化学反应工程-第一章_绪论
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29
其他型式
釜式反应器 又称反应釜，搅拌反应器 特征: 反应器高度与直径相当或稍高。 釜内设有搅拌装置和挡板。 常带夹套或釜内放置蛇管，传 热以维持釜内所需温度。 适用于液相均相反应、气液反 应、液液反应、液固反应、气 液固三相反应。
30 30
31 31
各种搅拌桨的形式
32 32
搅拌釜的各种换热形式
22
热量传递过程－传热因素
A→B
rA kCA
k k0 e
E RT
A
C A0
CA
23
质量传递过程－传质因素
24
质量传递过程－传质因素
此处反应较快 边缘反应物浓度高 中央反应物浓度低
R
25
工业反应器型式
(1)间歇操作的搅拌釜 批次生产，用于处理液相系统、
多品种、小批量的制药、染料等 的生产。
2
第一章 绪论
•Chemical Reaction Engineering, by Levenspiel O. •Elements of Chemical Reaction Engineering, by Scott Fogler
3
第一章 绪论
学科地位及历史 研究对象及内容 研究方法
4
课程的任务和基本要求
通过含有钯的催化剂床层生成气相 的醋酸乙烯。
(5)流化床反应器（沸腾床） 固体催化剂颗粒小，当反应气体通 过床层时，使催化剂颗粒处于不断
的运动中，俗称——石油工业中的 催化裂化反应器。
工业反应器型式
（6)鼓泡床反应器。用于气液 非均相反应过程的反应器。如乙 醛与氧气通过含有醋酸锰的醋酸 溶液生成醋酸的反应。 浆态反应器 滴流床反应器 移动床反应器
15
发展简史
美国Bird等编写了《传递现象》 （ Transport Phenomena ） 这部历史性的著作
16
发展简史
荷兰van Krevelen提出“化学反应工程”的概念。 1957年，阿姆斯特丹，第一届欧洲化学反应工程会议， van Krevelen作首篇综合性报告：Micro- and Macro- Kinetics •化学工业（石油化学工业）的发展，生产趋于大型化，对化
换热器
63
研究方法
• 化学反应工程中，有化
学过程，又有物理过程。 实验的纳果，只能还原应 用于该实验条件本身，既 没有普遍性，也不能转用 于实验条件之外的其它情 况。 •小实验的结果，不能应 用于大型装置。
26
工业反应器型式
(2)连续操作的搅拌釜 用于均相或非均相的液相 系统，如聚合反应等。多 釜连续操作、多釜串联操
作。
(3)管式反应器 多用于大规模的气相或 液相反应，如石油气裂解 用的裂解炉
27
(4)固定床反应器 在管子中充填有固体颗粒催化剂， 气相反应物通过催化剂床层而进行 气相催化反应，如气相醋酸和乙烯
根据换热方式不同,可分为三种型式： (1)换热式固定床反应器 结构型式类似于列管式换热器。 管内装填催化剂，反应物料自上 而下通过床层；管间为载热体，与 管内物料进行换热，以维持所需的 温度条件。
37 37
列管式固定床反应器
(2)绝热式固定床反应器 床层与外界没有热量交换。 结构简单，造价低廉，但适用热效应 不大或催化剂对温度要求不高的反应。
现场工作—— 反应器操作不正常的原因 •化学方面(如催化剂活
性变化)
•传递过程方面
62
研究方法
• 一般的化学工程问题，藉助相似 论和因次论指导下的实验，综合性地 予以解决。 例如：换热器中传热系数，它不是 从基础理论出发去寻找有关因素之间
的数学关系，再经过数学方程的运算 而求解，而是通过实验测பைடு நூலகம்归纳成经 验的相似准数的关系式予以确定的。
化学反应工程
(Chemical reaction engineering, CRE) 授课教师：李青云
1
第一章 绪论
教材： 朱炳辰 主编，化学反应工程（第四 版），化学工业出版社，2007 参考资料： ①郭锴，唐小恒，周绪美编，化学 反应工程，化学工业出版社； ②陈甘棠主编，化学反应工程，高 等教育出版社。
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
18
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
一门具有完整理论体系的全面学科。
14
发展简史
•1947年——霍根与华生合著的《化工过程原理》第三分册中
论述了动力学和催化过程。
•50年代，有一系列重要的研究论文发表于《化学工程科学》 杂志，对反应器内部发生的若干种重要的、影响反应结果的 传递过程，如返混、停留时间分布、微观混合、反应器的稳 定性等进行研究，获得了丰硕的成果。
