化学反应工程(陈甘棠) 第一章
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化学反应工程第一章习题参考答案
2010级第一章习题参考答案1-1 在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：进入反应器的原料气中，甲醇:空气:水蒸气＝2:4:1.3（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72％，甲醛的收率为69.2％。
试计算：（1）反应的选择性；（2）反应器出口气体的组成解一：（1）由（1-17）式得反应的选择性为：0.629YS0.961196.11%X0.720====（2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），当进入反应器的总原料量为设甲醇的转化率为A P醛和二氧化碳的摩尔数nA 、nP和nc分别为：n A=n A0(1-X A)=7.672 mol n P=n A0Y P=18.96 moln C=n A0(X A-Y P)=0.7672 mol结合上述反应的化学计量式，水（nW ）、氧气（nO）和氮气（nN）的摩尔数分别为：n W=n W0+n P+2n C=38.30 moln O=n O0-1/2n P-3/2n C=0.8788 mol n N=n N0=43.28 mol解二：（1）根据定义：目的产物收率L AY=A消耗于主产物上的关键组分的量进入反应系统的的初始量目的产物选择率L AS=A消耗于主产物上的关键组分的量转化了的关键组分的量反应物的转化率AAAx转化了的关键组分的量＝进入反应系统的的初始量转化率、收率和选择率的关系Y=SAx已知：x CH3OH = 72% Y HCHO = 69.2%则%11.96%72%2.693===OHCHHCHOxYS（2）为方便计算，设进入反应器的甲醇的物质的量为2mol ，则即反应后混合气体中：N CH3OH = 2*(1-72%) =0.56molN HCHO = 2*69.2%=1.384molN H2O =1.3+2*69.2%+2*(72%-69.2%)*4/2=2.796molN CO2 = 2*(72%-69.2%)=0.056molN 空气 = 4-2*69.2%*1/2-2*(72%-69.2%)*3/2=3.224mol(其中N O2 = 4*21%-2*69.2%*1/2-2*(72%-69.2%)*3/2=0.064molN N2 = 4*79%=3.16mol ）总物质的量为：N T = 0.56+3.224+1.384+2.796+0.056=8.02mol各组分组成为：y CH3OH =0.56/8.02*100%=6.98%y 空气 = 3.224/8.02*100%=40.20%（其中y O2=0.80%,y N2=39.4%）y HCHO =1.384/8.02*100%=17.26%y H2O =2.796/8.02*100%=34.86%y CO2 = 0.056/8.02*100%=0.70%1-5 某气-固一级不可逆催化反应，按单位质量催化剂表示的本征动力学方程为A w A f k dW dN =-，式中f A 为反应组分A 的逸度。
第一章 绪论
9
• <四>、按传热条件分类，分为 • 1． 等温反应器，整个反应器维持恒温， 这对传热要求很高。 • 2． 绝热反应器，反应器与外界没有热量 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
17
• 2．流体流动模型 活塞流模型
（1）理想流动模型
全混流模型
（2）非理想流动模型
多级串联模型 轴向扩散模型 离析流模型等
18
五.反应器设计的基本任务（或内容）
• 1．选择合适的反应器型式
• 2．确定操作方式和最佳操作条件
• 3．针对所选的反应器型式和确定的操作 条件，计算完成规定的生产任务所需的 反应器有效体积。
化学反应工程（CRE） Chemical Reaction Engineering
使用教材：陈甘棠主编《化学反应工程》第三版 重点参考教材：郭锴等编《化学反应工程》第二版 主讲教师：化学化工学院 黄孟光
1
第一章 绪论
• 化学反应工程(CRE)学是一门研究涉及化 学反应的工程问题的学科,是化学工程的 一个重要分支，是高校化工类学生必修 的核心课程。 • 绪论阐述以下几个问题：
产物的分离与精制过程
3
原料的预处理 产物的分离精制
一般属物理过程，不发生化学反应
常用的方法是：蒸发、精馏、吸收、萃取、过 滤 、沉降、结晶、吸附等。属《化工原理》和 《分离工程》课程范畴。
