化学反应工程全套教学课件
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化学反应工程全套教学课件
可逆反应 不可逆反应
❖ 按照反应分子数分
单分子反应 双分子反应
多分子反应
❖ 按照反应机理分 单一反应
多重反应
平行反应 同时反应 连串反应 平行连串反应 集总反应
平行反应：一例如：氯苯的再氯化 k1
C6H5Cl + Cl2
k2
对-C6H4Cl2 + HCl 邻-C6H4Cl2 + HCl
❖ 本征动力学：又称化学动力学，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。
❖ 宏观反应动力学与本征动力学的区别：宏观反应动力学除了 研究化学反应本身以外，还要考虑到质量、热量、动量传递 过程对化学反应的交联作用及相互影响，与反应器的结构设 计和操作条件有关。
❖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
❖ 宏观反应过程：在工业规模的化学反应器中，化学反应过程 与质量、热量及动量传递过程同时进行，这种化学反应与物 理变化过程的综合称为宏观反应过程。
❖ 宏观反应动力学：研究宏观反应过程的动力学称为宏观反应 动力学。
❖ 停留时间分布：在非理想流动中，不同的质点在反应器中的停 留时间不同，形成停留时间分布。
寿命分布：指质点从进入到离开反应
停留时间分布有两种
器时的停留时间分布
年龄分布：指仍然停留在反应器中的
质点的停留时间分布。
寿命和年龄的关系：寿命是反应器出口处质点的年龄。
❖ 返混：不同停留时间的质点或粒子的混合称为返混，又称为 逆向混合。是不同年龄质点的混合，逆向是时间的概念上的 逆向，不同于一般的搅拌混合。
《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 第一章课件
Fogler
化学反应工程研究方法 （1）简化：忽略和简化事物的次要方面，简化处理 后仍能反应事物的本质。 （2）建模：用数学，物理，化学等基础学科，将化 学和物理现象综合起来研究，了解它们之间的相 互关系，掌握各种现象的规律，以及对反应的作 用，找出数学关联式。 （3）优化：实际反应场所（物理传递现象；化学反 应动力学因素）；具体参数：浓度，温度的空间 和时间分布特点 —选择适宜的反应器结构型式，操作方式和工艺条 件 —最优化的技术指标 学习要重点掌握典型的反应，有利的强化措施。
转化率、选择性和收率 转化率：针对反应物，反应物中价值最高的组 分为关键组转化 量 X 该反应物（关键组分）的起始量
设A起始摩尔数NA0，反应后摩尔数NA，转 化量NA0 – NA，则 XA=(NA0 - NA)/ NA0
选择性：
生成目标产物所消耗的 关键组分量 S 已转化的关键组分量
•
化学反应工程的研究内容
化学反应工程 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 动力学与反应器分析与设计。 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 的动力学知识和信息，如反应模式、速率方 程及反应活化能等。其中速率方程可表示为： r=f（T、C、P） （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。
恒容间歇反应 器设计方程
例题2：计算基准：进口原料量100mol。关键组分： C2H4. 化学计量表如下：
C2H4+ 1/2O2 x 0.5x C 2H 4+ 3O2 y 3y ∑ x+y 0.5x+3y
CH2CH2O 变化量 x -0.5x 2CO2+ 2H2O 2y 2y 0 总变化量 -0.5x
化学反应工程研究方法 （1）简化：忽略和简化事物的次要方面，简化处理 后仍能反应事物的本质。 （2）建模：用数学，物理，化学等基础学科，将化 学和物理现象综合起来研究，了解它们之间的相 互关系，掌握各种现象的规律，以及对反应的作 用，找出数学关联式。 （3）优化：实际反应场所（物理传递现象；化学反 应动力学因素）；具体参数：浓度，温度的空间 和时间分布特点 —选择适宜的反应器结构型式，操作方式和工艺条 件 —最优化的技术指标 学习要重点掌握典型的反应，有利的强化措施。
转化率、选择性和收率 转化率：针对反应物，反应物中价值最高的组 分为关键组转化 量 X 该反应物（关键组分）的起始量
设A起始摩尔数NA0，反应后摩尔数NA，转 化量NA0 – NA，则 XA=(NA0 - NA)/ NA0
选择性：
生成目标产物所消耗的 关键组分量 S 已转化的关键组分量
•
化学反应工程的研究内容
