化学反应工程
化学反应工程
化学反应工程化学反应工程系化学工程的一个分支，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。
它是在化工热力学、反应动力学、传递过程理论以及化工单元操作的基础上发展起来的。
其应用遍及化工、石油化工、生物化工、医药、冶金及轻工等许多工业部门。
工业反应过程中既有化学反应，又有传递过程。
传递过程的存在并不改变化学反应规律，但改变了反应器内各处的温度和浓度，从而影响到反应结果，例如影响到转化率和选择率。
化学反应工程的定位：化学反应工程是化工类专业的一门专业主干课、核心课程。
化学反应工程涉及物理化学、化工热力学、化工传递过程、优化与控制等，知识领域广泛、内容新颖，对于培养学生的反应工程基础、强化工程分析能力具有十分重要的作用。
课程教学突出阐述反应工程理论思维方法，重点讨论影响反应结果的工程因素(如返混、混合、热稳定性和参数灵敏性等)，并结合开发实例进行分析，培养学生应用反应工程方法论解决实际问题的能力。
围绕创新教育这一主题，明确培养学生创新思维与创新能力的教学目标，并在教学内容、教学方法上进行改革，改变传统教学模式，将培养创新思维和创新能力溶入课程教学过程中，探索适宜培养创新人才的"化学反应工程"教学内容、教学方法。
重点与难点:脚归谜化学反应工程课程内容的重点是阐明基本原理，向学生介绍反应工程中的最基本概念、理论和研究方法，所以我们在开设本课程时，精选了化学动力学、间歇反应器、理想流动反应器、返混、反应过程中的热量和质量传递、复杂反应选择性、反应器热稳定性等主要内容，突出影响反应过程结果的工程因素，并按温度效应和浓度效应讨论展开，力求表达清楚，确切阐述，为学生今后开发反应过程与反应器打下扎实的理论基础。
课程难点是掌握化学反应工程的基本观点和工程思维方法，培养学生分析和解决工程问题的实际能力。
在教学中重视基本概念、基本理论和工程分析方法的传授。
化学反应工程课件
3、简化模型的要求：
（1）不失真； （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能力；
4 、基础数学模型
1）化学动力学模型：排除传递过程因素后描述化学反应速
率、物料温度和浓度的数学关系。传统上是物理化学的 研究领域，侧重于研究反应机理；化学反应工程侧 重于 表达三者的数学关系，而直接加以应用。
（3）反应过程的优化：投资少、效率高、生产强度大、产 品质量好。 设计最佳化——反应器体积最小，投资少。 操作最佳化——管理、控制最佳化，最佳操作参数。
（4）反应器的工程放大： 对现成的生产工艺，进行生产规模放大； 新产品研发：小试——中试——扩大试验；
反应过程开发放大方法
• 逐级经验放大法
• 相似放大法
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）
过程工程
• 过程工程（process engineering)的概念是对“化学工程” 概念的拓展。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，这个部门称为“过程工业” （process industry），包括石油炼制、化学工业、能源 工业、航空、军事、冶金、环保工业、建材、印染、生物 技术、医药、食品、造纸等工业部门。
2 、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。
化学反应工程
化学反应工程的范畴和任务
• 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 对象，就 必然要事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。
反应工程与其它学科的关系
化工热力学 计量化学 反应工程 反应动力学 化学工艺 催化剂 工程控制 传递过程
• ②中型实验
数学模型验证
大设备的设计
• ③数学模型的应用
• 放大的依据：相似论(相似准数Re、Pr、 Nu、Pe、Sc等)
•
综上所述，可见目前化学反应工程处理 问题的方法是实验研究和理论分析并举。 在解决新过程的开发问题时，可先建立 动力学和传递过程模型，然后再综合成 整个过程的初步的数学模型，根据数学 模型所作的估计来制定试验，特别是中 间试验方案，然后用试验结果来修正和 验证模型。
二级反应的速率方程式
如果有两反应物，而且初始浓度相等，并在反应过程 消耗的物质的量也相等． rA=kcA２或rA=kcA,0２(1-xA)２
1 dnA rA V dt
kcA２＝
dc A rA dt
dc A dt
双分子二级反应
分离变量： Kdt= －dcA/cA２ 初始条件t=0, cB,0=cA,0,进行积分
反应过程和传递过程
实验只能测得NH3的主体浓度c0,当NH3浓度很小时: r0=k0c0 r=k0c0=kscs, k0c0=ks c0/ (ks/kga+1) k0=ks / (ks/kga+1) k0=1 / (1/kga+1/ks ) …………….……..p17:7-50式 此式表明实验测得的表面反应速率常数k0是化学反应 过程1/ks和扩散过程1/kga共同作用的结果.
