟光
1
第一章 绪论
• 化学反应工程(CRE)学是一门研究涉及化 学反应的工程问题的学科,是化学工程的 一个重要分支，是高校化工类学生必修 的核心课程。 • 绪论阐述以下几个问题：
产物的分离与精制过程
3
原料的预处理 产物的分离精制
一般属物理过程，不发生化学反应
常用的方法是：蒸发、精馏、吸收、萃取、过 滤 、沉降、结晶、吸附等。属《化工原理》和 《分离工程》课程范畴。
所以CRE的研究对象是→工业规模的反应过程 （注：化学反应工程进行的场所是在工业反应器 中，因此工业反应器自然便成为CRE研究的核 心）
一：CRE的研究对象 四：工业反应器的研究方法 二：CRE的研究内容 五：反应器分析与设计的模型 三：工业反应器的分类 六：反应器设计的基本任务
化学反应工程绪论课件
管式反应器其物料参数随位置而变。
3、半连续操作
半连续操作反应器的反应物系组成，
釜式：随时间而变
管式：随位置而变。 三）按反应器的传热条件分 1、等温反应器： 整个反应器维持等温操作； 2、绝热反应器：反应器与外界没有热量交换，全 部反应热使物系升温或降温； 3、非等温反应器：与外界有热量交换，但不等温。
在模型中用到的化学动力学方程，主要是面对生产 实际，与生产条件相适应的宏观动力学方程，一般 通过在实验室的宏观动力学实验获得，并结合生产 条件加以修正。涉及的传递参数要通过大型冷漠实 验获得。衡算基准要取性质相同的部分或微元容积。 在衡算单元内： 输入量=输出量+消耗量+累积量
数学模型放大方法的一般步骤
反应器体积单位需体要积处所理能物处料理 料 总的 量 量物
单位体积所能处理物料量与宏观反应速率有关，而宏观反 应速率又受到化学反应速率、颗粒间传递速率、颗粒内传 递速率的影响。将它们关系表示如下：
宏观反 应速度
化学反应速度 颗粒间传递速度 颗粒内传递速度
只与温度、浓度有关 物理过程
因此设计工业反应器要考虑的因素包括三方面：化学因 素、工程因素、经济因素。
选用教材： 化学反应工程 王承学 胡永琪 编 化学工业出版社
主要参考书： 《化学反应工程》
朱炳辰 主编 化学工业出版社
主要参考书： 《化学反应工程》
陈甘棠 主编 化学工业出版社
第二步为整个加工过程的核心，是化学反应 工程学科的研究对象。
一、化学反应工程的研究对象
化学反应工程是将影响反应器性能的传递现象 与动力学之间的相互作用以及操作条件和进料 变量进行量化的一门学科。
化学反应工程-第1章
1.3 化工放大
第一章 绪
论
放大效应：由试验室小型生产到放大生产,出现了导 致反应器结构和操作条件发生变化的现象。温度、浓度、 时间分布是工业反应器不同于实验室反应器的特征所在。 放大是指部分依据小型装置的试验和示范对较大装置 进行设计和制定操作方法并使其成功开车和运转的过程。 从实验室试验到成功的工业规模设计的过程就是放大 过程。 放大方法： 逐级经验放大法 实型规模试验法 数学模拟放大法
公用工程
原材料
化学反应、分离 以及 物料、能量的 输送和转换
半成品或成品
副产品及三废
可见，化工生产过程往往由许多步骤组成，并力求最经济 地生产产品，减少废弃物量。其中的化学加工步骤就是化学反 应工程的研究对象。实现化学加工步骤的设备称为反应器。
1.1 化学反应工程学的范畴和任务
第一章 绪
论
• 能否选择恰当的化学加工方式、采用合适 的反应器型式，往往是一个化工生产过程 的关键。 • 通过化学反应工程的学习，可解决： 如何分析化学加工过程及反应器状况， 制定最优化条件。 如何选择和设计反应器，以完成所需 的化学加工过程。
按参数空间分布程度：集中参数模型和分布参数模
型。 按参数与时间关系：定态模型和非定态模型。 按参数性质：确定模型和随机模型。 按建立模型的方法：机理模型和经验模型。
按参数连续性：连续体模型和细胞室模型。
按数学关系：线性模型和非线性模型。
2.数学模型法的建立步骤
• 1．建立简化物理模型 对复杂客观实体，在深入了解基础上，进行合理简化， 设想一个物理过程(模型)代替实际过程。简化必须合 理，即简化模型必须反映客观实体，便于数学描述和 适用。不失真、满足应用要求、适应现有的实验条件 和适应现有的计算能力。 • 2．建立数学模型 依照物理模型和相关的已知原理，写出描述物理模型 的数学方程及其初始和边界条件。 • 3．用模型方程的解讨论客体的特性规律
《化学反应工程》全册配套完整教学课件
Copyright 2011 by Southeast University