所以CRE的研究对象是→工业规模的反应过程 （注：化学反应工程进行的场所是在工业反应器 中，因此工业反应器自然便成为CRE研究的核 心）
一：CRE的研究对象 四：工业反应器的研究方法 二：CRE的研究内容 五：反应器分析与设计的模型 三：工业反应器的分类 六：反应器设计的基本任务
• <四>、按传热条件分类，分为 • 1． 等温反应器，整个反应器维持恒温， 这对传热要求很高。 • 2． 绝热反应器，反应器与外界没有热量 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
17
• 2．流体流动模型 活塞流模型
（1）理想流动模型
全混流模型
（2）非理想流动模型
多级串联模型 轴向扩散模型 离析流模型等
18
五.反应器设计的基本任务（或内容）
• 1．选择合适的反应器型式
• 2．确定操作方式和最佳操作条件
• 3．针对所选的反应器型式和确定的操作 条件，计算完成规定的生产任务所需的 反应器有效体积。
化学反应工程（CRE） Chemical Reaction Engineering
使用教材：陈甘棠主编《化学反应工程》第三版 重点参考教材：郭锴等编《化学反应工程》第二版 主讲教师：化学化工学院 黄孟光
1
第一章 绪论
• 化学反应工程(CRE)学是一门研究涉及化 学反应的工程问题的学科,是化学工程的 一个重要分支，是高校化工类学生必修 的核心课程。 • 绪论阐述以下几个问题：
产物的分离与精制过程
3
原料的预处理 产物的分离精制
一般属物理过程，不发生化学反应
常用的方法是：蒸发、精馏、吸收、萃取、过 滤 、沉降、结晶、吸附等。属《化工原理》和 《分离工程》课程范畴。
所以CRE的研究对象是→工业规模的反应过程 （注：化学反应工程进行的场所是在工业反应器 中，因此工业反应器自然便成为CRE研究的核 心）
一：CRE的研究对象 四：工业反应器的研究方法 二：CRE的研究内容 五：反应器分析与设计的模型 三：工业反应器的分类 六：反应器设计的基本任务
1化学反应工程绪论
成有规模的化学加工实践。
2019/10/30
生产硫酸
2019/10/30
1、化学工程发展史及化学反应工程学科的形成
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。
Fritz Haber (1868 - 1934) 生产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
1981年，化学反应工程正式进入我国化工高等教育。
2019/10/30
我国化学工程与技术学科的发展中 里程碑
1935年8月我国化工的先驱吴蕴初先生建成 上海天利氮气厂生产出液氨，吴先生还创 办了天厨味精厂(1923)，天原电化厂(1929) 和天盛陶器厂(1934)，以及范旭东在天津 创办的永利碱厂，这些化工原料的生产推 动了我国化学工业的发展.
2019/10/30
成熟阶段：60年代石油化工的大发展，生产的日趋大型化和单 机化，及原料加工的不断发展使其进入黄金时代并日趋成熟。
1960年，召开了第二次欧洲化学反应工程会议。从那以后，每 四年举行一次。 1970年，在美国首都(华盛顿)召开了第一次国 际化学反应工程讨论会，以后每两年举行一次。
化学反应工程 孙萍
675457
Chemical Reaction Engineering
要求：
学时：56+16 必修课 平时成绩30%
作业 出勤 实验 期末成绩70% BB: 化学反应工程 注册码：051052
jilkq88 jilkq01 jlkq123 jilkq0 jilinkq jilkq jilkouq jlkouq0 jlkouq6 kqzl0 gfkqyy 024kqyy gfkouq sykqyy0 gfkqyy0 kqyy66 gfyykq
2019/10/30
生产硫酸
2019/10/30
1、化学工程发展史及化学反应工程学科的形成
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。
Fritz Haber (1868 - 1934) 生产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
1981年，化学反应工程正式进入我国化工高等教育。
2019/10/30
我国化学工程与技术学科的发展中 里程碑
1935年8月我国化工的先驱吴蕴初先生建成 上海天利氮气厂生产出液氨，吴先生还创 办了天厨味精厂(1923)，天原电化厂(1929) 和天盛陶器厂(1934)，以及范旭东在天津 创办的永利碱厂，这些化工原料的生产推 动了我国化学工业的发展.
