化学反应工程学的基本任务和研究方法
化学反应工程学作为化学工程学的一个重要学科分支，利用 自然科学原理去考察、解释和处理工程实际问题，其目的是 把化学实验室的研究成果可靠地移植到工业化生产，研究工 业反应过程的宏观规律、建立数学模型，并就所确定的反应 和预期的生产能力对反应器的型式、结构、尺寸及操作方式 、操作条件进行选择或设计。
收率用来说明反应原料利用率的综合指标
化学反应过程和化学反应器的分类
-化学反应过程的分类
选择性、转化率、收率的关系
质量收率
例如100kg苯胺（纯度99%，相对分子质量93）经焙烘 磺化和精制后得到218kg对氨基苯磺酸钠（纯度97%， 相对分子质量231），则以苯胺计，
化学反应过程和化学反应器的分类
逆流接触，气液返混均小，气 液界面大，持液量较大，流速 有限制，如需传热，可在板间 加换热器
返混小；结构简单，气液界面 大，持液量较大；压降小，床 层内不能控制温度，有温差； 填料装卸麻烦
石脑油连续重整；煤气 化，适合于催化剂失活 快的反应 异丙苯氧化
合成气脱硫、脱二氧化 碳
化学反应过程和化学反应器的分类
理想均相反应器
活塞流反应器
等温操作的管式反应器中，反应物沿管长方向流动， 其浓度随流动方向从一个截面到另一个截面而变化 ，反应时间是管长的函数。一般说来，理想管式反 应器都在湍流区操作，管内流体似无数个厚度极薄 的活塞一个接一个地依次流过反应器，即不同时刻 进入反应器的物料之间不发生逆向混合（返混）， 物料的这种流动情况称为理想置换，这种理想化的 、返混量为零的管式反应器称为活塞流反应器PFR 。通常，长径比较大的管式反应器的流动情况十分 接近活塞流流反应器。
化学反应过程和化学反应器的分类
-化学反应过程的分类
转化率 在化工生产中，反应速率直接影响到反应器的尺寸和催化 剂的用量，从而关系到投资费用的多少。对于一个特定的 反应器，速率往往体现为转化率，它表明反应的深度即反 应物转化的百分率。
化学反应过程和化学反应器的分类
-化学反应过程的分类
对于间歇系统
对于连续流动系统
化学反应过程和化学反应器的分类
-化学反应过程的分类
化学反应工程是研究工业规模的化学反应的规律，即伴有 物理过程的化学反应。
分类特征 反应特征 热力学特征
反应过程 简单，复杂（平行、连串、分支等） 可逆，不可逆
相态
时间特征 控制步骤
均相（气、液），非均相（气-液、气-固、液-液、液-固、气-液-固 ） 定态，非定态
-化学反应过程的分类
E-因子（环境因子）
环境商EQ 环境商EQ是化工产品生产过程中产生废弃物量的多少、物 化性质及其在环境中的毒性行为等的综合评价指标，用以 衡量合成反应对环境造成影响的程度。是E因子与Q的乘积
Q为根据废弃物在环境中的行为给出的对环境的不友好度 。EQ越大，对环境污染越严重
化学反应过程和化学反应器的分类
化学反应过程和化学反应器的分类
-化学反应器分类
回转 筒式 空塔 或搅 拌塔 移动 床
板式 塔
填料 塔
气-固、固 -固
液相、液液相
结构简单，返混程度与高/径比 及搅拌有关，轴向温差大
水泥制造
尿素合成；苯乙烯本体 聚合
气-固、液 -固、
气-液
液相、气液
固体返混小；床内温差大，调 节困难；固气比可变性大；颗 粒输送方便，能耗大，操作费 用高，
研究方法-数学模拟法
把所考察、分析、研究的问题，经过深入的实践和透彻 的理论研究，在对化工过程本身的规律有深刻认识的基 础上，用简单明确的数学语言（即数学模型）加以描述 ，同时提出需要解决的问题，通过数学方法或采用电子 计算机求解，以获取定量答案。
把复杂过程分解为反应过程和传递过程，反应过程以化 学反应为研究对象提出化学反应过程的动力学模型；传 递过程以不同反应器为研究对象，提出传递过程的模型 ，最后研究如何将两种模型结合起来，并应用于解决工 程问题。
化学反应控制，外部扩散控制，内部扩散控制，吸附或脱附控制
操作方式
连续，间歇，半间歇（半连续）
操作条件 是否用催化剂
等温，变温 常压，加压，减压 催化，非催化
化学反应过程和化学反应器的分类
-化学反应过程的分类
• 反应过程优劣的评价标准-反应速率和反应的选择性。 反应速率：随具体情况选用不同基准（非均相-相界面，或某一
优缺点 苯的硝化；丙烯聚合； 氯乙烯聚合、高压聚乙 烯、顺丁橡胶聚合、制 药、染料、油漆 乙醛氧化；微生物发酵
轻油裂解、高压聚乙烯 、甲基丁炔醇合成
二甲苯氧化、丙烯氯醇 化 变换气的碳化、苯的烷 基化、乙烯基乙炔合成
化学反应过程和化学反应器的分类
-化学反应器分类
绝热 固定 床 列管 式固 定床 流化 床
连续反应器：稳定操作时，反应物和产物连续稳定地流入 和引出反应器，反应器内的物系参数不随时间发生变化，但 可随位置而变。反应物料在反应器内停留时间可能不同。