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
教学时数分配
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 总学时 3学时 7学时 9学时 8学时 6学时 3学时 5学时 6学时 4学时 51学时
11
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
12
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)
(1)化学反应的规律——主要是 物理化学的领域，着重研究反应 的历程和机理；化学反应工程着 重于反应速率规律的定量描述。
(2)传递过程的规律——一般化 学工程的领域； (3)上述两者的结合能力。
61
新的反应过程的开发
化学阶段—— 发现和认识新的 工程阶段—— •反应器的选型
化学反应
•操作条件的选择 •反应器的工程设计
42 42
移动床反应器
特征：固体颗粒自反应器顶部连续加入，自上而 下移动， 由底部卸出。 反应流体与颗粒成逆流接触。 适用：催化剂需要连续再生的催化反应、固相加工反应。
43 43
滴流床反应器 特征：反应器内催化剂也 是固定不动的。广义上的 固定床反应器。 适用：液固及气液固三 相反应。如石油馏份加氢 精制、脱硫等。 优点：液体不需要加热 变成气体，节省能源。
39 39
流化床反应器
特征：反应器内固体粒子 可以象流体一样被流化起 来。 适用于气固，液固，气液 固反应。如： 催化剂快速失活需立即 再生的：催化裂化装置 强放热反应：丙烯氨氧 化，萘氧化，丁烯氧化 脱氢 固相加工反应：黄铁矿， 闪锌矿的焙烧，石灰石 的煅烧等
40 40
41 41
48
Grassroots FCC unit under construction in Mexico
49
50
80万吨/年加氢裂化装置
51
52
53
54
45万吨/年乙烯裂解球罐
55
釜式反应器
56
环管反应器
57
58
工业反应器的参数
温度分布
y
工业反应器
浓度分布
时间分布
z x
（1）反应体积V——进行反应场所的体积。 ——如果反应在液相进行，就要用液相的体积；反之就要 用气相的体积（或界面区的体积）
学反应过程的开发和反应器的可靠设计提出迫切要求；
•化学反应动力学和化工单元操作的理论和实践有了深厚的基 础； •数学模型方法和大型电子计算机的应用为反应工程理论研究 提拱有效的方法和工具。
17
发展简史
50年代末到60年代初——S.M.华拉斯的《化工动力学》，O. 列文斯比尔的《化学反应工程》等，使学科体系大体形成。 1981年，化学反应工程正式进入我国化工高等教育。
化学反应工程——化学工程学科的一个 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。 研究对象——工业反应过程，研究过程 速率及其变化规律、传递规律及其对化 学反应的影响。
5
化工热力学 反应动力学 传递过程理论 化工单元操作
课程的任务和基本要求
13
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
化学 反应器的开发 设计 放大 优化操作 石油化学 应用 生物化学 医药
目的
冶金
轻工
大庆炼化厂区鸟瞰图
6
学习要求
（1）牢固掌握基本概念、基本原理以及反应器分析和设计 所用的基本关系式；
（2）较深入地了解各种类型反应器的特点、性能和适用范 围，掌握固定床催化反应器等几种重要反应器的化工设计计 算方法； （3）掌握工业反应器设计的一般方法和程序； （4）较深刻地理解数学模型和模拟方法的基本原理和实质； （5）具备一定的工程应用能力。
9
过程工程（process engineering)
对“化学工程”概念的拓展。
“过程工业”（process industry）——化学工程学在发展
过程中不断向科技新领域渗透拓展，应用对象已经涵盖了 所有与物质的物理、化学加工过程相联系的工业部门，包
括石油炼制、化学工业、能源工业、航空、军事、冶金、
7
基本内容
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 绪论 均相反应动力学 理想反应器 非理想流动 气固催化反应动力学
第六章
第七章 第八章 第九章
反应器设计的一般原则和方法
固定床反应器 流化床反应器 其它多相反应器
8
学科体系的基本内容与地位