2019/10/30
成熟阶段：60年代石油化工的大发展，生产的日趋大型化和单 机化，及原料加工的不断发展使其进入黄金时代并日趋成熟。
1960年，召开了第二次欧洲化学反应工程会议。从那以后，每 四年举行一次。 1970年，在美国首都(华盛顿)召开了第一次国 际化学反应工程讨论会，以后每两年举行一次。
化学反应工程 孙萍
675457
Chemical Reaction Engineering
要求：
学时：56+16 必修课 平时成绩30%
作业 出勤 实验 期末成绩70% BB: 化学反应工程 注册码：051052
jilkq88 jilkq01 jlkq123 jilkq0 jilinkq jilkq jilkouq jlkouq0 jlkouq6 kqzl0 gfkqyy 024kqyy gfkouq sykqyy0 gfkqyy0 kqyy66 gfyykq
《化学反应工程》全册配套完整教学课件
床层或反应器内宏观动力学模型(或简称床层动力学模型) 各种类型反应器内的催化剂床层，计入反应气体与催化剂颗粒的相 互流动状况，和使用过程中催化剂失活影响的诸多因素，即处于介 尺度的宏观动力学。
Copyright 2011 by Southeast University
Chemical Reaction Engineering
物质在反应装置中的流动、传质和传热与化学反应之间相互关系的 概念，称为物理概念模型。 数学模型 表达物理概念模型的数学式称为数学模型。 数学模拟方法 用基于物理概念模型的数学模型来模拟反应过程的 方法称为数学模拟方法。
Copyright 2011 by Southeast University
固体颗粒细小，气流流动情况 复杂。
催化剂带出少，要求气液分布 均匀，温度调节较难。
固相在液相中悬浮，气相连续 流入及流出反应器。
固相在液相中悬浮，液相和气 相连续进入及流出反应器。
粒子返混小，相接触面小，传 热效能低。
Copyright 2011 by Southeast University
Chemical Reaction Engineering
一、化学反应工程学的研究范畴
过程工业
从事物质的化学转化，生成新的物质产品； 各个生产环节具有一定的不可分性，形成生产流程，并多数连续生
产。
过程工业包括两个过程：
Copyright 2011 by Southeast University
Chemical Reaction Engineering
气流床 滴流床 鼓泡淤浆床 三相流化床 回转筒式 螺旋挤压机式
气-固相 气-液-固三相 气-液-固(催化及非催化) 气-液-固(催化及非催化) 气-固相，固-固相 高黏度液相
Copyright 2011 by Southeast University
Chemical Reaction Engineering
物质在反应装置中的流动、传质和传热与化学反应之间相互关系的 概念，称为物理概念模型。 数学模型 表达物理概念模型的数学式称为数学模型。 数学模拟方法 用基于物理概念模型的数学模型来模拟反应过程的 方法称为数学模拟方法。
Copyright 2011 by Southeast University
固体颗粒细小，气流流动情况 复杂。
催化剂带出少，要求气液分布 均匀，温度调节较难。
固相在液相中悬浮，气相连续 流入及流出反应器。
固相在液相中悬浮，液相和气 相连续进入及流出反应器。
粒子返混小，相接触面小，传 热效能低。
Copyright 2011 by Southeast University
Chemical Reaction Engineering
一、化学反应工程学的研究范畴
过程工业
从事物质的化学转化，生成新的物质产品； 各个生产环节具有一定的不可分性，形成生产流程，并多数连续生
产。
过程工业包括两个过程：
Copyright 2011 by Southeast University
Chemical Reaction Engineering
气流床 滴流床 鼓泡淤浆床 三相流化床 回转筒式 螺旋挤压机式
气-固相 气-液-固三相 气-液-固(催化及非催化) 气-液-固(催化及非催化) 气-固相，固-固相 高黏度液相
化学反应工程1
第3页 共 8 页
作者： 傅杨武
重庆三峡学院化学工程系
《化学反应工程》 教案
第一章 绪 论
［板
书］
r 定义 →
式中：V 为体积； ξ ：反应进度
1 dξ V dt
（1.1）
［说
明］
对非均相反应，其反应速率的定义是有差异的，如气-固催化反应。 ［举 例］ 例 1.1 对如下反应： aA + bB → cR ，其反应进度可写成如下形式：
教学难点
无
教学方法
讲授法
学时分配
2 学时
教学过程
作者： 傅杨武
重庆三峡学院化学工程系
第1页 共 8 页
《化学反应工程》 教案
第一章 绪 论
［引
言］
*预修课程 《化工原理》 、 《物理化学》 、 《高等数学》 、 《概率论》
［板
书］
*参考文献 朱炳辰， 《化学反应工程》 ，化学工业出版社，1993。 张濂、许志美、袁向前等， 《化学反应工程原理》 ，华东理工大学出版社 *本学科的内容安排（参见本书目） 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 绪论 均相反应动力学基础 理想反应器 非理想流动 非均相反应动力学 固定床反应器 流化床反应器 其它多相反应器
