化学反应工程
化学工程中的化学反应工程
化学工程中的化学反应工程化学反应工程是化学工程的核心领域之一，它研究的是化学反应在工业生产中的应用和优化。
化学反应是化学工程中最基本的过程之一，通过控制和优化化学反应过程，可以提高产品质量、降低生产成本，实现可持续发展。
本文将从反应选择、反应器设计和反应条件优化三个方面来探讨化学反应工程的重要性和挑战。
一、反应选择在化学反应工程中，选择适合的反应是至关重要的。
不同的反应条件和反应物组合会产生不同的产品和副产物，而这些产品和副产物的性质和产量直接影响到工业生产的效益。
因此，在进行化学反应工程之前，需要进行充分的实验和研究，确定最适合的反应条件和反应物组合。
例如，生产乙醇的过程中，乙烯和水可以通过催化剂反应生成乙醇。
但是，反应过程中还会产生一些副产物，如乙醛和丙酮。
为了提高乙醇的产量和纯度，化学工程师需要选择合适的反应条件，如温度、压力和催化剂种类，以控制副产物的生成。
此外，还需要考虑反应速率、反应热和反应平衡等因素，以确保反应过程的稳定性和可控性。
二、反应器设计反应器是进行化学反应的主要装置，其设计和选择对反应过程的效率和安全性有着重要的影响。
化学工程师需要根据反应物的性质、反应条件和产品要求，选择合适的反应器类型，并进行设计和优化。
常见的反应器类型包括批式反应器、连续流动反应器和循环流化床反应器等。
批式反应器适用于小规模实验和中间产品的生产，而连续流动反应器适用于大规模工业生产。
循环流化床反应器则具有较高的传热和传质效率，适用于高温高压反应。
在反应器设计中，还需要考虑反应器的尺寸、热交换和搅拌等因素。
尺寸的选择要考虑反应物的浓度和反应速率，以确保反应物在反应器中的停留时间足够长。
热交换则可以通过换热器和冷却器来控制反应温度，避免过高的温度对催化剂和反应物的损害。
搅拌的目的是保持反应物的均匀混合，提高反应速率和产物的纯度。
三、反应条件优化反应条件的选择和优化是化学反应工程的关键环节。
通过调节反应温度、压力、催化剂浓度和反应物浓度等参数，可以控制反应速率和产物选择性，提高反应效率和产品质量。
化学反应工程
Chemical Reaction Engineering Analቤተ መጻሕፍቲ ባይዱsis
(工艺研究生)
化学工程与工艺教研室
王少君
第1章
绪论
化学反应工程： 认识工业上采用研究的化学反应器内的物理及化 学过程，以及它们的相互影响，最终达到成功操 作和设计反应器的分支科学 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。
Physical Raw treatment materials steps Chemical treatment steps Recycle Typical chemical process Physical treatment steps Products
化学反应工程的任务和作用
化学反应工程是化工生产的核心，工业规模的实现。 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。 与其它学科的关系：图1.ppt
学习方法： 1.清晰的了解概念和方法的物理、化学内涵；2.给出简明的 物理化学模型；3.准确的应用数学工具表达这个模型。 前两个保证模型的正确性，最后一个保证模型的有效性。
参考书
朱开宏，袁渭康 化学反应工程分析，高等教育出版社， 2002
朱丙辰，化学反应工程，北京：化学工业出版社， 2000.01 Levenspiel,O.,Chemical Reaction Engineering, 2nd,ed.,John Wiley,1972. Smith,J.M., Chemical Engineering Kinetics, 2nd,ed.,MCCraw-Hill,1970 Froment,G.F.and Bischoff,K.B., Chemical Reactor Analysis and Design, John Wiley,1979.
化学反应工程
化学反应工程讲义郭锋第一章绪论1.1化学反应工程学的范畴和任务概念：化学反应工程是一门研究化学反应的工程问题的科学。
既以化学反应作为对象，就必须要掌握这些化学反应的特性；它又以工程问题为其对象，那就必须熟悉装置的特性，并把这两者结合起来形成学科体系。
化学热力学反应工程对这方面的要求，主要是确定物系的各种物性常数（如热容、反应热、压缩因子）等等。
反应动力学动力学是专门阐明化学反应速率（包括主反应及副反应）与各项物理因素（如浓度、温度、压力及催化剂等）之间的定量关系的。
催化剂催化剂的问题一般以为属于化学或工艺的范畴，但实际上牵涉到许多工程上的问题。
如粒内的传热、微孔中的扩散、催化剂中活性组份的有效分布、催化剂扩大制备时各阶段操作条件对催化剂活性结构的影响、催化剂的活化和再生等等。
反应过程的分析、反应技术的开发和反应器的设计化学反应工程学的知识应能用于：（1）改进和强化现有的反应技术和设备，挖掘潜力，降低消耗，提高效率。
（2）开发新的技术和设备。
（3）指导和解决反应过程开发中的放大问题。
（4）实现反应过程的最优化。
（5）不断发展反应工程学的理论和方法。
1.2 化学反应工程的基本方法在化学反应工程中，数学模型主要包括下列一些内容：（1）动力学方程式（2）物科衡算式（3）热量衡算式（4）动量衡算式（5）参数计算式1.3化学反应工程的学科体系和编排化学反应过程按操作方法可以分：1.分批（或称间歇）式操作2.连续式操作3.半分批（或称半连续）式操作表1-3-1 反应器的型式与特性第二章均相反应的动力学基础2.1基本概念与术语均相反应动力学是研究各种因素如温度、催化剂、反应物组成和压力等对反应速率，反应产物分布的影响，并确定表达这些影响伊苏与反应速率之间定量关系的速率方程。
