化学反应工程 绪论
化学反应工程
第一章绪论化学工业生产过程从原料到产品都可以概括为下列三个组成部分(1) 原料的预处理按化学反应的要求将原料进行处理例如提纯原料除去对反应有害的杂质加热原料使达到反应要求温度几种原料的配料混合以适应反应浓度要求等等这些预处理操作一般都属于物理过程(2) 化学反应是将一种或几种物质转化为所需的物质或从一组混合物中脱除某一组份如汽车尾气中脱除烃和氮的氧化物使气体净化达到排放标准等等这些属于化学过程(3) 产物的分离由于副反应的存在生成不希望的产物又因反应不完全或某些反应物过量致使反应产物需要进行分离获得符合规格的纯净产物这一步主要也是物理过程例如蒸馏吸收萃取结晶过滤等等原料预处理和产物分离两步是化学反应的要求和结果显然化学过程是化工生产过程的核心物理过程的原理和设备是化工原理研究的内容化学反应过程的原理和反应器则是化学反应工程研究的内容[1]化学反应过程往往是一项化工生产流程中重要的甚至是决定的因素任何化学反应过程的进行和结果除了由该反应本身的特征及规律控制外还会受到物料混合传质和传热等物理因素的影响因此化学反应工程的研究一方面要认识判断各种类型化学反应的化学热力学和动力学规律另一方面也要归纳各种物理因素的变化及其规律对化学反应过程的影响从这两方面的结合中总结出一些普遍意义的观点和概念以在理论上指导工业反应过程的开发本书将阐述化学反应工程中最基本的概念和理论提供反应工程的基本研究方法讨论反应过程的设计和优化以使从事工业化学反应工程开发研究设计或生产的技术人员掌握必需的化学反应工程知识本章将主要介绍化学反应工程的研究目的内容和方法1.1 化学反应工程的研究对象和目的化学反应工程作为一门工程学科它的研究对象是以工业规模进行的化学反应过程其目的是实现工业反应过程的优化所谓优化就是在一定的范围内选择一组优惠的决策变量使系统对于确定的评价标准达到最佳的状态显然工业反应过程的优化涉及优化目标约束条件和决策变量等问题工业反应过程的优化实际上有两种类型设计优化和操作优化从设计角度讲由给定的生产能力出发确定反应器的型式和适宜的尺寸及其相应的操作条件然而在反应器投产运转以后还必须根据各种因素和条件的变化作出相应的修正以使它仍能处于最优的条件下操作即还需进行操作的优化显然设计优化是工业反应过程优化的基础1.1.1 约束条件任何工业反应过程的优化往往受到各种因素的约束其约束条件可能受到工艺流程上下游处理能力的限制也可能为了保证操作安全某些易燃易爆反应物料的组成受到爆炸极限的约束总是把易燃易爆的物料浓度控制在爆炸极限以外又如反应器材料的耐热性能则成为石脑油裂解管温度的约束条件总之优化过程是有约束的过程优化1.1.2 优化的经济指标任何一个化学反应过程要实现工业化生产首先必须在技术上是可行的所谓技术的可行性包括反应过程有合适的催化剂反应能以一定的速率和选择率进行对反应产物有可能进行分离提纯以取得合格产品有适宜的反应温度压力等条件反应过程中产生的废料有合适的处理技术以免对环境污染等等但是一个工业反应过程得以存在和发展的前提除了技术上可行外重要的是经济上合理一旦生产过程的技术问题解决之后过程的经济性就成为最主要的追求目标工业反应过程的经济指标是指生产某一产品所需的成本或是产品的利润大小生产某一定量产品所需的生产费用包括一次性的投资费主要是设备和机器费用及经常性的原料和操作费用操作费用主要包括人工费动力消耗能量消耗设备维修和公用工程等方面的开支然而除了过程的经济效益之外评价一个过程好坏还需要考察一些内容如生产的安全程度对环境的污染影响及生产过程的劳动生产条件等等因此工业反应过程的评价是一个多目标的优化问题对于这样一个多重优化目标问题要求在各个优化目标间进行统筹兼顾和合理安排势必涉及许多非经济的因素和复杂的最优化方法实已超出了本书的范围为了对工业反应过程进行必要的简便的优化计算对它就有二个基本要求一是要使多重的优化目标归并转换成单一目标二是要求这单一目标能够以定量的形式表达出来对于上述具有多重优化目标的工业反应过程除了反映过程经济效益的生产成本之外其余的目标都无法以定量的形式表示也难以归并在生产成本里因而本书的优化计算和优化讨论中都作如下简化处理即把工业反应过程的经济指标作为唯一的优化目标而把生产安全环境污染及劳动生产条件等因素作为优化过程的约束条件然后在规定的条件和范围内寻求最佳的经济目标工业反应过程的经济目标直接决定于生产费用的大小生产过程的费用主要由原料费用设备费用和操作费用三部分组成显然工业反应过程的这些经济目标与该过程的技术指标密切相关1.1.3 优化的技术指标在建立工业反应过程优化目标的定量关系式即优化目标的函数式时需要把过程的经济目标与技术指标联系起来才能进行优化计算以确定最优的设备条件和操作条件反应过程的主要技术指标有以下三个(1) 反应速率(2) 反应选择率(3) 能量消耗生产过程的能量消耗也是衡量过程经济性的一个重要指标然而由于化工生产过程的复杂性使能耗问题难以就整个生产过程中的某一反应步骤或分离步骤单独进行核算及评价它往往是以整个流程车间甚至整个工厂作为一个系统加以全面考虑因此本书将从反应速率和反应选择率作为工业反应过程经济性的两个基本技术指标反应速率是反应系统中某一物质在单位时间单位反应区内的反应量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转化程度通常采用反应转化率表示反应转化率的定义为反应物中某一组份转化掉的摩尔数与其初始摩尔数的比值反应转化率常用表示x 