化学反应工程中的反应动力学与反应器设计
化学反应工程_第一章_应用化学反应动力学及反应
（1）一级反应；（2）二级反应；（3）三级反 应；（4）零级反应；（5）分数级反应
（1）放热反应；（2）吸热反应
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按反应过程进行的条件分类
均相
催化反应
非催化反应 催化反应
气相反应；液相反应
多相 温度 压力
液-液相反应；气-液相反应；液-固相反应； 非催化反应 气-固相反应；固-固相反应；气-液-固三相反应 等温反应；绝热反应；非绝热变温反应 常压反应；加压反应；减压反应 间歇过程；连续过程（平推流、全混流、中间 型）；半间歇过程 定态过程；非定态过程 理想流动模型（平推流，全混流） 非理想流动模型
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各种反应器在工业中的应用－线性低密度聚乙烯的生产
流化床反应器
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第二节 化学计量学 2.1 化学计量式：
表示参加反应的各组分的数量关系
ν 11 ν 2 2 ν n1n1 ν n n
也可以写成： ν 11 ν 2 2 ν n1n1 ν n n 0 或：
反应物
反应时间
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（二）连续操作
连续地将原料输入反应器，反应产物也连续地流出反应器
A的流入量
A的流出量
管式连续流动反应器、釜式连续流动反应器
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连续操作的主要特点
操作特点∶物料连续输入，产物连续输出，时刻伴 随着物料的流动。 基本特征∶连续反应过程是一个稳态过程，反应器 内各处的组成不随时间变化。（反应组分、浓度可 能随位置变化而变化。） 主要优点∶便于自动化，劳动生产率高，反应程度 与产品质量较稳定。规模大或要求 严格控制反应条件的场合，多采用 连续操作。 主要缺点∶灵活性小，设备 投资高。
化学反应动力学与反应器设计
化学反应动力学与反应器设计化学反应是一种由化学反应动力学控制的现象。
化学反应动力学的研究是研究化学反应速率及其机理、反应物转化率与反应条件之间的关系的一门科学。
而反应器设计则是将化学反应动力学理论与工业实践相结合，设计反应器的形式、参数及操作条件等，以实现化学反应过程的高效、经济及环保。
一、化学反应动力学化学反应动力学是化学反应过程中反应速率的研究，它充分利用关于化学反应速率的实验数据，确定化学反应速率与反应物浓度、温度、压力、催化剂等各项条件之间的定量关系，并阐明这些关系的机理。
其所涉及的基本概念有反应级数、反应机理、反应速率常数等。
反应级数描述了反应物数目对于反应速率的影响，它等于某一反应物的浓度对速率的影响次数（如A+B→C的反应级数为2）。
反应机理是指反应的中间状态和路径，它是反应速率的决定因素之一。
反应过程一般可分为初步反应、中间产物、终步反应这三个阶段。
多数的化学反应都是分多个反应步骤完成的，即多步反应机理。
反应速率常数是化学反应动力学定量研究的中心问题，它是表示化学反应速率大小的数量。
它表示的是反应物单位浓度下每一单位时间内反应物消失速率的大小，其单位通常为“mol·L^-1·s^-1”。
二、反应器设计反应器是化学反应过程中反应物通过物理或化学变化转化为产物的设备。
反应器设计是经过实验和理论计算，根据化学反应动力学理论和相关工程技术要求，设计出具有高效、节能、安全、环保等特点的反应器。
反应器可以按不同的分类方式进行划分。
按照反应器的结构和形式，可以分为批式反应器和连续式反应器；按照反应体系的性质，可以分为气相反应器、液相反应器和气液相反应器。
在反应器设计中，需要考虑到物料流动、传热、质量传递等多方面的因素。
