化学反应工程 绪论[精]
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
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，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。
精细化工技术密集的原因在于技术开发的成功率 较低，时间长，费用高。
精细化工的特点
精细化学品的多样化、小批量反映在生产上即为经常 更新品种
精细化学品的制备多为液相反应过程，主要采用间歇 的生产方式。
为适应精细化工生产的特点，企业必须具有依据市场 需求调节生产能力和品种的灵活性。
发达国家在20世纪50年代末开始摒弃单一产品、单一流程、 装置单一功能的落后的生产方式，广泛采用多品种的综合生 产流程和多用途、多功能的生产装置，取得了很好的经济效 益。
◆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)
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：
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。
化学反应工程与工艺基础
主要参考书：
1、精细化工反应工程基础讲义
2、王军《反应工程》大连理工大学出版社， 2004
3、朱炳辰《化学反应工程》，化学工业出版 社， 2001年
4、Octave Levenspiel Chemical Reaction Engineering 2002, 化学工业出版社（第一 版）
(Techniques)；然后去解决化学反应工程放大(Scale
非线性的复 杂因素关联 导致出现反 应工程的分
支
up)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反应器设计方
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：
化学工艺：化学热力学(thermodynamics)、化学反应
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：
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。
20世纪80年代从单一产品、单一流程、单元操作的生产装置 向“柔性”系统发展。Fra bibliotek单元 操作
过程之 核心
单元 操作
原料 物理处理 过程
化学反应 过程
物理处理 产品 过程
循环物流
典型的化工过程
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
要求
作业：按时完成，占15% 纪律：出席、课堂，占5%
精细化工的特点
精细化工是以高新技术为基础，以市场为导向， 以产品具有特定功能、附加值高、小批量、多品 种、系列化为特点的化学工业
化学工业是高技术密集工业，精细化工又是化学 工业中的高技术密集工业。
日本曾做过这方面的分析，以机械制造工业的技 术密集指数为100，则化学工业为248，精细化工 中的医药和涂料的指数分别为340和279
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)；
系统工程：反应过程的动态特性与反应系统的控制及
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
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，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。
精细化工技术密集的原因在于技术开发的成功率 较低，时间长，费用高。
精细化工的特点
精细化学品的多样化、小批量反映在生产上即为经常 更新品种
精细化学品的制备多为液相反应过程，主要采用间歇 的生产方式。
为适应精细化工生产的特点，企业必须具有依据市场 需求调节生产能力和品种的灵活性。
发达国家在20世纪50年代末开始摒弃单一产品、单一流程、 装置单一功能的落后的生产方式，广泛采用多品种的综合生 产流程和多用途、多功能的生产装置，取得了很好的经济效 益。
◆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)
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：
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。
化学反应工程与工艺基础
主要参考书：
1、精细化工反应工程基础讲义
2、王军《反应工程》大连理工大学出版社， 2004
3、朱炳辰《化学反应工程》，化学工业出版 社， 2001年