过程工程——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） 动量传递 三传一反 热量传递 质量传递 化学反应
19
化学反应的分类
按反应特性分类： 机理，可逆性，分子数，级数，热效应 按反应物系的相类特征分类： 均相；非均相（催化非催化），如 气固相催化反应，气液相反应。 按反应过程的条件分类： 温度，压力，操作方式
20
动量传递过程－流动因素
A→B
A
rA CA
CA CA0et
C A0
CA
44 44
鼓泡塔反应器 + + + + 简单 传质好 (射流入口) 低剪切 (气升式) 短扩散距离 - 低催化剂空速 - 高返混 - 中等传热能力
45 45
高 低 并 列 的 提 升 管 FCC 装 置
46
南 充 炼 厂 FCC 装 置
47
Cold flow model of Kellogg dense phase catalyst cooler
59
工业反应器的参数
（2）浓度：在气液反应中，浓度指液相
A
中B的浓度和溶解于液相中的A的浓度。在 同一时刻在反应器的不同部位，A的浓度 不同。 （3）温度：在反应器中心处与釜壁处温 度存在差异。
（4）时间： 在连续操作的反应器，平均 的停留时间是否等于反应时间呢? B
C
60
知识准备
处理反应工程的问题需要具备三 个方面的知识：
33 33
塔式反应器 特征：反应器高度为直径的数倍以至十几倍。 内部常设置能增加两相接触的构件，如填料，筛板等。 适用于两种流体相反应的过程。如气液反应、液液反应。
34 34
无论哪一种塔式反应器，两种流体可以成逆流， 也可以并流操作
35 35
环流反应器
36 36
固定床反应器 特征：反应器内填充有固定不动的固体颗粒。 可以是催化剂，也可以是固体反应物。 适用于气固催化反应，固相加工反应，应用非常广泛。
重要过程： 丙烯氧化制丙烯酸 乙炔HCl制氯乙烯 乙烯环氧化制环氧乙烷 烃类加氢
乙苯脱氢制苯乙烯
煤气化
绝热式固定床反应器
38 38
(3)自热式固定床反应器 以冷的原料作为载热体，使冷原料本身预热到反应所 需的温度，然后进入床层进行反应。 使用前提：放热反应，热量大致平衡。
自热式固定床反应器
其他型式
釜式反应器 又称反应釜，搅拌反应器 特征: 反应器高度与直径相当或稍高。 釜内设有搅拌装置和挡板。 常带夹套或釜内放置蛇管，传 热以维持釜内所需温度。 适用于液相均相反应、气液反 应、液液反应、液固反应、气 液固三相反应。
30 30
31 31
各种搅拌桨的形式
32 32
搅拌釜的各种换热形式
22
热量传递过程－传热因素
A→B
rA kCA
k k0 e
E RT
A
C A0
CA
23
质量传递过程－传质因素
24
质量传递过程－传质因素
此处反应较快 边缘反应物浓度高 中央反应物浓度低
R
25
工业反应器型式
(1)间歇操作的搅拌釜 批次生产，用于处理液相系统、
多品种、小批量的制药、染料等 的生产。
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第一章 绪论
•Chemical Reaction Engineering, by Levenspiel O. •Elements of Chemical Reaction Engineering, by Scott Fogler
3
第一章 绪论
学科地位及历史 研究对象及内容 研究方法
4
课程的任务和基本要求
通过含有钯的催化剂床层生成气相 的醋酸乙烯。
(5)流化床反应器（沸腾床） 固体催化剂颗粒小，当反应气体通 过床层时，使催化剂颗粒处于不断
的运动中，俗称——石油工业中的 催化裂化反应器。
工业反应器型式
（6)鼓泡床反应器。用于气液 非均相反应过程的反应器。如乙 醛与氧气通过含有醋酸锰的醋酸 溶液生成醋酸的反应。 浆态反应器 滴流床反应器 移动床反应器
15
发展简史
美国Bird等编写了《传递现象》 （ Transport Phenomena ） 这部历史性的著作
16
发展简史
荷兰van Krevelen提出“化学反应工程”的概念。 1957年，阿姆斯特丹，第一届欧洲化学反应工程会议， van Krevelen作首篇综合性报告：Micro- and Macro- Kinetics •化学工业（石油化学工业）的发展，生产趋于大型化，对化
换热器
63
研究方法
• 化学反应工程中，有化
学过程，又有物理过程。 实验的纳果，只能还原应 用于该实验条件本身，既 没有普遍性，也不能转用 于实验条件之外的其它情 况。 •小实验的结果，不能应 用于大型装置。