Chemical Reaction Engineering
物质在反应装置中的流动、传质和传热与化学反应之间相互关系的 概念，称为物理概念模型。 数学模型 表达物理概念模型的数学式称为数学模型。 数学模拟方法 用基于物理概念模型的数学模型来模拟反应过程的 方法称为数学模拟方法。
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固体颗粒细小，气流流动情况 复杂。
催化剂带出少，要求气液分布 均匀，温度调节较难。
固相在液相中悬浮，气相连续 流入及流出反应器。
固相在液相中悬浮，液相和气 相连续进入及流出反应器。
粒子返混小，相接触面小，传 热效能低。
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Chemical Reaction Engineering
一、化学反应工程学的研究范畴
过程工业
从事物质的化学转化，生成新的物质产品； 各个生产环节具有一定的不可分性，形成生产流程，并多数连续生
产。
过程工业包括两个过程：
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Chemical Reaction Engineering
气流床 滴流床 鼓泡淤浆床 三相流化床 回转筒式 螺旋挤压机式
气-固相 气-液-固三相 气-液-固(催化及非催化) 气-液-固(催化及非催化) 气-固相，固-固相 高黏度液相
化学反应工程1
作者： 傅杨武
重庆三峡学院化学工程系
《化学反应工程》 教案
第一章 绪 论
［板
书］
r 定义 →
式中：V 为体积； ξ ：反应进度
1 dξ V dt
（1.1）
［说
明］
对非均相反应，其反应速率的定义是有差异的，如气-固催化反应。 ［举 例］ 例 1.1 对如下反应： aA + bB → cR ，其反应进度可写成如下形式：
教学难点
无
教学方法
讲授法
学时分配
2 学时
教学过程
作者： 傅杨武
重庆三峡学院化学工程系
第1页 共 8 页
《化学反应工程》 教案
第一章 绪 论
［引
言］
*预修课程 《化工原理》 、 《物理化学》 、 《高等数学》 、 《概率论》
［板
书］
*参考文献 朱炳辰， 《化学反应工程》 ，化学工业出版社，1993。 张濂、许志美、袁向前等， 《化学反应工程原理》 ，华东理工大学出版社 *本学科的内容安排（参见本书目） 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 绪论 均相反应动力学基础 理想反应器 非理想流动 非均相反应动力学 固定床反应器 流化床反应器 其它多相反应器
［板 ［分
书］ 析］
① 反应速率 a. 概念：反应系统中某一物质在单位时间、单位反应区内的反应量。 均相反应： “单位反应区”常指“单位反应体积” ；非均相反应：如气固催化反应， “单位反应区”常指“单位催化剂质量” 。因此，对不同的反 应类型，反应速率的量纲是不一样的。 对一定大小的反应设备和物料处理量，反应速率的大小实际上反映了 反应物料的转化程度。对均相反应：
化学反应工程 陈甘棠 第三版 课后答案
A nA0 pA0 nA pA
P 0 0 3nA0 nA 3 pA0 pA
p总 pA0 3 pA0 2 pA
解 由 cA-cB=42.4 可知反应应按下列方式 A+B→产物进行 设为二级反应
dcA 1 c c kcA cB 积分得： kt ln A B0 dt cA0 cB0 cA0cB
以
1 c ln A 对 t 作图若为直线，则假设正确。 cA0 cB0 cB
t
116.8 319.8 490.2 913.8 1188
由 cA0-cB0=42.4 整理得数据如下：
4
y
线性回归：
0.026
1 c ln A cA0 cB0 cB
0.013 2
0.014 9
0.016 9
0.021 6
-3
13
解
t=285-283=2s
反应前后体积不变的不可逆反应，已经反应掉的部分不会对反应产生任何 影响。反应过程中的任意时刻都可以作为初始时刻和终了时刻。 14 在间歇搅拌槽式反应器中，用醋酸与丁醇生产醋酸丁酯，反应式为： 2 SO 4 CH3COOH C4 H9OH H CH3COOC4 H9 H 2O A B R S 反应物配比为：A(mol):B(mol)=1:4.97，反应在 100℃下进行。A 转化率达 50％需要时间为 24.6min，辅助生产时间为 30min，每天生产 2400kg 醋酸 -3 丁酯（忽略分离损失） ，计算反应器体积。混合物密度为 750kg·m ，反应 器装填系数为 0.75。 解