2.1-1 化学计量方程一个由S个组份参与的反应体系，其计量方程可写成：a1A1+ a2A2+……+ asAs=0s或∑aiAi=0i=1式中：Ai表示i组份；ai为组份的计量系数。
化学反应工程
化学反应工程化学反应工程系化学工程的一个分支，以工业反应过程为主要研究对象，以反应技术的开发、反应过程的优化和反应器设计为主要目的的一门新兴工程学科。
它是在化工热力学、反应动力学、传递过程理论以及化工单元操作的基础上发展起来的。
其应用遍及化工、石油化工、生物化工、医药、冶金及轻工等许多工业部门。
工业反应过程中既有化学反应，又有传递过程。
传递过程的存在并不改变化学反应规律，但改变了反应器内各处的温度和浓度，从而影响到反应结果，例如影响到转化率和选择率。
化学反应工程的定位：化学反应工程是化工类专业的一门专业主干课、核心课程。
化学反应工程涉及物理化学、化工热力学、化工传递过程、优化与控制等，知识领域广泛、内容新颖，对于培养学生的反应工程基础、强化工程分析能力具有十分重要的作用。
课程教学突出阐述反应工程理论思维方法，重点讨论影响反应结果的工程因素(如返混、混合、热稳定性和参数灵敏性等)，并结合开发实例进行分析，培养学生应用反应工程方法论解决实际问题的能力。
围绕创新教育这一主题，明确培养学生创新思维与创新能力的教学目标，并在教学内容、教学方法上进行改革，改变传统教学模式，将培养创新思维和创新能力溶入课程教学过程中，探索适宜培养创新人才的"化学反应工程"教学内容、教学方法。
重点与难点:脚归谜化学反应工程课程内容的重点是阐明基本原理，向学生介绍反应工程中的最基本概念、理论和研究方法，所以我们在开设本课程时，精选了化学动力学、间歇反应器、理想流动反应器、返混、反应过程中的热量和质量传递、复杂反应选择性、反应器热稳定性等主要内容，突出影响反应过程结果的工程因素，并按温度效应和浓度效应讨论展开，力求表达清楚，确切阐述，为学生今后开发反应过程与反应器打下扎实的理论基础。
课程难点是掌握化学反应工程的基本观点和工程思维方法，培养学生分析和解决工程问题的实际能力。
在教学中重视基本概念、基本理论和工程分析方法的传授。
化学反应工程
化学反应工程一、化学反应工程的定义及意义化学反应工程是一门研究在化学反应过程中如何设计，建造，操作，监测和控制化学反应过程的学科。
在化学反应工程中，我们致力于优化反应条件，提高反应产率，降低反应副产品的生成率，并同时考虑了成本、环保和安全等因素。
化学反应工程的意义在于，它可以将实验室研究的成果转换为大规模生产的实际应用，满足人类社会的各种需求。
无论是医药、材料、化妆品、能源等领域，都需要化学反应工程的支持。
二、化学反应工程的步骤化学反应工程的一个标准流程包括以下步骤：1.设计化学反应过程：首先需要确定需要反应的物质，反应类型，反应条件等。
2.化学反应实验：在实验室中对已设计好的化学反应过程进行实验，获得反应的产物及产率、减少产物的副产物等数据，为后续的生产提供重要的数据支持。
3. 确定反应动力学：用数学模型定量描述反应速率、浓度和温度之间的关系。
4.数据分析：对实验数据进行分析，确定化学反应满足产品质量要求、成本和安全要求。
5.装备设计：选择适合规模化生产的反应器类型和形式，并开发相应的仪表控制系统。
6.生产过程操作：根据设计好的化学反应过程，通过正确的操作，监测和控制，达到预期的产品质量要求和工业安全要求。
7.成本评估：评估生产过程和装备设计的成本，调整成本结构，使之达到最低成本。
8.项目管理：建立生产计划，制定管理程序，开具生产报表。
9.产品营销：成功的化学反应工程管理不仅要满足客户的品质要求，还需要推销产品市场。
三、化学反应工程的关键问题1. 反应机理：通过对反应物的结构和反应条件之间的关系进行深入研究，掌握化学反应的本质规律，揭示反应机制及过程。
了解反应机理可以提供反应过程改革的线索。
2. 反应体系的热力学分析：化学反应工程涉及到多种多样的反应情况，可能伴随着放热、吸热、化学平衡等等。
反应体系的热力学分析可以指导反应过程的控制及优化。
3. 反应条件控制：化学反应过程容易受到外界环境影响，如温度、压力、光、氧化还原状态和组分间的质量传递等一系列因素。
化学反应工程
化学反应工程的范畴和任务
• 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 对象，就 必然要事握这些化学反应的特性；它又以 工程问题为其对象，-那就必须熟悉装置的 特性，并把这两者结合起来形成学科体系。
反应工程与其它学科的关系
化工热力学 计量化学 反应工程 反应动力学 化学工艺 催化剂 工程控制 传递过程
• ②中型实验
数学模型验证
大设备的设计
• ③数学模型的应用
• 放大的依据：相似论(相似准数Re、Pr、 Nu、Pe、Sc等)
•
综上所述，可见目前化学反应工程处理 问题的方法是实验研究和理论分析并举。 在解决新过程的开发问题时，可先建立 动力学和传递过程模型，然后再综合成 整个过程的初步的数学模型，根据数学 模型所作的估计来制定试验，特别是中 间试验方案，然后用试验结果来修正和 验证模型。
二级反应的速率方程式
如果有两反应物，而且初始浓度相等，并在反应过程 消耗的物质的量也相等． rA=kcA２或rA=kcA,0２(1-xA)２
1 dnA rA V dt
kcA２＝
dc A rA dt
dc A dt
双分子二级反应
分离变量： Kdt= －dcA/cA２ 初始条件t=0, cB,0=cA,0,进行积分
反应过程和传递过程
实验只能测得NH3的主体浓度c0,当NH3浓度很小时: r0=k0c0 r=k0c0=kscs, k0c0=ks c0/ (ks/kga+1) k0=ks / (ks/kga+1) k0=1 / (1/kga+1/ks ) …………….……..p17:7-50式 此式表明实验测得的表面反应速率常数k0是化学反应 过程1/ks和扩散过程1/kga共同作用的结果.
