化学反应工程 第一章 绪论

§1.3 化学反应工程学的学科系统和编排
●按操作方法分类： ★分批（或间歇）式操作（Batch reactor operation)： 物料浓度及反应速率都在不断改变，是一种非定常态过程。工 程放大问题比较简单（相似放大），生产弹性大，操作灵活。 ★连续式操作(Constant flow reactor operation)： 适用于产量较大、生产品种单一的情况。 ★半分批（或半连续）式操作：
◆机理模型(Experience Model)----从过程机理出发推导得到的； ◆经验模型(Mechanism Model)----从实验数据归纳得到的。
化学反应工程中的数学模型： ◆ 动力学方程式(Chemical Reaction Kinetics Equation) ◆ 物料衡算式(Material Equilibrium Equation) ◆ 热量衡算式(Energy Equilibrium Equation) ◆ 动量衡算式(Momentum Equilibrium Equation) ◆ 参数计算式(Parameter Equation)
系统工程：反应过程的动态特性与反应系统的控制及
相关的最优化问题；
化学反应工程与相关学科的联系：
化学热力学：确定物系的各种物性常数，反应的可行性及可能达到
的程度。
反应动力学：反应器的选型、设计及操作方式选择都依赖于对反应
动力学特性(characteristics of reaction kinetics)的认识。 例如： ★裂解制乙烯； ★乙烯氧化制环氧乙烷； ★合成氨催化
化学与工艺：化学热力学(thermodynamics)、化学反
应动力学(chemical kinetics)，催化剂(catalysts)制备工 艺及反应条件；确定反应工艺路线、流程与设备。
传递工程：反应器中流体流动(fluid mechanics)、混合
(mix)、传热(heat transfer)、传质(mass transfer)；
§1.2 化学反应工程学的基本方法
化学反应工程研究方法：模型方法（Modelling Method)。 模型方法：是用数学模型来分析和研究化学反应工程问题。 数学模型（Mathematical Model)：用数学语言来表达过程中各种变量 之间的关系。数学模型的建立应从应用的角度着眼，使之适用和能用， 而不是力图将过程中的一切关系不分主次地罗列出来。 数学模型的分类：
●按反应装置的结构分类： 大致可分为：管式、塔式、釜式、固定床、流化床等类型。 要结 合反应特性及装置特性进行选型。
●按反应相态分类： ★均相(Homogeneous systems)：气相、液相； ★非均相(Heterogeneous systems)：气液、液液、气固、液固、固固、 气液固。
剂的开发等。
传递工程：流动与混合直接影响温度与浓度分布，最终影响离开装
置物料的组成。装置中的“三传”是极其复杂的，规模放大时的 “三传”也随之发生变化，即出现“放大效应”，因此要解决好装 置的放大效应，就必须对反应器内流体的三传（传热、传质、动量 传递）有一个十分清晰的认识。
系统工程：对反应装置是最优化的条件不一定就是整个系统的最优
实验
Medium Scale Experiment
Chemical Model Physical Model
预测
Design for industrial reactor
预 对测 比
动力学模型数据：描述过程反应速率快慢的数学模型。一般 均在实验室的小装置中进行，提供最基础的资料。
传递过程模型数据：依靠实验求取，特别是大型冷模装置， 当然有生产装置的数据可用就更好了。
支
to larger units)问题； ◆化学工程学科的发展促进反应工程学科发展；先有
单元操作(Unit operations)，后有反应工程学科分支； ◆系统工程学科的发展要求反应技术及 Nhomakorabea应器设计方
面能适应系统实现最优化目标；
2、化学反应工程的范畴与任务 化学反应工程：研究化学反应工程问题的学科。 化学反应工程研究对象：化学反应及反应器的工程问题， 将化学反应特性(characteristics of chemical reaction)与 反应器装置特性两者结合起来形成的学科体系。 化学反应工程研究内容包括范围：
化学反应工程
Chemical Reaction Engineering
§1.1 化学反应工程学的范畴与任务
1、化学反应工程发展概述
◆ 最 初 主 要 依 靠 经 验 (Experiences) ， 形 成 技 艺
(Technics)；然后去解决化学反应工程放大(Scale up
非线性的复 杂因素关联 导致出现反 应工程的分
模型的检验： ★ 必要性，工业反应器规模变化时，不仅产生量的变化， 而且产生质的变化，这样一定规模的实验得到的模型可 能不适用，必须修正； ★ 检验模型过程，需要做不同规模的反应器试验，反复 将模型进行检验，不断修正。可以用下图表示：
Lab. Experiment
Small Scale Experiment
写出并整理数学模型：包括物料衡算式、热量衡算式、动量 衡算式。 一般原则： 累积量(Accumulation)=输入量(Input) – 输出量(Output)
将物料衡算式、热量衡算式、化学反应动力学方程式 结合相关的参数计算式联立求解
结果就给出了反应装置的浓度分布与温度分布 从而回答了反应器设计中的最基本问题
化，这时反应装置也就只能服从系统最优化目标，为此必须了解反 应过程的动态特征及相关的最优化问题。
化学反应工程学的任务： 研究工业化学反应器的基本原理和对反应器中所进行反应 过程进行分析。结合具体的反应装置，运用物理学、化学 及工程学和经济学的基本原理与定律，综合研究反应器中 的反应过程与传递过程，从而能够正确选定反应器的的最 合适的型式和最经济的化学工艺路线及操作条件。对反应 器进行最佳设计和最佳控制，为过程开发和反应器的放大 提供依据。概括的说，化学反应工程学就是使化学反应实 现工业化的一门技术科学。