化学反应工程 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 动力学与反应器分析与设计。 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 的动力学知识和信息，如反应模式、速率方 程及反应活化能等。其中速率方程可表示为： r=f（T、C、P） （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。
恒容间歇反应 器设计方程
例题2：计算基准：进口原料量100mol。关键组分： C2H4. 化学计量表如下：
C2H4+ 1/2O2 x 0.5x C 2H 4+ 3O2 y 3y ∑ x+y 0.5x+3y
CH2CH2O 变化量 x -0.5x 2CO2+ 2H2O 2y 2y 0 总变化量 -0.5x
化学反应工程课件-PPT
k/
k
K
1/ p
E
E
1
H
r
ln
k
ln
k
1
ln
K
p
d ln k dT
d ln k dT
1
d ln K p dT
1
H r 1R4T 2
E
E
1
H r
对于吸热反应，ΔHr>0 对于放热反应，ΔHr<0
EE
EE
●反应 速率与 温度的 关系
r k f (X A) k g(X A)
r
dk
dk
( T ) xA f ( X A ) dT g( X A ) dT
kcA0 (1 X A ) (cB0
B A
cA0 X A )
(2.48)
XA——t
● 变
AA BB PP
ci
ni V
XA
容
过 程
* rA kcAcB
1 V
dnA dt
kcA cB
30
AA BB PP
组分
A B
反应前(XA=0)
nA0
1 j A1 2 j A2 ij Ai 0 rj
1M A1 2M A2 iM Ai 0 rM
M
i ij r j (*) j 1
rj
？
i
●忽略次要反应，确定独立反应数M；
●测M个组分的 i
●对每个组分按（*）式,建立M个线 性方程；
●求解代数方程组，得 rj.
22
例：乙苯催化脱氢反应可以用下列方程式表示
不受其他反应的反应组分浓度的影响。
特殊 情况
●多相催化反应； ●变容气相反应.
《化学反应工程》全册配套完整教学课件
床层或反应器内宏观动力学模型(或简称床层动力学模型) 各种类型反应器内的催化剂床层，计入反应气体与催化剂颗粒的相 互流动状况，和使用过程中催化剂失活影响的诸多因素，即处于介 尺度的宏观动力学。
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。
Copyright 2011 by Southeast University
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。
Copyright 2011 by Southeast University
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：
Copyright 2011 by Southeast University
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
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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
化学反应工程课件
反应器设计问题。为学科的形成起了一定的作用。
1.1 化学反应工程学的学科历史
第一章 绪
论
50 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。 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
建立化学反应过程的动力学模型和传质模型；
选择反应器型式以满足不同类型的反应特点和传
质要求；
计算反应器大小，以满足一定的产量和转化率的
要求； 确定反应器的最佳操作条件，提高反应过程的经 济效益； 研究反应器的动态特点，保证操作稳定和开、停
车的顺利。
1.3 化学反应过程的分类
第一章 绪
论
1.3.1 按操作方式分类
Chapter4 Non-Ideal Flow Chapter5 Reaction Catalyzed by Solids
Chapter6 The Packed Bed Catalytic Reactor Chapter7 Fluid-Fluid Reactors
The object of the course
