1化学反应工程绪论
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➢ 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
2020/7/9
高 低 并 列 的 提 升 管
1979年，我国派代表参加了国际化学反应工程会议（以张有衡 为团长）。
2020/7/9
新的契机：80年代后，随着高技术的发展和应用，如微电子 器件的加工、光导纤维生产、新材料以及生物技术等，向化 学反应工程工作者提出了新的研究课题，使化学反应工程形 成新的分支，如生化反应工程、聚合反应工程等，扩大了化 学反应工程的研究领域，从而使化学反应工程的研究进入了 一个新的阶段。
2020/7/9
1、化学工程发展史及化学反应工程学科的形成
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。第一次综合。
第三阶段：现代化学工业(二战前后)，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。尤其是在生 产规模日益大型化的趋势下，其影响就更大了，促使化学 工程学科形成了第二次理论综合：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。三传一反。
1981年，化学反应工程正式进入我国化工高等教育。
2020/7/9
我国化学工程与技术学科的发展中 里程碑
1935年8月我国化工的先驱吴蕴初先生建成 上海天利氮气厂生产出液氨，吴先生还创 办了天厨味精厂(1923)，天原电化厂(1929) 和天盛陶器厂(1934)，以及范旭东在天津 创办的永利碱厂，这些化工原料的生产推 动了我国化学工业的发展.
化学反应工程 孙萍
675457
Chemical Reaction Engineering
要求：
学时：56+16 必修课 平时成绩30%
作业 出勤 实验 期末成绩70% BB: 化学反应工程 注册码：051052
jilkq88 jilkq01 jlkq123 jilkq0 jilinkq jilkq jilkouq jlkouq0 jlkouq6 kqzl0 gfkqyy 024kqyy gfkouq sykqyy0 gfkqyy0 kqyy66 gfyykq
成有规模的化学加工实践。
2020/7/9
生产硫酸
2020/7/9
1、化学工程发展史及化学反应工程学科的形成
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。
Fritz Haber (1868 - 1934) 生产规模的扩大要求人们对生产 过程的规律有更为透彻的了解， 需要既懂工程又熟悉化学知识。 促使工程与化学相结合
2020/7/9
初步形成：1947年，出版了两本书: O.A.Hougan与K.M. Watson所著的Chemical Process Principles --《化学过程 原理》的第三卷，专门讲述动力学与催化过程,以及法兰克-卡明涅斯基--《化学动力学中的扩散与传热》；
40年代，第二次世界大战，三个重要的过程开发研究工作： 流化床催化裂化--汽油 丁苯橡胶乳液聚合--（汽车）轮胎 曼哈顿计划--原子弹（气体扩散提炼浓缩铀U238）
2020/7/9
化学反应工程
化学反应的工程化，研究化学反应的工程问题
Raw materials
Physical Treatment
steps
Chemical Treatment
steps
Physical Treatment
Products
steps
预处理
Recycle
核心
后处理
典型化工过程 (Typical chemical pocess)
另外，又提出了一些重要的基本概念。如"返混"，"反应器稳定性"，"微 观混合"，"伴有化学反应的传质"等。推动了学科的发展。
1957年，在荷兰首都（阿姆斯特丹）举行了第一次欧洲化学反应工程会 议。荷兰van Krevelen作首篇综合性报告：Micro-and Macro-Kinetics ，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。正式提出了"化学反应工程学"的概念。
2020/7/9