t t1 2
pA 0.5 pA0
1 0.51n 1n pA 0 t1 2 k p n 1 pA0 t1 2 ln pA0 ln t1 2 0.1360 265 5.580 186
化学反应工程-第一章_绪论解析
发展简史
第二阶段：近代化学工业从十八世纪末开始，以硫酸，硝 酸，纯碱的工业规模的生产过程为开端，至20世纪初，出 现了载入化工发展史册的合成氨的工业生产。
20世纪初，英国的Davis,美
Walker,Lewis等提出了“化学工 程”的概念，发展成为以“单元 操作” （unit operations）为基 本研究内容的化学工程学。 Fritz Haber (1868 - 1934)
12
发展简史
第三阶段：现代化学工业（二战前后），在原料路线， 技术和设备方面都有巨大的变化和进步，在以石油和天 然气为主要原料的化学工业中，各种催化反应被广泛应 用，这就要求在反应技术和反应器设计方面作出重大努 力。 从动量传递、热量传递质量传递的角度深入研究化工生 产的物理变化过程，以及从“化学反应工程”的角度来 研究化工生产的化学过程。从而使化学工程学科上升为
环保工业、建材、印染、生物技术、医药、食品、造纸等 工业部门。
PI的特点：原料产品、加工过程、增加产量
10
发展简史
第一阶段：古代的化学生产（17世纪以前） 古代化学具有实用和经验的特点，尚未形成理论体系、是 化学的萌芽时期；尚未形成有规模的化学加工实践。 实用化学 炼丹和炼金
冶金化学
医药化学 生产硫酸
新的分支
集总方法 聚合反应工程 电化学反应工程 生化反应工程 冶金化学反应工程
17
化学反应工程的研究内容
以工业规模进行的化学反应的规律。 化学动力学——研究浓度和温度对反 应速度的影响的科学。 （1）影响反应速度的各种因素以及如
何获得最优的反应结果等问题。
（2）化学反应的速度和平衡的规律。
大庆炼化
学反应过程的开发和反应器的可靠设计提出迫切要求；
高等化学反应工程-1-第1章-催化剂与催化动力学基础
而： i
K i Pi 1 - 9 1 K i Pi
从朗缪尔吸附等温线可以看出：吸附量（或覆盖率）与压力的关系是双 曲线型。辛雪乌（Hinshewood）利用本模型成功地处理了许多气固相催 化反应，所以又被称为“兰-辛（L-H）机理”。
⒉弗罗因德利希型（非理想表面） 均匀表面吸附理论的关键在于认为催化剂表面各处吸附能力完全相同， 即吸附、脱附活化能和吸附程度无关，但实际上是有关系的。 弗罗因德利希认为：对吸附、脱附过程，吸附、脱附活化能是随表面覆 盖度的增加而变化的。即对吸附过程：
很快，活化能低，<4 kJ/mol <8 kJ/mol，很少超过凝缩热 多分子层 高度可逆 用于测定表面积及微孔尺寸
温度较高，远高于沸点
非活化的，低活化能；活化的，高活化能， >40 kJ/mol >40 kJ/mol，与反应热的数量级相当 单分子层 常不可逆 用于测定活化中心的面积，及阐明反应动力 学规律
固体催化剂之所以能起催化作用，乃是由于它与各个反应组分的气体分子 或者是其中的一类分子能发生一定的作用，在这一定的作用里面，最基本 的作用是吸附。吸附就是最基本的现象，可以说吸附是催化反应发生的前 提。 吸附的两种类型：物理吸附和化学吸附。
物理吸附： ①在低温下才较显著，类似于凝缩过程；气体分子与固体表面间的吸力 很弱，吸附热约为8~25 kJ/mol，吸附的活化能很小，常在4 kJ/mol以下； 由于所需能量小，所以达到平衡也快； ②升高温度可使物理吸附的能力迅速降低，在物质临界点以上，一般物 理吸附已极微，这就说明它不是催化中的重要因素。
0 Ea E0 a A ，E d E d A
吸附过程： ra k a p A exp gA 1 - 14 脱附过程： rd k d exph A 1 - 15 当吸附平衡时，得： 1 A lnap A 1 - 16 f f g h 1 - 17 其中， a k a k d 焦姆金型主要适用于覆盖率为中等程度时。
化学反应工程01
n A n A0 n B n B 0 n R n R 0 0 A B R
二、 转化率 X--针对反应物而言 定义：
某一反应物的转化量 X 该反应物的起始量
注意： 如果反应物不只是一种，针对不同反应物计 算出来的X是不一样的。