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工业反应器型式
(2)连续操作的搅拌釜 用于均相或非均相的液相 系统，如聚合反应等。多 釜连续操作、多釜串联操
作。
(3)管式反应器 多用于大规模的气相或 液相反应，如石油气裂解 用的裂解炉
27
(4)固定床反应器 在管子中充填有固体颗粒催化剂， 气相反应物通过催化剂床层而进行 气相催化反应，如气相醋酸和乙烯
根据换热方式不同,可分为三种型式： (1)换热式固定床反应器 结构型式类似于列管式换热器。 管内装填催化剂，反应物料自上 而下通过床层；管间为载热体，与 管内物料进行换热，以维持所需的 温度条件。
37 37
列管式固定床反应器
(2)绝热式固定床反应器 床层与外界没有热量交换。 结构简单，造价低廉，但适用热效应 不大或催化剂对温度要求不高的反应。
现场工作—— 反应器操作不正常的原因 •化学方面(如催化剂活
性变化)
•传递过程方面
62
研究方法
• 一般的化学工程问题，藉助相似 论和因次论指导下的实验，综合性地 予以解决。 例如：换热器中传热系数，它不是 从基础理论出发去寻找有关因素之间
的数学关系，再经过数学方程的运算 而求解，而是通过实验测பைடு நூலகம்归纳成经 验的相似准数的关系式予以确定的。
化学反应工程
(Chemical reaction engineering, CRE) 授课教师：李青云
1
第一章 绪论
教材： 朱炳辰 主编，化学反应工程（第四 版），化学工业出版社，2007 参考资料： ①郭锴，唐小恒，周绪美编，化学 反应工程，化学工业出版社； ②陈甘棠主编，化学反应工程，高 等教育出版社。
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
18
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
一门具有完整理论体系的全面学科。
14
发展简史
•1947年——霍根与华生合著的《化工过程原理》第三分册中
论述了动力学和催化过程。
•50年代，有一系列重要的研究论文发表于《化学工程科学》 杂志，对反应器内部发生的若干种重要的、影响反应结果的 传递过程，如返混、停留时间分布、微观混合、反应器的稳 定性等进行研究，获得了丰硕的成果。
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
教学时数分配
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 总学时 3学时 7学时 9学时 8学时 6学时 3学时 5学时 6学时 4学时 51学时
11
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
12
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)
(1)化学反应的规律——主要是 物理化学的领域，着重研究反应 的历程和机理；化学反应工程着 重于反应速率规律的定量描述。
(2)传递过程的规律——一般化 学工程的领域； (3)上述两者的结合能力。
61
新的反应过程的开发
化学阶段—— 发现和认识新的 工程阶段—— •反应器的选型
化学反应
•操作条件的选择 •反应器的工程设计
42 42
移动床反应器
特征：固体颗粒自反应器顶部连续加入，自上而 下移动， 由底部卸出。 反应流体与颗粒成逆流接触。 适用：催化剂需要连续再生的催化反应、固相加工反应。
43 43
滴流床反应器 特征：反应器内催化剂也 是固定不动的。广义上的 固定床反应器。 适用：液固及气液固三 相反应。如石油馏份加氢 精制、脱硫等。 优点：液体不需要加热 变成气体，节省能源。
39 39
流化床反应器
特征：反应器内固体粒子 可以象流体一样被流化起 来。 适用于气固，液固，气液 固反应。如： 催化剂快速失活需立即 再生的：催化裂化装置 强放热反应：丙烯氨氧 化，萘氧化，丁烯氧化 脱氢 固相加工反应：黄铁矿， 闪锌矿的焙烧，石灰石 的煅烧等
40 40
41 41
48
Grassroots FCC unit under construction in Mexico
49
50
80万吨/年加氢裂化装置
51
52
53
54
45万吨/年乙烯裂解球罐
55
釜式反应器
56
环管反应器
57
58
工业反应器的参数
温度分布
y
工业反应器
浓度分布
时间分布
z x
（1）反应体积V——进行反应场所的体积。 ——如果反应在液相进行，就要用液相的体积；反之就要 用气相的体积（或界面区的体积）
