第一章 化学反应工程-绪论
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化学反应工程的重要支柱之一。
• 热力学
• 反应平衡常数 • 可能性和极限 • 反应热
• 供热还是移热
催化作用
70%以上的化工产品是由催化过程生产！
催化剂的性质、性能直接影响反应器的设计！
催化剂
活性
选择性 寿命/稳定性
1.3 化学反应及化学反应器的分类
•1.3.1 化学反应的工程分类
• 1. 按反应的相数及类别分类：均相反应，非均相反应 • 2. 化学反应的选择性分类：简单反应，复合反应， • 3.按化学反应的机理分类：基元反应和非基元反应 • 4. 按化学反应的动力学级数分类：一级，二级，三级 反应 • 5.按化学反应的热特性分类：吸热反应，放热反应 • 6. 按反应过程的条件分类：等温、绝热、非绝热变温 反应，常压、加压，减压反应等
• 3.6 多孔催化剂颗粒内的扩散过程
• 3.7 传质影响的判断与消除
第四章 理想反应器 （12学时 )
• 4.1 流动模型概述
• 4.1.1 反应器中流体的流动模型
• 4.1.2 反应器设计的基本方程 • 4.2 理想流动反应器 • 4.2.1 间歇反应器 • 4.2.2 平推流反应器 • 4.2.3 全混流反应器 • 4.2.4 多级全混流反应器的串联及优化 • 4.2.5理想流动反应器的组合与反应体积比较 • 4.2.6理想流动反应器中多重反应选择率
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。
生产硫酸
化学反应工程学科的形成第二阶段
间歇
气
连续
液
气 气
气
液 流动系统
封闭系统
气
气 流动系统
常见反应器
• 用来实现化学变化的设备 • 过程工业中的核心装置，其 性能对生产过程的影响举足 轻重。 • 裂解炉 • 搅拌釜式反应器 • 多釜串联反应器 • 气液相塔式反应器 • 固定床反应器 • 流化床反应器 • 气液固三相反应器
宏观动力学与本征动力学
• 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。
• 研究宏观反应过程的动力学称为宏观反应动力学。
• 化学动力学，或称为本征动力学，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，但不包括传递过程及反应器结 构等参数对反应速率的影响。
1.4 化学反应工程（CRE）研究方法
• 理论方法，经验方法，数值计算方法
• 平推流，全混流，非理想流动反应器三大类。
• 理想流动反应器，非理想流动反应器 • 3.按反应器的几何构型分类： • 管式反应器、槽式反应器、塔式反应器 • 4.按操作方式分类：间歇式反应器、连续式反应器、半连
续式反应器(见绪论表))
操作方式
• 间歇，连续，半连续
半连续
科学。
主要内容是：对工业反应进行宏观动力学研究；对 反应过程进行工程分析；制定合理的技术方案和操 作条件；进行反应器或反应系统的设计及优化。 本课程的教学任务是讲授上述的基本理论、概念和
研究方法.
教学目的
• 为学生具有以下方面的能力打下坚实的理论基 础： • 1. 改进和加强现有的反应技术和设备； • 2. 开发新的反应技术和新的反应设备； • 3. 用理论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。
衣
食 住
行
化学反应工程研究对象
研究对象：工业规模的化学反应过程。 化学反应工程的中心内容是深入认识有关工业 反应器的操作和设计所必需的理论知识. 工业反应器里的化学反应过程是同时伴随物理 变化的复杂过程。 ：物理变化与化学反应二者的综合→宏观反应 过程,研究宏观反应过程的动力学称为宏观动 力学. 物理变化概括为三种传递过程:
化工厂图
化工设备
1.3.2 工业反应器的分类
• 现代大型化工厂的外貌特征：厂房毗连， 设备庞大，高塔林立，管道纵横。设备和 管道交错复杂。其中，化学反应器是化工 厂的核心设备。
• 用来实现化学变化的设备－－反应器
1.3.2 工业反应器的分类
• 1. 按反应的相数及类别分类（常用）： • 均相反应器：气相反应器、液相反应器 • 非均相反应器：气固相、气液相、液固相、固相及气液相 三相反应器 • 2. 按反应器内物料的流动状态分类：
化学反应工程 (Chemical Reaction Engineering)
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
《化学反应工程》教学大纲 学时：40 学分：2.5 一、课程的目的与任务
化学工业生产过程包括物理变化和化学反应的过程。 化学反应过程是生产的关键。化学反应工程研究化 学反应的工程问题 . 使化学反应实现工业化的一门
教学安排
• 第一章绪论（2学时）
• 1.1 化学反应工程学的历史和趋势
• 1.2 化学反应工程学的内容与任务 • 1.3化学反应及化学反应器的分类 • 1.4化学反应工程学的研究方法
第二章 均相反应动力学 （10学时）
• 2.1化学反应速率
• 2.2化学反应速率方程 • 2.3化学反应速率方程式的变换与积分 • 2.4复合反应动力学分析
第一章 绪 论
•1.1 化学反应工程发展简述
化学反应工程学科的形成第一阶段 • 古代: 陶瓷器的制作、酒与醋的酿造、造纸 等等，都是众所周知的化学反应过程。只 能主要依靠经验成为一门技艺，而达不到 工程科学的水平。原因：没有能够认清它 们的共同规律。
化学反应工程学科的形成第一阶段
古代的化学生产（17世纪以前）
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
例：催化裂化过程的发展：
• 固定床 • 提升管 移动床 循环流化床 两段提升管、下行式循环流化床
化学反应工程学与其它学科关系
数学：
微积分
代数方程；微分方程
---数值解和解析解
优化 ---函数极值，曲线拟合
动力学
r f (C, T , p, Cat,......)