2019年3月3日，全国政协十一届四次会议， 再次提出了我国科技成果转化率不到20%， 而发达国家高达70、80%。
2019-6-19
化学反应工程
与实验室规模反应不同：
工业规模的化学反应较之实验室规模要 复杂得多，在实验室规模上影响不大的 质量和热量传递因素，在工业规模可能 起着主导作用。在工业反应器中既有化 学反应过程，又有物理过程。物理过程 与化学过程相互影响，相互渗透，有可 能导致工业反应器内的反应结果与实验 室规模大相径庭。
反应工程（本征）
反应产物分离与提纯 单元操作（三传）
2020/7/9
动量传递过程－流动因素
A→B
A
rA C A
CA CA0et
ຫໍສະໝຸດ Baidu
C A0
CA
2020/7/9
热量传递过程－传热因素
A→B
A
rA kCA
E
k k0e RT
C A0
CA
2020/7/9
质量传递过程－传质因素
2020/7/9
质量传递过程－传质因素
2020/7/9
常压、低温合成氨 反应速率太慢而实际不可行 加入催化剂可以使其在适当的温度压力下 以显著速率进行反应
甲烷裂解制乙炔 1500℃乙炔极不稳定，似乎只能得到碳、氢 在极短时间内（0.001s）反应并淬冷到低温 就可以得到乙炔
2020/7/9
化学反应工程
均相反应
反 应 器 类 型
非均相反应
反
操
应 器 体 积
作 条 件
物料衡算 热热量量横衡算方算程 动动量量横横算方算程
动动力力学学方方程程
2020/7/9
其核心内容是： 化学反应速率+反应器
•研究不同类型反应器
•化学反应速率与反 的特点及其与化学反
应 条 件 之 间 的 关 系 ，应结果之间的关系;
2020/7/9
80万吨/年加氢裂化装置
2020/7/9
2020/7/9
2020/7/9
2020/7/9
45万吨/年乙烯裂解球罐
2020/7/9
3、化学反应工程的范畴和任务
传递工程
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
2020/7/9
第一章 绪论
1 化学反应工程的范畴和任务 2 化学反应过程分类 3 化学反应工程的研究方法 4 发展趋势
2020/7/9
一、化学反应工程的范畴和任务
1、化学工程发展史及化学反应工程学科的形成
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
2020/7/9
1、化学工程发展史及化学反应工程学科的形成 美国Bird等编写了《传递现象》这部历史性的著
作Transport Phenomena
2020/7/9
1、反应工程概念的提出
2020/7/9
一、化学反应工程的范畴和任务
1、反应工程概念的提出
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。（被认为是化学动 力学发展到“工程技术”阶段的标志。）奠定基础。 30年代，石油化学工业刚刚兴起。提出了单元操作和单元过 程等概念。 单元操作—— 流体输送，蒸馏，干燥等专管物理工序。 单元过程—— 磺化，水解，加氢等专管化学反应工序。
测量和
工 程 控 制
控制
催化剂
工艺路线流 程与设备
优化
2020/7/9
化学工艺
化学热力学——确定物系的各种物性常数，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，e.g.
2020/7/9
2020/7/9
选用教材： 《化学反应工程》，陈甘棠主编，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
Chemical Reaction Engineering, by Levenspiel O.
Elements of Chemical Reaction Engineering by Scott Fogler
总结了化学反应与传递现象之间的相互关系。探讨了反应 器设计问题。为学科的形成起了一定的作用。
2020/7/9
五十年代，石油化工迅猛发展，反应器规模不断扩大。对反应器的放大 问题的研究，使人们认识到，任何一个化学反应在工业规模反应器中进 行时不可避免地伴随着"三传"现象，必须将化学反应与"三传"同时结合 起来加以考虑和分析。
2020/7/9
成熟阶段：60年代石油化工的大发展，生产的日趋大型化和单 机化，及原料加工的不断发展使其进入黄金时代并日趋成熟。