学反应过程的开发和反应器的可靠设计提出迫切要求；
•化学反应动力学和化工单元操作的理论和实践有了深厚的基 础； •数学模型方法和大型电子计算机的应用为反应工程理论研究 提拱有效的方法和工具。
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发展简史
50年代末到60年代初——S.M.华拉斯的《化工动力学》，O. 列文斯比尔的《化学反应工程》等，使学科体系大体形成。 1981年，化学反应工程正式进入我国化工高等教育。
化学反应工程——化学工程学科的一个 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。 研究对象——工业反应过程，研究过程 速率及其变化规律、传递规律及其对化 学反应的影响。
5
化工热力学 反应动力学 传递过程理论 化工单元操作
课程的任务和基本要求
13
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
化学 反应器的开发 设计 放大 优化操作 石油化学 应用 生物化学 医药
目的
冶金
轻工
大庆炼化厂区鸟瞰图
6
学习要求
（1）牢固掌握基本概念、基本原理以及反应器分析和设计 所用的基本关系式；
（2）较深入地了解各种类型反应器的特点、性能和适用范 围，掌握固定床催化反应器等几种重要反应器的化工设计计 算方法； （3）掌握工业反应器设计的一般方法和程序； （4）较深刻地理解数学模型和模拟方法的基本原理和实质； （5）具备一定的工程应用能力。
9
过程工程（process engineering)
对“化学工程”概念的拓展。
“过程工业”（process industry）——化学工程学在发展
过程中不断向科技新领域渗透拓展，应用对象已经涵盖了 所有与物质的物理、化学加工过程相联系的工业部门，包
括石油炼制、化学工业、能源工业、航空、军事、冶金、
7
基本内容
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 绪论 均相反应动力学 理想反应器 非理想流动 气固催化反应动力学
第六章
第七章 第八章 第九章
反应器设计的一般原则和方法
固定床反应器 流化床反应器 其它多相反应器
8
学科体系的基本内容与地位
过程工程——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） 动量传递 三传一反 热量传递 质量传递 化学反应
19
化学反应的分类
按反应特性分类： 机理，可逆性，分子数，级数，热效应 按反应物系的相类特征分类： 均相；非均相（催化非催化），如 气固相催化反应，气液相反应。 按反应过程的条件分类： 温度，压力，操作方式
20
动量传递过程－流动因素
A→B
A
rA CA
CA CA0et
C A0
CA
44 44
鼓泡塔反应器 + + + + 简单 传质好 (射流入口) 低剪切 (气升式) 短扩散距离 - 低催化剂空速 - 高返混 - 中等传热能力
45 45
高 低 并 列 的 提 升 管 FCC 装 置
46
南 充 炼 厂 FCC 装 置
47
Cold flow model of Kellogg dense phase catalyst cooler
59
工业反应器的参数
（2）浓度：在气液反应中，浓度指液相
A
中B的浓度和溶解于液相中的A的浓度。在 同一时刻在反应器的不同部位，A的浓度 不同。 （3）温度：在反应器中心处与釜壁处温 度存在差异。
（4）时间： 在连续操作的反应器，平均 的停留时间是否等于反应时间呢? B
C
60
知识准备
处理反应工程的问题需要具备三 个方面的知识：
33 33
塔式反应器 特征：反应器高度为直径的数倍以至十几倍。 内部常设置能增加两相接触的构件，如填料，筛板等。 适用于两种流体相反应的过程。如气液反应、液液反应。
34 34
无论哪一种塔式反应器，两种流体可以成逆流， 也可以并流操作
35 35
环流反应器
36 36
固定床反应器 特征：反应器内填充有固定不动的固体颗粒。 可以是催化剂，也可以是固体反应物。 适用于气固催化反应，固相加工反应，应用非常广泛。
重要过程： 丙烯氧化制丙烯酸 乙炔HCl制氯乙烯 乙烯环氧化制环氧乙烷 烃类加氢
乙苯脱氢制苯乙烯
煤气化
绝热式固定床反应器
38 38
(3)自热式固定床反应器 以冷的原料作为载热体，使冷原料本身预热到反应所 需的温度，然后进入床层进行反应。 使用前提：放热反应，热量大致平衡。
自热式固定床反应器