精化学反应工程 品 课 程
关键组分（着眼组分）为不过量、贵重的组分（相对而言） 针对关键组分计算，可使X最大到100%
第四节 反应器的操作方式
间歇操:一次性投料，卸料。反应物系参数 (浓度或组成等)随时间变化。 连续操作:原料不断加入,产物不断引出,反 应器内物系参数均不随时间变化。 半连续(或半间歇)兼有以上两种过程的特 点，情况比较复杂。
精化学反应工程 品 课 程
PVC悬浮聚合－－－间歇反应釜
精化学反应工程 品 课 程
精化学反应工程 品 课 程
种 类 特 点 应用范围 固定床 底层内部装有不动的固体颗粒，固体 颗粒可以是催化剂或是反应物 用于多相反应系统
反应过程中反应器内部有固体颗粒的 多相反应体系，可以提 流化床 悬浮和循环运动，提高反应器内液体的混 高传热速率 合性能 固体颗粒自上而下作定向移动与反应 用于多相体系，催化剂 流体逆向接触 可以连续再生
v 0 v 0 v 0
R
A
B
v A A vB B vR R 0 nR n n nR n n
A0 A
B B
0
0
精化学反应工程 品 课 程
2.1 反应进度
A A B B R R
( n A n A0 ) : ( n B n B 0 ) : ( n R n R 0 ) A : B : R
n A n A0 n B n B 0 n R n R 0 即： A B R
化学反应工程陈甘棠主编
（7-45）
假设：进入床层的气流分为两个部分，一部分是以ub流动的气泡，另 一部分则以umf在乳相中流动。床层达到临界流态化以后，床层高度增 加的部分完全是气泡所作的贡献。
对气流进行物料衡算
u0 ubb umf (1 b ab )
故
b
ub
u0 umf umf (1
a)
u0
umf ub
或
b
颗粒的带出速度等于其自由沉降速度，对球形固体颗粒，可用以下公式
计算：
第七页，编辑于星期六：十八点 五分。
ut
d
2 p
(
p
18
)g
1
ut
4
225
( p
)2 g2
3 dp
Rep 0.4 0.4 Rep 500
1
ut
3.1d p ( p
)g
2
500 Rep 200000
注意：以上各式求得的ut也都需代入到Rep中检验。
式式（（77174）） 91.6
大颗粒
ut umf
式式（（77186）） 8.72
（ii）细颗粒床层中，气体操作流速的范围更宽。
（iii）实用操作气速的确定
a. 流化数 b.
u0 1.5 ~ 10 umf u0 0.1 ~ 0.4 ut
第九页，编辑于星期六：十八点 五分。
（3）流化床的膨胀比 流化床的体积与起始流化时床层体积之比。
ubr 0.711(gdb )1/ 2
式中， db——气泡直径，cm ；
g ——重力加速度，980 cm/s2。 b. 气泡群上升速度
cm / s
（7-28）
ub u0 umf 0.711(gdb )1/ 2
反应工程第一章第一章
物理现象，即传递现象。例如：对于反应过程
▪实际的反应过程可能包括： ▪反应物、产物的扩散过程（内外）+表面反应过程。 ▪无论对于放热过程，还是吸热过程，催化剂与反应 物气体存在温差。
就整个反应器而言，如反应器内的浓度和温度随位 置变化，需将化学反应与传递现象综合起来考虑。
2020年7月15日星期三
（1）反应工程的范畴
2020年7月15日星期三
1.1.1发展简史
第一阶段：古代的化学生产（17世纪以前） 古代化学具有实用和经验的特点，尚未形成理论体系、是 化学的萌芽时期；尚未形成有规模的化学加工实践。
实用化学
炼丹和炼金
冶金化学
医药化学
2020年7月15日星期三
生产硫酸
发展简史
第二阶段：近代化学工业从十八世纪末开始，以硫酸，硝 酸，纯碱的工业规模的生产过程为开端，至20世纪初，出 现了载入化工发展史册的合成氨的工业生产。
2020年7月15日星期三
2020年7月15日星期三
2020年7月15日星期三
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章
绪论 均相反应动力学基础 均相反应过程 非理想流动 催化反应动力学基础 固定床反应器流化床反应器
2020年7月15日星期三
教学时数分配
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 机动 总学时
2020年7月15日星期三
发展简史
美国Bird等编写了《传递现象》 （ Transport Phenomena ） 这部历史性的著作