［板 ［分
书］ 析］
① 反应速率 a. 概念：反应系统中某一物质在单位时间、单位反应区内的反应量。 均相反应： “单位反应区”常指“单位反应体积” ；非均相反应：如气固催化反应， “单位反应区”常指“单位催化剂质量” 。因此，对不同的反 应类型，反应速率的量纲是不一样的。 对一定大小的反应设备和物料处理量，反应速率的大小实际上反映了 反应物料的转化程度。对均相反应：
作者： 傅杨武
重庆三峡学院化学工程系
《化学反应工程》 教案
第一章 绪 论
［板
书］
r 定义 →
式中：V 为体积； ξ ：反应进度
1 dξ V dt
（1.1）
［说
明］
对非均相反应，其反应速率的定义是有差异的，如气-固催化反应。 ［举 例］ 例 1.1 对如下反应： aA + bB → cR ，其反应进度可写成如下形式：
教学难点
无
教学方法
讲授法
学时分配
2 学时
教学过程
作者： 傅杨武
重庆三峡学院化学工程系
第1页 共 8 页
《化学反应工程》 教案
第一章 绪 论
［引
言］
*预修课程 《化工原理》 、 《物理化学》 、 《高等数学》 、 《概率论》
［板
书］
*参考文献 朱炳辰， 《化学反应工程》 ，化学工业出版社，1993。 张濂、许志美、袁向前等， 《化学反应工程原理》 ，华东理工大学出版社 *本学科的内容安排（参见本书目） 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 绪论 均相反应动力学基础 理想反应器 非理想流动 非均相反应动力学 固定床反应器 流化床反应器 其它多相反应器
［板 ［分
书］ 析］
① 反应速率 a. 概念：反应系统中某一物质在单位时间、单位反应区内的反应量。 均相反应： “单位反应区”常指“单位反应体积” ；非均相反应：如气固催化反应， “单位反应区”常指“单位催化剂质量” 。因此，对不同的反 应类型，反应速率的量纲是不一样的。 对一定大小的反应设备和物料处理量，反应速率的大小实际上反映了 反应物料的转化程度。对均相反应：
化学反应工程 陈甘棠 第三版 课后答案
A nA0 pA0 nA pA
P 0 0 3nA0 nA 3 pA0 pA
p总 pA0 3 pA0 2 pA
解 由 cA-cB=42.4 可知反应应按下列方式 A+B→产物进行 设为二级反应
dcA 1 c c kcA cB 积分得： kt ln A B0 dt cA0 cB0 cA0cB
以
1 c ln A 对 t 作图若为直线，则假设正确。 cA0 cB0 cB
t
116.8 319.8 490.2 913.8 1188
由 cA0-cB0=42.4 整理得数据如下：
4
y
线性回归：
0.026
1 c ln A cA0 cB0 cB
0.013 2
0.014 9
0.016 9
0.021 6
-3
13
解
t=285-283=2s
反应前后体积不变的不可逆反应，已经反应掉的部分不会对反应产生任何 影响。反应过程中的任意时刻都可以作为初始时刻和终了时刻。 14 在间歇搅拌槽式反应器中，用醋酸与丁醇生产醋酸丁酯，反应式为： 2 SO 4 CH3COOH C4 H9OH H CH3COOC4 H9 H 2O A B R S 反应物配比为：A(mol):B(mol)=1:4.97，反应在 100℃下进行。A 转化率达 50％需要时间为 24.6min，辅助生产时间为 30min，每天生产 2400kg 醋酸 -3 丁酯（忽略分离损失） ，计算反应器体积。混合物密度为 750kg·m ，反应 器装填系数为 0.75。 解
t t1 2
pA 0.5 pA0
1 0.51n 1n pA 0 t1 2 k p n 1 pA0 t1 2 ln pA0 ln t1 2 0.1360 265 5.580 186
化学反应工程陈甘棠第一章-文档资料36页
Ca SCaO S2 O
硫酸生产
S O 212O2 S O 3
H2O H2SO 4
05.12.2019
低能耗制H2
1 Ca2B H r2O CaO2 H B r
2 CaO B r 2 Ca2Br12O2
700-7500c 500-6000c
3 3Fe2B 4H r2O F2O e46 H B r + H2
反应用于净化原料
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
iC4 H8
1000c 阳离子树脂
OCCCH 3
H2 H
(MTBE)
硫酸
CH3
H2O+iC4H8
HO C C CH3
H2 H
(叔丁醇)
05.12.2019
b ：高纯硅生产
化学 纯 Si
Si
光谱 纯 Si
Si
SiF 4 (G ) SiF 4 (G )
SiSiF4 2SiF2
05.12.2019
三、反应工程的研究方法
1、模型化方法
参数计算式 建立数学模型 动力学方程式
物料、热量、动量衡算式 求解数学模型的计算方法 计算机软件的实现及计算结果
05.12.2019
2、试验的方法
设备传递过程模型的测定 如：大型冷模测定
无法计算的参数的测定 如：热力学、动力学、催化剂等的参数
硫酸生产
S O 212O2 S O 3
H2O H2SO 4
05.12.2019
低能耗制H2
1 Ca2B H r2O CaO2 H B r
2 CaO B r 2 Ca2Br12O2
700-7500c 500-6000c