在连续式反应器设计中，反应物的流入、反应、产物的出口应该按照一定的流动方式进行设计。
反应器内部的物理结构、搅拌装置、催化剂分布等因素对反应效果有很大的影响。
因此，在反应器设计中，需要增大反应器的有效容积，改进反应器的技术参数和结构，利用先进的自动化技术来实现对反应器的精确控制。
反应动力学模型在化学反应工程中的应用
反应动力学模型在化学反应工程中的应用反应动力学是研究反应速率与反应条件(温度、压力、物质浓度等)之间关系的科学。
反应动力学模型是通过反应动力学理论对化学反应速率进行建模和计算的方法。
反应动力学模型不仅在化学反应的基础研究中起着重要作用，而且在化学反应工程中的应用也日益重要。
下面将从三个方面探讨反应动力学模型在化学反应工程中的应用。
一、反应动力学模型用于反应器设计在工业生产中，合理的反应器设计是实现高效、节能的化学反应的重要保证。
反应动力学模型作为反应器设计的基础之一，能够预测反应物浓度、速率常数、反应热等参数，为反应器的选择、尺寸和操作条件等方面提供科学依据。
例如，在甲酸催化酯化反应的工业生产中，反应动力学模型能够帮助设计合理的反应器结构和操作条件，提高反应速率和产物收率，达到高效、经济的目的。
二、反应动力学模型用于反应过程控制反应过程控制是化学反应工程的重要环节，关系到反应的稳定性和产品质量。
反应动力学模型能够根据反应物浓度、温度、压力等参数实时地预测反应速率，进而控制反应过程中的温度、浓度等参数，实现反应过程的稳定和自动化控制。
例如，在聚合反应的过程中，反应动力学模型能够控制反应过程中的温度、压力等参数，保证聚合反应的稳定性和产物质量。
三、反应动力学模型用于反应机理研究反应机理研究是反应动力学模型应用的另一个重要方面。
反应动力学模型可以预测化学反应中的反应物、中间体和产物等物质的浓度和转化率，有利于了解反应机理和反应路径。
利用反应动力学模型，可以研究反应物分子之间的相互作用和化学键断裂形成等反应细节，为反应机理研究提供强有力的工具。
例如，在热解反应的研究中，反应动力学模型能够预测反应体系中产生的气态分子种类和浓度，为反应机理的研究提供有力的支持。
总之，反应动力学模型在化学反应工程中有着广泛的应用。
正是通过反应动力学模型的应用，工程师们才能够在化学反应的基础研究和工业生产中取得更好的成果，实现高效、节能、安全、环保的化学反应工程。
化学工程实验化学反应工程与反应动力学研究
化学工程实验化学反应工程与反应动力学研究化学工程实验是应用化学原理和方法进行研究和开发化学产品的过程。
其中，化学反应工程和反应动力学是关键性的领域，对于优化反应条件、提高反应效率具有重要意义。
本文将介绍化学工程实验中的化学反应工程和反应动力学的研究方法和应用。
一、化学反应工程化学反应工程是指在合适的反应条件下，对原料进行适当的处理和加热，使其发生化学反应，进而制备所需产品的过程。
化学反应工程涉及到反应器的设计、反应条件的优化、反应过程的控制等方面。
1.1 反应器的设计反应器是化学反应的核心设备，其设计要考虑到反应物料的性质、反应动力学参数、反应条件等因素。
常见的反应器有批式反应器、连续流动反应器等。
批式反应器适用于小规模试验和不连续生产，而连续流动反应器适用于大规模生产。
1.2 反应条件的优化反应条件的优化是提高反应效率和产物收率的关键。
优化反应条件可以包括温度、压力、反应物料配比、催化剂选择等因素。
通过调节这些因素，可以使反应过程更加高效、安全，并且减少副反应的发生。
1.3 反应过程的控制反应过程的控制是保证反应稳定进行的关键。
控制方法可以包括温度控制、压力控制、物料进料速率控制等。
通过合理控制这些参数，可以实现产物的稳定生产和产品质量的控制。
二、反应动力学的研究反应动力学是研究反应速率和反应机理的学科。
了解反应动力学参数对于优化反应条件、预测反应过程具有重要意义。
2.1 反应速率的测定反应速率是反应物质的浓度随时间的变化率。
通过实验方法可以确定反应速率常数和反应级数。
