化学反应工程绪论
化学反应工程绪论
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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
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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
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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)
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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
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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。
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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。
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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。
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。
化学反应工程习题精选与解答
第一章 绪论1. 化学反应工程是一门研究______________的科学。
（化学反应的工程问题）2. 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_______作为研究对象，又以_______为研究对象的学科体系。
（化学反应、工程问题）3. _______是化学反应工程的基础。
（ 三传一反）4. 化学反应过程按操作方法分为_______、_______、_______操作。
（分批式操作、连续式操作、半分批式）5. 化学反应工程中的“三传一反”中的三传是指_______、_______、_______。
（传质、传热、动量传递）6. 不论是设计、放大或控制，都需要对研究对象作出定量的描述，也就要用数学式来表达个参数间的关系，简称_______。
（数学模型）7. 在建立数学模型时，根据基础资料建立物料、热量和动量衡算式的一般式为_______。
（累积量=输入量-输出量）8.“三传一反”是化学反应工程的基础，其中所谓的一反是指_______。
（D ）A ．化学反应 B. 反应工程 C. 反应热力学 D. 反应动力学 9.“三传一反”是化学反应工程的基础，下列不属于三传的是_______。
（A ）A. 能量传递B. 质量传递C. 热量传递D. 动量传递第二章 均相反应动力学1. 均相反应是指_。
（参与反应的物质均处于同一相）2. aA + bBpP + sS 对于反应，则=P r _______)(A r -。
（ap）3.着眼反应组分K 的转化率的定义式为_______。
（00K KK K n n n -=χ）4.当计量方程中计量系数的代数和等于零时，这种反应称为_______，否则称为_______。
（等分子反应、非等分子反应）5. 化学反应速率式为βαB A C A C C K r =-，用浓度表示的速率常数为C K ，假定符合理想气体状态方程，如用压力表示的速率常数P K ，则C K =_______P K 。
《化学反应工程》绪论
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。
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。
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。
化学反应工程陈甘棠第一章
200-3000c
2020年6月12日星期五
六、反应工程的前沿领域
•新材料合成 •能源化工 •环境化工 •新反应器 •操作方式 作业：反应工程的前沿之一
——对×××××××××的综述
2020年6月12日星期五
-50c
CH3-OH 400C 液相（高压）
2020年6月12日星期五
节流
➢ 生态工业组合
磷肥生产
Ca3 (PO4 )2 3H 2 SO4 H 3 PO4 3CaSO4 3NH 3 (NH 4 )3 PO4
磷石膏分解 CaSO4 CaO SO3
CaS CaO SO2
硫酸生产
SO2 12 O2 SO3
➢ 数学模拟的检验测定 即：数学模拟结果用实验测定可否应用
2020年6月12日星期五
基础 试验 测定
拟定 过程 模型
制
定
Байду номын сангаас用模
计型
算 机 做
测 试
方方
案法 研及 究参
数
范
围
小试
模型的放大 试验
中试
比较测试结 果与模型计 算结果
修正基础模型
2020年6月12日星期五
数学模拟放大示意图
用 计 算 机过 做程 多的 方基 案本 及设 优计 化 设 计 计 算
1957年，荷兰阿姆斯特丹第一次欧洲反应工程会议——确立 了化学反应工程的名称
2020年6月12日星期五
二、化学反应工程的范畴和任务
化学工艺
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
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。
化学反应工程 绪论介绍
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
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
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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
化学反应工程陈甘棠第一章
银催化剂
CH2 CH2 CHCH
加氢 CH2 CH2 氧化
（微量） CH CH H2 H2CC2H H2
CHCH
O
H2C CH2
C H C H H 2O
O
用于能源过程
400c
Ca2C C l H 3OH 1400c
氯化钙·甲醇络合物
H
CH3-OH
低压
C a C l2·2 H3C -O H 1500C
按操作方式分类 间歇操作 连续操作 半连续操作 按反应器除热方式分类
T 0C
绝热式
L
2019/11/4
间壁换热式 自热式 冷激式
相变式
2019/11/4
L
L
T℃
L
T℃
t (hr)
按反应物相态分类
均相反应 非均相反应
非催化反应 大部分气相反应 快速反应（燃烧等）
经济学
化学热力学——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
2019/11/4
•反应器中流体流动、混合传热与传质 ——影响反应速率的外因 如：非均相反应、气固反应、催化剂表面的扩散与吸附等 ——“放大效应“产生的直接原因 •设备结构及参数设计 如：反应器的种类（管式、釜式、流化床、固定床等）、 操作方式（连续、分批） ——考虑经济上的合理性
反应产物的分离与提纯
单元操作（三传）
2019/11/4
2、反应工程概念的提出
20世纪30年代，丹克莱尔(Damhohler)论述了扩散、流体流动 和传热对反应器产率的影响——奠定了基础 梯尔(Thiele)和史尔多维奇对扩散反应问题作了开拓性的工作 40年代末，霍根(Hougen)和华生(Waston)著作《化学过程原理》 法兰克-卡明聂斯基著作《化学动力学中的扩散与传热》问世
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 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-第一章_绪论解析
发展简史
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。
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。 Fritz Haber (1868 - 1934)
12
发展简史
第三阶段：现代化学工业（二战前后），在原料路线， 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。 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