例如对某反应组份A 它的初始摩尔数为n A0反应结束后的摩尔数为n A 则反应组份A 的转化率为A x 00A AA A n n n x −=(1-1)反应速率的大小对于确定处理能力的生产过程实际上决定了反应器的大小或催化剂量的多少因而也是反应设备费用多少的标志对于复杂反应过程同一反应原料可以生成几种不同的产物即需要的目的产物和无用的副产物此时不同产物之间的分配比例对该反应过程的经济效益是一个非常重要的指标产物之间的这种分配比例可以用反应选择率β表示反应选择率的定义为已经转化掉的反应物摩尔数中转化为目的产物的摩尔分率以平行反应为例s S副反应p P主反应aA如果上述反应过程中反应物A 生成的目的产物为P 它们的化学计量系数分别为a 和p则此时的反应选择率可以表示为ann p n n A A p p /)(/)(00−−β(1-2)式中和分别表示反应开始和结束时目的产物P 的摩尔数0p n p n对于大多数的化学工业而言原料费用在生产成本中占有极大的比重随着生产过程技术水平的日益提高使得除原料费用外的各项支出不断降低因而原料费用的比例愈来愈大原料费用在生产成本中比例大小已成为现代工业生产过程先进性的标志之一既然它在生产成本中占有极大比重那么由副反应消耗掉一定数量的原料就会严重影响生产成本此外如果反应转化速率很低则一方面要求使用很大的反应设备来达到一定的生产能力从而增加了设备投资另一方面未转化部分的原料增多使成本相应增加或是使分离回收这部分未转化原料的设备能耗等费用大幅度上升为了说明以上各项技术指标的经济含义和它们彼此之间在经济指标中的相对重要性下面以工业上乙苯脱氢制取苯乙烯的反应过程为例作一具体分析[2]乙苯脱氢反应过程中主反应和主要副反应是C 6H 5C 2H 3H 2C 6H 5C 2HC 6H 5C 2H 5 C 6H 6C 2H 4C 6H 5C 2H 5C 6H 5CH 3CH 4乙苯脱氢反应过程的生产流程示于图1-1现行的生产成本分析见表1-1从表1-1中可以明显看出原料乙苯的费用在生产成本中占有很大的比重为总成本的85.4%这种趋势是现代工业生产发展的必然结果随着科学技术的不断发展生产过程图1-1 乙苯脱氢制取苯乙烯生产流程示意图 表1-1 乙苯脱氢制苯乙烯生产成本分析[2]序 号 项目占总成本百分比 (%)1 原料乙苯中转化成苯乙烯部分 73.72 原料乙苯中消耗于副反应部分 6.63 原料乙苯中消耗于非反应部分 5.14 能量消耗 4.25 催化剂 0.56 精馏分离回收 2.27 其它7.7注以上分析系按加工1吨乙苯为基准技术水平的日益提高使其余各项费用和支出不断降低原料费用的比例相对愈来愈大生产成本中原料费用比例大小已成为现代工业生产过程先进性的重要标志表1-1中第(1)项是转化为目的产物——苯乙烯的原料乙苯消耗量这一部分的乙苯消耗是由化学反应计量关系所决定的必不可少的原料消耗表中其余部分则是能够随着生产过程技术水平提高和操作条件等因素改善而变化的可变成本表1-2列出了苯乙烯生产成本中各可变部分相对比重大小以资比较表1-2 乙苯脱氢制苯乙烯可变部分成本分析序 号 项目占可变部分百分比 (%)1 消耗于副反应部分的乙苯 25.32 消耗于非反应部分的乙苯 19.53 能量消耗 15.84 催化剂 2.15 精馏分离回收 8.26 其它29.1注按加工1吨乙苯为基准从表1-2中可以看到由副反应消耗的原料乙苯占有最大的比重约占可变部分的四分之一既然原料消耗在生产成本中占有极大的比重那么副反应消耗的原料当然也会严重影响生产的成本如上所述副反应乙苯的消耗量完全由反应过程的选择率决定因此反应过程中有副反应存在时反应选择率往往是工业反应过程优化中的首要技术指标表1-2中第(2)项是分离过程中乙苯消耗与第(3)项反应过程和分离过程中的能量消耗在可变成本中也占有相当的份量它们的消耗量自然与生产过程采用的分离技术和反应工艺条件蒸汽与乙苯比等有关上述二项消耗指标都直接与反应的转化程度有关反应转化率愈低产物中未反应的原料乙苯含量就愈高乙苯的分离负荷就愈大分离过程中乙苯的损失量也增大此外在相同的蒸汽与乙苯比下操作转化率愈低单位产品消耗的蒸汽量就愈大它的能耗也相应提高由此可见反应转化率也是影响反应过程经济指标的重要因素另外表1-2中列出的催化剂费用仅占可变成本的2%左右催化剂费用的多少不仅表示所用的催化剂量多少也表示装填催化剂所需反应器体积的大小因而也是反应设备投资多少的标志从上表的结果说明在一般的反应过程中催化剂和反应器设备费用占有极少的份额当然在高压反应或腐蚀性极强的反应过程中对反应器的制造和材质有较高的要求它们的费用也会相应提高此外如果催化剂主要成分由贵金属组成则它的成本也将明显提高从乙苯脱氢制取苯乙烯反应过程实例可以明显看出反应速率反应选择率这些技术指标的经济含义和它们之间的相对重要性一般而言当反应过程中伴有副反应发生时反应选择率往往是最重要的技术指标上述乙苯脱氢反应过程采用的是把未反应的原料乙苯经过分离回收后循环使用的工艺流程在某些生产过程中或是由于转化率很高不必加以回收或是因为分离困难无法回收原料这种不经过分离回收的工艺流程它的经济指标和技术指标间的关系与上述流程不同例如工业反应过程中邻二甲苯氧化制邻苯二甲酸酐苯酐的生产是一种典型的不经分离回收的工艺其生产流程如图1-2所示图1-2 