常见的测定方法有连续测定法、初始速率法等。
2.2 反应机理的推断根据实验结果和反应动力学理论，可以推断出反应的机理。
通过了解反应机理，可以进一步优化反应过程和预测反应结果。
2.3 动力学模型的建立根据反应动力学的研究结果，可以建立反应的动力学模型。
通过建立模型，可以预测反应的速率和过程，并进一步优化反应条件。
三、化学工程实验的应用化学工程实验的研究成果在许多领域都有广泛的应用，其中包括新材料的合成、药物制备、环境污染治理等。
化学反应动力学
计算例题
解：苯的单程转化率: 39/100＝0.39 苯的总转化率: 39/40=0.975 氯苯的选择性: 38/39= 0.974 氯苯的总收率 38/40= 0.95 或 0.975×0.974＝0.95
很低，但总转化率和总收率可以很高。 29
循环物料 原料 反 应 器
换热器 分 离 器 产品
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转化率
转化率：转化率是用来表示化学 反应进行的程度一个参数。一般 指关键反应组分的转化量与其起 始量的比值。 XA = ( nA0 – nA )／ nA0 XA = ( NA0 – NA )／ NA0
8
单程与全程转化率
单程转化率：以 反应器入口组成 原料 及出口组成为基 准计算的转化率。 全程转化率：以 初始原料组成与 离开反应系统的 组成为基准计算 的转化率
4
复杂反应系统特点
复杂反应系统是指在反应器中同时进行这两个 复杂反应系统是指在反应器中同时进行这两个 或两个以上的反应。 或两个以上的反应。 主要讨论的两种复杂反应系统是：连串反应与 主要讨论的两种复杂反应系统是：连串反应与平 k2 行反应。 A k 1 → P → S
动力学方程： rA = k 1c A rS = k 2 c P rP = k 1 c A − k 2 c P
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反应器中的Leabharlann 想流动平推流模型平推流模型： 平推流模型： （活塞流） 一般流动
无返混； 无返混； 所有物料在反应器中停留时间均相同； 所有物料在反应器中停留时间均相同； 物料组成随反应器位置变化。 物料组成随反应器位置变化。 符合平推流模型特点的反应器称为平推流反应器 推流反应器（ 符合平推流模型特点的反应器称为平推流反应器（活 塞流反应器简称 简称PFR） 塞流反应器简称 ）
化学工程中的化学反应动力学与反应器操作技术
化学工程中的化学反应动力学与反应器操作技术化学反应动力学与反应器操作技术是化学工程中的关键概念和技术，它们对于反应过程的理解、优化设计和实际操作至关重要。
本文将探讨化学反应动力学的基本原理和反应器操作技术的应用，以及二者之间的关联和相互影响。
一、化学反应动力学化学反应动力学研究的是化学反应速率与反应物浓度之间的关系，以及影响反应速率的因素。
通过对反应速率的研究，可以理解反应物转化速度和产品生成速度的变化规律，从而指导反应器的设计和操作。
化学反应速率可以用反应物浓度的变化率来描述，即速率方程。
速率方程一般采用“速率常数”和反应物浓度的指数幂之间的关系来表示。
例如，对于简单的一级反应（A→B），其速率方程可以表示为：r = k[A]其中，r代表反应速率，k为速率常数，[A]为反应物A的浓度。
在实际应用中，通过实验测定不同条件下的反应速率，可以确定反应速率常数和反应物浓度指数的具体数值。
这些实验数据可以用来建立数学模型和探究反应机理，进而进行反应器设计和操作的优化。
二、反应器操作技术反应器是进行化学反应的设备，反应器操作技术包括反应器的选择、设计和操作策略的确定等方面。
反应器的设计和操作对于反应动力学的研究和实际应用起着至关重要的作用。
1. 反应器的选择在化学工程中，常见的反应器类型包括批式反应器、连续流动反应器和循环式反应器等。
不同类型的反应器适用于不同的反应系统和反应条件。