环保工业、建材、印染、生物技术、医药、食品、造纸等 工业部门。
PI的特点：原料产品、加工过程、增加产量
10
发展简史
第一阶段：古代的化学生产（17世纪以前） 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；尚未形成有规模的化学加工实践。 实用化学 炼丹和炼金
冶金化学
医药化学 生产硫酸
新的分支
集总方法 聚合反应工程 电化学反应工程 生化反应工程 冶金化学反应工程
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化学反应工程的研究内容
以工业规模进行的化学反应的规律。 化学动力学——研究浓度和温度对反 应速度的影响的科学。 （1）影响反应速度的各种因素以及如
何获得最优的反应结果等问题。
（2）化学反应的速度和平衡的规律。
大庆炼化
学反应过程的开发和反应器的可靠设计提出迫切要求；
化学反应工程绪论3.2
1957 欧洲第一届反应工程会议，提出反应工程学概念
1 、化学工程发展史及化学反应工程学科的形成
• 化学工程学科体系的基本内容： 化学工程共同的现象，可概括为“三传一反”，即动 量传递、热量传递、质量传递及化学反应，其学科形成了 以传递过程及化学反应工程为核心的学科体系（包括化工 热力学、化工单元过程、分离工程、化工系统工程等）
1 、数学模拟方法
数学模拟方法过程如下，由四部分组成。 真实过程 1） 简化模型 2） 数学模型 4） 3） 模型计算 实验检验
修 改
实际应用
2、数学模拟方法原则
1）数学模拟方法的核心是对真实过程的简化以及简化模型 和真实过程的等效程度。 2）针对真实过程可以按不同程度的要求简化成不同的简化 模型，对于某一真实过程可以有不同的简化模型。 3）简化模型。数学模型和数学方法是相互联系的，应力求 数学方法简单，便于数学模型的实际应用。 4）数学模拟方法的基础： （1）积累实践经验或者实验数据； （2）学习掌握基础数学模型。
• 特点有三个方面：原料产品、加工过程、增加产量
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。
的化学性质没有起变化；贮槽只是起贮存物料作用。
b 、化学反应器
在这类设备中发生了化学反应，通过化学反应改变了物料 的化学性质。 化工生产过程是由物理过程和化学反应过程组成的。化工 设备分为“物理型”和化学反应器两大类。在化学反应器中 发生化学反应，由原料转换成产物，是化工生产的核心设备。
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
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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Trends in ChemE and Chem. Industry
Diversified application areas
Relying on broader and deeper science knowledge
Fundamental Sciences
Physics Chemistry Biology Mathematics … …
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
及工业反应器的设计方法
1化学工程与化学工程师
化学工程与化学 化学工程师与化学家 化学工程师的具体任务与目标
Narrowed:
Chemical conversion is performed for the purpose of producing or eliminating pre-determined molecular compound(s)
Engineering & Engineer
Quantitative reasoning
Readiness to face open-end question
A habit of visualizing the solution
Invent
Hamlet was created; The telephone was invented; Structure of DNA was discovered
Trends in ChemE and Chem. Industry
Globalization:
Competition Job Security
• The ability to find another job
Speed is the key
Sustainability: energy and environmental
解决实际问题 追求效率最大化 追求资源利用最大化 经济评价指标
Engineering & Engineers
Solve practical problems
Scientists solve the problems they can, but Engineers try to solve the problems they have to;
Problem-oriented
Solve practical problems efficiently
Engineers do for a penny what any fool can do for a pound.
Solve practical problems efficiently with limited resources
Chemical Engineering
Unit Operations Transport processes Reaction Engineering
……
Applications
Energy Inorganic Industry Petrochemicals
Biochemicals Pharmaceuticals Materials Electronics
Requirement for ChemE Education
Versatility Be Practical
Use fundamental theories and knowledge to solve practical problems
Multi-scale analysis and Synthesis
Willingness to make estimates and assumptions Must be constantly aware of the difference between the
idealized conditions under which the basic knowledge was obtained and the real conditions of their design and its environment Fearless, embraces new challenges
Whether you believe you can, or
whether you believe you can’t, you are
absolutely right!
Henryring
I shall use the phrase of Chemical Engineering Science to mean the aspects of science developed by chemical engineers for their own purpose in field not covered by other branch of technology.
P. V Danckwerts
Education: Winchester College; Balliol College, Oxford University; Massachusetts Institute of Technology. BA (chemistry) Oxon, 1938; SM (Chemical Engineering Practice), MIT, 1948; MA Cantab 1948. Held a post in the small chemical company of Fullers Earth Union Ltd, Redhill, 1939-1940.
Analysis of complex system Comprehensive usage of a broad range
of knowledge
Chemical Reactor: Definition
General:
An equipment or device that serves to conduct chemical reactions, i.e. convert molecules from one form to another