化学反应工程绪论

化学反应工程(ChemicalReactionEngineering)1精选ppt预备知识高等数学：微积分，代数方程及微分方程的求解物理化学：动力学，热力学化工原理：流体流动，传递过程2精选ppt《化学反应工程》教学大纲学时：40

学分：2.5一、课程的目的与任务化学工业生产过程包括物理变化和化学反应的过程。化学反应过程是生产的关键。化学反应工程研究化学反应的工程问题.使化学反应实现工业化的一门科学。主要内容是：对工业反应进行宏观动力学研究；对反应过程进行工程分析；制定合理的技术方案和操作条件；进行反应器或反应系统的设计及优化。本课程的教学任务是讲授上述的基本理论、概念和研究方法.3精选ppt为学生具有以下方面的能力打下坚实的理论基础：1.改进和加强现有的反应技术和设备；2.开发新的反应技术和新的反应设备；3.用理论指导和解决反应过程开发中的放大问题；4.实现反应过程的最优化；5.不断发展反应工程学的理论和方法。教学目的4精选ppt教学安排第一章绪论（2学时）1.1化学反应工程学的历史和趋势1.2化学反应工程学的内容与任务1.3化学反应及化学反应器的分类1.4化学反应工程学的研究方法5精选ppt第二章均相反应动力学（10学时）2.1化学反应速率2.2化学反应速率方程2.3化学反应速率方程式的变换与积分2.4复合反应动力学分析2.5反应速率的浓度效应2.6反应速率的温度效应6精选ppt第三章非均相反应动力学

气固相催化反应动力学

（8学时）3.1气固相催化反应本征动力学3.2实验室反应器及动力学数据的处理3.3气固相催化反应宏观动力学3.4固体颗粒的表征3.5固定床反应器内的传递特性3.6多孔催化剂颗粒内的扩散过程3.7传质影响的判断与消除7精选ppt第四章理想反应器（12学时)4.1流动模型概述4.1.1反应器中流体的流动模型4.1.2反应器设计的基本方程4.2理想流动反应器4.2.1间歇反应器4.2.2平推流反应器4.2.3全混流反应器4.2.4多级全混流反应器的串联及优化4.2.5理想流动反应器的组合与反应体积比较4.2.6理想流动反应器中多重反应选择率8精选ppt第五章非理想流动（10学时）

反应器中的混合及对反应的影响5.1连续反应器中物料混合状态分布5.2停留时间分布的测量及其性质5.3非理想流动的流动模型5.4混合程度及其对反应结果的影响5.5非理想流动反应器的计算9精选ppt成绩评定平时成绩：30%:作业,出勤等期末考试：70%10精选ppt

《化学反应工程》，朱炳辰主编，化学工业出版社主要参考书：《化学反应工程》，陈甘棠主编，化学工业出版社.<反应工程原理>，罗康碧等编，化学工业出版社。

ChemicalReactionEngineering,byLevenspielO.ElementsofChemicalReactionEngineering

byScottFogler

选用教材11精选ppt12精选ppt绪论化学反应工程（CRE）的定义及发展化学反应工程（CRE）研究对象及内容化学反应工程（CRE）与其他学科的关系13精选ppt第一章绪论

古代:

陶瓷器的制作、酒与醋的酿造、造纸等等，都是众所周知的化学反应过程。只能主要依靠经验成为一门技艺，而达不到工程科学的水平。原因：没有能够认清它们的共同规律。1.1化学反应工程发展简述化学反应工程学科的形成第一阶段14精选ppt化学反应工程学科的形成第一阶段

古代的化学生产（17世纪以前）这一时期经历了实用化学、炼丹和炼金、医药化学和冶金化学等时期。早期化学知识来源于人类的生产和生活实践。同时在人类对自然界万物的本原构成的探索中，诞生了古代朴素的元素观。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；另一方面，尚未形成有规模的化学加工实践。15精选ppt生产硫酸16精选ppt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。FritzHaber(1868-1934)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17精选ppt化学反应工程学科的形成第三阶段第二次世界大战以后：生产技术及设备的更新和生产规模的大型化，特别是石油化工的发展对化学反应过程的开发以及反应器的设计提出了越来越急迫的要求；化学动力学、化工单元操作(特别是流体流动、传热和传质)方面的理论和实验的长足进步促使化学工程学科从动量传递、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一门具有完整理论体系的全面学科。三传一反。18精选ppt20世纪初，英国的Davis,美国的Walker,Lewis等提出了“化学工程”的概念，发展成为以“单元操作”（unitoperations）为基本研究内容的化学工程学。荷兰vanKrevelen提出“化学反应工程”的概念，意在系统深入地研究伴有物理过程即传递现象的化学反应过程。19精选ppt