化学反应工程知识点
化学反应工程知识点1.反应机理和动力学反应机理是指反应的分子层面的步骤和中间产物，它对理解和控制反应过程非常重要。
动力学研究反应速率与反应物浓度的关系，了解反应速率规律，通过动力学模型可以预测反应速率和产物选择性。
2.反应条件的选择反应条件的选择包括温度、压力、反应物浓度、反应物配比和催化剂等。
化学反应的速率和选择性往往受到反应条件的影响，优化反应条件可以提高反应速率和产物质量。
3.反应器的设计和优化反应器是进行化学反应的设备，其设计和优化对反应过程的效率和产品质量具有重要影响。
常见的反应器类型有批式反应器、连续式反应器和循环式反应器等。
反应器的选择和设计要考虑反应物性质、反应过程的控制方式、热传导和质量传递等因素。
4.反应工艺的控制反应工艺的控制包括对反应过程的监测和调节，以维持所需的反应条件和优化产品质量。
常用的控制策略有温度、压力和反应物供给的控制等。
控制系统的设计和优化需要考虑反应机理、反应动力学和工艺实际操作的特点。
5.安全与环保化学反应过程中会产生化学品和能量的变化，单个反应步骤可能会产生副产物和废物。
因此，反应工程也需要关注安全性和环保性。
安全性考虑的因素包括反应物和产物的毒性、易燃性和爆炸性等，以及反应条件的选择和操作的威胁。
环保方面，需要考虑减少废物的生成，回收利用资源，优化反应条件以减少能耗和污染物排放。
6.规模放大与工业化化学反应工程要实现从实验室到工业生产的规模放大和工艺转化。
这涉及到规模放大的技术、成本评估和安全规范，以及将实验室的合成路线或方法转化为适合大规模生产的工艺。
同时，也需要考虑工艺的稳定性和连续运营的可行性。
以上是化学反应工程的一些基本知识点，化学反应工程涵盖了多个学科领域，是化学工程和化学的交叉学科。
化学反应工程的研究和应用有助于解决实际生产中的技术问题，提高反应过程的效率和产品质量，同时也倡导可持续发展和环保意识。
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
化学反应工程的定义
化学反应工程的定义
化学反应工程是一门研究化学反应过程的学科，它涉及到化学反应的设计、优化和控制，以及相关的反应器的设计和操作。
化学反应工程的目标是通过科学的方法和工程技术，实现化学反应的高效、安全和可持续发展。
化学反应工程主要包括以下几个方面的内容：
1. 反应过程的设计和优化：研究如何选择合适的反应条件（温度、压力、反应物浓度等）和催化剂，以提高反应的转化率、选择性和产率，同时降低能耗和废物产生。
2. 反应器的设计和操作：研究如何设计和选择合适的反应器类型（如批式反应器、连续流动反应器、固定床反应器等），以及反应器的尺寸、形状和内部结构，以实现理想的反应条件和反应效果。
3. 反应工艺的控制：研究如何实现反应过程的自动化和精确控制，包括反应温度、反应物添加速率、反应物浓度等参数的控制，以确保反应的稳定性和一致性。
4. 安全与环保：研究如何评估和管理化学反应过程中的安全风险，设计和实施安全措施，以保障工作人员的安全和环境的保护。
通过化学反应工程的研究和应用，可以优化化学反应过程，提高产品质量和产量，降低生产成本和能耗，减少环境污染和废物排放，为化学工业的可持续发展提供科学的支持和指导。
化学反应工程》课程概述
04 化学反应工程应用案例
工业生产中的应用
石油化工
化学反应工程在石油化工领域中广泛应用 于烃类裂化、加氢裂化、催化重整等反应 过程，以提高石油产品的质量和产量。
制药工业
化学反应工程在制药工业中用于合成药物的 反应过程，如药物中间体的合成、生物碱的 制备等，提高药物合成的效率和纯度。
煤化工
在煤化工领域，化学反应工程用于煤 的气化、煤制油、煤制天然气等反应 过程，实现煤炭的高效清洁转化。
废气处理
