《化学反应工程》绪论
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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。
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。
化学反应工程许志美课后习
3-4 间歇反应器，cA0=1mol/L，t=8min后，xA=0.8；
t=18min后，xA=0.9，求该反应的动力学关系？
cAn01kt
1 n 1
(1
x )1n A
1
t (1 x )1n 1
2
A2
t (1 x )1n 1
1
A1
18 8
(1 (1
0.9)1n 0.8)1n
1 1
n=2
x
c kt A
(nA0 nA) / a (10% 1.6) / (2* M HCHO )
xA 0.534 循环操作 0.635
n m w* mtotal MM
第2章 化学反应动力学
2-4 间歇反应器：CA0和xA相同（T1=20℃时，反应时间t1=8d；
T2=120 ℃时，反应时间t2=10min），试估算 Ea
ln k2 E ( 1 1 ) k1 R T1 T 2
T（K）
300
ln 2 Ea ( 1 1 ) R T T 10
Ea 0.5763T (T 10)
400
600
800
1000
Ea（kJ/mol） 53.59 94.51 210.92 373.43 582.05
第3章 理想间歇反应器
3-1 间歇反应器，n=2，t1=5min时，转化率xA=50%;
In
CA0 (CT 0 CA ) CA (CT 0 CA0 )
(CA )opt
CT 0 2
CA0
CP0 2
=
0.65+0.05 = 2
0.35kmol/m3
293K
:0.7k1
2.4=In
0.65(0.7 0.35(0.7
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
化学反应工程知识点1~3讲义
知识点1.绪论一、主要讲解内容介绍化学反应工程相关的基本知识，包括化学反应工程的定义、化学反应工程学科的发展、化学反应工程的任务、化学反应工程和其他学科的关系。
二、学习要求本章要求学生能够掌握化学反应工程的定义，明确化学反应工程的任务。
三、视频（已录制完成）四、讲义1.1化学反应工程的定义在工业规模上开发和应用化学反应的工程活动。
1.2化学反应工程学科的发展自然界的物质的运动或变化过程由物理或化学的两类，物理过程不牵涉化学反应，但化学过程却总是与物理因素有着紧密联系。
所以化学反应过程是物理与化学两类因素综合体。
远溯古代，陶瓷制作、酿酒等工艺，但直到本世纪五十年代一直还未形成一门专门研究的独立学科，到1957年举行的第一次欧洲反应工程会议上确立了这一学科的名称。
1.3 化学反应工程的任务化学反应工程学是一门研究化学反应的工程问题的科学，既以化学反应作为研究对象，又以工程问题为研究对象，把二者结合起来的学科体系。
其主要任务包括：分析化学反应的特点、确定合适的反应条件；选择合适的反应器并对其进行最优化设计；对反应器进行最优操作和控制。
1.4 化学反应工程和其他学科的关系a. 数学，微积分、方程的解析求解和数值求解、极值问题等，均是化学反应工程问题求解的基础。
b. 反应动力学：专门阐明学反应速率与各项物理因素（如温度、压力、催化剂等）之间的定量关系。
为实现某一反应，要选定合易的条件及反应器的结构型式、尺寸和处理能力等，这些都依赖于对反应动力学特性的认识。
c. 化工热力学：确定物系的各种物性常数（热容、研所引资、反应热等），看化学反应是否能进行及其反应程度。
为化学反应工程提供反应热、反应平衡常数等基础数据。
d. 催化作用e. 传递工程和流体力学：装置中有动量、热量、质量传递（三传），当规模放大时，出现放大效应。
“三传一反”是三传和反应动力学。
五、小结本章介绍了化学反应工程的定义、学科的发展、任务极其与数学、化工热力学、催化作用及传递工程等学科之间的密切关系。
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
研究宏观反应过程的动力学称为宏观动力学。 本征（微观）动力学，即化学动力学，是在理想
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。
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。
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高 低 并 列 的 提 升 管 装 置
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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。
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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
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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
第3页 共 8 页
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：
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
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《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
反应工程