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。 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）。 80年代以后，反应工程的理论与方法已日臻完善与丰富。随 着高技术的发展与应用，如微电子器件的加工、光导纤维的 生产、新材料与生物技术等，向我们提出了新的研究课题。
化学反应工程 课件
t/hr
cA
cA0-cA
ln
cA cA0
0
0.2332
0
0
1
0.2168 0.01636
0.07298
2
0.2059 0.02732
0.1245
3
0.1966 0.03662
0.1707
4
0.1879 0.04525
0.2160
• 式中： cA，cB：A，B组分的浓度 mol.m-
3
• kc为以浓度表示的反应速率常数，随反应 级数的不同有不同的因次。kc是温度的函 数，在一般工业精度上，符合阿累尼乌 斯关系。
36
阿累尼乌斯关系
E
kc kc0e RT
• kc0 ：指前因子，又称频率因子，与温度 无关，具有和反应速率常数相同的因次。
• 因此，该量ξ可以作为化学反应进行程度 的度量。
• ξ恒为正值，具有广度性质，因次为[mol]。 • 反应进行到某时刻，体系中各组分的摩
尔数与反应程度的关系为：
nI nI0I
25
转化率
• 目前普遍使用着眼组分A的转化率来描述 一个化学反应进行的程度。
• 定义 xA转 A组 化分 了 A组 的 的 分 起 量 n始 A0nA 量 n0A
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
11
搅拌釜式反应器
12
邻二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反应器
13
乙 苯 加 氢 气 液 塔 式 反 应 器
14
轻油裂解制乙烯管式非催化反应器
化学反应工程全套课件完整版ppt全册电子教案
04
动力学方程式
定量描述反应速
率与影响因素之
间的关系式。
反应速率与影响反应
速率的影响因素之
间的函数表达式
r f (T、c)
均相反应：本征动力学方程
非均相反应：宏观动力学方程
反应速率
定义:在反应系统中，某一物质在单位时间，单位反 应体系内的变化量。
变化量
反应速率
反应时间 （反应体系）
注意：
1、上述定义无论对反应物和产物均成立。
若为反应物则为消失速度 .
若为产物则为生成速度.
1 dnA
V dt
1 dni
ri
V dt
(rA )
反应速率
2、反应速率恒为正值
1 dni
ri
V dt
3、速度的表示形式和化学计量系数有关
对于 A A B B P P S S
05
工业指标
反 应 程 度
对于下列化学反应：
AA BB RR S S
初始：
某一时刻：
nA0
nA
nB0
nB
nR0
nR
ns0
ns
反应的量 nA- nA0 <0 nB- nB0 <0 nR- nR0＞0 nS- nS0＞0
其中 为化学计量系数。对反应物而言为“－”，对生成物而
I
言为“＋”。
3. 示踪剂必须是能用简便而又精
确的方法加以确定的物质
4.示踪剂尽量选用无毒、不燃、无
腐蚀、价格便宜的物质
示
踪
物
的
选
择
03
反应器流体流动
脉冲法
过 程：
在反应器中流体达到定态流动后，在极短的时间内将示踪物注入进料中，然后立刻
化学反应工程 课件 619页PPT
34
• 化学反应动力学方程有多种形式，对于 均相反应，方程多数可以写为（或可以 近似写为，至少在一定浓度范围之内可 以写为）幂函数形式，反应速率与反应 物浓度的某一方次呈正比。
35
• 对于体系中只进行一个不可逆反应的过 程， a A b B rR sS
rA k cc A m c B n mm o 3 s l1
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
11
搅拌釜式反应器
12
邻二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反应器
13
乙 苯 加 氢 气 液 塔 式 反 应 器
14
轻油裂解制乙烯管式非催化反应器
对于非基元反应，m，n多数为实验测得
的经验值，可以是整数，小数，甚至是
负数。
38
• 把化学反应定义式和化学反应动力学方 程相结合，可以得到：
rAV 1ddntAkA cmcB n
• 直接积分，可获得化学反应动力学方程 的积分形式。
39
• 对一级不可逆反应，恒容过程，有：
rAdd ctAkA c
• 式中： cA，cB：A，B组分的浓度 mol.m-
3
• kc为以浓度表示的反应速率常数，随反应 级数的不同有不同的因次。kc是温度的函 数，在一般工业精度上，符合阿累尼乌 斯关系。