化学反应工程的定义
化学反应工程的定义
化学反应工程是一门研究化学反应过程的学科，它涉及到化学反应的设计、优化和控制，以及相关的反应器的设计和操作。
化学反应工程的目标是通过科学的方法和工程技术，实现化学反应的高效、安全和可持续发展。
化学反应工程主要包括以下几个方面的内容：
1. 反应过程的设计和优化：研究如何选择合适的反应条件（温度、压力、反应物浓度等）和催化剂，以提高反应的转化率、选择性和产率，同时降低能耗和废物产生。
2. 反应器的设计和操作：研究如何设计和选择合适的反应器类型（如批式反应器、连续流动反应器、固定床反应器等），以及反应器的尺寸、形状和内部结构，以实现理想的反应条件和反应效果。
3. 反应工艺的控制：研究如何实现反应过程的自动化和精确控制，包括反应温度、反应物添加速率、反应物浓度等参数的控制，以确保反应的稳定性和一致性。
4. 安全与环保：研究如何评估和管理化学反应过程中的安全风险，设计和实施安全措施，以保障工作人员的安全和环境的保护。
通过化学反应工程的研究和应用，可以优化化学反应过程，提高产品质量和产量，降低生产成本和能耗，减少环境污染和废物排放，为化学工业的可持续发展提供科学的支持和指导。
《化学反应工程》课件
部分模化法
将反应器的一部分进行放大或缩小， 以研究其放大效应或缩小效应。
相似放大法
通过相似理论来预测大试实验结果， 需要保证相似条件得到满足。
04
流动与混合
流动模型与流型
1 2
层流模型
适用于低雷诺数的流体，流速较低，流体呈层状 流动。
湍流模型
适用于高雷诺数的流体，流速较高，流体呈湍流 状态。
3
过渡流模型
化学反应影响流动特性
化学反应释放的热量和产生的压力变化会影响流体的流动状 态。
流动与混合实验技术
实验设备
包括管式反应器、搅拌釜式反应器、喷射式反应器等。
实验方法
通过测量流体的流速、压力、温度等参数，分析流动与混合对化学反应的影响 。
05
传递过程与反应器的热力学基础
传递过程基础
传递过程定义
物质和能量的传递是自然界和工程领域中普遍存在的现象，传递 过程是研究物质和能量传递规律的科学。
通过调节进料浓度来控制反应物浓度，保证反应的稳定性和效率。
催化剂选择与优化
选择合适的催化剂并优化其用量，提高反应效率和选择性。
反应器放大与缩小
经验放大法
根据小试实验数据和经验公式，通过 比例放大来预测大试实验结果。
数学模拟放大法
通过建立数学模型来模拟反应过程， 并利用计算机技术进行放大和缩小实 验。
管式反应器
适用于连续操作和大量生产，传热效果好， 适用于高粘度液体和悬浮液。
流化床反应器
适用于固体颗粒的反应，传热效果好，适用 于大规模生产。
反应器设计基础
反应动力学
研究反应速率和反应机理，为反应器设计提 供基础数据。
热力学
研究反应过程中的能量变化和物质平衡，为 反应器设计提供热力学依据。
化学反应工程
数学模型法
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。
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
反应工艺流 程与设备 最 佳 化
反程的研究对象
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，均采 用化学方法将原料加工成有用的产品。其生产过程包括如下三个组成部分：
第1、3两部分属于单元操作的研究范围;而第2部分是化学反应工程 的研究对象，是生产过程的核心。
1、化学反应工程研究的对象。
化学反应工程是化学工程学科的一个重要分支， 主要包括两个方面的内容，即反应动力学和反应器设 计分析。
反应动力学：研究化学反应进行的机理和速率， 以获得工业反应器设计与操作所需要的动力学知识 和信息，如反应模式、速率方程、反应活化能等。 其中速率方程可表示为：
反应器设计分析：研究反应器内上述因素的 变化规律，找出最优工况和适宜的反应器型式 和尺寸。 2、化学反应工程研究的目的：优化 在一定范围内（约束条件）选择一组合适的 变量，使系统对评价标准(优化指标)达到最优。 设计型
理想均相反应器 1、理想间歇反应器 反应器理想化的条件：反应物粘度小、搅拌均匀、压强、 温度均一（任一时刻物料的组成，温度均一），这就是理 想间歇反应器（batch reactor简称BR）
特点：操作具有较大的灵活性，操作弹性大，相同设备可 以生产多个品种。 缺点：劳动强度大，装料、卸料、清洗等辅助操作常消耗 一定时间，产品质量难以控制。 2、活塞流反应器 在等温操作的管式反应器中，物料沿着管长，齐头并 进，象活塞一样向前推进，物料在每个截面上的浓度不变， 反应时间是管长的函数，象这种操作称为理想置换，这种 理想化返混量为零的管式反应器称为活塞流反应器 （plug flow reactor简称PFR）。
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
化学反应工程的研究与应用
化学反应工程的研究与应用化学反应工程，指的是基于化学反应原理和工程技术的一门交叉学科，它涵盖了化学、物理、机械、电子等众多领域，同时也被广泛应用于许多工业领域。
化学反应工程的研究和应用不仅可以带来经济效益和社会效益，更能推动化学工程领域的进一步发展。
一、化学反应工程的基本原理化学反应工程的基本原理是建立在化学反应原理之上的，它需要了解反应物之间的化学性质和反应过程中的热力学、动力学、质量守恒和能量守恒等基本规律，这些规律都是合成反应或催化反应所需要的前提条件。