邻二甲苯氧化制苯酐生产流程示意图在苯酐生产过程中原料气中邻二甲苯的含量受各种因素的限制需维持在1%摩尔比左右反应转化率在99%以上经反应后分离出产物苯酐尾气中含有极少量的原料邻二甲苯和气体产物碳的氧化物等此时原料就不加以回收尾气经燃烧室转化为二氧化碳后排放在这一流程中原料消耗除了主反应和副反应之外还包括反应过程中尚未转化的那一部分因此在这种工艺流程中原料的消耗除了与反应选择率有关外还取决于反应的转化程度对于这种情况在工业生产上往往把选择率和转化率这两个技术指标合并为一个反应收率其定义为得到的产物份数与投入反应系统的原料份数的比值它们可以用摩尔数或重量数来表示分别称为摩尔收率或重量收率如以摩尔收率表示则产物P 的收率ϕ为an p n n A p p //)(00−ϕ(1-3)从以上反应转化率反应选择率和收率的定义很容易得到它们之间的关系为A x βϕ(1-4)对于像乙苯脱氢的回收循环流程反应物每经过一次反应器就有一定的转化率和选择率由式(1-4)即可计算得到通过反应器后的收率这个收率称为单程收率因为未反应的原料经过分离回收后都要重新加入反应器进行反应因而就反应器和分离设备作为一个系统而言如果不计原料在分离过程中的损耗则它的反应总转化率为百分之百此时的收率称为总收率记作Φ显然这时有βΦ(1-5)产品的原料消耗若以每份产品所需的反应原料份数来表示就称为原料单耗它也可以用摩尔分率或重量分率来表示单耗与收率互成倒数关系例1-1 工业生产以C 6H 6苯在V 2O 5作活性组份的催化剂上进行催化氧化制C 4H 2O 3顺丁烯二酸酐为进行开发研究在单管固定床反应器中进行试验每小时进空气量为L2000S.T.P.进C6H 6量为79h/ml 反应器出口气体中C 6H 6含量为)V /V (4103−×CO 和CO 2含量为0)V /V (.015C 4H 2O 3含量为)V /V (.01090其余为空气求进料混合气中C 6H 6的浓度以摩尔分率表示C 6H 6的转化率C 4H 2O 3的收率和平均选择率解C 6H 6在混合气体中浓度C A0)V /V (./..C A 301098920004227888079−×=××=式中0.88——C 6H 6的密度78——C 6H 6的分子量C 6H 6在反应器出口气体中浓度为3)V /V (410−×所以C 6H 6转化率可用下式求得A x9770109891031098934300...C C C x A A A A =××−×=−=−−− 空气中C 4H 2O 3量为0.0109因生成1的C mol 4H 2O 3应消耗mol 32的C 6H 6所以反应混合气中的C 4H 2O 3含量为0.0109时相当于消耗的苯量为31025873201090−×=×.. C 4H 2O 3的平均选择率为7497010310989102587433...=×−××=β−−− C 4H 2O 3的收率为72701098910258733...=××=Φ−− 另外根据题意C 6H 6转化率还可由混合气中CO 和CO 2含量所消耗的C 6H 6及C 4H 2O 3所消耗的C 6H 6量求得3105260150−×=.. 9770109891052102587333....x A =××+×=−−− 由计算结果表明该实验过程分析数据中物料的碳损失率为10.9770.0231.1.4 决策变量工业反应过程优化的决策变量主要有三个这就是(1)结构变量 (2) 操作方式 (3) 工艺条件结构变量就是反应器型式和结构尺寸选择和设计反应器是工业反应过程开发的主要环节要做到反应器的最优设计和操作在进行优化计算前首先需要对各种类型反应器进行该反应过程的优化研究比较并确定最优的型式和方案选择并确定工业反应器的型式和方案一方面要掌握工业反应过程的基本特征及其反应要求充分应用反应工程的理论作为选择的依据对该过程作出合理的反应器类型选择另一方面同样重要的是要熟悉和掌握各种反应器的类型及其基本特征如它的基本流型反应器内的混合状态传热和传质的特征等基本传递特性工业生产上使用的反应器型式多种多样分类方法也有多种可以按反应器的形状分也可以按操作方式分类可以按反应器传热方式分也可按其反应物相态分类最常用的是按相态进行分类工业生产上应用最广泛的几种反应器型式列于表1-3和图1-3中以供选择参考表1-3 常用工业反应器类型相 态 反应器型式 工业生产实例气相 管式反应器石脑油裂解一氧化氮氧化均 相 单相 液相 管式釜式塔式反应器 酯化反应甲苯硝化 固定床反应器 合成氨苯氧化乙苯脱氢 流化床反应器 石油催化裂化丙烯氨氧化 气固移动床反应器 二甲苯异构矿石焙烧鼓泡塔 乙醛氧化制醋酸羰基合成甲醇气液 鼓泡搅拌釜 苯的氯化 二相液固 塔式釜式反应器树脂法三聚甲醛涓流床反应器 炔醛法制丁炔二醇石油加氢脱硫 非 均 相三相气液固 淤浆床反应器石油加氢乙烯溶剂聚合 丁炔二醇加氢均相管式反应器是工业生产中常用的反应器型式之一它大多采用长径比很大的园形空管构成因而得名管式反应器它多数用于连续气相反应场合亦能用于液相反应均相管式反应器中的物料在轴向的混合很小其流型趋近于平推流它的管径一般都不太大加之径向的充分混合所以其物料的加热或冷却较为方便温度易于控制特别是便于要求分段控制温度的场合石脑油热裂解高压聚乙烯等是应用管式反应器的典型例子釜式搅拌反应器是另一类应用广泛的反应器其形状特征是高径比要比管式反应器小得多因而成釜状或锅状釜内装有一定型式的搅拌桨叶以使釜内物料混合均匀釜式搅拌器可采用间歇或连续二种操作方式它大多用于液相反应场合间歇操作的釜式搅拌反应器设备简单操作方便特别是清洗和更换物系很方便因而特别适用于小批量多品种的生产场合如染料药物合成试剂的制备等连续操作的釜式搅拌反应器因釜内物料强烈返混造成停留时间分布通常使反应速率下降但它便于生产过程的自动控制不像间歇操作那样有加料出料清洗和升温等多步操作因而更适用于大规模的生产要求能大大减轻劳动强度稳定产品质量多数酯化反应聚合反应采用连续搅拌釜式反应器图1-3 