4、Octave Levenspiel Chemical Reaction Engineering 2002, 化学工业出版社（第一 版）
(Techniques)；然后去解决化学反应工程放大(Scale
非线性的复 杂因素关联 导致出现反 应工程的分
支
up)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反应器设计方
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：
化学工艺：化学热力学(thermodynamics)、化学反应
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：
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。
20世纪80年代从单一产品、单一流程、单元操作的生产装置 向“柔性”系统发展。Fra bibliotek单元 操作
过程之 核心
单元 操作
原料 物理处理 过程
化学反应 过程
物理处理 产品 过程
循环物流
典型的化工过程
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
要求
作业：按时完成，占15% 纪律：出席、课堂，占5%
精细化工的特点
精细化工是以高新技术为基础，以市场为导向， 以产品具有特定功能、附加值高、小批量、多品 种、系列化为特点的化学工业
化学工业是高技术密集工业，精细化工又是化学 工业中的高技术密集工业。
日本曾做过这方面的分析，以机械制造工业的技 术密集指数为100，则化学工业为248，精细化工 中的医药和涂料的指数分别为340和279
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)；
系统工程：反应过程的动态特性与反应系统的控制及
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化学反应工程绪论课件
特点： 釜式反应器内的原料参数（浓度、温度等） 均不随时间和位置而变。
管式反应器其物料参数随位置而变。
3、半连续操作
半连续操作反应器的反应物系组成，
釜式：随时间而变
管式：随位置而变。 三）按反应器的传热条件分 1、等温反应器： 整个反应器维持等温操作； 2、绝热反应器：反应器与外界没有热量交换，全 部反应热使物系升温或降温； 3、非等温反应器：与外界有热量交换，但不等温。
1、间歇操作 反应所需的物料一次装入反应器内，反应一定
时间，达到要求的反应程度后便卸出全部物料， 清洗反应器，再装料、反应、卸料。
特点： （1）、反应器内各处的物料浓度、温度均一 （2）、反应器内的物料组成随时间而变
CA0
A
R
CR C
CA
时间 t
2、连续操作
连续地将原料输入反应器，反应产物也连续地从反 应器中流出。
三、化学反应工程的影响因素和研究方法
反应物的浓度与反应温度是影响化学反应速率的两大主 要因素，也是直接因素，对于一个化学反应来说，如果 没有其他因素，只需控制反应温度与反应浓度，这样反 应工程问题非常简单，而在工业生产的大反应器中，除 温度与浓度影响外，还受到物质的扩散和混合等影响。
工业规模的化学反应与实验室规模相比复杂很多，在实 验室规模上影响不大的质量和热量传递，在工业规模可 能起着主导作用。在工业反应器中既有化学反应过程又 有物理过程。物理过程与化学过程相互影响，相互渗透， 有可能导致工业反应器内的反应结果与实验室规模大相 径庭。
1. 实验室规模的试验 2. 小型试验 3. 大型冷膜试验：探索传递规律 4. 中间试验 5. 计算机试验
四、 化学反应及反应器分类
（一）化学反应分类
化学反应工程学科一般是按反应物系的相态来 分类。
管式反应器其物料参数随位置而变。
3、半连续操作
半连续操作反应器的反应物系组成，
釜式：随时间而变
管式：随位置而变。 三）按反应器的传热条件分 1、等温反应器： 整个反应器维持等温操作； 2、绝热反应器：反应器与外界没有热量交换，全 部反应热使物系升温或降温； 3、非等温反应器：与外界有热量交换，但不等温。
1、间歇操作 反应所需的物料一次装入反应器内，反应一定
时间，达到要求的反应程度后便卸出全部物料， 清洗反应器，再装料、反应、卸料。
特点： （1）、反应器内各处的物料浓度、温度均一 （2）、反应器内的物料组成随时间而变
CA0
A
R
CR C
CA
时间 t
2、连续操作
连续地将原料输入反应器，反应产物也连续地从反 应器中流出。
三、化学反应工程的影响因素和研究方法
反应物的浓度与反应温度是影响化学反应速率的两大主 要因素，也是直接因素，对于一个化学反应来说，如果 没有其他因素，只需控制反应温度与反应浓度，这样反 应工程问题非常简单，而在工业生产的大反应器中，除 温度与浓度影响外，还受到物质的扩散和混合等影响。
工业规模的化学反应与实验室规模相比复杂很多，在实 验室规模上影响不大的质量和热量传递，在工业规模可 能起着主导作用。在工业反应器中既有化学反应过程又 有物理过程。物理过程与化学过程相互影响，相互渗透， 有可能导致工业反应器内的反应结果与实验室规模大相 径庭。