其中，热力学用于分析化学反应能够发生的条件和限制，动力学研究反应的速率和路径，质量守恒和能量守恒可以协助设计反应器的设计和操作参数的控制。
二、化学反应工程的应用化学反应工程广泛应用于许多工业领域，如石油化工、新能源、精细化学品、生物化学等，下面将分别介绍其中的应用。
1. 石油化工石油化工是化学反应工程最广泛应用的领域，它是石油加工和化学品生产的基础。
利用化学反应原理，可以制造出石油产品，如汽油、柴油、航空燃料、润滑油等，同时也可以生产出各种化学品，如塑料、橡胶、化肥等。
2. 新能源新能源是近年来的一个热门领域，化学反应工程在新能源领域也发挥了重要作用。
例如，通过化学反应可以制造出太阳能电池、燃料电池等，这些技术可以为新能源的开发和使用提供更多的选择。
3. 精细化学品精细化学品主要指的是在医药、食品、高级材料等领域使用的高附加值的化学品。
在这个领域中，化学反应工程能够为其高效、可控的生产提供技术支持。
例如，对于医药领域的药物合成，化学反应工程可以帮助设计出高效的反应器和操作方案，同时也可以协助优化产品的制造工艺，提高产品质量和产量。
4. 生物化学生物化学是化学反应工程在生物领域中的应用。
由于我们对于生命体系中的反应机理和机制的了解逐渐加深，因此生物化学领域也属于化学反应工程的研究范围之内。
化学反应工程在该领域中的应用可以帮助研究生命体系中的反应过程、基因调控、蛋白质合成等等。
化学反应工程
2 3 10
化学反应工程(Chemical
Reaction Engineering)
西南科技大学
§2-3 复合反应
二、平行反应
1)速率方程积分式 为简化讨论，假定主、副反应均为一级不可逆反应，
其微分速率方程分别为：
化学反应工程(Chemical
Reaction Engineering)
§2-3 复合反应
二、平行反应
根据选择性的定义可得：
aP aA,2 k1 SP aS aA,1 k2
2 3 26
将式(2-3-17)分别代入式(2-3-20)和(2-3-23)中可得：
CP CPO
a p k1 1 exp k1 k2 t C AO a k k A,1 1 2
2 3 1
西南科技大学
Reaction Engineering)
§2-3 复合反应
一、基本概念及术语
２）如果几个反应是依次发生的，这样的复合反应称为
串联反应，如下式所示： A B P R S
2 3 2
３）此外，还有由平行和串联反应组合在一起的复合反 应，如下两式所示：
摩尔数与反应掉的着眼反应组份Ａ的摩尔数之比值。
P
4. 得率
np npo nAO nA
2 3 5
得率，以符号Xp记之，它表示生成的目标产物P的摩尔 数与着眼反应物姓的起始摩尔数之比，即：
X P n p n po / nAO
化学反应工程(Chemical
2 3 6
rA.1 k1CA 主
我对化学反应工程的理解
我对化学反应工程的理解化学反应工程是化学工程领域的重要分支，它主要研究和应用化学反应过程的工程化设计和优化。
化学反应工程的目标是将实验室中的化学反应过程转化为大规模生产中的可控、高效的工业化生产过程。
在化学反应工程中，需要考虑多个因素，包括反应条件、催化剂选择、反应器设计等，以实现化学反应的高效进行。
化学反应工程的首要任务是确定适当的反应条件，包括温度、压力、浓度等因素。
这些条件对反应速率、选择性和产率都有重要影响。
通过调整反应条件，可以控制反应速率，提高产品纯度和产量。
此外，反应条件还与反应的热力学和动力学参数密切相关。
热力学参数描述了反应体系的能量变化，而动力学参数则描述了反应速率的变化。
通过综合考虑热力学和动力学参数，可以确定适当的反应条件，实现反应的高效进行。
在化学反应工程中，催化剂的选择也是非常重要的。
催化剂可以提高反应速率，降低反应温度和能耗，并且能够选择性地促进特定的化学反应路径。
催化剂的选择需要考虑多个因素，包括活性、稳定性、可再生性等。
此外，催化剂的形态和分布对反应速率和选择性也有重要影响。
通过合理选择和设计催化剂，可以实现高效、低能耗的反应过程。
反应器设计是化学反应工程中的另一个关键环节。
反应器的设计应考虑反应物料的均匀混合、热量传递和质量传递等因素。
不同的反应器类型适用于不同的反应条件和反应物料。
例如，批量反应器适用于小规模实验和多相反应，而连续流动反应器适用于大规模生产和连续反应。
在反应器设计中，还需要考虑反应器的尺寸、形状和材料等因素，以满足工业化生产的要求。
化学反应工程还涉及到反应过程的优化。
通过优化反应条件、催化剂和反应器设计，可以实现反应过程的高效、可控和经济的生产。
优化方法包括数学模型、实验设计和计算机模拟等。
数学模型可以描述反应过程的动力学和热力学行为，从而指导实际生产中的操作。
实验设计可以通过系统的实验来确定最佳的反应条件和操作参数。
计算机模拟则可以通过数值模拟和计算方法来预测反应过程的性能和行为。
化学反应工程
化学反应工程化学反应工程是研究和应用化学反应的一门学科，主要涉及反应基础、反应动力学、反应工程、反应器设计、反应工艺优化等方面。
本文将介绍化学反应工程的基本概念、关键内容和应用领域。
一、化学反应工程的基本概念化学反应工程是将化学反应原理与工程技术相结合，研究化学反应的机理、动力学和应用，以达到控制和优化反应过程的目标。
它是化工过程工程的重要组成部分，也是化工工业中最基本、最关键的环节之一。