化学反应工程在环境治理中用于废气处理，如烟气脱硫脱硝 、工业废气中有害物质的去除等，降低污染物排放，保护大 气环境。
废水处理
通过化学反应工程实现废水中重金属离子、有机污染物的去 除和降解，降低废水对环境的危害，实现废水的资源化和无 害化处理。
05 课程总结与展望
课程收获与体会
掌握化学反应工程的基本原理 和概念，如反应动力学、反应
新材料制备中的应用
高分子合成
化学反应工程在新材料制备中广泛应 用于高分子合成领域，如合成橡胶、 合成纤维、功能性高分子材料等，优 化反应过程以提高产物的性能。
纳米材料制备
通过化学反应工程实现纳米材料的制 备，如纳米碳管、纳米氧化物、纳米 金属等，在能源、环境、电子信息等 领域具有广泛应用前景。
环境治理中的应用
《化学反应工程》课程概述
目录
• 课程简介 • 化学反应工程基础知识 • 化学反应工程实验与实践 • 化学反应工程应用案例 • 课程总结与展望
01 课程简介
课程目标
01 掌握化学反应工程的基本原理和概念。
02 学会运用数学和工程知识分析化学反应过程 。
03
培养解决实际化学反应工程问题的能力。
化学反应工程
管式及釜式连续流动反应器：反应物连续不断地 加入反应器，同时产物连续不断地流出反应器， 如果是定态下操作，反应物进料时的组成和流量 及产物的组成和流量都不随计时器显示的时间而 变。 加料
均匀混合
加料
产物 产物 图2.3 釜式连续流动反应器
图2.2 管式连续流动反应器
半间歇反应器：将反应物 A 先放入反应器中，在 一定温度和压力下，反应物 B 连续加入反应器， 反应产物保留在反应器中，即为半间歇反应器。
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因素与反应 速率之间定量关系的速率方程
3.1 化学反应速率
化学反应速率：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。反应速率 是指某一瞬间的“瞬时反应速率”
生成目的产物所消耗的关键组分的物质的量 S 已转化的关键组分的物质的量
而
Y
生成目的产物所消耗的关键组分的物质的量 进入反应系统的关键组分的物质的量
由上两式可得：
Y Sx
第3章 均相反应动力学基础
均相反应：参与反应的各物质均处于同一个相内 进行化学反应则称为均相反应。 均相反应的前提：参与反应的所有物料达到分子 尺度上的均匀，成为均一的气相或液相
工业反应过程的原料中，各反应组分之间往往不 符合化学计量数的关系，此时通常选择不过量的 反应物计算转化率，这样的组分称为关键组分。 一般选择价格高的为关键组分。
2.2.4 多重反应的收率及选择性 对于单一反应，反应物的转化率即为产物的生成率 对于多重反应（如同时反应、平行反应、连串反应 等），除了反应物转化率的概念外还必须由目的产 物的收率的概念，收率以Y表示，其定义如下：
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化学反应的前提是参与反应的所有物料达到分子尺度上的均匀，成为均一的气相或液相。
（）
1、错
2、对
标准答案:1
学员答案:1
本题得分:5
题号:2 题型:是非题本题分数:5
内容:
反应速率是反应系统中某一物质在单位时间、单位反应区内的反应量。
（）
1、错
2、对
标准答案:2
学员答案:2
本题得分:5
题号:3 题型:是非题本题分数:5
内容:
可逆吸热反应的平衡温度不随转化率χA变化而变化。
（）
1、错
2、对
标准答案:1
学员答案:2
本题得分:0
题号:4 题型:是非题本题分数:5
内容:
在间歇反应器中，进行二级反应，转化率从0到0.9所需时间为1小时，则转化率从0.9到
0.99所需时间为10小时。
（）
1、错
2、对
标准答案:2
学员答案:1