常用工业反应器型式固定床反应器是用来进行气固催化反应的典型设备常用的固定床反应器下部设有多孔板板上放置固体催化剂颗粒气体自反应器顶部通入流经催化剂床层后自反应器底部引出催化剂颗粒保持静止状态故称固定床反应器固定床反应器有多种不同的型式当用于反应热效应较小的场合时反应传热问题易于解决其反应器的直径较大设备为简单的筒体式当反应有很强的热效应时传热成为反应器设计的关键这时反应器直径不能太大往往采用成百上千根细管径如1英寸管的管子并联这种形式的设备称为列管式固定床反应器固定床反应器按操作及床层温度分布的不同可分为绝热式等温式和非绝热非等温三种类型按换热方式的不同又可分为换热式和自热式两种不同操作方式还可按流体在床层内流动方向不同而分为轴向床和径向床固定床反应器在石油化工和化学工业中有着极为广泛的应用如用于乙苯脱氢制苯乙烯的绝热反应器苯氧化制顺酐的列管式固定床反应器合成氨的自热式反应器甲醇氧化的薄床层反应器等都是一些典型的固定床反应器流化床也是一种实现气固催化反应的重要反应器型式它的主体是一个园筒底部有一多孔或其它型式的分布板以使气体均匀分布于床层气流速度要大到足以使颗粒催化剂呈悬浮状态此时床层犹如沸腾一般故也称沸腾床工业生产中很多石油化工和基本有机化工过程采用流化床反应器它的最大特点是由于床内气固两相呈强烈湍动状态增强了传质和传热使床层内温度达到均匀因而特别适合一些强放热反应或对温度很敏感的过程如催化裂化丙烯腈生产过程都采用流化床反应器气液相反应器是用来进行气液反应的另一大类反应器由于气液反应的复杂性对不同的反应条件和传质传热返混等的不同要求形成多种气液反应器的类型和结构型式工业气液反应器按外形可分为塔式釜式和管式等按其气液两相的接触形态可分为鼓泡塔填料塔鼓泡搅拌釜和喷雾塔等多数有机物的氧化氯化都采用气液反应器气液两相在固体催化剂作用下发生的反应属于气液固三相反应过程当二股流体以并流或逆流方式通过催化剂颗粒的固定床层时称它为涓流床反应器它实际上是固定床反应器的一种特殊型式在一些气液系统中的固体催化剂以颗粒状或细粉状悬浮于液相中这类反应器称为淤浆反应器反应器的操作方式按其操作连续性可以分为间歇操作连续操作和半连续操作三种操作状态按它的加料方式可以有一次加料分批加料和分段加料等不同方式对大多数的制药染料和聚合反应过程工业生产上广泛采用间歇操作方式间歇操作应用于生产量少产品品种多变的过程可以充分发挥它的简便灵活的特点但间歇操作时每批生产之间需要加料出料清洗和升温等辅助生产时间劳动强度也较大每批产品的质量不易稳定相反多数大规模的生产过程都采用连续操作工业生产上还有一类介于以上两者之间的操作状态即半连续操作它通常是把一种反应物一次投入反应器内而另一种反应物连续通过反应器以适应某些反应过程的特殊需要例如苯的氯化是以氯气连续通过一次投入的苯中进行反应选择不同加料方式的目的主要是为了控制反应过程的浓度和温度以利于反应的进行分批加料用于间歇过程分段加料则用于连续过程反应过程的工艺条件主要是指温度浓度反应时间操作线速度和催化剂颗粒大小等因素对于温度要选择合理的进料温度冷却介质温度和反应温度对于浓度相应地要确定适当的进料浓度各反应物浓度的比例出口的残余浓度水平等对于一个工业反应过程而言设计者的任务是要选择适宜的反应器型式结构操作方式和工艺条件在满足各项约束条件的前提下确定合理的反应转化率选择率和相应的反应器尺寸使工业生产过程的生产成本达到最低值而一个反应工程研究者的任务则是提供上述三类决策变量与最优技术指标之间的关系以使优化设计的任务得以圆满完成1.2 化学反应工程的研究内容。
反应工程总结
第一章 绪论 1、化学反应工程是化学工程学科的一个分支，通常简称为反应工程。
其内容可概括为两个方面，即反应动力学和反应器设计与分析。
2、传递现象包括动量、热量和质量传递，再加上化学反应，这就是通常所说的三传一反。
3、反应组分的反应量与其化学计量系数之比的值为定值，ξ叫做反应进度且恒为正值。
、本书规定反应物的化学计量系数一律取负值，而反应产物则取正值。
8、工业反应器有三种操作方式： ① 间歇操作；② 连续操作；③ 半间歇(或半连续)操作 9、反应器设计的基本内容一般包括：1）选择合适的反应型式 ；2）确定最佳操作条件 ；3）根据操作负荷和规定的转化程度，确定反应器的体积和尺寸 。
10.反应器按结构原理的特点可分的类型： 管式，釜式 ，塔式，固定床，流化床，移动床，滴流床反应器。
第二章 3、温度对反应速率的影响 如果反应速率方程可以表示为：r=f1 (T)f2(c )，f1(T)是温度的影响。
当温度一定时，其值一定。
通常用阿累尼乌斯方程（Arrhenius ‘ law ）表示反应速度常数与温度的关系， 即， 为指前因子，其因次与k 相同；E 为反应的活化能；R 为气体常数。
两边取对数，则有 ： lnk=lnA0－E/RT ，lnk 对 1/T 作图，可得－直线，直线的斜率=－E/RT 。
注意：不是在所有的温度范围内上面均为直线关系，不能外推。
其原因包括：(1)速率方程不合适； (2)反应过程中反应机理发生变化；(3)传质的影响；(4)指前因子A0与温度有关。
