化学反应工程
教 师： 化工学院
第一章 绪 论
• 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，均采用化学方法将原料加工成 为有用的产品。生产过程包括如下三个组成部分：
•
• 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。
• 化学反应工程是一门复杂的涉及面很广泛的 学科，它广泛地应用了化工热力学、化学动力学、 流体力学、传递动力学、生物学等方面的研究成 果，使之不同于其它化学工程领域、近五十年来 才发展为一门系统的学科。
积和尺寸 要完成上述任务，需要使用下列三类基本设计方程：
• 物料衡算式(描述浓度变化)--连续性方程 • 能量衡算式(描述温度变化) • 动量衡算式(描述压力变化) 这三个式子是相互耦联的,需要同时求解。具体的作 法,将在以后的各个章节中详细阐述。
第五节 工业反应器的放大
• 问题的提出： 在造船、筑坝等很多领域上相似理论和因次分析为
程均可
用于多相反应过程
固定床 流化床
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悬浮 多相反应体系，可 和循环运动，提高反应器内液体的混合性能 以提高传热速率
移动床
固体颗粒自上而下作定向移动与反应流体逆 用于多相体系，催
向接触
化剂可以连续再生
第三节 反应器的操作方式
间歇操作: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。
第四节 反应器的设计与基本过程
反应器设计的基本内容一般包括： • 选择合适的反应型式 • 确定最佳操作条件 • 根据操作负荷和规定的转化程度，确定反应器的体
基准的相似放大法是非常有效的，但相似放大法在化学 反应器放大方面则无能为力，主要原因是无法同时保持 物理和化学相似。
• 目前使用的化学反应器放大法有： 逐级经验放大法（主要靠经验） 数学模型法。可以提高放大倍数， 半经验放大法
• 化学反应工程的目的是将实验室中发现的化 学反应可靠地移植到工业生产，并且根据所确定 的反应与预期生产能力对反应器的形状、尺寸及 操作方式进行设计。
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• 第一节 化学反应工程
• 一、化学反应工程的研究对象
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化学反应工程是化学工程学科的一个重要分支，主
要包括两个方面的内容，即反应动力学和反应器设计分
律，找出最优工况和适宜的反应器型式和尺寸。
• 二、化学反应的分类（反应工程学科）
• 无论是自然界还是实际生产过程中，存在各 种各样的化学反应，通常为了便于研究和应用， 将化学反应进行分类。下表中给出了常见的化学 反应分类、方法和种类，一些可能同时属于两个 或者更多的反应种类。
•
• 例如：
为一气固催化反应
反应器的类型很多，如果按反应器的工作原理来分, 可以概括为以下几种类型：
种类 管式反应器
特点 长度远大于管径,内部没有任何构件
釜式反应器 高度与直径比约为2-3内设搅拌装置和档板
塔式 (填塔 高度远大于直径，内部设有填料、塔板等 板式塔) 以提高相互接触面积
应用范围 多用于均相反应过
程 均相、多相反应过
计算机和徽电子技术普遍应用实现了反应器 的精确控制问题。通过与其它学科的交驻形 成了一系列新的交叉学科。此外,反应与分离 过程的结合出现了多功能反应器
20世纪90年代
环境保护意识的深厚感情对化学反应工程学 科提出了新的要求、新的环境友好、原子经 济的绿色反应工艺的出现，对能源开发和存 放利用的贡献
第二节 化学反应器的类型
析。
反应动力学--研究化学反应进行的机理和速率，
以获得工业反应器设计与操作所需的动力学知识和信息，
如反应模式、速率方程及反应活化能等
其中速率方程可表示为：
r=f（T、 、P）（对于一定的反应物系而言--
随时间、空间变化）
其中，r为反应系统中某一组分的反应速率， 代表浓
度的矢量，P为系统的总压。 反应器设计分析--研究反应器内上述因素的变化规
置变化，需将化学反应与传递现象综合起来考虑。
Байду номын сангаас
• 四、化学反应工程作用
对于化学产品和加工过程的开发、反应器的 设计放大起着重要的作用。运用化学反应工程知 识可以：
提高反应器的放大倍数，减少试验和开发 周期
对现有反应装置操作工况进行优化，提高 生产效率
开发环境友好的绿色生产路线和工艺
• 五、 化学反应工程的建立过程
滴流床
是固定反应器的一种，但反应物还包括气液 两种
属于固定床的一 种，用于使用固体 催化剂的气液反应 过程
(a) 管式反应器 (d) 循环式浆态反应器 (g) 滴流床反应器 (j) 板式塔反应器
(b) 移动床反应器 (e) 半连续浆态床反应器 (h) 规整填料塔反应器 (k) 鼓泡塔反应器
(c) 机械搅拌浆态床反应器 (f) 固定床鼓泡床反应器 (i) 喷雾塔式反应器 (l) 气液搅拌釜式反应器
标志性成果
对扩散、流体流动和传热对反应过程影响的 深刻认识
《化学过程原理》和《化学动力学中的扩散 与传热》出现，对学科形成奠定了基础
学科确立，学科第一次国际性的学术会议在 欧洲召开，第一次使用了化学反应工程这一 术语
石油化工的发展要求生产的大进化，产品的 多样化和深加工促进了实验研究和生产实际 的结果，产品研发周期缩短
• 三、反应过程的举例
• 一般来说反应过程包括: 物理现象--传递现象(热量
•
、动量和质量传递过程)
化学现象--化学反应
概括为"三传一反"。例如：对于反应过程
•
• 实际的反应过程可能包括： 反应物、产物的扩散过程（内外）+表面反应过程 无论对于放热过程，还是吸热过程，催化剂与反
应物气体存在温差 就整个反应器而言，如反应器内的浓度和温度随位
•
化学反应工程是建立在数学、物理及化学等基础学
科上而又有自己特点的应用学科分支，是化学工程学科
的组成部分，从学科建立至今，经历了一个漫长的过程。
时间 20世纪30年代 （萌芽阶段） 20世纪40年代 （系统化） 20世纪50年代 （学科确立）
20世纪60年代 (学科发展状大)
20世纪80年代到 90年代中期 (学科交叉和新技术运用)