3 3Fe2B 4H r2O F2O e46 H B r + H2
反应用于净化原料
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
iC4 H8
1000c 阳离子树脂
OCCCH 3
H2 H
(MTBE)
硫酸
CH3
H2O+iC4H8
HO C C CH3
H2 H
(叔丁醇)
05.12.2019
b ：高纯硅生产
化学 纯 Si
Si
光谱 纯 Si
Si
SiF 4 (G ) SiF 4 (G )
SiSiF4 2SiF2
05.12.2019
三、反应工程的研究方法
1、模型化方法
参数计算式 建立数学模型 动力学方程式
物料、热量、动量衡算式 求解数学模型的计算方法 计算机软件的实现及计算结果
05.12.2019
2、试验的方法
设备传递过程模型的测定 如：大型冷模测定
无法计算的参数的测定 如：热力学、动力学、催化剂等的参数
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)
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；
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反应产物的分离与提纯
单元操作（三传）
2013年7月9日星期二
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》
物性庞杂
多相（气,液,固,超临界,等离子,纳米胶体） 温度,压力,粘度,重度,表面张力… 变化幅度大
非线性耦合 物理,化学,生物学之间
预测精度高 生产规模大
250万T/年－1000万T/年 催化裂化（ф 10m, H=70m)
30万T/年－100万T/年 乙烯裂解 30万T/年 合成氨－52万T/年 尿素
小试
模型的放大 试验
比较测试结 果与模型计 算结果 中试 修正基础模型
数学模拟放大示意图
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用 计 算 机 做 多 方 案 及 优 化 设 计 计 算
过 程 的 基 本 设 计
四、化学反应过程分类
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
•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
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反应过程动态特性与反应系统测量和控制 ——工业生产的必须条件，人为不能达到 例如：对于一放热反应 进料温度高 反应速率快 放热不及时 温度升高
化学反应工程
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第一章 绪论
1 反应工程在化学工程学科中的地位 2 反应工程的范畴和任务 3 反应工程的研究方法
4 化学反应过程分类
5发展趋势
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一、反应工程在化学工程学科中的地位
1、化学工程的主要研究内容
原料的预处理 化学方法加工 进行化学反应 单元操作（三传） 反应工程
煤燃烧，矿石焙烧 气－液吸收反应 炼铁，湿法冶金
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五、反应工程的发展趋势
反应工程用于产品分离
a ：iC , nC C
4
, 4
, 4
C
0 4
分离
CH 3 CH 3
CH 3OH iC4 H 8
60-1000c 1000c 阳离子树脂
O C C CH 3
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2、试验的方法
设备传递过程模型的测定 如：大型冷模测定
无法计算的参数的测定 如：热力学、动力学、催化剂等的参数
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
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基础 试验 测定
拟定 过程 模型
用 计 算 机 做 方 案 研 究
制 定 模 型 测 试 方 法 及 参 数 范 围
Grassroots FCC unit under construction in M2013年7月9日星期二
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80万吨/年加氢裂化装置
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爆炸 ——自动控温装置
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温度过高
反应加快
2、反应工程的任务
创新与选择最适反应器型式 确定最优工艺条件 估算反应器尺寸大小
新工艺、新产品开发
传统技术改造 优化操作
目标： 单位设备容积净度大 目的产物单一性大 安全,稳定 核心 ——复杂系统的工程放大