速率极大点处有： 对应于极大点的温度叫做最佳温度Top 。
速率为零点处有: rA=0 6、多相催化与吸附 1）、催化剂的用途：①加快反应速度②定向作用(提高选择性)－化学吸附作用结果 2）、催化剂的组成：主催化剂－金属或金属氧化物，用于提供反应所需的活性中心。
助催化剂－提高活性，选择性和稳定性。
助催化剂可以是 ①结构性的；② 调变性的。
载体－用于 ① 增大接触表面积；②改善物理性能。
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
第一二章 化学反应工程基础
结构型式
适用的相态
应用举例
反应釜（包括 液相、气-液相、液-液 苯的硝化、氯乙烯聚合、高压聚乙烯、
多釜串联）
相、液-固相
顺丁橡胶聚合等
管式 鼓泡塔
气相、液相
石油裂解、甲基丁炔醇合成、高压聚乙 烯等
气-液相、气-液-固（催 硫酸的生产、苯的烷基化、二甲苯氧化、
化剂）相
乙烯基乙炔合成等
固定床
气-固（催化或非催化） 二氧化硫氧化、氨合成、乙炔法制氯乙
• 由于反应过程中反应物料的浓度随时间不断 变化，所以间歇反应是不稳定过程。这类反 应器通常是使用釜式反应器。
• 间歇反应器能用一釜进行多品种的生产， 操作灵活性与弹性大，投资小，适用于小 规模多品种的生产过程。
• 但间歇反应器操作需要较多的辅助时间(投、 出料，清洗、升温等)，所以设备的利用率 低，产品质量不易均匀，特别在聚合物生 产时会使聚合产物的聚合度及其分布发生 变化，影响产品的性能。
第二章 化学反应工程基础
第一节 化学反应和反应器分类
第一节 化学反应和反应器分类
一、化学反应的分类 二、反应器的分类 三、连续反应器内流体流动的两种理想型态
一、 化学反应的分类
• 按化学反应的特性分类 • 按反应物料的相态分类 • 按反应过程进行的条件分类
（1）按化学反应的特性分类
反应机理
简单反应、复 杂反应
3. 一级可逆反应
三 复合反应动力学方程式
• 复合反应是有几个反应同时进行，要用几 个动力学方程式来描述。
• 常见的复合反应有平行反应、连串反应、 平行连串反应。
1. 平行反应
2. 连串反应
由上图可以看出，A的浓度呈指数下降，S的浓度随反应 时间呈连续上升形状，而R的浓度随时间上升到一个最大 值后再下降。将式2-32对t微分，就可以求出tmax
化学反应工程 绪论介绍
条件下研究化学反应进行的机理和反应物系组成、 温度、压力等参数，不包括传递过程及反应器结 构等参数对反应速率的影响。 区别：在于是否考虑反应器结构和操作条件。
19
高 低 并 列 的 提 升 管 装 置
20
11
第三阶段：现代化学工业（二战前后）
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。尤其是在 生产规模日益大型化趋势的影响下，促使化学工 程学科形成了一次理论综合：即从动量传递、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变化过程。从而使化学工程 学科上升为一门具有完整理论体系的全面学科。
7
绪论
一、化学反应工程的学科历史 二、化学反应工程的研究对象及内容 三、化学反应工程的研究方法 四、化学反应工程的学习目的 五、化学反应工程与其他学科的关系
8
一、化学反应工程的学科历史
第一阶段：古代的化学生产（17世纪以前） 这一时期经历了实用化学、炼丹和炼金、医
药化学和冶金化学等时期。早期化学知识来源于 人类的生产和生活实践。同时在人类对自然界万 物的本原构成的探索中，诞生了古代朴素的元素 观。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；另一方面，尚未 形成有规模的化学加工实践。
学习本门课程，学生应牢固地掌握化 学反应工程中最基本的原理和计算方法， 运用科学思维方法，增强提出问题、分析 问题和解决问题的能力。课程教学将突出 阐述反应工程理论思维方法，重点讨论气 固相催化反应本征动力学、宏观动力学及 反应器中的混合及对反应的影响，并以开 发实例进行分析，培养学生应用反应工程 方法论解决实际问题的能力。
化学反应工程第一章
4 反应器的类型
釜式反应器
管式反应器
固定床反应器
流化床反应器
Agitating tank reactor
气液相反应器
Plug flow reactor
Packed bed reactor
Packed bed reactor
Packed bed reactor
Fluidized bed reactor
反应前后物料组成
组分 反应前 % 反应后 % 组分 反应前 % 反应后 %
正丁烷
正丁烯 丁二烯 异丁烷 异丁烯
0.63
7.05 0.06 0.50 0.13
0.61
1.70 4.45 0.48 0
氧气
氮气 水蒸气
7.17
27.0 57.44 -
0.64
26.10 62.07 1.20 1.80
CO2
ISCRE 1
ISCRE 2 ISCRE 3 ISCRE 4 ISCRE 5
Washington
Amsterdam Evanston Heidelberg Houston
USA
Netherlands USA Germany USA
1970
1972 1974 1976 1978
ACS/AIChE