1960年，召开了第二次欧洲化学反应工程会议。从那以后，每 四年举行一次。 1970年，在美国首都(华盛顿)召开了第一次国 际化学反应工程讨论会，以后每两年举行一次。
70年代中期，《反应工程》向深度和广度发展，出现了关于g-l 、g-l-s反应器、生化反应工程等方面的专著。
此处反应较快
边缘反应物浓度高 中央反应物浓度低
R
2020/7/9
化学反应工程
均相反应
反 应 器 类 型
非均相反应
反
操
应 器 体 积
作 条 件
物料衡算 热热量量横衡算方算程 动动量量横横算方算程
动动力力学学方方程程
2020/7/9
3、化学反应工程的范畴和任务
➢ 物性庞杂
工业反应的特点
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
即 化 学 反 应 动 力 学 ；•对 反 应 过 程 进 行 工 程
•着重研究传递过程 对化学反应速率的 影响;
分析； •制定合理的技术方案 和操作条件； •进行反应器或反应系
统的设计及优化。
2020/7/9
课程目的： 一 用理论指导和解决反应过程开发中的放大问题； 二 实现反应过程的最优化； 三 改进和加强现有的反应技术和设备； 四 开发新的反应技术和新的反应设备； 五 不断发展反应工程学的理论和方法。
合成氨工业的巨大成功推动了化学工业迅 速发展,也带动了一系列化学工程基础理论 工作,如化工热力学、化学工艺学、工业催 化等。
氨合成催化剂的研究与改进已经尝试10万 多个配方,至今仍是催化界研究的方向。
2020/7/9
2、化学工程的主要研究内容
原料的预处理
单元操作（三传）
化学方法加工 进行化学反应
2020/7/9
工业反应器中对反应结果产生影响的主要 物理过程是：
(1)由物料的不均匀混合和停留时间不同引 起的传质过程；
(2)由化学反应的热效应产生的传热过程； (3)多相催化反应中在催化剂微孔内的扩散
与传热过程。 这些物理过程与化学反应过程同时发生。
2020/7/9
从本质上说，物理过程不会改变化学反 应过程的动力学规律，即反应动力学规 律不因为物理过程的存在而发生变化。 但是流体流动、传质、传热过程会影响 实际反应场所的温度和参与反应的各组 分浓度在空间上的分布，最终影响到反 应的结果。
装 置
2020/7/9
FCC
FCC
南 充 炼 厂 装 置
2020/7/9
Cold flow model of Kellogg dense phase catalyst cooler
Grassroots FCC unit under construction in Mexico
2020/7/9
2020/7/9
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
2020/7/9
高 低 并 列 的 提 升 管
1979年，我国派代表参加了国际化学反应工程会议（以张有衡 为团长）。
2020/7/9
新的契机：80年代后，随着高技术的发展和应用，如微电子 器件的加工、光导纤维生产、新材料以及生物技术等，向化 学反应工程工作者提出了新的研究课题，使化学反应工程形 成新的分支，如生化反应工程、聚合反应工程等，扩大了化 学反应工程的研究领域，从而使化学反应工程的研究进入了 一个新的阶段。
2020/7/9
1、化学工程发展史及化学反应工程学科的形成
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。第一次综合。
第三阶段：现代化学工业(二战前后)，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。尤其是在生 产规模日益大型化的趋势下，其影响就更大了，促使化学 工程学科形成了第二次理论综合：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。三传一反。
1981年，化学反应工程正式进入我国化工高等教育。
2020/7/9
我国化学工程与技术学科的发展中 里程碑
1935年8月我国化工的先驱吴蕴初先生建成 上海天利氮气厂生产出液氨，吴先生还创 办了天厨味精厂(1923)，天原电化厂(1929) 和天盛陶器厂(1934)，以及范旭东在天津 创办的永利碱厂，这些化工原料的生产推 动了我国化学工业的发展.