本题得分:0
题号:5 题型:是非题本题分数:5
内容:
零级反应的重要特征是反应时间由残余浓度决定，与初浓度关系不大。
（）
1、错
2、对
标准答案:1
学员答案:1
本题得分:5
题号:6 题型:单选题（请在以下几个选项中选择唯一正确答案）本题分数:5 内容:
图形:
A、
B、
C、
D、
标准答案:D
学员答案:D
本题得分:5
题号:7 题型:单选题（请在以下几个选项中选择唯一正确答案）本题分数:5 内容:
图形:
A、
B、
C、
D、
标准答案:B
学员答案:B
本题得分:5
题号:8 题型:单选题（请在以下几个选项中选择唯一正确答案）本题分数:5 内容:
图形:
A、
B、
C、
D、
标准答案:D
学员答案:D
本题得分:5
题号:9 题型:单选题（请在以下几个选项中选择唯一正确答案）本题分数:5 内容:
在PFR中进行气相反应，若膨胀因子δA小于零，则其实际停留时间（）空时。
A、等于
B、小于
C、大于
D、不一定
标准答案:C
学员答案:C
本题得分:5
题号:10 题型:单选题（请在以下几个选项中选择唯一正确答案）本题分数:5 内容:
消除了物理过程影响的动力学称为（）．
A、颗粒动力学
B、宏观动力学
C、本征动力学
D、床层动力学
标准答案:C
学员答案:C
本题得分:5
题号:11 题型:单选题（请在以下几个选项中选择唯一正确答案）本题分数:5 内容:
循环反应器的循环比β（）时，反应器相当于一个全混流反应器。
A、β=0
B、β=1
C、β=5
D、β=∞
标准答案:D
学员答案:B
本题得分:0
题号:12 题型:单选题（请在以下几个选项中选择唯一正确答案）本题分数:5 内容:
达到相同转化率所对应的（）相同是一级反应特征的重要判据。
A、反应时间
B、速率常数
C、初浓度
D、残余浓度
标准答案:A
学员答案:A
本题得分:5
题号:13 题型:单选题（请在以下几个选项中选择唯一正确答案）本题分数:5 内容:
图形:
A、
B、
C、
D、
标准答案:B
学员答案:B
本题得分:5
题号:14 题型:单选题（请在以下几个选项中选择唯一正确答案）本题分数:5 内容:
图形:
A、
B、
C、
D、
标准答案:B
学员答案:B
本题得分:5
题号:15 题型:单选题（请在以下几个选项中选择唯一正确答案）本题分数:5 内容:
可逆放热反应的最优温度随转化率χA变大而（）。
A、降低
B、增大
C、不变
D、都有可能
标准答案:A
学员答案:A
本题得分:5
题号:16 题型:单选题（请在以下几个选项中选择唯一正确答案）本题分数:5 内容:
活化能是化学反应速率相对于（）的敏感程度．
A、温度变化
B、平衡常数
C、反应热
D、浓度变化
标准答案:A
学员答案:A
本题得分:5
题号:17 题型:单选题（请在以下几个选项中选择唯一正确答案）本题分数:5 内容:
对自催化反应A+P→P+S而言，必然存在最优反应时间使反应的（）最大。
A、转化率
B、反应速率
C、收率
D、选择率
标准答案:B
学员答案:B
本题得分:5
题号:18 题型:单选题（请在以下几个选项中选择唯一正确答案）本题分数:5
内容:
有三类常用反应器：A间歇式反应器B平推流反应器C全混流反应器，属于理想化学反应器的是（）。
A、A和B
B、B和C
C、A和C
D、全部是
标准答案:A
学员答案:D
本题得分:0
题号:19 题型:单选题（请在以下几个选项中选择唯一正确答案）本题分数:5
内容:
反应级数表示化学反应速率相对于（）的敏感程度．
A、体积变化
B、温度变化
C、平衡常数
D、浓度变化
标准答案:D
学员答案:D
本题得分:5
题号:20 题型:单选题（请在以下几个选项中选择唯一正确答案）本题分数:5
内容:
图形:
A、
B、
C、
D、
标准答案:A
学员答案:A
本题得分:5。