36
阿累尼乌斯关系
E
kc kc0e RT
• kc0 ：指前因子，又称频率因子，与温度 无关，具有和反应速率常数相同的因次。
ktlncA0 ln 1 cA 1xA
• 由上式可以看出，对于一级不可逆反应， 达到一定转化率所需要的时间与反应物 的初始浓度cA0无关。
• 化学反应动力学方程有多种形式，对于 均相反应，方程多数可以写为（或可以 近似写为，至少在一定浓度范围之内可 以写为）幂函数形式，反应速率与反应 物浓度的某一方次呈正比。
35
• 对于体系中只进行一个不可逆反应的过 程， a A b B rR sS
rA k cc A m c B n mm o 3 s l1
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
11
搅拌釜式反应器
12
邻二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反应器
13
乙 苯 加 氢 气 液 塔 式 反 应 器
14
轻油裂解制乙烯管式非催化反应器
对于非基元反应，m，n多数为实验测得
的经验值，可以是整数，小数，甚至是
负数。
38
• 把化学反应定义式和化学反应动力学方 程相结合，可以得到：
rAV 1ddntAkA cmcB n
• 直接积分，可获得化学反应动力学方程 的积分形式。
39
• 对一级不可逆反应，恒容过程，有：
rAdd ctAkA c
• 式中： cA，cB：A，B组分的浓度 mol.m-
3
• kc为以浓度表示的反应速率常数，随反应 级数的不同有不同的因次。kc是温度的函 数，在一般工业精度上，符合阿累尼乌 斯关系。
36
阿累尼乌斯关系
E
kc kc0e RT
• kc0 ：指前因子，又称频率因子，与温度 无关，具有和反应速率常数相同的因次。
ktlncA0 ln 1 cA 1xA
• 由上式可以看出，对于一级不可逆反应， 达到一定转化率所需要的时间与反应物 的初始浓度cA0无关。
化学反应工程 课件619页PPT
• 得到：
xA
A
nA0
nI nI0I28• 亦可得到任意组分在任意时刻的摩尔数
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。
17
• 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
18
利用数学模型解决化学反应工 程问题
23
反应程度（反应进度）
• 引入“反应程度”来描述反应进行的深 度。
• 对 于 a 任A 一 化 学 b 反B 应 r R s S 0
• 定义反应程度
nI nI0 I
• 式中，nI为体系中参与反应的任意组分I 的摩尔数，αI为其计量系数，nI0为起始时24 刻组分I的摩尔数。
26
组分A的选取原则
• A必须是反应物，它在原料中的量按照化 学计量方程计算应当可以完全反应掉 （与化学平衡无关），即转化率的最大 值应当可以达到100%，如果体系中有多 于一个组份满足上述要求，通常选取重 点关注的、经济价值相对高的组分定义 转化率。
27
• 转化率与反应程度的关系，结合
xA
nA 0 nA nA0
• 基本步骤为： • 1．小试研究化学反应规律； • 2． • 3．利用计算机或其它手段综合反应规律
和传递规律，预测大型反应器性能，寻 找优化条件； • 4．热模实验检验数学模型的等效性。
19
第一章
均相单一反应动力学和理想反应器
20
化学反应式
• 反应物经化学反应生成产物的过程用定 量关系式予以描述时,该定量关系式称为 化学反应式:
化学反应工程PPT演示课件
方程。
非均相模型（考虑流体和粒子表面间 1.按动力学 的拟温均度相和模浓型度（差忽）略流体和粒子表面间
的温度和浓度差，假设流体与粒子为 浑然一体的均相）
2.床层温度二 一维 维模 模型 型（ （轴 平向 推和 流径 模向 型） 和轴向扩散模型）
3.按流体流动非 理理 想想 流流 动动 模模 型型
26
• 解：①求颗粒的平均直径。
dS
1 xi
0.60 0.25 0.15 1 3.96mm 3.96103 m 3.40 4.60 6.90
di
• ②计算修正雷诺数。
Re m
g
dSG
1 B
3.96 103 6.2
2.3105 1 0.44
dV
19
•（2）外表面积当量直径： (非球形颗粒折合 成相同外表面积的球形颗粒应当具有的直径）
球形外表面积：SS
4π
d 2
2
SS π
1
2
da
• （3）比表面积当量直径： (非球形颗粒 折合成相同比表面积的球形颗粒应当具 有的直径）
球形比表面积：
SV
SS VS
－P f
L de
um2 2 B 2
＝f
L
2 3
.