化学反应工程 孙萍
675457
Chemical Reaction Engineering
要求：
学时：56+16 必修课 平时成绩30%
作业 出勤 实验 期末成绩70% BB: 化学反应工程 注册码：051052
jilkq88 jilkq01 jlkq123 jilkq0 jilinkq jilkq jilkouq jlkouq0 jlkouq6 kqzl0 gfkqyy 024kqyy gfkouq sykqyy0 gfkqyy0 kqyy66 gfyykq
成有规模的化学加工实践。
2020/7/9
生产硫酸
2020/7/9
1、化学工程发展史及化学反应工程学科的形成
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。
Fritz Haber (1868 - 1934) 生产规模的扩大要求人们对生产 过程的规律有更为透彻的了解， 需要既懂工程又熟悉化学知识。 促使工程与化学相结合
2020/7/9
初步形成：1947年，出版了两本书: O.A.Hougan与K.M. Watson所著的Chemical Process Principles --《化学过程 原理》的第三卷，专门讲述动力学与催化过程,以及法兰克-卡明涅斯基--《化学动力学中的扩散与传热》；
40年代，第二次世界大战，三个重要的过程开发研究工作： 流化床催化裂化--汽油 丁苯橡胶乳液聚合--（汽车）轮胎 曼哈顿计划--原子弹（气体扩散提炼浓缩铀U238）
2020/7/9
化学反应工程
化学反应的工程化，研究化学反应的工程问题
Raw materials
Physical Treatment
steps
Chemical Treatment
steps
Physical Treatment
Products
steps
预处理
Recycle
核心
后处理
典型化工过程 (Typical chemical pocess)
另外，又提出了一些重要的基本概念。如"返混"，"反应器稳定性"，"微 观混合"，"伴有化学反应的传质"等。推动了学科的发展。
1957年，在荷兰首都（阿姆斯特丹）举行了第一次欧洲化学反应工程会 议。荷兰van Krevelen作首篇综合性报告：Micro-and Macro-Kinetics ，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。正式提出了"化学反应工程学"的概念。
2020/7/9
2019年3月3日，全国政协十一届四次会议， 再次提出了我国科技成果转化率不到20%， 而发达国家高达70、80%。
2019-6-19
化学反应工程
与实验室规模反应不同：
工业规模的化学反应较之实验室规模要 复杂得多，在实验室规模上影响不大的 质量和热量传递因素，在工业规模可能 起着主导作用。在工业反应器中既有化 学反应过程，又有物理过程。物理过程 与化学过程相互影响，相互渗透，有可 能导致工业反应器内的反应结果与实验 室规模大相径庭。
反应工程（本征）
反应产物分离与提纯 单元操作（三传）
2020/7/9
动量传递过程－流动因素
A→B
A
rA C A
CA CA0et
ຫໍສະໝຸດ Baidu
C A0
CA
2020/7/9
热量传递过程－传热因素
A→B
A
rA kCA
E
k k0e RT
C A0
CA
2020/7/9
质量传递过程－传质因素
2020/7/9
质量传递过程－传质因素
2020/7/9
常压、低温合成氨 反应速率太慢而实际不可行 加入催化剂可以使其在适当的温度压力下 以显著速率进行反应
甲烷裂解制乙炔 1500℃乙炔极不稳定，似乎只能得到碳、氢 在极短时间内（0.001s）反应并淬冷到低温 就可以得到乙炔
2020/7/9
化学反应工程
均相反应
反 应 器 类 型
非均相反应
反
操
应 器 体 积
作 条 件
物料衡算 热热量量横衡算方算程 动动量量横横算方算程
动动力力学学方方程程
2020/7/9
其核心内容是： 化学反应速率+反应器
•研究不同类型反应器
•化学反应速率与反 的特点及其与化学反
应 条 件 之 间 的 关 系 ，应结果之间的关系;
2020/7/9
80万吨/年加氢裂化装置
2020/7/9
2020/7/9
2020/7/9
2020/7/9
45万吨/年乙烯裂解球罐
2020/7/9
3、化学反应工程的范畴和任务
传递工程
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
2020/7/9
第一章 绪论
1 化学反应工程的范畴和任务 2 化学反应过程分类 3 化学反应工程的研究方法 4 发展趋势
2020/7/9
一、化学反应工程的范畴和任务
1、化学工程发展史及化学反应工程学科的形成
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
2020/7/9
1、化学工程发展史及化学反应工程学科的形成 美国Bird等编写了《传递现象》这部历史性的著
作Transport Phenomena
2020/7/9
1、反应工程概念的提出
2020/7/9
一、化学反应工程的范畴和任务
1、反应工程概念的提出
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。（被认为是化学动 力学发展到“工程技术”阶段的标志。）奠定基础。 30年代，石油化学工业刚刚兴起。提出了单元操作和单元过 程等概念。 单元操作—— 流体输送，蒸馏，干燥等专管物理工序。 单元过程—— 磺化，水解，加氢等专管化学反应工序。
测量和
工 程 控 制
控制
催化剂
工艺路线流 程与设备
优化
2020/7/9
化学工艺
化学热力学——确定物系的各种物性常数，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，e.g.