化学反应工程主要研究反应的速率、选择性、稳定性和收率等关键问题，通过设计合适的反应器以及优化反应工艺，来实现预期的反应目标。
反应体系的研究对象包括单一物质和复杂物质之间的化学反应，如气相反应、液相反应、固相反应、催化反应等。
二、化学反应工程的关键内容1. 反应动力学反应动力学研究反应速率与反应物浓度、温度、压力等因素之间的关系。
通过实验和理论模型的建立，可以确定反应的速率常数、反应机理和反应动力学方程。
反应动力学的研究对于反应过程的深入理解和反应器设计具有重要意义。
2. 反应器设计反应器是进行化学反应的装置，其设计旨在实现高效率、高选择性和高产率的反应过程。
根据反应条件的不同，常见的反应器有批式反应器、连续式反应器、循环式反应器等。
反应器设计考虑到传热、质量传递、混合和流动等因素，以最大程度地实现反应条件的控制和反应物的利用率。
3. 反应工艺优化反应工艺优化是指通过调整反应条件、改变反应器结构和优化操作参数等手段，提高反应过程的经济效益和可行性。
优化方法包括响应面法、遗传算法、模拟退火算法等，通过建立反应过程的数学模型，寻求最优解，以达到能源节约、资源利用和环境友好的目标。
三、化学反应工程的应用领域化学反应工程广泛应用于化工领域的各个环节，包括新材料制备、能源开发、环境保护、医药制造等。
以下列举几个典型应用案例：1. 新材料制备化学反应工程在新材料制备中发挥重要作用，如高分子材料的合成、纳米材料的制备和催化剂的研发等。
化学反应工程原理
化学反应工程原理一、引言化学反应工程是研究化学反应在工业生产中的应用原理和方法的学科，它涉及到化学反应的热力学、动力学、传质和传热等方面的理论基础，以及反应过程的设计、优化和控制等工程实践。
化学反应工程的原理是化学工程学的核心内容之一，它在化工生产中扮演着重要的角色。
二、化学反应热力学原理化学反应的热力学原理是研究反应的热效应和反应的平衡条件的理论基础。
根据热力学第一定律，化学反应的能量守恒关系为：$$ \\Delta H = Q + W $$其中，$\\Delta H$为化学反应的焓变，Q为反应释放或吸收的热量，W为反应对外界做功。
化学反应的平衡条件由热力学第二定律和反应速率理论给出。
例如，对于一般的化学反应 $A \\rightarrow B$ ，其平衡常数K c可由下式给出：$$ K_c = \\frac{{[B]}}{{[A]}} $$其中，[B]和[A]分别表示反应物B和A的浓度。
三、化学反应动力学原理化学反应的动力学原理是研究反应速率和反应过程中物质的转化关系的理论基础。
根据化学动力学理论，反应速率可以用反应物浓度的函数来表示，通常可用速率常数k表示。
一般来说，反应速率可根据反应物浓度的变化率表示，即：$$ \\frac{{d[A]}}{{dt}} = -k[A] $$其中，[A]表示反应物A的浓度，t表示时间。
化学反应的速率可受到许多因素的影响，包括反应物浓度、温度、催化剂等。
通过研究这些影响因素，可以优化化学反应的条件，提高反应速率和产率。
四、化学反应传质和传热原理化学反应的传质和传热过程是研究反应物质的输运和能量转化的理论基础。
化学反应中的传质包括质量传递和浓度分布等方面的问题，传热则涉及到温度变化和热传递等相关内容。
在化学反应工程中，传质和传热的过程对于反应速率和能量利用效率有重要影响。
因此，合理设计反应器的结构和操作条件，优化传质和传热过程，对于提高化学反应的效果具有重要意义。
化学反应工程
化学反应工程引言化学反应工程是研究和应用化学反应的工程学科，涉及反应过程的设计、优化和控制。
化学反应工程的目标是通过合理的反应条件和工艺参数，实现化学反应的高效率、高产率和高选择性，从而达到经济、环境友好的生产过程。
化学反应工程的步骤化学反应工程一般涵盖以下步骤：1. 反应物的选择反应物的选择是化学反应工程的基础。
在选择反应物时，需要考虑反应物的物性、反应性以及反应机理等因素。
同时还需要考虑反应物的供应和处理，并且有时还需要考虑反应物的可再生性和可持续性。
2. 反应速率的研究反应速率是一个重要的参数，它描述了反应物转化为产物的速度。
反应速率的研究可以通过实验研究、理论计算和模型预测来进行。
了解反应速率可以帮助工程师确定反应的最佳条件，并进行工艺参数的优化。
3. 反应器的选择和设计反应器是化学反应工程的核心部分，它是进行化学反应的场所。
反应器的选择和设计需要考虑多种因素，包括反应物的性质、反应条件、反应速率以及产品的需求等。
常见的反应器包括批式反应器、连续流动反应器和循环式反应器等。
4. 反应过程的控制和优化反应过程的控制和优化是化学反应工程的关键环节，它涉及到反应温度、反应时间、反应物浓度等工艺参数的调控。
通过控制和优化反应过程，可以提高反应的选择性和效率，减少能源消耗和废物产生。
应用案例化学反应工程在众多领域具有广泛的应用，下面以工业催化反应为例进行介绍。
工业催化反应工业催化反应是通过催化剂催化反应，实现化学反应的高效率和高选择性。
催化反应广泛应用于石化、化肥、医药、精细化工等行业。
例如，氨合成，是工业上制备氨的重要催化反应。
在氨合成过程中，铁催化剂催化气相中的氮气和氢气反应生成氨水，并在一定的反应条件下实现高效的转化率。
催化剂的设计和优化催化剂是决定催化反应效果的关键因素。
催化剂的设计和优化可以通过理论计算和实验方法相结合进行。
根据反应物的性质和反应机理，可以设计出合适的催化剂结构和组成，并通过催化剂的改性和载体的优化，提高催化反应的效率和选择性。
化学反应工程的基础和应用