EFChE ACS/AIChE EFChE ACS/AIChE
各因素（T, P, c）的变化规律 最佳工况
化学反应速率：r=f(T,P,C…)
1.2.2 反应工程的研究方法
科学研究的两种主要方法： 1.经验归纳法
2.数学模型法(演绎法)
林语堂在“论东西思想法之不同”:总而
言之，中国重实践，西方重推理。中国重近
情，西人重逻辑。中国哲学重立身安命，西 人重客观的了解与剖析。西人重分析，中国 重直感。西洋人重求知，求客观的真理。中 国人重求道，求可行之道。这些都是基于思
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：
化学反应工程第一章
二 任务(Problems to be solved,
contents to be studied.) a. 改进和强化现有的反应; (Improvement) b. 开发新的反应技术和设备； c. 反应器的放大； (Design)
(Enlargement)
d. 选择最佳操作条件,实现最佳控制； (Optimum) e. 发展和完善反应工程理论。 (Development) 反应工程学： 研究工业规模下进行化学反应的规 律或工程反应器原理的一门学科。
时间分布 R T D
非均相+工业放大因素,使问题更复杂
三个分布（C，T，t）主要与反应器结构有关， 还与流动条件有关。
工业反应的影响因素：
T，C，t，类型（相态），传质，传热， 停留时间分布，反应器结构，操作条件等。
§ 1-3 研究方法——数学模型法 （Model Method）
1. 因次分析与相似论（只适用物理过程 eg:传质与传热）, 2. 经验放大 (速度较慢，周期较长) 实验室 —— 模拟实验 —— 小生产 —— 大生产 —— 工业化 3.实验技术 测试技术与计算机的发展给数学模型法提
非 均 相
Heterogeneou s
2.基元反应与非基元反应 基元反应（elementary reactions）： 反应速率式与化学式对应的反应
A B
dCA rA kC A dt
对于基元反应：反应级数=分子数 （整数）
K
非基元反应（non-elementary reactions）： 反应速率式与化学式并无 相对应关系的反应
化学反应工程学
Chemical Reaction Engineering 化学工艺教研室 主讲教师：王承学
化学反应工程陈甘棠第一章
银催化剂
CH2 CH2 CHCH
加氢 CH2 CH2 氧化
（微量） CH CH H2 H2CC2H H2
CHCH
O
H2C CH2
C H C H H 2O
O
用于能源过程
400c
Ca2C C l H 3OH 1400c
氯化钙·甲醇络合物
H
CH3-OH
低压
C a C l2·2 H3C -O H 1500C
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
2019/11/4
间壁换热式 自热式 冷激式
相变式
2019/11/4
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）
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
2019/11/4
•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
反应产物的分离与提纯
单元操作（三传）
2019/11/4
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
反应工程
第一章 绪论 本章内容: 1.1化学反应工程概念 1.2化学反应的转化率、收率和选择性 1.3化学反应器的类型 1.4化学反应器的操作方式 1.5反应器设计的基本方程 1.6工业反应器的放大
1.1化学反应工程 1.1.1典型化工过程
✓化学反应速率 ➢化学反应速率是指单位时间内单位反应 混合物体积中反应物的反应量或产物的 生成量（物质的量）。
2.1化学反应的速率
➢消耗速率：反应系统中，某一反应组分（i）在 单位时间、单位反应体积内，因反应所消耗的物
质的量。消耗速率ri为正值。
恒容过程
ri
1 V
dni dt
ri
dci dt
2.1化学反应的速率
等温恒容反应系统
➢工业生产中，液相反应一般按恒容过程处理，无 论反应是否引起总摩尔数的改变，都不会带来很 大的误差。
➢对于气相反应，反应前后体系物质的总摩尔数可 能变化，进而影响到反应体积的变化，此为变容 过程，最终对反应过程造成较大影响。
➢分子数发生变化的气相反应在间歇反应器中，由 于容积恒定，仍按恒容过程处理。
1.5.2反应器设计的基本方程
输入=输出+消耗+累积
➢ 能量衡算式 输入的热量=输出的热量+反应热+累积的热量
反应热吸热取正值，放热取负值。
➢物料衡算式
对反应组分有：输入量=输出量+转化量+累积量 对产物组分有：输入量=输出量-生成量+累积量
(反应组分A的输入速率)=(A的输出速率)+(A的转 化速率)+(A的累积速率)
nt0
j)V0(1n1t0iN 1jM 1vij
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
反应工程(第一章绪论)
第一章 绪论
1.3 化学反应器的类型
管式反应器
长度远较管径大，内部中空，不设置任何构件， 多用于均相反应