2020年7月15日星期三
发展简史
荷兰van Krevelen提出“化学反应工程”的概念。 1957年，阿姆斯特丹，第一届欧洲化学反应工程会议， van Krevelen作首篇综合性报告：Micro- and Macro- Kinetics
化学反应工程-1-第一章-均相反应动力学
例2：NO和H2在适合的条件下可发生反应生成N2和H2O，其计量方程为： ： 2 NO + 2 H 2 = N 2 + 2 H 2 O r 由实验测得其速率方程为：N 2 = kC 2 C H 2 No 显然，该反应的反应级数与计量系数不相一致，试设定能满足这一实 验结果的反应机理式。
解：至少可以设定两种机理符合实验结果： 机理1： NO和H2的反应由以下两个基元反应组成：
推导出的方程和由实验获得的方程形式一致，假设的机理可能是 正确的。
三、链反应机理 由无限个基元反应组合而成，它们像链那样一个接一个传递下去。如：
H 2 + Br2 → 2 HBr 其机理如下：
Br 2 + M 1 → 2 Br ⋅ + M ⋯ ⋯ (1 )
k
Br ⋅ + H
H ⋅ + Br 2 → HBr + Br ⋅ ⋯ ⋯ (3 ) k4 H ⋅ + HBr → H 2 + Br ⋅ ⋯ ⋯ (4 ) k5 2 Br ⋅ + M → Br 2 + M ⋯ ⋯ (5 )
= kC m C n A B
2、速率常数k 速率常数k
Ea k = k 0 exp − RT
Ea的含义：反映了反应速率对温度的敏感程度。 活化能：40—400KJ/mol。 E a < 40 KJ ⋅ mol −1，反应瞬间完成；当 Ea > 100KJ ⋅ mol−1 ，须加热 当 才能进行。 二、双曲函数型 通常由所设定的机理而导出的，如：
1.拟平衡态假设： 拟平衡态假设： 拟平衡态假设 • 在一系列基元反应中，其中一个基元反应速率最慢，是整个过程的控 制步骤，整个反应速率可以由它来代表。而其它基元反应很快，视其 处于“拟平衡状态”。 2.拟定常态假设： 拟定常态假设： 拟定常态假设 •各个基元反应速率的数量级相同，中间产物的浓度在整个过程中恒定。
《化学反应工程》课程规范
《化学反响工程》课程标准一、课程概况课程号课程英文名称HBX250037 课程名称化学反响过工程Chemical Reaction Engineering总学时数开课单位课程类别48 学分理工学院专业教育课程4讲授学时适用专业修读方式48试验学时化学工程与工艺、制药工程必修先修课程高等数学，大学物理，物理化学，化工原理考核方式：考试考核方式成绩构成比例：总成绩 = 寻常成绩×30% + 卷面成绩×70%寻常成绩 : 寻常成绩=出勤成绩+寻常作业成绩教科书：教材及主要教学参考书陈甘棠主编.《化学反响工程》第三版. 北京：化学工业出版社，2023主要参考书：李绍芬主编.《反响工程》其次版.北京：化学工业出版社，2023朱炳辰主编.《化学反响工程》第五版.北京：化学工业出版社，2023 《化学反响工程》是高等学校化学工程与工艺类专业本科生必修的一门专业课程。
《化学反响工程》是争论化学反响过程和反响器的共同规律，从而课程简介使化学反响实现工业化的技术科学，是化工类专业学生在具备了必要的高等数学、物理化学、化工原理、计算技术等学问后，为了进一步加强根底和拓宽专业学问所必需的技术理论课。
通过本课程的学习，使学生进一步扩大学问面，打好专业根底，了解化学变化过程中的一些根本规律，加深对已学过的无机化学、分析化学、有机力气培育任务化学的理解比较结实的把握化学反响工程根底理论学问和计算方法；进一步培育学生独立思考和独立解决问题的力气，以至今后的实践中能得到启发和帮助；培育学生独立进展物理化学试验和自学一般物理化学书刊，以提高理论联系实际的力气。
二、课程学问、力气体系《化学反响工程》课程学问〔力气〕体系序学问单元号描述1第1 章绪论学问点对应力气学时要求生疏均相反响生疏间歇反响系统的速率表示方速率的表示方式；式；连续反响系统的速率表示方变容反响系统中体第2 章式；动力学方程式的表示方式；积膨胀因子；体积2反响动力反响速率常数；动力学参数确实膨胀率；最正确温度8学根底定；最正确温度曲线；固体催化剂；曲线；Langmuir吸吸附等温方程；均匀外表吸附动附及其等温线；均力学方程匀外表吸附动力学方程反响器中流体的流淌模型；把握反响器设计的根本方程；间歇反把握抱负流淌第3 章3抱负流淌反响器应器；活塞流反响器；单级全混流反响器；多级全混流反响器；抱负流淌反响器的组合及反响体模型；抱负反响器的计算；抱负反响10器中复合反响的选积的比较；抱负流淌反响器中复择性。