1. 实验室规模的试验 2. 小型试验 3. 大型冷膜试验：探索传递规律 4. 中间试验 5. 计算机试验
四、 化学反应及反应器分类
（一）化学反应分类
化学反应工程学科一般是按反应物系的相态来 分类。
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》课件1 -绪论
进行合理简化，设想一个物理过程(模型) 代替实际过程ห้องสมุดไป่ตู้简化必须合理，即简化 模型必须反映客观实体，便于数学描述 和适用。
16
• 2．建立数学模型 • 依照物理模型和相关的已知原理，写出
描述物理模型的数学方程及其初始和边 界条件。 • 3．用模型方程的解讨论客体的特性规律
17
利用数学模型解决化学反应工 程问题
• 基本步骤为： • 1．小试研究化学反应规律； • 2． • 3．利用计算机或其它手段综合反应规律
和传递规律，预测大型反应器性能，寻 找优化条件； • 4．热模实验检验数学模型的等效性。
18
2
• 工业规模的化学反应较之实验室规模要 复杂得多，在实验室规模上影响不大的 质量和热量传递因素，在工业规模可能 起着主导作用。在工业反应器中既有化 学反应过程，又有物理过程。物理过程 与化学过程相互影响，相互渗透，有可 能导致工业反应器内的反应结果与实验 室规模大相径庭。
3
• 工业反应器中对反应结果产生影响的主 要物理过程是：(1)由物料的不均匀混合 和停留时间不同引起的传质过程；(2)由 化学反应的热效应产生的传热过程；(3) 多相催化反应中在催化剂微孔内的扩散 与传热过程。这些物理过程与化学反应 过程同时发生。
4
• 从本质上说，物理过程不会改变化学反 应过程的动力学规律，即反应动力学规 律不因为物理过程的存在而发生变化。 但是流体流动、传质、传热过程会影响 实际反应场所的温度和参与反应的各组 分浓度在空间上的分布，最终影响到反 应的结果。
5
化学反应和反应器的分类
• 化学反应和反应器的分类方法很多，常 按下列四种方法进行分类。
绪论
• 化学反应工程学是一门研究涉及化学反 应的工程问题的学科。
16
• 2．建立数学模型 • 依照物理模型和相关的已知原理，写出
描述物理模型的数学方程及其初始和边 界条件。 • 3．用模型方程的解讨论客体的特性规律
17
利用数学模型解决化学反应工 程问题
• 基本步骤为： • 1．小试研究化学反应规律； • 2． • 3．利用计算机或其它手段综合反应规律
和传递规律，预测大型反应器性能，寻 找优化条件； • 4．热模实验检验数学模型的等效性。
18
2
• 工业规模的化学反应较之实验室规模要 复杂得多，在实验室规模上影响不大的 质量和热量传递因素，在工业规模可能 起着主导作用。在工业反应器中既有化 学反应过程，又有物理过程。物理过程 与化学过程相互影响，相互渗透，有可 能导致工业反应器内的反应结果与实验 室规模大相径庭。
3
• 工业反应器中对反应结果产生影响的主 要物理过程是：(1)由物料的不均匀混合 和停留时间不同引起的传质过程；(2)由 化学反应的热效应产生的传热过程；(3) 多相催化反应中在催化剂微孔内的扩散 与传热过程。这些物理过程与化学反应 过程同时发生。
4
• 从本质上说，物理过程不会改变化学反 应过程的动力学规律，即反应动力学规 律不因为物理过程的存在而发生变化。 但是流体流动、传质、传热过程会影响 实际反应场所的温度和参与反应的各组 分浓度在空间上的分布，最终影响到反 应的结果。
5
化学反应和反应器的分类
• 化学反应和反应器的分类方法很多，常 按下列四种方法进行分类。
绪论
• 化学反应工程学是一门研究涉及化学反 应的工程问题的学科。
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
化学反应工程第一章
二 任务(Problems to be solved,
contents to be studied.) a. 改进和强化现有的反应; (Improvement) b. 开发新的反应技术和设备； c. 反应器的放大； (Design)
(Enlargement)
d. 选择最佳操作条件,实现最佳控制； (Optimum) e. 发展和完善反应工程理论。 (Development) 反应工程学： 研究工业规模下进行化学反应的规 律或工程反应器原理的一门学科。
时间分布 R T D
非均相+工业放大因素,使问题更复杂
三个分布（C，T，t）主要与反应器结构有关， 还与流动条件有关。
工业反应的影响因素：
T，C，t，类型（相态），传质，传热， 停留时间分布，反应器结构，操作条件等。
§ 1-3 研究方法——数学模型法 （Model Method）
1. 因次分析与相似论（只适用物理过程 eg:传质与传热）, 2. 经验放大 (速度较慢，周期较长) 实验室 —— 模拟实验 —— 小生产 —— 大生产 —— 工业化 3.实验技术 测试技术与计算机的发展给数学模型法提