反应动力学是化学反应工程的另一个基础内容，它研究反应速率、反应机制等，为反应工程的设计和优化提供基础数据。常用的反应动力学指标有反应速率常数、反应级数和反应阶数等。反应动力学可以通过实验测定，也可以通过理论模型预测。
3.反应工程设计
反应工程设计是化学反应工程的核心内容，它研究反应器的类型、尺寸、搅拌方式、加料方式等反应工艺参数的选择和优化，以实现反应工艺的高效、低成本、高品质生产。反应工程设计的基础数据来自反应热学和反应动力学研究。
化学反应工程的基础和应用
化学反应工程是研究化学反应在工业生产中的应用的学科，它涉及多个学科的知识，如化学、物理、数学、机械工程等。化学反应工程的目的是设计和优化化学反应过程，以实现产品的高效、低成本、高品质生产。下面我们来详细了解一下化学反应工程的基础和应用。
一、化学反应工程的基础
1.反应热学
反应热学是化学反应工程的基础内容之一，它研究化学反应的能量变化和热力学性质，为反应工程设计提供基础数据。反应热学常用的指标有反应热、反应焓、反应熵等，它们可以通过化学热学实验获得。此外，反应热学还涉及化学平衡的研究，以及热力学计算方法的应用等。
3.电化学反应
电化学反应涉及电化学原理和化学反应工程原理，它常用于发电、电池制造、金属电镀等领域提高电镀质量。
综上所述，化学反应工程是化学、物理、数学、机械等多个学科的交叉应用，它涉及反应热学、反应动力学、反应工程设计等基础知识，可以应用于中药提取和制剂、化工及石油加工、电化学反应等多个领域。在未来的发展中，化学反应工程将会继续发挥其重要的实际应用价值，为人类的生活和社会经济的发展发挥积极作用。
二、化学反应工程的应用
1.中药提取和制剂
中药提取和制剂是化学反应工程的重要应用之一，它涉及多种化学反应过程，如溶剂提取、超临界萃取、微波辅助提取等。通过化学反应工程的优化设计，可以提高中药制品的质量和产量，减少制造成本。
化学反应工程
Chemical Reaction Engineering
第一章 绪 论
❖ 化学工业定义 经过一系列物理过程和化学过程从廉价 原料制造出高附加值产品的工业。
❖ 化工过程典型流程 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，均采用化学方法将原料加工成 为有用的产品。生产过程包括如下三个组成部 分：
算来进行放大的方法。 --半经验放大法：把模型放大法和经验放大法相互结合的一种方法。
❖ 在造船、筑坝等很多领域上相似理论和因次分析为基准的相似放大法是 非常有效的，但相似放大法在化学反应器放大方面则无能为力，主要原 因是无法同时保持物理和化学相似。
❖ 化工过程的优化——化学反应工程学的目的
1）优化设计、优化操作 2）经济、技术（优化指标）
❖ 放大效应——当反应规模变大时，本征反应特性不变，
而传递特性却会发生很大变化，其结果是反应过程与实 验室完成的反应表现出很大差异，即出现所谓“放大效 应”。 故进行反应器放大时应选用与实验过程不完全相同，与 反应规模相适应的传递和流动参数。
代表人物
丹克来尔 (mhohler) 梯尔（Thiele） 史尔多维奇
霍根（Hougen） 华生（Waston）
丹克沃茨（Dankwerts) 泰勒（Taylor） 烈文斯彼尔 (Levenspiel)
1-1 化学反应的分类
1. 单一反应与复合反应
单一反应：可用一个反应方程式独立描述的反应。 ——可逆反应
（对于一定的反应物系）而言，随时间、空间变化。其中， r为反应系统中某一组分的反应速率，C代表浓度，P为系 统的总压。
反应器设计分析--研究反应器内上述因素的变化规律，找出 最优工况和适宜的反应器型式和尺寸。
工程师化学工程中的化学反应工程
工程师化学工程中的化学反应工程随着化学工业的快速发展，化学反应工程已经成为了工程化学领域中非常重要的一个组成部分。
在化学工程中，化学反应工程的作用是非常关键的。
化学反应工程不仅能够提高化学反应的效率和质量，同时还可以更好的实现工业化生产，提高生产效率，降低成本。
本文将从工程师的角度出发，系统探讨工程师在化学反应工程中的作用。
一、化学反应工程概述化学反应工程是研究反应如何进行，并且指导工业化生产的过程。
在化学反应工程领域，反应器的设计和操作是非常重要的。
反应器的设计不仅要考虑到化学反应的速率，还要考虑到反应器的材料、性能以及操作参数等多个因素。
在化学反应工程的过程中，还要针对反应过程进行研究和优化，从而提高反应效率和产品质量。
二、化学工程中的工程师作用工程师在化学工程中的作用非常重要。
在化学反应工程中，工程师扮演了至关重要的角色。
首先，工程师需要准确了解化学反应的机理和过程。
只有这样才能进行反应器的设计和操作，并且在反应工程过程中解决可能出现的问题。
其次，工程师需要对反应过程进行优化，提高反应效率和产品质量。
在此过程中，工程师不仅能够提高生产效率，同时还能够降低成本，从而提高企业的竞争力。
最后，工程师还需要关注环保问题，在化学反应工程中最大限度的减少污染物的排放。
三、化学反应工程中的挑战在进行化学反应工程时，工程师还需要面临一些挑战。
首先，工程师需要克服反应过程中可能出现的不稳定因素，保证反应的正常进行。
这需要工程师对化学反应的知识和技能具备更高的要求。
其次，化学反应工程往往具有很高的危险性，如果安全操作不当，可能会引起爆炸或者火灾等严重后果。
在此情况下，工程师需要对安全规程有更深的认识，同时在反应工程过程中加强安全措施。
此外，工程师还需要关注环保问题，确保化学反应工程尽可能地减少对环境的影响。