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3、工业反应的特点
3NH 3
( NH 4 ) 3 PO4
磷石膏分解 CaSO4 CaO
SO3
CaS CaO SO2
硫酸生产
SO2 1 O2 SO3 2
H 2 O H 2 SO4
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低能耗制H2
1 CaBr H2O CaO 2
2 CaO 3 4
Br2
•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
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T 0C
绝热式
L
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间壁换热式
L
自热式
L
T℃
冷激式 T℃
L
相变式
t (hr)
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按反应物相态分类
非催化反应 大部分气相反应 催化反应 大部分液相反应 胶体反应 酶和微生物反应 合成氨，硝酸，硫酸 炼油，合成材料单体
均相反应
快速反应（燃烧等）
非均相反应
H2 H
(MTBE)
H2O+iC4H8
硫酸
CH3 HO C C CH3
(叔丁醇)
H2 H
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b： 高纯硅生产
化学 纯 Si
光谱 纯 Si
Si SiF4
Si
2SiF2
Si
SiF 4 (G)
SiF 4 (G)
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反应用于净化原料
银催化剂 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 加氢 氧化 CH CH H 2C CH 2 H 2 （微量） CH CH H 2 CH CH H 2O H 2 C CH 2
工 程 控 制
催化剂
设备结构及 参数控制 经济学
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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
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CH CH
O
用于能源过程
O
400c 氯化钙· 甲醇络合物 H CaCl2 CH 3 OH 0c 140
CH3-OH
低压 -5 c
0
CaCl2· 3C-OH 2H 1500C
CH 3 -OH
400C
液相（高压）
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节流
生态工业组合
磷肥生产
Ca3 ( PO4 ) 2 3H 2 SO4 H 3 PO4 3CaSO4
法兰克-卡明聂斯基著作《化学动力学中的扩散与传热》问世 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
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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
化 学
化学热力 学与反应 动力学
反应 过程 分析
反应 过程动 态特性与 反应系统 测量和 控制 优化
100m3 －300m3 聚合釜, 120m长 循环管聚丙稀
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高 低 并 列 的 提 升 管 FCC 装 置
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南 充 炼 厂 FCC 装 置
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Cold flow model of Kellogg dense phase catalyst cooler
45万吨/年乙烯裂解球罐
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釜式反应器
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环管反应器
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三、反应工程的研究方法
1、模型化方法
参数计算式
建立数学模型
动力学方程式 物料、热量、动量衡算式
求解数学模型的计算方法 计算机软件的实现及计算结果
2HBr
700-7500c
500-6000c
CaBr2 1 O2 2
3FeBr 2 4 H 2 O Fe 2 O4
6HBr
+ H2
Br2
550-6500c 200-3000c
Fe2 O4
8HBr
3FeBr 4H 2O 2
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六、反应工程的前沿领域