化学反应工程 Chemical Reaction Engineering
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
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
反应工程绪论-王富民
Trends in ChemE and Chem. Industry
Diversified application areas Relying on broader and deeper science knowledge
Applications Fundamental Sciences Chemical Engineering Energy Inorganic Industry Petrochemicals Biochemicals Pharmaceuticals Materials Electronics
107
103 ~105 10 ~ 102 10-3 ~10-1 10-6 ~10-4
Earth diameter
House Frog Bacteria
Global Scale
Equipment Scale Particle Scale Colloid Scale Molecular Scale
Golden Gate Bridge System Scale
Competition Job Security
• The ability to find another job
Speed is the key
Sustainability: energy and environmental
Requirement for ChemE Education
化学反应工程
第一章 绪论
天津大学化工学院 反应工程教研组
本章内容
化学反应工程定义 化学反应和反应器的分类 化学工程与化学工程师 反应工程学的历史及发展 反应工程的用途 相关概念 反应器的类型与操作方式 反应器设计的基本方程 化学反应工程的基本研究方法及工业反应器的 设计方法
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。
化学反应工程绪论公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件
第一章 绪论
用化学办法将原料加工成产品,不但是化学工 业并且是其它过程工业如冶金、石油炼制、能源及 轻工等所采用手段。无论哪一个部门。还是哪一个 产品生产，采用化学办法加工时，都包括：
1、原料预处理 2、进行化学反应 3、反应产物分离与提纯
第一、三两步属于单元操作，是化工原理内 容，处于从属地位。
第二步为整个加工过程关键，是化学反应工 程学科研究对象。
化学反应工程学是一门研究涉及化学反应工程 问题学科。
对于已经在试验室中实现化学反应，如何将其 在工业规模实现是化学反应工程学主要任务。 详细讲有下面5方面任务：
1、改进和强化既有反应技术和设备，挖掘 潜力。 2、开发新技术和设备。 3、指导和处理反应过程开发中放大问题。 4、实现反应过程最优化。 5、不断发展反应工程学理论和办法。
第14页
在模型中用到化学动力学方程，主要是面对生产实 际，与生产条件相适应宏观动力学方程，普通通过 在试验室宏观动力学试验取得，并结合生产条件加 以修正。涉及传递参数要通过大型冷漠试验取得。 衡算基准要取性质相同部分或微元容积。在衡算单 元内： 输入量=输出量+消耗量+累积量
第15页
数学模型放大办法普通环节
第6页
工业反应器中对反应结果产生影响主要物理过程是： 1）由物料不均匀混合和停留时间不同引发传质过程； 2）由化学反应热效应产生传热过程； 3）多相催化反应中催化剂微孔内扩散与传热过程。这些物理过程与化学过程 同时发生。
第7页
本质上讲，物理过程不会改改变学反应过程动力学规律，即， 反应动力学规律不由于物理过程存在而发生改变。但是流体 流动、传质、传热过程会影响实际反应场合温度和参与反应 各组分浓度在空间上分布，最后影响到反应结果。
用化学办法将原料加工成产品,不但是化学工 业并且是其它过程工业如冶金、石油炼制、能源及 轻工等所采用手段。无论哪一个部门。还是哪一个 产品生产，采用化学办法加工时，都包括：
1、原料预处理 2、进行化学反应 3、反应产物分离与提纯
第一、三两步属于单元操作，是化工原理内 容，处于从属地位。
第二步为整个加工过程关键，是化学反应工 程学科研究对象。
化学反应工程学是一门研究涉及化学反应工程 问题学科。
对于已经在试验室中实现化学反应，如何将其 在工业规模实现是化学反应工程学主要任务。 详细讲有下面5方面任务：
1、改进和强化既有反应技术和设备，挖掘 潜力。 2、开发新技术和设备。 3、指导和处理反应过程开发中放大问题。 4、实现反应过程最优化。 5、不断发展反应工程学理论和办法。
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在模型中用到化学动力学方程，主要是面对生产实 际，与生产条件相适应宏观动力学方程，普通通过 在试验室宏观动力学试验取得，并结合生产条件加 以修正。涉及传递参数要通过大型冷漠试验取得。 衡算基准要取性质相同部分或微元容积。在衡算单 元内： 输入量=输出量+消耗量+累积量
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数学模型放大办法普通环节
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工业反应器中对反应结果产生影响主要物理过程是： 1）由物料不均匀混合和停留时间不同引发传质过程； 2）由化学反应热效应产生传热过程； 3）多相催化反应中催化剂微孔内扩散与传热过程。这些物理过程与化学过程 同时发生。
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本质上讲，物理过程不会改改变学反应过程动力学规律，即， 反应动力学规律不由于物理过程存在而发生改变。但是流体 流动、传质、传热过程会影响实际反应场合温度和参与反应 各组分浓度在空间上分布，最后影响到反应结果。