• 20世纪初，英国的Davis,美国的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。 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。
选用教材
《化学反应工程》，朱炳辰主编，化学工业出 版社 • 主要参考书： 《化学反应工程》，陈甘棠主编，化学工业出 版社. <反应工程原理> ，罗康碧等编，化学工业出版 社。 Chemical Reaction Engineering, by Levenspiel O. Elements of Chemical Reaction Engineering by Scott Fogler
• 化学反应工程学：是一门研究化学反应的 工程问题的科学。以化学反应作为对象， →化学反应的特性，它又以工程问题为其 对象→ 装置的特性，并把这两者结合起来 形成学科体系。
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。
• 第二次世界大战以后：生产技术及设备的更新和
生产规模的大型化，特别是石油化工的发展对化
学反应过程的开发以及反应器的设计提出了越来 越急迫的要求；
化学动力学、化工单元操作(特别是流体流动、传热和 传质)方面的理论和实验的长足进步促使化学工程学科 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 一门具有完整理论体系的全面学科。三传一反。
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
• 例
• 丙烯的价格：6000元/吨（2009年2月数据） • 聚丙烯的价格：9000元/吨（2009年2月数据）
中国化学品的产量，（2007年2月的数据）
化学反应无处不在
• 宏观动力学与本征动力学不同之处在于： 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 交联作用从相互影响，这显然与反应器的 结构设计和操作条件有关。
• 区别：“点”的局部速率，宏观区域的速 率。
化学反应工程学的任务
反应器的设计、优化及放大三个主要方面 分析化学反应的特点，确定合适的反应条件
动量传递过程－流动因素
• A→B
A
rA CA
CA CA0et
C A0
CA
热量传递过程－传热因素
• A→B
A
rA kCA
k k0 e
E RT
C A0
CA
质量传递过程－传质因素
质量传递过程－传质因素
边缘反应物浓度高 此处反应较快
中央反应物浓度低
R
1.2 化学反应工程学的内容与任务
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
成绩评定
• 平时成绩 ：30%:作业,出勤等 • 期末考试：70%
• 80年代后，高新技术的发展和应用使化学 反应工程形成了新的分支：生化反应工程、 聚合反应工程和电化学反应工程等。 • 化学反应工程的研究进入了崭新的阶段。 • 80年代后，化学反应工程正式进入我国化 工高等教育。
• 1985年，《化学反应工程与工艺》创刊。
1.2 化学反应工程学的内容与任务
• 化学工程学科体系的基本内容：
• 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。 • 1947 年， Hougen （霍根）与 Watson （华生） 所写的Chemical Process Principles的第三卷 中专门讲述动力学与催化过程，该书成为 化学反应工程的首批专著。
• 1960年，美国Bird等编写了《传递现象》这部历 史性的著作Transport Phenomena
• 1957年举行的第一次欧洲的化学反应工
程会议上确立了化学反应工程这一学科 的名称.