半连续反应器/半间歇反应器：一种或几种反应物先一次 加入反应器，而另外一种反应物或催化剂则连续注入反应器 ，这是一种介于连续和间歇之间的操作方式，反应器内物料 参数随时间发生变化。
应用实例
物料混合均匀，温度、浓度易 控制，产品质量均一；适用性 强，可连续操作、可间歇操作 ，操作弹性大， 返混大，温度均匀易控制；气 液界面和持液量较大，搅拌器 密封结构复杂。 返混小，反应器容积小；比传 热面大，易控温；管内可加构 件(静态混合器)
气相返混小，液相返混大；气 体压降大，流速有限制气液界 面小，持液量较大；温度较易 调节，
喷射 反应 器
气-固、液固
气-固、液固
气-固，液固，适用 于催化剂 失活快的 反应 气相，高 速的液相
返混小，床层内不能控制温 度；结构简单，投资和操作 费用低。
返混小，传热面积大，易控 制温度，投资和操作费用介 于绝热固定床和流化床之间
传热好，温度均匀，易控制 ；返混大，不适合高转化率 或有串联副反应的系统；颗 粒输送方便，能耗大，操作 费用高。
按操作方式分类
分为间歇反应器、半间歇或半连续反应器和连续反应器。 间歇反应器：反应物料一次加入，在搅拌的存在下，经过
一定时间达到反应要求后，反应产物一次卸出，生产为间歇 地分批进行。特征是反应过程中反应体系的各种参数（如浓 度、温度等）随着反应时间逐步变化，但不随器内空间位置 而变化。物料经历的反应时间都相同。
-化学反应过程的分类
工业上常用质量收率的倒数，即单位质量产品的消耗定 额-单耗来表示原料的利用程度。上例中生产一吨对氨基 苯磺酸钠时苯胺的单耗为100/218=459kg/t。 反应不仅要有高度的选择性，而且必须具备较好的原 子经济性。原子经济性可以用原子利用率AU来衡量。
化学反应过程和化学反应器的分类
-化学反应器分类
喷雾塔
滴流床( 涓流床)
气-液快速反应
气-液-固(固体 催化剂上进行 的气液反应)
气相返混小；结构简单，液 体表面积大，持液量小；无 传热面，床层内不能控制温 度；停留时间受塔高限制， 气流速度有限制
返混小；催化剂带出少，易 分离；气液分布不均匀，温 度调节困难
料浆床或 气-液-固相(固 返混大；催化剂细粉回收分
-化学反应器分类
按反应物料的相态分类
反应器种类 反应类型举例
均 气相 相 液相
燃烧、裂解 中化、氯化、加氢 磺化、硝化、烷基化 燃烧、还原、固相催化
液-固 固-固 气-液固
还原、离子交换 水泥制造 加氢裂解、加氢脱硫
适用设备的结 构型式 管式 釜式
釜式、塔式 釜式、塔式 固定床、流化 床、移动床 釜式、塔式 回转筒式 固定床、流化 床
返混较大，流体混合好；传 热、传质速度快，反应物急 冷易；操作条件限制严格， 缺乏调节手段
苯烃化制乙苯；二氧 化硫氧化、丁烯氧化 脱氢、半水煤气生产 乙苯脱氢；乙烯制醋 酸乙烯、合成氨、乙 炔法制氯乙烯 丙烯氨氧化制丙烯腈 ；石油催化裂化、硫 铁矿焙烧、乙烯氧氯 化制二氯乙烷
氯化氢合成、丁二烯 氯化
基本任务是：
通过深入地研究，掌握传递过程动力学和化学动力学的共同作用（ 宏观动力学）的基本规律，从而改进和强化现有的反应技术和设备 ；
指导和解决反应过程开发中的放大问题； 开发新的技术和设备； 综合考察技术和经济两个指标，实现化学反应器的最优设计和化学
反应过程的最优化控制。
化学反应工程学的基本任务和研究方法
反应物的质量，催化剂的质量或体积），均相-体积，即单位 时间、单位反应体积中所生成或勇消于耗开始的，某才组能找分到的成物质的量，
功的路
（对于恒容过程）
化学反应过程和化学反应器的分类
-化学反应过程的分类
反应的级数
反应速度常数，其值的大小直接决定了反应速 度的高低和反应进行的难易程度，与反应温度 、溶剂和催化剂等有关。T↑，k↑
反应特性
无相界面，反应速 率只与温度或浓度 有关 有相界面，实际反 应速率与相界面大 小及相间扩散速率 有关
化学反应过程和化学反应器的分类
-化学反应器分类
按反应器的结构型式分类
型式 搅拌釜
鼓泡搅 拌釜 管式
鼓泡塔 或挡板 鼓泡塔
适用反应 液相、液 -液、液固
气-液
气相、液 相、气液 气-液、 气-液-固
理想均相反应器
典型反应器（形状、流动状况、操作方法）： 间歇操作搅拌釜式反应器 连续流动管式反应器 连续操作搅拌釜式反应器 多釜串联反应器
理想均相反应器
理想间歇反应器 高/径比1-3，釜内设有搅拌装置和挡板，常
带夹套或釜内放置蛇管，以维持釜内所需 的反应温度，反应器的搅拌良好，黏度较 小的反应物料按一定配比一次加入反应器 后，开动搅拌，瞬间反应器内各处物料的 组成和温度均一，任一处的组成和温度都 可以表征整个反应器的状态，称为理想间 歇反应器IBR，该反应器具有操作灵活， 容易适应不同操作条件和产品品种的优点 ，缺点是装、卸料等辅助操作要耗费一定 时间，且产品质量不易稳定。