从成书来看，1937年G．Dankohler（丹克莱尔）在DerChemieIngeniem的第三卷中就写了扩散、流动与传热对化学反应收率影响的专章，堪称是这方面的先驱。1947年，Hougen（霍根）与Watson（华生）所写的ChemicalProcessPrinciples的第三卷中专门讲述动力学与催化过程，该书成为化学反应工程的首批专著。20精选ppt1960年，美国Bird等编写了《传递现象》这部历史性的著作TransportPhenomena21精选ppt1957年举行的第一次欧洲的化学反应工程会议上确立了化学反应工程这一学科的名称.60年代后，数学模型方法在化学反应工程的研究中日益深入70年代前后，相继出现了全面、系统地论述化学反应工程的专著和教材22精选ppt80年代后，高新技术的发展和应用使化学反应工程形成了新的分支：生化反应工程、聚合反应工程和电化学反应工程等。化学反应工程的研究进入了崭新的阶段。80年代后，化学反应工程正式进入我国化工高等教育。1985年，《化学反应工程与工艺》创刊。23精选ppt1.2化学反应工程学的内容与任务化学工程学科体系的基本内容：化学工程共同的现象，可概括为“三传一反”，即动量传递、热量传递、质量传递及化学反应，其学科形成了以传递过程及化学反应工程为核心的学科体系（包括化工热力学、化工单元过程、分离工程、化工系统工程等）24精选ppt化学反应工程简介

1.典型的化学加工过程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，采用化学方法将原料加工成为有用的产品时，生产过程一般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。例如：催化裂化是一个石油炼厂的核心25精选ppt例丙烯的价格：6000元/吨（2009年2月数据）聚丙烯的价格：9000元/吨（2009年2月数据）26精选ppt中国化学品的产量，（2007年2月的数据）27精选ppt化学反应无处不在衣食住行28精选ppt化学反应工程研究对象研究对象：工业规模的化学反应过程。化学反应工程的中心内容是深入认识有关工业反应器的操作和设计所必需的理论知识.工业反应器里的化学反应过程是同时伴随物理变化的复杂过程。：物理变化与化学反应二者的综合→宏观反应过程,研究宏观反应过程的动力学称为宏观动力学.物理变化概括为三种传递过程:29精选ppt动量传递过程－流动因素A→BA30精选ppt热量传递过程－传热因素A→BA31精选ppt质量传递过程－传质因素32精选ppt质量传递过程－传质因素R边缘反应物浓度高中央反应物浓度低此处反应较快33精选ppt1.2化学反应工程学的内容与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。以化学反应作为对象，→化学反应的特性，它又以工程问题为其对象→装置的特性，并把这两者结合起来形成学科体系。34精选ppt化学反应工程学的内容化工动力学：主要研究在工业条件下，化学反应进行的机理和速率—“三传一反”反应器的设计与分析：研究不同反应器内传递过程，温度、浓度等因素对化学反应动力学的影响规律，找出最优工况和最好的反应器→获得最大的经济效益。35精选ppt宏观动力学与本征动力学化学反应速率是化学动力学研究的主要内容。反应器里的物质产生和消失的总速率，不仅与反应本身的速率（动力学）有关，还受物理过程（三传）的制约。包括相际相内的三种传递过程、流动状态等等因素在内的反应的总速率，就是宏观动力学。相反的情况，称为本征（微观）动力学。区别：“点”的局部速率，宏观区域的速率。36精选ppt宏观动力学与本征动力学