• 60年代后，数学模型方法在化学反应工 程的研究中日益深入 • 70年代前后，相继出现了全面、系统地
论述化学反应工程的专著和教材
• 2.5反应速率的浓度效应
• 2.6反应速率的温度效应
第三章 非均相反应动力学 气固相催化反应动力学 （ 8 学时）
• 3.1 气固相催化反应本征动力学
• 3.2 实验室反应器及动力学数据的处理 • 3.3 气固相催化反应宏观动力学 • 3.4 固体颗粒的表征 • 3.5 固定床反应器内的传递特性
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）
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：
• 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。
Fritz Haber (1868 - 1934)
规模的扩大要求人们对生产过程 的规律有更为透彻的了解 需要既懂工程又熟悉化学知识 促使工程与化学相结合
化学反应工程学科的形成第三阶段
• 热力学
• 反应平衡常数 • 可能性和极限 • 反应热
• 供热还是移热
催化作用
70%以上的化工产品是由催化过程生产！
催化剂的性质、性能直接影响反应器的设计！
催化剂
活性
选择性 寿命/稳定性
1.3 化学反应及化学反应器的分类
•1.3.1 化学反应的工程分类
• 1. 按反应的相数及类别分类：均相反应，非均相反应 • 2. 化学反应的选择性分类：简单反应，复合反应， • 3.按化学反应的机理分类：基元反应和非基元反应 • 4. 按化学反应的动力学级数分类：一级，二级，三级 反应 • 5.按化学反应的热特性分类：吸热反应，放热反应 • 6. 按反应过程的条件分类：等温、绝热、非绝热变温 反应，常压、加压，减压反应等
• 3.6 多孔催化剂颗粒内的扩散过程
• 3.7 传质影响的判断与消除
第四章 理想反应器 （12学时 )
• 4.1 流动模型概述
• 4.1.1 反应器中流体的流动模型
• 4.1.2 反应器设计的基本方程 • 4.2 理想流动反应器 • 4.2.1 间歇反应器 • 4.2.2 平推流反应器 • 4.2.3 全混流反应器 • 4.2.4 多级全混流反应器的串联及优化 • 4.2.5理想流动反应器的组合与反应体积比较 • 4.2.6理想流动反应器中多重反应选择率
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。
生产硫酸
化学反应工程学科的形成第二阶段
间歇
气
连续
液
气 气
气
液 流动系统
封闭系统
气
气 流动系统
常见反应器
• 用来实现化学变化的设备 • 过程工业中的核心装置，其 性能对生产过程的影响举足 轻重。 • 裂解炉 • 搅拌釜式反应器 • 多釜串联反应器 • 气液相塔式反应器 • 固定床反应器 • 流化床反应器 • 气液固三相反应器
宏观动力学与本征动力学
• 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。
• 研究宏观反应过程的动力学称为宏观反应动力学。
• 化学动力学，或称为本征动力学，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，但不包括传递过程及反应器结 构等参数对反应速率的影响。
1.4 化学反应工程（CRE）研究方法
• 理论方法，经验方法，数值计算方法
• 平推流，全混流，非理想流动反应器三大类。
• 理想流动反应器，非理想流动反应器 • 3.按反应器的几何构型分类： • 管式反应器、槽式反应器、塔式反应器 • 4.按操作方式分类：间歇式反应器、连续式反应器、半连
续式反应器(见绪论表))
操作方式
• 间歇，连续，半连续
半连续
科学。
主要内容是：对工业反应进行宏观动力学研究；对 反应过程进行工程分析；制定合理的技术方案和操 作条件；进行反应器或反应系统的设计及优化。 本课程的教学任务是讲授上述的基本理论、概念和
研究方法.
教学目的
• 为学生具有以下方面的能力打下坚实的理论基 础： • 1. 改进和加强现有的反应技术和设备； • 2. 开发新的反应技术和新的反应设备； • 3. 用理论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。
衣
食 住
行
化学反应工程研究对象
研究对象：工业规模的化学反应过程。 化学反应工程的中心内容是深入认识有关工业 反应器的操作和设计所必需的理论知识. 工业反应器里的化学反应过程是同时伴随物理 变化的复杂过程。 ：物理变化与化学反应二者的综合→宏观反应 过程,研究宏观反应过程的动力学称为宏观动 力学. 物理变化概括为三种传递过程:
化工厂图
化工设备
1.3.2 工业反应器的分类
• 现代大型化工厂的外貌特征：厂房毗连， 设备庞大，高塔林立，管道纵横。设备和 管道交错复杂。其中，化学反应器是化工 厂的核心设备。
• 用来实现化学变化的设备－－反应器
1.3.2 工业反应器的分类
• 1. 按反应的相数及类别分类（常用）： • 均相反应器：气相反应器、液相反应器 • 非均相反应器：气固相、气液相、液固相、固相及气液相 三相反应器 • 2. 按反应器内物料的流动状态分类：
化学反应工程 (Chemical Reaction Engineering)
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
《化学反应工程》教学大纲 学时：40 学分：2.5 一、课程的目的与任务
化学工业生产过程包括物理变化和化学反应的过程。 化学反应过程是生产的关键。化学反应工程研究化 学反应的工程问题 . 使化学反应实现工业化的一门
教学安排
• 第一章绪论（2学时）
• 1.1 化学反应工程学的历史和趋势
• 1.2 化学反应工程学的内容与任务 • 1.3化学反应及化学反应器的分类 • 1.4化学反应工程学的研究方法
第二章 均相反应动力学 （10学时）
• 2.1化学反应速率
• 2.2化学反应速率方程 • 2.3化学反应速率方程式的变换与积分 • 2.4复合反应动力学分析
第一章 绪 论
•1.1 化学反应工程发展简述
化学反应工程学科的形成第一阶段 • 古代: 陶瓷器的制作、酒与醋的酿造、造纸 等等，都是众所周知的化学反应过程。只 能主要依靠经验成为一门技艺，而达不到 工程科学的水平。原因：没有能够认清它 们的共同规律。
化学反应工程学科的形成第一阶段
古代的化学生产（17世纪以前）
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
例：催化裂化过程的发展：
• 固定床 • 提升管 移动床 循环流化床 两段提升管、下行式循环流化床
化学反应工程学与其它学科关系
数学：
微积分
代数方程；微分方程
---数值解和解析解
优化 ---函数极值，曲线拟合
动力学
r f (C, T , p, Cat,......)