绪论
化工过程的典型流程
原料 → 分离过程 → 反应过程 → 分 离过程 → 产品 + 副产品
化学反应工程学以反应过程为主要研究 对象，工业反应过程的优化包括反应器 的优化设计和优化操作两方面，优化的 目标可分为经济和技术两个指标，而优 化过程通常应该综合考虑这两应与多相反应
反应类别 气相反应 均相反应 液相反应 气固催化反应 气固反应 气液反应 多相反应 气液固催化反应 液液反应 液固反应 固固反应
应 用 实 例 石脑油的热解反应，氯化氢的合成 中和，酯化，水解 合成氨，苯气相烷基化 煤燃烧，炼铁，煤气化 烟道气脱硫脱硝，烃类的氧化、卤化等 汽、柴油的加氢脱硫，烃类加氢 乳相聚合，磺化反应，硝化反应 离子交换反应 水泥制造，陶瓷制造
在研究方法方面，数学模型方法不断完 善，与之相配合的是，以统计理论和信 息论为基础的实验设计、数据处理、模 型的筛选和鉴别以及模型参数估计等方 法。为了进行过程的模拟及多方案计算， 发展了多种计算机模拟系统，建立了模 型库和数据库，并从定态模拟发展到为 过程控制所需要的动态模拟。
向新领域的渗透
20万吨/年合成氨、52万吨/年二氧化碳汽 提法尿素、20万吨/年甲醇、水煤浆气化、 24万吨/年磷铵、20万吨/年硫酸、15万吨 /年料浆法磷铵，20万吨/年磷石膏制硫酸， 联产30万吨/年水泥、12万吨/年磷酸、60 万吨纯碱、2万吨/年离子膜烧碱、1万吨/ 年PVC树脂、4.5万吨电石
发 展
化学反应工程学的范畴和任务
1化学反应工程发展简述 化学反应工程发展简述 化学反应过程是物理与化学两类因素综 合体，是化学反应生产的关键。 远溯古代，陶瓷制作、酿酒等工艺， 但直到本世纪五十年代一直还未形成一 门专门研究的独立学科，到1957年举行 的第一次欧洲反应工程会议上确立了这 一学科的名称。
化学反应工程绪论
管式反应器（*） 釜式反应器（*） 塔式反应器 固定床反应器（*） 流化床反应器 移动床反应器 滴流床反应器
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
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
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二、化学反应工程与多尺度及多学科的联系
时空多尺度
纳尺度——分子化学键震动 微尺度——流体力学和传递过程 介尺度——反应器等装置 宏尺度——生产单元和工厂 宇尺度——环境
多学科
化学工艺、化学、工程控制、经济学等
化学反应工程的研究范畴
研究化学反应过程在工业实施过程中需解决的问题。涉 及反应器选择、设计；产品质量、产率、消耗控制等。
任务
改进、强化现有反应技术和设备，以达优质、高产、低耗 之目的；
开发新的反应技术和设备； 解决反应过程的开发放大问题； 实现反应过程的最优化； 发展化学反应工程的理论和方法
化学反应工程的内容
化学反应动力学的研究── 化学反应的本质、反应机理、动力学特性；
流动、传递过程的作用── 反应器内的流动、传热、传质对系统物质的浓度 和温度在时间和空间上分布的影响； 反应器设计计算、过程分析及最优化─── 建立数学模型，应用计算机模拟计算。
6.Froment,G.F.and Bischoff,K.B., Chemical Reactor Analysis and Design, John Wiley,1979.
Physical Raw treatment materials steps
Chemical treatment steps Recycle Typical chemical process
Physical treatment steps
Products
化学反应工程的地位和任务
化学反应工程的地位
化工生产的核心，指导完成化工过程工业规模的实现。
（2）能满足应用的要求；
（3）能适应当前实验条件,以便进行模型鉴别和参数估值； （4）能适应现有计算机的运算能力。
四、工程放大与优化
实验室→小规模生产→中试 →工业化生产
工程放大方法 ：相似放大法、经验放大法和数学模，北京：化学工业出版社，2000.01 2.郭锴，化学反应工程，北京：化学工业出版社，2000.07 3.李绍芬，反应工程，北京：化学工业出版社，2000.06 4.Levenspiel,O.,Chemical Reaction Engineering, 2nd,ed.,John Wiley,1972. 5.Smith,J.M., Chemical Engineering Kinetics, 2nd,ed.,MCCraw-Hill,1970
化 学 反 应 工 程
(Chemical Reaction Engineering)
化学工程与工艺教研室
绪
论
一、物质转化过程工业中的化学加工
1、工业行业分类
过程工业：以物质转化为核心，连续操作为主；
装备与产品制造工业：以物件的加工和组装为核心，非连续操作。
2、过程工业中的转化过程 物理过程 化学过程 3、化学过程中的反应类型 均相反应 多相反应 4、化学反应过程特点 三传一反
三、数学模拟方法
用数学模型来模拟反应过程的方法称为数学模拟方法。 数学模型分为：化学动力学模型、流动模型、传递模型、宏 观反应动力学模型。 （本课程中） 工业反应器中宏观反应动力学模型是化学动力学模型、流 动模型及传递模型的综合。 工业过程的宏观模型：去粗取精，合理简化。
简化是数学模拟方法的重要环节。 合理地简化模型要达到以下要求： （1）不失真；
Performance equation relates input to output
Input
Reactor
Output
Contacting pattern
Kinetics
Information needed to predict what a reactor can do
Output=f [input,kinetics, contacting]