批式反应器适用于小规模试验和多种反应系统的研究，其优点是对反应条件的控制灵活。
连续流动反应器适用于大规模生产和连续运行的反应系统，其优点是反应效率高和操作稳定。
循环式反应器适用于固液相催化反应系统等，其优点是提高反应转化率和降低催化剂的用量。
2. 反应器的设计反应器的设计包括确定反应器的几何形状、尺寸和内部结构等方面。
反应器设计的目标是实现反应物的充分混合和传质，提高反应效率和产物选择性。
常见的反应器设计方法包括反应器的流体力学模拟和传热传质计算，以及反应器的流体动力学分析和化学动力学模型的建立。
化学反应动力学在反应工程中的应用
化学反应动力学在反应工程中的应用化学反应动力学是研究一个化学反应速率规律和影响因素的学科。
由于反应动力学的研究对于理解化学反应机理以及反应工程的设计、控制和优化具有重要的指导作用，因此也成为反应工程中一个不可或缺的分支。
本文将从反应动力学的概念入手，探讨反应动力学在反应工程中的应用。
一、反应动力学的概念反应动力学是指研究化学反应的速率规律、速率常数及其影响因素的科学，即探讨在一定反应系统条件下，反应物在反应过程中的摩尔浓度变化随时间的变化规律。
反应动力学中的关键是反应速率，它是指反应物浓度随时间变化的速度。
反应速率与反应物的浓度、温度、催化剂等因素有关。
其中各项影响因素都可以通过实验方法来探究。
在实际应用中，特别是在反应工程的设计和优化过程中，更多的是运用反应动力学的理论知识，从各种实验研究结果中获取相关参数值，来实现反应过程的可控、高效及安全操作。
二、反应动力学在反应工程中的应用1. 反应机理的研究在反应工程中，为了设计出可行的过程流程和确定反应的生产条件，必须先了解反应机理和反应过程的热力学特征。
研究反应机理是通过实验探究反应体系中可能出现的所有化学反应，以期确定各个化学反应的速率。
这样才能确立反应过程的热力学特征，使工程师有关于反应物的浓度变化、温度变化以及反应物生成的时间等重要信息。
反应速率的基础研究和机理研究可以为化学控制反应系统提供信息和手段。
2. 反应条件的优化通过反应动力学的任务和目的是为了预测和优化反应过程中各种实验条件的选择。
零点模型可以通过实验研究来确定反应体系中反应物的浓度变化。
温度等条件的改变可以使反应速率发生变化，因此可以用来控制反应过程，以达到最终目标。
在此过程中，通过不断的实验研究和模型模拟，可以使工程师在事先得出最佳试验条件，为实验的平稳进行和生产的可靠实施创造更好的前提。
3. 催化剂的筛选和设计催化剂是一种重要的反应动力学剂，可以加速化学反应，提高反应速率，减少自由放射性物质的产生。
化学工程学中的反应器设计与优化
化学工程学中的反应器设计与优化反应器是化学工程学中至关重要的设备，用于进行化学反应以转化原料为所需产品。
合理的反应器设计与优化能够显著提高反应效率、降低能耗、优化产物选择以及改进产品质量。
在本文中，我将向大家介绍一些常见的反应器设计原则和优化方法，以及它们在化学工程中的应用。
1. 反应器设计原则在进行反应器设计之前，首先需要明确反应的特性以及实验结果。
以下是一些反应器设计的基本原则：1.1 反应动力学：了解反应速率、反应转化率以及副产物生成情况，以便选择合适的反应机制和工艺。
1.2 热平衡：确保反应温度在合适的范围内，避免副反应的产生或催化剂失活。
1.3 高选择性：通过选择合适的反应条件和控制反应物的浓度，提高目标产物的选择性。
1.4 良好的传质与传热性能：保证反应物和热量在反应器中的传递有效，并减少质量传递的限制。
2. 反应器类型及应用根据反应物的性质和反应条件的不同，化学工程中常见的反应器类型包括：2.1 批量反应器：适用于小规模反应或需要对反应物进行处理的情况。
2.2 连续流动反应器：适用于大规模生产或连续反应过程的情况，具有较高的反应效率。
2.3 固定床反应器：适用于气体相反应和吸附过程，常见于催化剂反应。
2.4 搅拌槽反应器：适用于液态反应，可通过搅拌来提高传质和传热性能。