化学反应工程陈甘棠第一章
反应过程动态特性与反应系统测量和控制
——工业生产的必须条件，人为不能达到
例如：对于一放热反应
进料温度高
反应速率快 放热不及时 温度升高
爆炸
温度过高
——自动控温装置
14.01.2021
反应加快
2、反应工程的任务
创新与选择最适反应器型式 确定最优工艺条件 估算反应器尺寸大小
新工艺、新产品开发 传统技术改造 优化操作
200-3000c
14.01.2021
六、反应工程的前沿领域
•新材料合成
•能源化工
•环境化工
•新反应器
•操作方式
作业：反应工程的前沿之一
14.01.2021
——对×××××××××的综述
THANKS
共
同
学
习
相
互
提
高
化学反应工程陈甘棠第一章
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化学反应工程
14.01.2021
第一章 绪论
1 反应工程在化学工程学科中的地位 2 反应工程的范畴和任务 3 反应工程的研究方法 4 化学反应过程分类 5发展趋势
14.01.2021
一、反应工程在化学工程学科中的地位
1、化学工程的主要研究内容
原料的预处理 化学方法加工 进行化学反应
1957年，荷兰阿姆斯特丹第一次欧洲反应工程会议——确立 了化学反应工程的名称
14.01.2021
二、化学反应工程的范畴和任务
化学工艺
反应器中流体
流动、混合传
热和传质
反应
化 化学热力 学 学与反应
动力学
反应 过程 分析
过程动 态特性与 反应系统
测量和
化学反应工程第三版陈甘棠课后习题答案
化学反应工程第三版陈甘棠课后习题答案【篇一：化学反应工程教案4(化工13)-胡江良】t>12345【篇二：化学反应工程教案】程名称：化学反应工程任课教师：所属院部：教学班级：教学时间：化工1203-04 2014 —2015 学年第2学期课程基本信息1绪论第一章均相单一反应动力学和理想反应器1.1 基本概念1.2 建立动力学方程的方法一、本次课主要内容化学反应工程课程的性质、反应器的分类及操作方式、反应器设计的基本方程和工业反应器的放大方法、化学反应速率的不同表示方式及其相互关系、化学反应速率方程的变换与应用、化学反应动力学方程的计算、建立动力学方程的方法及其应用。
二、教学目的与要求了解化学反应工程的研究对象、目的，掌握化学反应工程的研究内容和研究方法，熟悉化学反应工程在工业反应过程开发中的作用。
三、教学重点难点1、化学反应工程的研究目的、内容和方法。
四、教学方法和手段课堂讲授、提问、讨论；使用多媒体教学方式。
五、作业与习题布置书后习题第3、6、7题2绪论一、化工生产中设备的分类化工产品的生产是通过一定的工艺过程实现的，工艺过程是指从原料到制得产品的全过程。
每个化工产品的工艺过程是不同的，但有共同的特点：1，工艺过程是由设备、管道、阀门和控制仪表组成的；2，化工设备分为两大类（1）不含化学反应的设备这类设备中没有发生化学反应，只改变物料的状态，物理性质，不改变其化学性质。
在鼓风机和泵中只有能量的转换，从中能转换成机械能，输送物料；在换热器和冷却塔中只改变物料的温度，物料的化学性质没有起变化；贮槽只是起贮存物料作用（2）化学反应器在这类设备中发生了化学反应，通过化学反应改变了物料的化学性质图中的一段炉、二段炉、变换炉、甲烷化炉、合成塔等都是化学反应器。
物料在反应器中发生了化学反应，物料性质起了变化。
可见，化学工业生产是由物理过程和化学反应过程组成的，其中化学反应过程是生产过程的关键。
化学反应器的任务是完成由原料转变到产物的化学反应，是化工生产的核心设备。
完整版化学反应工程课件
❖ 相似放大法：生产装置以模型装置的某些参数按 比例放大，即按照相同准数对应的原则放大，称 为相似放大法。
❖ 经验放大法：按照小型生产装置的经验计算或定 额计算，即在单位时间内，在某些操作条件下， 由一定的原料组成来生产规定质量和产量的产品。
数学模型放大法：
基础实 验测试
拟订过 程模型
用
电 子 计 算
8.聚合反应：含缩聚，加成聚合，自由基聚合，离子 型聚合，络合配位聚合，开环聚合，共聚
2.1.2 反应器的分类
间歇反应器 ❖ 按照操作方法分类 管式及釜式连续流动反应器
半间歇反应器
平推流模型
理想流动模型
❖ 按照流动模型分类
全混流模型
非理想流动模型