(1
B
B
)
.d
S
um2 2 B2
＝3 f 4
L dS
1B
3 B
u m2
f L dS
1B
3 B
u
非均相模型（考虑流体和粒子表面间 1.按动力学 的拟温均度相和模浓型度（差忽）略流体和粒子表面间
的温度和浓度差，假设流体与粒子为 浑然一体的均相）
2.床层温度二 一维 维模 模型 型（ （轴 平向 推和 流径 模向 型） 和轴向扩散模型）
3.按流体流动非 理理 想想 流流 动动 模模 型型
26
• 解：①求颗粒的平均直径。
dS
1 xi
0.60 0.25 0.15 1 3.96mm 3.96103 m 3.40 4.60 6.90
di
• ②计算修正雷诺数。
Re m
g
dSG
1 B
3.96 103 6.2
2.3105 1 0.44
dV
19
•（2）外表面积当量直径： (非球形颗粒折合 成相同外表面积的球形颗粒应当具有的直径）
球形外表面积：SS
4π
d 2
2
SS π
1
2
da
• （3）比表面积当量直径： (非球形颗粒 折合成相同比表面积的球形颗粒应当具 有的直径）
球形比表面积：
SV
SS VS
－P f
L de
um2 2 B 2
＝f
L
2 3
.
(1
B
B
)
.d
S
um2 2 B2
＝3 f 4
L dS
1B
3 B
u m2
f L dS
1B
3 B
u
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❖ 1970年在美国华盛顿召开了第一届国际化学反应 工程年会，并在此后两年举办一次
❖化学反应工程的新阶段：20世纪80年代后期
除了传统领域(化学工业、石油化工、冶金 化工)外，许多新的技术相继发展(如生物技 术、光导纤维以及新材料等)，使反应工程 产生了许多分支学科，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。
可逆反应 不可逆反应
❖ 按照反应分子数分
单分子反应 双分子反应 多分子反应
1.5 化学反应工程的研究方法
❖早期：经验归纳法
将实验数据用量纲分析和相似方法整理而获 得经验关联式。这种方法在研究管道内单向流体 流动的压力降、对流给热及不带化学反应的气液 两相间的传质等方面都得到了广泛的应用。
由于化学反应过于复杂，传统的经验归纳方 法不能反应化学反应工程的基本规律。
❖现在：数学模拟法
❖ 本征动力学：又称化学动力学，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。
❖ 宏观反应动力学与本征动力学的区别：宏观反应 动力学除了研究化学反应本身以外，还要考虑到 质量、热量、动量传递过程对化学反应的交联作 用及相互影响，与反应器的结构设计和操作条件 有关。
与化学反应工程相关的学科： 化学热力学、反应动力学、 催化剂、设备型式、操作方 法和流程、传递工程、工程 控制（化工系统工程）、反 应过程的分析、反应技术的 开发和反应器设计 等等
图1.1 化学反应工程学 与有关学科间的关系
❖化学热力学：确定物系的各种物性常数（如 热熔、反应热、压缩因子）分析反应的可能 性和可能达到的程度，如计算反应的平衡常 数和平衡转化率等。
❖ 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
❖反应动力学：阐明化学反应速率与各项物 理因素（如浓度、温度、压力和催化剂等） 之间的定量关系。
❖催化剂：如粒内传热，微孔中的扩散，催 化剂中活性组分的有效分布、催化剂的活 化和再生等等。
❖设备型式、操作方法和流程：反应不同， 规模不同，适合的反应器型式和操作方式 也会不同。为了实现某一反应，可有多种 技术方案，包括热量传递、温度控制、物 料是否循环等等，何种方案最为经济合理， 流程据此来拟订。
（1）不失真 （2）能满足应用要求 （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能力
1.6 工程放大与优化
❖ 工程放大和优化：将实验室和小规模生产的研究 成果推广到大型工业生产装置，要综合各方面的 有关因素提出优化设计和操作方案，即工程放大 和优化。
❖ 工程放大的方法：主要有相似放大、经验放大法 和数学模型放大法。
1.2 化学反应工程的研究内容 化工生产过程：
原料的预处理
1
化学反应பைடு நூலகம்