3. 反应器的优化方法为了提高反应器效率并降低生产成本，反应器的优化成为研究重点。
以下是一些常见的反应器优化方法：3.1 流程模拟与优化：通过建立反应动力学模型和流程模拟软件，优化反应物的流程和条件，以达到最佳操作参数。
3.2 催化剂的选择和改进：通过催化剂的优化选择或制备新的催化剂，提高反应选择性和活性。
3.3 反应体积的优化：优化反应器的尺寸和体积，以提高反应效率并降低能耗。
3.4 传热与传质性能的改进：改善反应器的传热和传质性能，提高反应速率和选择性。
3.5 投料方式的优化：选择合适的投料方式，确保反应物的均匀分布和充分混合。
化学反应工程中的反应器设计与建模
化学反应工程中的反应器设计与建模一、反应器设计基础化学反应工程中的反应器设计与建模是一个复杂的领域。
反应器设计的基础是化学反应热学和动力学原理。
热力学原理主要针对反应热，包括反应热平衡和非平衡热效应。
动力学原理主要关注反应速率，包括反应机理和反应动力学模型。
二、反应器模型反应器模型是反应器设计的基础，通过反应器模型可以预测反应器的温度、压力、物质转化率等重要参数。
反应器模型可简化为两类：质量守恒模型和能量守恒模型。
质量守恒模型主要关注物质平衡，物质传递和反应动力学，能量守恒模型主要关注热平衡，热传递和反应热效应。
这两个方面相互影响，需要结合起来考虑。
三、反应器类型常见的反应器类型包括批式反应器、流动床反应器、固定床反应器和搅拌槽反应器等。
批式反应器是最简单的反应器类型，适用于小规模实验；流动床反应器和固定床反应器适用于大规模化工生产；搅拌槽反应器适用于小规模生产和复杂反应系统。
四、反应器设计流程反应器设计流程包括确定反应体系、选择反应器类型、计算热平衡、计算物质平衡和反应动力学参数、对反应器进行热力学和动力学分析、设计反应器体积和形状、安装反应器和进行实验。
在这个过程中需要准确地掌握各项参数和实验数据，不断修正模型和反应器的设计方案。
五、反应器设计常见问题反应器设计的常见问题包括热失控、冷凝和物质升华等。
热失控指反应器中反应热生成速度超过热传递速度，导致反应器温度迅速升高；冷凝指在反应器中产生大量的气体，随后快速冷却，导致反应器中发生的反应转化率过低；物质升华指反应器中形成精细的颗粒，导致反应器设备堵塞和能源损失。
这些问题需要针对性地制定方案来解决。
六、结论化学反应工程中的反应器设计与建模是一个复杂的领域，需要结合热力学和动力学原理，针对不同的反应体系和反应条件采取不同的反应器类型和设计方案。
在设计过程中需要注意常见问题，并不断改进和优化设计方案。
反应器设计的合理性和准确性直接影响化工生产效率和质量，因此需要科学严谨地进行。
化学反应器的设计
化学反应器的设计化学反应器是化学工业中不可或缺的设备，其主要功能是在一定条件下促进化学反应的进行。
一个优良的化学反应器设计能够提高反应效率、降低生产成本，并确保反应的安全可靠。
本文将探讨化学反应器设计的重要考虑因素以及常见的反应器类型。
一、化学反应器设计的考虑因素1. 反应类型：化学反应可以分为批量反应和连续反应两种类型。
批量反应适用于小规模生产，而连续反应则适用于大规模连续生产。
设计化学反应器时，需要根据反应类型选择合适的反应器形式。
2. 反应动力学：化学反应的速率与温度、压力、浓度等因素有关。
在设计反应器时，需要考虑反应动力学，并确定最适宜的反应条件，以提高反应效率。
3. 反应热效应：某些化学反应会释放大量的热量，而另一些反应则需要吸热才能进行。
在设计反应器时，需要考虑如何控制反应热效应，防止温度过高或过低对反应产生不利影响。
4. 材料选择：化学反应器需要使用耐腐蚀的材料，以抵抗反应物和产物对反应器的腐蚀作用。
根据反应物性质选择合适的材料，可以延长反应器的使用寿命。
5. 反应器搅拌：搅拌对于化学反应的进行至关重要。
搅拌可以均匀分散反应物，提高反应效率。
在设计反应器时，需考虑搅拌方式、搅拌速度等因素。
6. 反应器尺寸：根据所需反应物的量和反应速率，可以确定反应器的尺寸。