❖ 间歇反应器：反应物一次加入反应器，经历一定 的反应时间达到所要求的转化率后，产物一次卸 出，生产是分批进行的。如果间歇反应器中的物 料由于搅拌而处于均匀状态，则反应物系的组成、 温度、压力等参数在每一瞬间都是一致的，但随 着操作时间或反应时间而变化，故独立变量为时 间。
着眼于反应物A： A 对于反应物B： B
L M 是连串反应
L 发生的是平行反应
M
例如：甲醇部分氧化生成甲醛的反应
CH3OH + ½ O2 → CH2O +H2O CH2O + ½ O2 → CO +H2O
吸热反应 ❖ 按照反应热效应分
放热反应
均相反应 ❖ 按照相态分布分
非均相反应
间歇过程
❖按照操作方法分 连续过程 （平推流，全混流，中间型）
❖传递工程：涉及到动量传递、热量传递和 质量传递。
❖工程控制：反应器的运转正常与否，与自 动控制水平相关。
1.4 化学反应工程学中涉及的定义
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银催化剂
CH 2 CH 2
CH CH
加氢 CH 2 CH 2 氧化
（微量） CH CH H 2 H2C CH2 H2
H 2C CH 2
➢ 用于能源过程
CH CH H2O
O
CH CH
O
CaCl2
CH 3
OH
400c 1400c
氯化钙·甲醇络合物
H
CH3-OH
低压
CaCl2·2H3C-OH 1500C
新工艺、新产品开发 传统技术改造 优化操作
目标： 单位设备容积净度大 目的产物单一性大 安全,稳定
核心 ——复杂系统的工程放大
2020年7月25日星期六
3、工业反应的特点
➢ 物性庞杂
多相（气,液,固,超临界,等离子,纳米胶体） 温度,压力,粘度,重度,表面张力… 变化幅度大
➢ 非线性耦合
物理,化学,生物学之间 ➢ 预测精度高 ➢ 生产规模大
250万T/年－1000万T/年 催化裂化（ф 10m, H=70m) 30万T/年－100万T/年 乙烯裂解 30万T/年 合成氨－52万T/年 尿素 100m3 －300m3 聚合釜, 120m长 循环管聚丙稀
2020年7月25日星期六
高 低 并 列 的 提 升 管
装 置
2020年7月25日星期六
2020年7月25日星期六
反应过程动态特性与反应系统测量和控制
——工业生产的必须条件，人为不能达到
例如：对于一放热反应
进料温度高
反应速率快 放热不及时 温度升高
爆炸
温度过高
——自动控温装置
2020年7月25日星期六
反应加快
2、反应工程的任务
创新与选择最适反应器型式 确定最优工艺条件 估算反应器尺寸大小
FCC
FCC
南 充 炼 厂 装 置
2020年7月25日星期六
Cold flow model of Kellogg dense phase catalyst cooler
Grassroots FCC unit under construction in Mexico
2020年7月25日星期六
2020年7月25日星期六
优化
2020年7月25日星期六
经济学
化学热力学——讨论反应进行的方向和限度，平衡问题 如：计算反应的平衡常数和平衡转化率
反应动力学——阐明化学反应速率与各种物理因素（温度、 浓度、压力和催化剂等）之间的关系 影响反应速率的内因 —— 决定能否实际应用的关键所在
2020年7月25日星期六
•反应器中流体流动、混合传热与传质 ——影响反应速率的外因 如：非均相反应、气固反应、催化剂表面的扩散与吸附等 ——“放大效应“产生的直接原因 •设备结构及参数设计 如：反应器的种类（管式、釜式、流化床、固定床等）、 操作方式（连续、分批） ——考虑经济上的合理性
iC4
H8
1000c 阳离子树脂
O
C
H2
C H
CH
3
(MTBE)
硫酸
CH3
H2O+iC4H8
HO C C CH3
H2 H
(叔丁醇)
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b ：高纯硅生产
化学 纯 Si
Si
光谱 纯 Si
Si
SiF4 (G) SiF4 (G)
Si SiF4 2SiF2
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➢ 反应用于净化原料
H 2O H 2SO4
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➢ 低能耗制H2