四、结论化学反应工程是工程化学领域中的重要组成部分。
通过对反应机理和反应过程的深入了解，工程师可以更好地设计和操作反应器，并且在反应过程中进行优化，提高生产效率和产品质量。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
27060 化学反应工程南京工业大学编（高纲号0322）Ⅰ课程性质、地位和任务“化学反应工程”是化学工程学科的一个分支，是化学工程与工艺专业学生必修的一门专业基础技术课程。
它以工业反应过程为主要研究对象，研究反应过程速率及其变化规律；研究反应器内的传递特性及其对化学反应的影响。
为学生今后从事化工反应技术开发、反应器的设计与放大、反应过程操作优化等诸方面工作奠定基础。
本课程在学生学习了“高等数学”、“大学物理”、“化学”、“物理化学”、“化工原理”等课程基础上进行。
课程总学时为100，即5学分。
通过本课程的学习，学生应比较牢固地掌握化学反应工程的基本原理和计算方法，应能联系化工实际，在反应工程理论的指导下，对反应过程和反应器进行初步的分析和设计计算。
Ⅱ自学考试要求第一章绪论（一）主要内容1.化学反应工程的研究内容2.化学反应工程的研究方法3.化学反应工程的学科系统的编排（二）自学考试要求1.化学反应工程的研究内容理解化学反应工程学是研究化学反应的工程问题的科学；传递过程（即反应器内的动量、热量和质量传递，简称“三传”）与反应动力学是构成化学反应工程最基本的两个支柱等说法的含义。
理解化学反应工程学与相关学科的联系，化学反应工程本身的专门范畴。
2.化学反应工程的研究方法理解化学反应工程的基本研究方法是数学模型法，数学模型的主要内容及其相互关系，了解数学模拟放大法的大体步骤。
3.化学反应工程的学科系统和编排理解按反应操作方式、反应器型式、和化学反应相态进行分类的方法；本课程编排的原则和方法。
绪论部分在初次学习时，只能做到大体了解、待全部内容学习完毕后，应重新学习绪论，才能做到理解。
第二章均相反应的动力学基础（一）主要内容1.基本概念与术语2.单一反应速率方程3.复合反应速率方程（二）自学考试要求1.基本概念与术语理解化学反应计量方程表示的内容。
理解化学反应速率的定义和在恒容过程、分批式操作、连续流动稳定操作时的数学表示式。
掌握各个组分反应转化率和反应程度的定义和计算；膨胀因子的物理意义和数学表示式；等分子和非等分子反应达一定转化率时各组分摩尔数和摩尔分率的计算。
理解化学反应速率方程表示的内容和不同型式；影响反应速率的主要因素；幂函数型速率方程式中反应级数和活化能的物理意义及其大小对反应速率的影响；反应级数和活化能的确定方法。
理解基元反应的物理意义。
掌握由反应机理推导反应速率方程的方法。
2.单一反应速率方程理解单一反应的定义，掌握由分批式等温动力学实验数据确定反应速率方程式的微分法和积分法。
掌握等温恒容过程零级、一级和二级不可逆反应的速率方程式及其积分式的积分过程，并能熟练地用于进行有关计算。
以一级反应为例，理解可逆反应速率方程式的建立方法。
了解自催化反应的特点及其速率方程式的建立方法。
3.复合反应速率方程理解复合反应的定义、主要类型、复合反应的收率、得率和选择性的定义和数学表示式。
掌握主副反应均为一级的不可逆平行反应速率方程的建立过程，并能用于进行各组分的瞬时浓度、目的产物收率、得率和选择性等的计算。
理解其动力学特征和各组分浓度随反应时间分布曲线的特点。
掌握各步均为一级的串联不可逆反应速率方程的建立过程，并能用于进行各组分的瞬时浓度、目的产物（中间产物）收率、得率和选择性等的计算；最优反应时间topt和最大得率Xmax的计算。
理解各组分农度随反应时间分布和产物得率分布曲线的特点。
第三章理想反应器（一）主要内容1.分批式操作的理想混合反应器2.连续操作的理想混合反应器（单釜和多釜串联）3.平推流反应器4.反应器型式与操作方法的评选（二）自学考试要求1.分批示操作的理想混合反应器理解分批式操作理想混合反应器内物料浓度、温度分布的特点，适用场合的优缺点。
掌握对着眼组分建立物料衡算式的方法，并由此推导分批操作理想混合反应器设计方程的方法。
能运用设计方程进行单一反应和复合反应等温操作时反应时间、转化率、反应器有效容积待计算。
掌握对整个反应器建立热量衡算式的方法，并由此推导分批操作理想混合反应器操作方程的方法。
能运用设计方程和操作方程进行绝热操作时的反应时间、转化率、反应器有效容积和换热面积等计算。
了解变温（非等温非绝热）操作时的计算方法。
理解最优反应时间和最优转化率和计算方法。
2.连续操作的理想混合反应器此类反应器通常简称全混流反应器，代号为CSTR.理解全混流反应器内物料流动、浓度和温度分布等特征。
理解反应时间、空时、停留时间各自的定义和数学式。
掌握全混流反应器设计方程（即物料衡算法）的建立方法，能应用方程进行单一反应和复合反应的各项计算。
掌握在1/rA～CA图上比较分批式反应器和全混流反应器有效容积的方法，和通过计算全混流反应器容积效率η比较分批式反应器和全混流反应器有效容积的方法。
掌握全混流反应器操作方程（即热量衡算式）的建立方法。
能应用设计方程和操作方程进行各项计算。
理解全混流反应器的热稳定性，能应用热稳定性判据初步判断定常态操作是否稳定。
掌握在1/rA～CA图上表示多釜串联全混流反应器的有效容积的方法。
在进行相同的恒温恒容单一反应并达到相同的转化率时，能在1/rA～CA图上进行分批式、单釜和多釜串联全混流反应器所需有效容积的比较。