2020/7/9
2020/7/9
选用教材： 《化学反应工程》，陈甘棠主编，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
Chemical Reaction Engineering, by Levenspiel O.
Elements of Chemical Reaction Engineering by Scott Fogler
总结了化学反应与传递现象之间的相互关系。探讨了反应 器设计问题。为学科的形成起了一定的作用。
2020/7/9
五十年代，石油化工迅猛发展，反应器规模不断扩大。对反应器的放大 问题的研究，使人们认识到，任何一个化学反应在工业规模反应器中进 行时不可避免地伴随着"三传"现象，必须将化学反应与"三传"同时结合 起来加以考虑和分析。
2020/7/9
成熟阶段：60年代石油化工的大发展，生产的日趋大型化和单 机化，及原料加工的不断发展使其进入黄金时代并日趋成熟。
1960年，召开了第二次欧洲化学反应工程会议。从那以后，每 四年举行一次。 1970年，在美国首都(华盛顿)召开了第一次国 际化学反应工程讨论会，以后每两年举行一次。
70年代中期，《反应工程》向深度和广度发展，出现了关于g-l 、g-l-s反应器、生化反应工程等方面的专著。
此处反应较快
边缘反应物浓度高 中央反应物浓度低
R
2020/7/9
化学反应工程
均相反应
反 应 器 类 型
非均相反应
反
操
应 器 体 积
作 条 件
物料衡算 热热量量横衡算方算程 动动量量横横算方算程
动动力力学学方方程程
2020/7/9
3、化学反应工程的范畴和任务
➢ 物性庞杂
工业反应的特点
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
即 化 学 反 应 动 力 学 ；•对 反 应 过 程 进 行 工 程
•着重研究传递过程 对化学反应速率的 影响;
分析； •制定合理的技术方案 和操作条件； •进行反应器或反应系
统的设计及优化。
2020/7/9
课程目的： 一 用理论指导和解决反应过程开发中的放大问题； 二 实现反应过程的最优化； 三 改进和加强现有的反应技术和设备； 四 开发新的反应技术和新的反应设备； 五 不断发展反应工程学的理论和方法。
合成氨工业的巨大成功推动了化学工业迅 速发展,也带动了一系列化学工程基础理论 工作,如化工热力学、化学工艺学、工业催 化等。
氨合成催化剂的研究与改进已经尝试10万 多个配方,至今仍是催化界研究的方向。
2020/7/9
2、化学工程的主要研究内容
原料的预处理
单元操作（三传）
化学方法加工 进行化学反应
2020/7/9
工业反应器中对反应结果产生影响的主要 物理过程是：
(1)由物料的不均匀混合和停留时间不同引 起的传质过程；
(2)由化学反应的热效应产生的传热过程； (3)多相催化反应中在催化剂微孔内的扩散
与传热过程。 这些物理过程与化学反应过程同时发生。
2020/7/9
从本质上说，物理过程不会改变化学反 应过程的动力学规律，即反应动力学规 律不因为物理过程的存在而发生变化。 但是流体流动、传质、传热过程会影响 实际反应场所的温度和参与反应的各组 分浓度在空间上的分布，最终影响到反 应的结果。
装 置
2020/7/9
FCC
FCC
南 充 炼 厂 装 置
2020/7/9
Cold flow model of Kellogg dense phase catalyst cooler
Grassroots FCC unit under construction in Mexico
2020/7/9
2020/7/9