2
1，3 ：化工原理中的单元操作 2 ： 化学反应工程
分离提纯
3
产品
4
❖化学反应工程研究的内容：
1. 反应：如反应机理 是否需要催化剂，选择什么样的催化剂 反应的温度、压力如何 等等
2. 反应器的设计：选择和设计最佳的反应装置
1.3 化学反应工程学范畴及与其它学科的关系
❖“化学反应工程”的概念：1957年 荷兰
VanKrevelen 在荷兰Amsterdan召开的第一届欧洲反应工 程大会上首先提出的。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，这标志着化学反应工程学科的初步形成
❖黄金时代：1957年~20世纪70年代
随着反应动力学和传递过程的领域的发 展，以及石油化工的大发展，使生产日 趋大型化和单机化等等促使反应工程学 科的发展，使其进入黄金时代。
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。
❖数学模拟的简化要求：
各种工业反应工程是极为复杂的，一方面由 于对过程还不能全部地观测和了解，另一方面由 于数学知识和计算手段的限制，用数学模型来完 整地、定量地反映事物全貌目前还未能实现。因 此要将宏观反应过程的规律进行去粗取精的加工， 并在一定条件下进行合理简化。简化要求：
反映和描述工业反应器中各参数之间的关系， 称为物理概念模型，表达物理概念模型的数学式 称为数学模型，用数学方法来模拟反应过程的模 拟方法称为数学模拟方法。
用数学模拟方法来研究化学反应工程，进行 反应器的放大与优化，比传统的经验方法能更好 地反应其本质。
❖数学模型的分类：
数学模型按照处理问题的性质可分为： 化学动力学模型 流动模型 传递模型 宏观反应动力学模型（核心内容）
化学反应工程
第1章 绪论
化学反应工程教材
朱炳辰 化学反应工程 化学工业出版社
陈甘棠 化学反应工程 化学工业出版社
李绍芬 反应工程 化学工业出版社
1.1 化学反应工程的发展史
❖最早：20世纪30年代 丹克莱尔(Dankǒhler)
系统论述了扩散、流体流动和传热对反应 器产率的影响，为化学反应工程奠定基础
❖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
❖ 宏观反应过程：在工业规模的化学反应器中，化 学反应过程与质量、热量及动量传递过程同时进 行，这种化学反应与物理变化过程的综合称为宏 观反应过程。
❖ 宏观反应动力学：研究宏观反应过程的动力学称 为宏观反应动力学。
制订 模型 测试
机 方法
作 及参
方 数范
案 研
围
究
小试 模型的放大实验
比较测试结果与 模型计算结果
中试
修正基础模型
图1.2 数学模拟放大方法示意图
用
计
算
机 作过
多程
方的
案基
及 优 化
本 设
设计
计
计
算
第2章 化学反应动力学及反应器设计基础
2.1 化学反应和工业反应器的分类
2.1.1 化学反应的分类 ❖ 按照反应可逆性分
❖化学反应工程的新阶段：20世纪80年代后期
除了传统领域(化学工业、石油化工、冶金 化工)外，许多新的技术相继发展(如生物技 术、光导纤维以及新材料等)，使反应工程 产生了许多分支学科，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。
可逆反应 不可逆反应
❖ 按照反应分子数分
单分子反应 双分子反应 多分子反应
1.5 化学反应工程的研究方法
❖早期：经验归纳法
将实验数据用量纲分析和相似方法整理而获 得经验关联式。这种方法在研究管道内单向流体 流动的压力降、对流给热及不带化学反应的气液 两相间的传质等方面都得到了广泛的应用。
由于化学反应过于复杂，传统的经验归纳方 法不能反应化学反应工程的基本规律。
❖现在：数学模拟法
❖ 本征动力学：又称化学动力学，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。
❖ 宏观反应动力学与本征动力学的区别：宏观反应 动力学除了研究化学反应本身以外，还要考虑到 质量、热量、动量传递过程对化学反应的交联作 用及相互影响，与反应器的结构设计和操作条件 有关。
与化学反应工程相关的学科： 化学热力学、反应动力学、 催化剂、设备型式、操作方 法和流程、传递工程、工程 控制（化工系统工程）、反 应过程的分析、反应技术的 开发和反应器设计 等等