一个合理的尺寸可以提高产量，减少能源和原料的消耗。
二、常见的化学反应器类型1. 批量反应器：批量反应器是最常见的反应器类型，适用于小规模生产和实验室研究。
批量反应器通过一次性加入反应物，进行反应，然后清除产物，进行下一批次的反应。
2. 连续流动反应器：连续流动反应器适用于大规模生产。
它将反应物以连续的方式引入反应器中，产物也以连续的方式流出。
与批量反应器相比，连续流动反应器具有更高的反应效率和产量。
3. 催化剂反应器：催化剂反应器是通过添加催化剂来加速反应速率的反应器。
催化剂可以提高反应效率，减少反应温度和压力，降低成本。
常见的催化剂反应器包括固定床反应器和流化床反应器。
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化学反应工程中的反应动力学与反应器设计化学反应工程是针对化学反应中的工业化问题进行分析、设计
和优化的一门学科。
化学反应动力学与反应器设计是化学反应工
程中非常重要的两个方面。
本文将从反应动力学和反应器设计两
个方面出发，深入探讨有关问题。
一、反应动力学
反应动力学是研究化学反应速率与反应机理的学科。
反应速率
的快慢直接影响到反应器的产量和效率，因此掌握反应动力学非
常重要。
1.1 反应速率常数
反应速率常数是反应动力学中的核心参数，它在反应速率计算、反应机制推断和反应器设计等方面起到了重要的作用。
反应速率
常数与反应温度、反应物浓度和反应机理等因素密切相关。
在设计反应器时，需要通过一系列实验确定反应速率常数，进而对反应速率进行预测。
为了准确计算反应速率常数，我们需要根据反应机理编写化学动力学模型，并进行实验验证。
1.2 温度对反应速率的影响
反应速率与反应温度之间存在着密切的关系。
在一定反应物浓度下，反应速率会随着反应温度的升高而增加。
温度升高会加快反应物分子运动，并提高反应体系的平均能量，进而促进反应物的分解与化学反应过程的发生。
这种温度对反应速率的影响被称为温度效应，是指在一定条件下，反应速率常数以指数的形式随着反应温度的升高而增加。
反应温度的改变对反应速率常数的影响，让我们可以利用反应温度的调节来控制反应速率，实现反应器的稳定操作和优良的化学反应效果。
二、反应器设计
反应器是进行化学反应的装置，具有至关重要的作用。
反应器设计涉及到反应容器的选择、装置的构造和反应控制系统的设计等多个方面。
2.1 反应器的类型
反应器按照操作方式不同可以分为批量反应器、半批量反应器和连续反应器。
批量反应器是将反应物加入反应容器进行反应，反应完成后批量卸料取出产物。
半批量反应器则是在反应开始时将反应物全部加入反应容器，反应完成后只卸去一部分反应产物，然后继续加入新的反应物进行反应。
连续反应器又可以分为连续稀释型反应器、固定床反应器和流动床反应器等。
根据化学反应的实际需要，选择不同类型的反应器可以提高反应的效率和产量。
2.2 反应条件的控制
反应条件的控制是反应器设计中的关键环节。
在反应器中，反应物质的摩尔浓度、反应物料的比例和温度等都会影响反应的进行和产物的成分。
要生产出所需的产物，就需要根据反应条件进行精准的调节。
2.3 反应热控制
化学反应是一个热力学过程，能量总是会自发地从高热到低热的体系中转移。
在某些情况下，化学反应会产生大量的热量，导致反应温度升高，从而影响反应的进行。
这时就需要反应热控制技术来制约这种过程，防止不受控的高温反应发生。
反应热控制技术可以通过控制反应温度或者添加惰性物质等方式进行。
此外，在某些反应中，还可以通过引入高热的副反应或者选择适当的反应条件来控制反应热。
三、结论
反应动力学与反应器设计是化学反应工程中最重要的两个方面，两者相辅相成。
反应动力学的研究可以为反应器的设计提供准确
的数据支持，反应器的设计又可以通过改变反应条件，实现反应
动力学中反应速率常数的调节，实现化学反应的产量和效率的最
大化。
良好的反应动力学与反应器设计是实现高效、环保、低成
本的化学反应工厂的基础。