在工业规模的化学反应器中，化学反应过程与质量、热量及动量传递过程同时进行，这种化学反应与物理变化过程的综合，称为宏观反应过程。研究宏观反应过程的动力学称为宏观反应动力学。化学动力学，或称为本征动力学，是在理想条件下研究化学反应进行的机理和反应物系组成、温度、压力等参数，但不包括传递过程及反应器结构等参数对反应速率的影响。37精选ppt宏观动力学与本征动力学不同之处在于：除了研究化学反应本身以外，还要考虑到质量、热量、动量传递过程对化学反应的交联作用从相互影响，这显然与反应器的结构设计和操作条件有关。区别：“点”的局部速率，宏观区域的速率。38精选ppt化学反应工程学的任务反应器的设计、优化及放大三个主要方面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39精选ppt例：催化裂化过程的发展：固定床移动床循环流化床提升管两段提升管、下行式循环流化床40精选ppt“化学工程”概念的拓展→过程工程化学工程学在发展过程中不断向科技新领域渗透拓展，应用对象已经涵盖了所有与物质的物理、化学加工过程相联系的工业部门，包括石油炼制、化学工业、能源工业、航空、军事、冶金、环保工业、建材、印染、生物技术、医药、食品、造纸等工业部门。41精选ppt化学反应工程学与其它学科关系42精选ppt数学：微积分代数方程；微分方程---数值解和解析解优化---函数极值，曲线拟合43精选ppt动力学化学反应工程的重要支柱之一。44精选ppt热力学反应平衡常数可能性和极限反应热供热还是移热45精选ppt催化作用70%以上的化工产品是由催化过程生产！催化剂的性质、性能直接影响反应器的设计！46精选ppt催化剂活性选择性寿命/稳定性47精选ppt1.3化学反应及化学反应器的分类1.按反应的相数及类别分类：均相反应，非均相反应2.化学反应的选择性分类：简单反应，复合反应，3.按化学反应的机理分类：基元反应和非基元反应4.按化学反应的动力学级数分类：一级，二级，三级反应5.按化学反应的热特性分类：吸热反应，放热反应6.按反应过程的条件分类：等温、绝热、非绝热变温反应，常压、加压，减压反应等1.3.1化学反应的工程分类48精选ppt化工厂图49精选ppt50精选ppt化工设备51精选ppt1.3.2工业反应器的分类现代大型化工厂的外貌特征：厂房毗连，设备庞大，高塔林立，管道纵横。设备和管道交错复杂。其中，化学反应器是化工厂的核心设备。用来实现化学变化的设备－－反应器52精选ppt1.3.2工业反应器的分类1.按反应的相数及类别分类（常用）：均相反应器：气相反应器、液相反应器非均相反应器：气固相、气液相、液固相、固相及气液相三相反应器2.按反应器内物料的流动状态分类：平推流，全混流，非理想流动反应器三大类。理想流动反应器，非理想流动反应器3.按反应器的几何构型分类：管式反应器、槽式反应器、塔式反应器4.按操作方式分类：间歇式反应器、连续式反应器、半连续式反应器(见绪论表))53精选ppt化学反应的分类按反应特性分类：机理，可逆性，分子数，级数，热效应按反应物系的相类特征分类：均相；非均相（催化非催化），如气固相催化反应，气液相反应。按反应过程的条件分类：温度，压力，操作方式54精选ppt操作方式间歇，连续，半连续55精选ppt常见反应器用来实现化学变化的设备过程工业中的核心装置，其性能对生产过程的影响举足轻重。裂解炉搅拌釜式反应器多釜串联反应器气液相塔式反应器固定床反应器流化床反应器气液固三相反应器56精选ppt57精选ppt1.4化学反应工程（CRE）研究方法理论方法，经验方法，数值计算方法半理论半经验方法：数学模拟方法理论方法局限性：不能应付物性参数复杂，边界条件复杂的工程化学反应系统。传统的经验法的局限性：不能应付数量众多、强烈交互的系统参数，。相似法，因次分析(经验归纳法)举例：管道压力降58精选ppt管道压力降问题压力降Δp，管径D，管长L，流速U，流体粘度μ，流体密度ρ59精选ppt基本研究方法：数学模拟方法（数学模型法）用数学方式来模拟工业反应过程。实质：用数学模型来分析和研究化学反应工程问题。基础：数学模型模型的分类：机理模型：从过程的机理出发推导而得，可外推。经验模型：从实验数据出发归纳而得到，不宜大幅度外推。60精选ppt数学模拟方法分析，抽象，简化物理模型，数学模型实验，数据处理模型参数抽象简化的要求：（1）不失真（2）满足应用要求（3）适应现有的实验条件（4）适应现有的计算能力

61精选ppt建立模型的一般程序建立简化物理模型建立数学模型求解模型并用来讨论反应过程的特殊规律抽象简化的要求：（1）不失真（2）满足应用要求（3）适应现有的实验条件（4）适应现有的计算能力分析，抽象，简化实验，数据处理检验数学模型模型参数实际应用修改模型62精选ppt模型的内容反应器或化学反应过程的数学模型包括下列数学方程：(1)动力学方程式(2)物料衡算式(3)热量衡算式(4)动量衡算式(5)参数计算式63精选ppt模型的内容1.物料衡算式：流入量=流出量+反应消耗量+累积量2.热量衡算式：物料带入热量=物料带出热+反应热+与外界换热+累积热3.