非 均 相
Heterogeneou s
2.基元反应与非基元反应 基元反应（elementary reactions）： 反应速率式与化学式对应的反应
A B
dCA rA kC A dt
对于基元反应：反应级数=分子数 （整数）
K
非基元反应（non-elementary reactions）： 反应速率式与化学式并无 相对应关系的反应
化学反应工程学
Chemical Reaction Engineering 化学工艺教研室 主讲教师：王承学
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
化学反应工程 Chemical Reaction Engineering
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
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)
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化学反应工程-第一章_绪论解析
11
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
17
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；
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)
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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01
n A n A0 n B n B 0 n R n R 0 0 A B R
二、 转化率 X--针对反应物而言 定义：
某一反应物的转化量 X 该反应物的起始量
注意： 如果反应物不只是一种，针对不同反应物计 算出来的X是不一样的。
精化学反应工程 品 课 程
关键组分（着眼组分）为不过量、贵重的组分（相对而言） 针对关键组分计算，可使X最大到100%
第四节 反应器的操作方式
间歇操:一次性投料，卸料。反应物系参数 (浓度或组成等)随时间变化。 连续操作:原料不断加入,产物不断引出,反 应器内物系参数均不随时间变化。 半连续(或半间歇)兼有以上两种过程的特 点，情况比较复杂。
精化学反应工程 品 课 程
PVC悬浮聚合－－－间歇反应釜
精化学反应工程 品 课 程
精化学反应工程 品 课 程
种 类 特 点 应用范围 固定床 底层内部装有不动的固体颗粒，固体 颗粒可以是催化剂或是反应物 用于多相反应系统
反应过程中反应器内部有固体颗粒的 多相反应体系，可以提 流化床 悬浮和循环运动，提高反应器内液体的混 高传热速率 合性能 固体颗粒自上而下作定向移动与反应 用于多相体系，催化剂 流体逆向接触 可以连续再生
v 0 v 0 v 0
R
A
B
v A A vB B vR R 0 nR n n nR n n
A0 A
B B
0
0
精化学反应工程 品 课 程
2.1 反应进度
A A B B R R
( n A n A0 ) : ( n B n B 0 ) : ( n R n R 0 ) A : B : R
n A n A0 n B n B 0 n R n R 0 即： A B R
化学反应工程 绪论
Chemical Reaction Engineering
2. 化学反应工程研究内容与任务
•流体流动 •质量传递 对反应过程的影响 •热量传递
工程因素
Chemical Reaction Engineering
工程因素
反应场所
C、T
反应结果
物理因素
化学因素
Chemical Reaction Engineering
优化类型
设计型 操作型
Chemical Reaction Engineering
反应速率—反应器大小
技
术 指
选择性—原料消耗，成本
标
能耗—操作费用
转化率 x、选择性 、收率
转化率 x
Conversion
Chemical Reaction Engineering
xA
nA0 nA nA0
选择性 (S)
3. 化学反应工程研究方法
•逐级经验放大立足于—经验； 不要求理解过程的本质、机理或内在规律 工作重点是寻优
•数学模型方法—立足于对过程的深刻理解 →分解简化→定性定量描述；
工作重点是充分剖析过程特征， 探索规律，建立模型，确定模型参数
Selectivity
＝(np np0) / p
(nA0 nA) / a
收率 (Y)
Yield
＝(np np0 ) / p
nA0 / a
Chemical Reaction Engineering
结构变量—结构、型式、尺寸
决Байду номын сангаас
策 变
操作方式—连续性、加料方式
量
工艺条件—T、C、t、Sv、ug等
Chemical Reaction Engineering