釜式反应器
又称反应釜或搅拌反应器，其高度一般与直径相 等或者稍高，约为直径为2～3倍。釜内设有搅拌 装置或者挡板、换热器等构件。应用于均相（液 相）反应、气液反应、液液反应、液固反应及气 液固反应。许多酯化反应、硝化反应、磺化反应 以及氯化反应，用的都是此类反应器。
《反应工程》第二版，李绍芬主编，化学工业出版社
第一章：绪论
2011-2-21
引例：
化 学
① 原料预处理
加
工
② 化学反应
三
步 骤
③ 分离与提纯
科化 的学
研反
究应
对工
象程
学
精馏反应塔
第一章 绪论
化学反应工程是化学工程学科的一个分支，通常简称为反应工程，包括以下两个 方面的内容。
1 反应动力学
2 反应器设计与分析
反应进度（ ξ ）的定义：任何反应组分的反应量与其化学计量系数的之比恒为定
值，推广到任何反应，并表示为：
需要注意的是：ξ取值永远为正。 1.2.2 转化率
转化率：是某一反应物转化的百分率或分率，定义为：
？
5
第一章 绪论
针对反应物而言，选择不过量的反应物计算转化率（关键组分），同一状 态，无论按那一种反应物计算转化率，其数值都相同。关键组分转化率的 高低直接影响反应过程的经济效益。 计算转化率起始状态选择问题：连续反应器，以反应器进口原料的状态作 为起始状态；而间歇反应器则以反应开始时的状态为起始状态。当数个反 应器串联时，往往以进入第一个反应器的原料组成作为起始状态。
转化率、收率和选择性三者的关系：
国开化学反应工程辅导资料
一、 绪论 1． 研究对象是工业反应过程或工业反应器 研究目的是实现工业反应过程的优化2． 决策变量：反应器结构、操作方式、工艺条件 3． 优化指标——技术指标：反应速率、选择性、能耗 掌握转化率、收率与选择性的概念、计算 4．工程思维方法，分析方法二、化学反应动力学1. 反应类型：简单反应、自催化、可逆、平行、串联反应基本特征、分析判断2. 化学反应速率的工程表示))((反应区反应时间反应量反应速率＝3. 工业反应动力学规律可表示为：)()(T f C f r T i C i ⋅=a) 浓度效应——n 工程意义是：反应速率对浓度变化的敏感程度。
b) 温度效应——E 工程意义是：反应速率对温度变化的敏感程度。
已知两个温度下的反应速率常数k ，可以按下式计算活化能E ：E ——cal/mol ，j/molT ——KR = 1.987cal/mol.K = 8.314 j/mol.K工程问题三、PFR 与CSTR 基本方程（物料衡算方法）1. 理想间歇：⎰⎰-=--==Af A Af A x x A AA c c A A R r dx c r dc v V t 00)()(00 2. 理想PFR ： ⎰⎰-=--==Af A Af A x x A A A c c A A R p r dx c r dc v V 00)()(00τ 3. CSTR ： )()(00A AA A A A R p r x c r c c v V -=--==τ 4. 图解法四、简单反应的计算n=1,0,2级反应特征 0(1)A A A c c x =-浓度、转化率、反应时间关系式 PFR →CSTR ，CSTR →PFR基本关系式 PFR （间歇） CSTR （物料衡算）00()Af A c R A pc A V dc v r τ==--⎰ 0()A AR m A c c V v r τ-==- n=00A A p c x k τ= 0A A p c x k τ=n=1 1ln 1p A k x τ=-0A Am A c c kc τ-=n=2 011p A A k c c τ=-02AA Am c c kc τ-=0 x Af x Aτ/c A0 τ五、可逆反应AP)()(02121A A A P A A C C k C k C k C k r --=-=-积分式：浓度效应：与简单反应相同 温度效应：多段绝热，段间冷却；多段绝热，段间冷激。
化学反应工程绪论
1.4、化学反应器的操作方式
操作 方式
描 述
特 点
间歇 操作
反应原料一次装 入反应器，反应 过程中无进料和 出料
连续 操作
反应过程中反 应原料和产物 分别连续加入 和输出反应器
物系组成随时 间而变 多数情况下可 视为恒容 操作灵活，适 于小规模生产
2. 转化率（X）
定义：某一反应物转化的百分率或分率。 表示一个反应进行的程度。
某一反应物的转化量 X 该反应物的起始量
X ni0 ni ni0
i n i0
ห้องสมุดไป่ตู้
单程转 Q 0
化率与 全程转
1
cA0
2
化率
AABB RR
Reactor
Qr Q0
例题1.1合成聚氯乙烯所用的单体氯乙烯， 多由乙炔和氯化氢以氯化汞为催化剂合成 得到，反应式如下
物系组成不随时 间但随位置而变 适于大规模、机 械自动化操作 产品质量好，劳 动强度小
半间歇 操作 间歇与 连续操 作之外
兼具间 歇和连 续操作 的某些 特点
1.5、反应器设计的基本方程
●反应器设计的基本内容
1. 反应器型式选择 2. 反应器最佳操作条件确
定 3. 反应体积（尺寸）计算
建立反应参数如转化率、 收率、选择性和生产能 力等与反应器尺寸、操 作方式、反应时间等之 间的关系。
确定等
反应动力学
反应器设计与分析
本征动力学
理想条件下研究化学反应 进行的机理与反应物系组 成、温度、压力等参数对 反应速率的影响。主要决 定于化学反应本身
化学反应工程绪论
.