1 CaBr2 H 2O CaO 2HBr
2
CaO
Br2
CaBr2
1 2
O2
700-7500c 500-6000c
3 3FeBr2 4H 2O Fe2O4 6HBr + H2
550-6500c
4 Fe2O4 8HBr 3FeBr2 4H 2O Br2
200-3000c
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六、反应工程的前沿领域
•新材料合成 •能源化工 •环境化工 •新反应器 •操作方式 作业：反应工程的前沿之一
——对×××××××××的综述
2020年7月25日星期六
催化反应 大部分液相反应
胶体反应 酶和微生物反应
煤燃烧，矿石焙烧 气－液吸收反应 炼铁，湿法冶金
合成氨，硝酸，硫酸 炼油，合成材料单体
2020年7月25日星期六
五、反应工程的发展趋势
➢ 反应工程用于产品分离
a
：iC
4
,
nC4 ,
C 4,
C
0 4
分离
CH 3OH
60-1000c CH 3
CH 3
四、化学反应过程分类
➢ 按操作方式分类 ❖ 间歇操作 ❖ 连续操作 ❖ 半连续操作 ➢ 按反应器除热方式分类
T 0C
❖ 绝热式
L
2020年7月25日星期六
❖间壁换热式 ❖自热式 ❖ 冷激式
❖ 相变式
2020年7月25日星期六
L
L
T℃
L
T℃
t (hr)
➢ 按反应物相态分类
均相反应 非均相反应
非催化反应 大部分气相反应 快速反应（燃烧等）
三、反应工程的研究方法
1、模型化方法
参数计算式 ➢ 建立数学模型 动力学方程式
物料、热量、动量衡算式 ➢ 求解数学模型的计算方法 ➢ 计算机软件的实现及计算结果
2020年7月25日星期六
2、试验的方法
➢ 设备传递过程模型的测定 如：大型冷模测定
➢ 无法计算的参数的测定 如：热力学、动力学、催化剂等的参数
-50c
CH3-OH 400C 液相（高压）
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节流
➢ 生态工业组合
磷肥生产
Ca3 (PO4 )2 3H 2 SO4 H 3 PO4 3CaSO4 3NH 3 (NH 4 )3 PO4
磷石膏分解 CaSO4 CaO SO3
CaS CaO SO2
硫酸生产
SO2 12 O2 SO3
1957年，荷兰阿姆斯特丹第一次欧洲反应工程会议——确立 了化学反应工程的名称
2020年7月25日星期六
二、化学反应工程的范畴和任务
化学工艺
反应器中流体
流动、混合传
热和传质
反应
化 化学热力 学 学与反应
动力学
反应 过程 分析
过程动 态特性与 反应系统
测量和
工 程 控 制
控制
催化剂
设备结构及 参数控制
2020年7月25日星期六
80万吨/年加氢裂化装置
2020年7月25日星期六
2020年7月25日星期六
2020年7月25日星期六
2020年7月25日星期六
45万吨/年乙烯裂解球罐
2020年7月25日星期六
釜式反应器
2020年7月25日星期六
环管反应器
2六
➢ 数学模拟的检验测定 即：数学模拟结果用实验测定可否应用
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基础 试验 测定
拟定 过程 模型
制
定
用模
计型
算 机 做
测 试
方方
案法 研及 究参
数
范
围
小试
模型的放大 试验
中试
比较测试结 果与模型计 算结果
修正基础模型
2020年7月25日星期六
数学模拟放大示意图
用 计 算 机过 做程 多的 方基 案本 及设 优计 化 设 计 计 算
反应产物的分离与提纯
单元操作（三传）
2020年7月25日星期六
2、反应工程概念的提出
20世纪30年代，丹克莱尔(Damhohler)论述了扩散、流体流动 和传热对反应器产率的影响——奠定了基础 梯尔(Thiele)和史尔多维奇对扩散反应问题作了开拓性的工作 40年代末，霍根(Hougen)和华生(Waston)著作《化学过程原理》 法兰克-卡明聂斯基著作《化学动力学中的扩散与传热》问世
化学反应工程
2020年7月25日星期六
第一章 绪论
1 反应工程在化学工程学科中的地位 2 反应工程的范畴和任务 3 反应工程的研究方法 4 化学反应过程分类 5发展趋势
2020年7月25日星期六
一、反应工程在化学工程学科中的地位
1、化学工程的主要研究内容
原料的预处理 化学方法加工 进行化学反应
单元操作（三传） 反应工程