图1.1 化学反应工程学 与有关学科间的关系
❖化学热力学：确定物系的各种物性常数（如 热熔、反应热、压缩因子）分析反应的可能 性和可能达到的程度，如计算反应的平衡常 数和平衡转化率等。
❖ 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
❖反应动力学：阐明化学反应速率与各项物 理因素（如浓度、温度、压力和催化剂等） 之间的定量关系。
❖催化剂：如粒内传热，微孔中的扩散，催 化剂中活性组分的有效分布、催化剂的活 化和再生等等。
❖设备型式、操作方法和流程：反应不同， 规模不同，适合的反应器型式和操作方式 也会不同。为了实现某一反应，可有多种 技术方案，包括热量传递、温度控制、物 料是否循环等等，何种方案最为经济合理， 流程据此来拟订。
（1）不失真 （2）能满足应用要求 （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能力
1.6 工程放大与优化
❖ 工程放大和优化：将实验室和小规模生产的研究 成果推广到大型工业生产装置，要综合各方面的 有关因素提出优化设计和操作方案，即工程放大 和优化。
❖ 工程放大的方法：主要有相似放大、经验放大法 和数学模型放大法。
1.2 化学反应工程的研究内容 化工生产过程：
原料的预处理
1
化学反应பைடு நூலகம்
2
1，3 ：化工原理中的单元操作 2 ： 化学反应工程
分离提纯
3
产品
4
❖化学反应工程研究的内容：
1. 反应：如反应机理 是否需要催化剂，选择什么样的催化剂 反应的温度、压力如何 等等
2. 反应器的设计：选择和设计最佳的反应装置
1.3 化学反应工程学范畴及与其它学科的关系
❖“化学反应工程”的概念：1957年 荷兰
VanKrevelen 在荷兰Amsterdan召开的第一届欧洲反应工 程大会上首先提出的。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，这标志着化学反应工程学科的初步形成
❖黄金时代：1957年~20世纪70年代
随着反应动力学和传递过程的领域的发 展，以及石油化工的大发展，使生产日 趋大型化和单机化等等促使反应工程学 科的发展，使其进入黄金时代。
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。
❖数学模拟的简化要求：
各种工业反应工程是极为复杂的，一方面由 于对过程还不能全部地观测和了解，另一方面由 于数学知识和计算手段的限制，用数学模型来完 整地、定量地反映事物全貌目前还未能实现。因 此要将宏观反应过程的规律进行去粗取精的加工， 并在一定条件下进行合理简化。简化要求：
反映和描述工业反应器中各参数之间的关系， 称为物理概念模型，表达物理概念模型的数学式 称为数学模型，用数学方法来模拟反应过程的模 拟方法称为数学模拟方法。
用数学模拟方法来研究化学反应工程，进行 反应器的放大与优化，比传统的经验方法能更好 地反应其本质。
❖数学模型的分类：
数学模型按照处理问题的性质可分为： 化学动力学模型 流动模型 传递模型 宏观反应动力学模型（核心内容）
化学反应工程
第1章 绪论
化学反应工程教材
朱炳辰 化学反应工程 化学工业出版社
陈甘棠 化学反应工程 化学工业出版社
李绍芬 反应工程 化学工业出版社
1.1 化学反应工程的发展史
❖最早：20世纪30年代 丹克莱尔(Dankǒhler)
系统论述了扩散、流体流动和传热对反应 器产率的影响，为化学反应工程奠定基础
❖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
❖ 宏观反应过程：在工业规模的化学反应器中，化 学反应过程与质量、热量及动量传递过程同时进 行，这种化学反应与物理变化过程的综合称为宏 观反应过程。
❖ 宏观反应动力学：研究宏观反应过程的动力学称 为宏观反应动力学。
制订 模型 测试
机 方法
作 及参
方 数范
案 研
围
究
小试 模型的放大实验
比较测试结果与 模型计算结果
中试
修正基础模型
图1.2 数学模拟放大方法示意图
用
计
算
机 作过
多程
方的
案基
及 优 化
本 设
设计
计
计
算
第2章 化学反应动力学及反应器设计基础
2.1 化学反应和工业反应器的分类
2.1.1 化学反应的分类 ❖ 按照反应可逆性分