24
化学反应工程简介
1. 典型的化学加工过程
无论是化学工业还是冶金、石油炼制和能源加工等工业过 程，采用化学方法将原料加工成为有用的产品时，生产过 程一般包括如下三个组成部分：
第①和③两部分属于单元操作的研究范围；而②部分 是化学反应工程的研究对象，是生产过程的核心。
例如：催化裂化是一个石油炼厂的核心
.
8
第五章 非理想流动 （10 学时）
反应器中的混合及对反应的影响
5.1 连续反应器中物料混合状态分布 5.2 停留时间分布的测量及其性质 5.3 非理想流动的流动模型 5.4 混合程度及其对反应结果的影响 5.5 非理想流动反应器的计算
.
9
成绩评定
平时成绩 ：30%:作业,出勤等 期末考试：70%
化学反应工程 (Chemical Reaction Engineering)
.
1
预备知识
高等数学：微积分，代数方程及微分方程的 求解
物理化学：动力学，热力学 化工原理：流体流动，传递过程
.
2
《化学反应工
化学工业生产过程包括物理变化和化学反应的过程。
荷兰van Krevelen提出“化学反应工程”的概 念，意在系统深入地研究伴有物理过程即传递 现象的化学反应过程。
.
19
从成书来看，1937年G．Dankohler（丹克 莱尔）在Der Chemie Ingeniem的第三卷中就 写了扩散、流动与传热对化学反应收率影 响的专章，堪称是这方面的先驱。
.
34
化学反应工程学的内容
化工动力学：主要研究在工业条件下，化 学反应进行的机理和速率—“三传一反”
反应器的设计与分析：研究不同反应器内 传递过程，温度、浓度等因素对化学反应 动力学的影响规律，找出最优工况和最好 的反应器→获得最大的经济效益。
化学反应工程陈甘棠第一章
反应用于净化原料
银催化剂
CH2 CH2 CHCH
加氢 CH2 CH2 氧化
（微量） CH CH H2 H2CC2H H2
CHCH
O
H2C CH2
C H C H H 2O
O
用于能源过程
400c
Ca2C C l H 3OH 1400c
氯化钙·甲醇络合物
H
550-6500c
4 Fe2O4 8 H B r 3Fe2B 4H r2O B r 2
200-3000c
2019/10/19
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
2019/10/19
——对×××××××××的综述
2019/10/19
高 低 并 列 的 提 升 管 装 置
2019/10/19
FCC
FCC
南 充 炼 厂
装 置
2019/10/19
Cold flow model of Kellogg dense phase catalyst cooler
Grassroots FCC unit under construction in Mexico
反应产物的分离与提纯
单元操作（三传）
2019/10/19
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 绪论
Chemical Reaction Engineering
2. 化学反应工程研究内容与任务
•流体流动 •质量传递 对反应过程的影响 •热量传递
工程因素
Chemical Reaction Engineering
工程因素
反应场所
C、T
反应结果
物理因素
化学因素
Chemical Reaction Engineering
优化类型
设计型 操作型
Chemical Reaction Engineering
反应速率—反应器大小
技
术 指
选择性—原料消耗，成本
标
能耗—操作费用
转化率 x、选择性 、收率
转化率 x
Conversion
Chemical Reaction Engineering
xA
nA0 nA nA0
选择性 (S)
3. 化学反应工程研究方法
•逐级经验放大立足于—经验； 不要求理解过程的本质、机理或内在规律 工作重点是寻优
•数学模型方法—立足于对过程的深刻理解 →分解简化→定性定量描述；
工作重点是充分剖析过程特征， 探索规律，建立模型，确定模型参数
Selectivity
＝(np np0) / p
(nA0 nA) / a
收率 (Y)
Yield
＝(np np0 ) / p
nA0 / a
Chemical Reaction Engineering
结构变量—结构、型式、尺寸
决Байду номын сангаас
策 变
操作方式—连续性、加料方式
量
工艺条件—T、C、t、Sv、ug等
Chemical Reaction Engineering
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绪论
一、化学反应过程的任务及意义
化学反应过程的目的是将实验室中发现的化学反应可靠地移植到工业生产，并且根据局所确定的反应与预期生产能力对反应器的形状、尺寸及操作方式进行设计。
微观动力学（反应速率）
反应分析（如何通过实验测定动力学数据并对之进行数学关联）*研究应用
宏观动力学（传递动力学与化学动力学共同作用）
工业反应器的设计与计算
化学反应工程是一门复杂的涉及面很广泛的学科，它广泛地应用了化工热力学、化学动力学、流体力学、传递动力学、生物学等方面的研究成果，使之不同于其它化学工程领域、近五十年来才发展为一门系统的学科。
二、化学反应器分类
1、均相、非均相；
2、催化、非催化；
3、间歇、连续；
4、等温、绝热，多变（非等温非绝热）
5、简单反应，多重反应。
三、化学发应工程的研究方法
○1数学模型法
利用质量、能量及动量的基本守恒方程式作为基础，结合化学动力学建立袋鼠方程并求解，以实验手段拟合出模型参数（三串一反）。
○2工程放大（1经验放大2相似放大3数学模拟放大）。