掌握多釜串联全混流反应器的设计计算方法，进行一级不可逆反应时的设计方程，并能用于进行有关计算。
理解图解计算法。
了解多釜串联全混流反应器各釜的最优容积比。
3.平推流反应器此类反应器通常代号为PFR理解平推流反应器内流体流动、浓度和温度分布的特征；恒容和变容过程的停留时间、反应时间和空时的计算。
掌握平推流反应器的设计方程（即物料衡量式）的建立方法及其计算应用。
理解等温恒容过程平推流反应器和分批式理想混合反应器的设计方程是完全一致的（但时间项平推流为空时τ，分批式为反应时间t）。
掌握平推流反应器的图解计算法。
掌握平推流反应器的操作方程（既热量衡算式）建立方法。
了解变温操作时的计算方法。
了解循环操作的平推流反应器的特征和计算方法。
4.反应器型式与操作方法的评选理解进行反应级数n＞0、n＜0的不可逆等温单一反应时，平推流反应器、全混流反应器和多釜串联全混流反应器所需容积的比较；以及在1/rA～XA图上，曲线具有最高点时，为使反应器容积最小，不同型式反应器应采用的串联顺序。
理解可逆吸热反应和可逆放热反应的反应速率和平衡转化率与操作温度的关系；可逆放热反应在XA～T图上的最优温度线和平衡温度线；可逆吸热反应和可逆放热反应最优操作温度的选定。
掌握复合反应在分批式理想混合反应器、平推流反应器、全混流反应器和多釜串联全混流反应器中进行时的瞬时收率和总收率的计算式，并能用于进行有关计算。
理解在平推流反应器和全混流反应器中进行一级不可逆串联反应：（三）重点与难点重点：分批式理想混合反应器、全混流反应器和平推流反应器内的流动混合特征；温度、浓度和反应速率分布特征；等温操作下的设计计算方法；进行单一反应和复合反应时反应器的性能比较。
难点：单一反应复合反应的各种情况下，反应器型式、组合方式和操作方式的选择。
第四章非理想流动（一）主要内容1.停留时间分布2.平推流和全混流反应器的停留时间分布3.非理想流动的流动模型（二）自学考试要求3.非理想流动的流动模型理解返混的概念；返混与停留时间分布的区别和联系；建立非理想流动模型的必要性。
掌握用反应器停留时间分布实测数据（或E（t）函数式）和反应速率方程式计算出口平均转化率的凝集流模型。
理解使用凝集流模型的局限范围。
理解多级全混流串联模型的物理含义；数学模型建立的基本思路。
掌握根据反应器停留时间分布实测数据确定模型参数N的方法。
理解轴向分散模型的物理含义；数学模型建立的基本思路。
掌握根据反应器停留时间分布实测数据确定模型参数Ez/uL的方法。
能应用轴向分散模型进行一级不可逆反应的计算。
了解流体的微观混合与宏观混合及其对化学反应的影响。
（三）重点与难点重点：返混与停留时间分布的概念；E（t）和F（t）函数；平推流反应器和全混流反应器的E（t）和F（t）函数；由实验测定停留时间分布数据确定E（t）和F（t）函数和非理想流动模型的模型参数。
难点：非理想流动模型方程的建立。
第五章气固催化反应动力学（一）主要内容1.固体催化剂表面的吸附现象和吸附等温式2.气固催化反应的动力学方程3.气固催化反应速率的实验测定方法4.催化剂颗粒中的扩散（二）自学考试要求1.固体催化剂表面的吸附现象和吸附等温式理解气体在固体催化剂表面上物理吸附与化学吸附的区别。
理解朗格缪尔（langmuir）型吸附等温线方程式的基本假设；吸附等温线方程式的推导；单分子吸附、多分子吸附、解离吸附下方程的不同形式。
了解弗里德里希（Freundlich）型和焦姆金型吸附等温式的假设和方程形式。
2.气固催化学反应的动力学方程理解气固反应中，反应速率一般以单位质量催化剂为基准，不同场合也有以单位床层体积或单位催化剂体积等为基准的，应掌握不同基准间的相互换算。
理解气固催化反应所经历的七步过程；确定过程总速率的控制步骤法；当某一步骤起控制作用时，其他步骤所处的状态。
掌握在不同控制步骤下根据朗——辛（L-H）机理推导双曲线型反应速率式的方法，并能根据双曲线型反应速率方程式看出所设想的机理。
了解双曲线型和幂数数型反应速率方程各自的优缺点。
3.气固催化反应速率的实验测定方法理解检验外扩散影响的存在和消除外扩散影响的方法。
理解检验内扩散影响的存在和消除外扩散影响的方法。
了解实验室固定床积分反应器和微分反应器各自的优缺点；流动循环无梯度反应器的特点。
了解由动力学实验数据确定动力学方程和进行参数估值的一般做法。
4.催化剂颗粒中的扩散理解多孔催化剂粒内扩散的复杂性；分子扩散和努森（Knudson）扩散的区别。
理解分子扩散系数DAB或Dim、努森扩散系数Dk、综合扩散系数D和有效扩散系数De的区别和联系。
理解催化剂有效系数η的定义；内扩散模数（Thiele模数）φs的定义式和物理含义。
理解等温球形催化剂进行一级反应时有效系数η计算式的推导过程。
掌握有效系数η计算式的应用。
理解以特征长度L定义的内扩散模数φL的定义式；φs和φL的关系式。
理解包含了可以直接测得的反应速率值（-r）=-1dn/Vedt的Weisz模数φL的定义式；φL与φL的关系式。
掌握φL式的应用，能根据φs或φL值的大小判别内扩散的影响程序，以及为消除和减少内扩散阻力可采取的措施。
理解内扩散对复合反应选择性的影响。
了解为了减少内扩散阻力和改善目的产物选择性，对催化剂制造采取的改进方法。
（三）重点根据朗——辛机理推导不同控制步骤的双曲线型反应速率方程；判别与消除反应过程内外扩散阻力的方法；等温一级球形催化剂的有效系数η的计算；如何根据内扩散模数植的大小判别内扩散的影响程序。