• 20世纪初，英国的Davis,美国的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。 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。
选用教材
《化学反应工程》，朱炳辰主编，化学工业出 版社 • 主要参考书： 《化学反应工程》，陈甘棠主编，化学工业出 版社. <反应工程原理> ，罗康碧等编，化学工业出版 社。 Chemical Reaction Engineering, by Levenspiel O. Elements of Chemical Reaction Engineering by Scott Fogler
• 化学反应工程学：是一门研究化学反应的 工程问题的科学。以化学反应作为对象， →化学反应的特性，它又以工程问题为其 对象→ 装置的特性，并把这两者结合起来 形成学科体系。
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。
• 第二次世界大战以后：生产技术及设备的更新和
生产规模的大型化，特别是石油化工的发展对化
学反应过程的开发以及反应器的设计提出了越来 越急迫的要求；
化学动力学、化工单元操作(特别是流体流动、传热和 传质)方面的理论和实验的长足进步促使化学工程学科 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 一门具有完整理论体系的全面学科。三传一反。
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
• 例
• 丙烯的价格：6000元/吨（2009年2月数据） • 聚丙烯的价格：9000元/吨（2009年2月数据）
中国化学品的产量，（2007年2月的数据）
化学反应无处不在
• 宏观动力学与本征动力学不同之处在于： 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 交联作用从相互影响，这显然与反应器的 结构设计和操作条件有关。
• 区别：“点”的局部速率，宏观区域的速 率。
化学反应工程学的任务
反应器的设计、优化及放大三个主要方面 分析化学反应的特点，确定合适的反应条件
动量传递过程－流动因素
• A→B
A
rA CA
CA CA0et
C A0
CA
热量传递过程－传热因素
• A→B
A
rA kCA
k k0 e
E RT
C A0
CA
质量传递过程－传质因素
质量传递过程－传质因素
边缘反应物浓度高 此处反应较快
中央反应物浓度低
R
1.2 化学反应工程学的内容与任务
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
成绩评定
• 平时成绩 ：30%:作业,出勤等 • 期末考试：70%
• 80年代后，高新技术的发展和应用使化学 反应工程形成了新的分支：生化反应工程、 聚合反应工程和电化学反应工程等。 • 化学反应工程的研究进入了崭新的阶段。 • 80年代后，化学反应工程正式进入我国化 工高等教育。
• 1985年，《化学反应工程与工艺》创刊。
1.2 化学反应工程学的内容与任务
• 化学工程学科体系的基本内容：
• 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。 • 1947 年， Hougen （霍根）与 Watson （华生） 所写的Chemical Process Principles的第三卷 中专门讲述动力学与催化过程，该书成为 化学反应工程的首批专著。
• 1960年，美国Bird等编写了《传递现象》这部历 史性的著作Transport Phenomena
• 1957年举行的第一次欧洲的化学反应工
程会议上确立了化学反应工程这一学科 的名称.
• 60年代后，数学模型方法在化学反应工 程的研究中日益深入 • 70年代前后，相继出现了全面、系统地
论述化学反应工程的专著和教材
• 2.5反应速率的浓度效应
• 2.6反应速率的温度效应
第三章 非均相反应动力学 气固相催化反应动力学 （ 8 学时）
• 3.1 气固相催化反应本征动力学
• 3.2 实验室反应器及动力学数据的处理 • 3.3 气固相催化反应宏观动力学 • 3.4 固体颗粒的表征 • 3.5 固定床反应器内的传递特性
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）
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：
• 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。
Fritz Haber (1868 - 1934)
规模的扩大要求人们对生产过程 的规律有更为透彻的了解 需要既懂工程又熟悉化学知识 促使工程与化学相结合
化学反应工程学科的形成第三阶段