化学反应工程第0章绪论

字典：生产、制造部门用比较大而复杂的设备来进行的工作。中国大百科：应用科学知识使自然资源转化为结构、机械、产品、系统和过程以造福人类的专门技术。传统学科：土木、机械、电气、化学工程大美百科：工程学是指透过研究、经验及实务而获得在数学及自然科学方面的专业学识，并可配合判断力发展出一套方法，来经济有效地利用自然资源，为人类造福。航空工程学、农业工程学、生物工程学、陶瓷工程学、化学工程学、土木工程学、电机工程学、工业工程学、材料工程学、冶金工程学、环境工程学、其他（石油、海洋、军事、核能、系统工程学）自然科学

110数学120信息科学与系统科学130力学140物理学150化学160天文学170地球科学180生物学农业科学

210农学220林学230畜牧、兽医科学240水产学医药科学

310基础医学320临床医学330预防医学与卫生学340军事医学与特种医学350药学360中医学与中药学

工程与技术科学

410工程与技术科学基础学科420测绘科学技术430材料科学440矿山工程技术450冶金工程技术460工程机械470动力与电气工程480能源科学490核科学技术510电子、通信与自动控制技术520计算机科学与技术530化学工程

540纺织科学技术550食品科学技术560土木建筑工程

570水利工程580交通运输工程

590航空、航天科学技术综合学科

610环境科学技术

620安全科学技术630管理学

人文与社会科学710马克思主义720哲学730宗教学740语言学750文学760艺术学770历史学780考古学790经济学810政治学820法学830军事学840社会学850民族学860新闻与传播学870图书馆、情报与文献学880教育学890体育学910统计学国家标准《学科分类与代码》：58个一级学科530.11化学工程基础学科530.14化工测量技术与仪器仪表530.17化工传递过程530.21化学分离工程530.24化学反应工程530.27化工系统工程53.031化工机械与设备530.34无机化学工程530.37有机化学工程530.41电化学工程530.44高聚物工程530.47煤化学工程530.51石油化学工程530.54精细化学工程530.57造纸技术530.61毛皮与制革工程530.64制药工程530.67生物化学工程530.99化学工程其他学科化学工程19个二级学科530.2410催化反应工程530.2420催化剂工程530.2430固定床反应工程530.2440多相流反应工程530.2450生化反应工程530.2460聚合化学反应工程530.2470电化学反应工程530.2499化学反应工程其他学科化学反应工程8个三级学科列文斯比尔(OctaveLevenspiel)

男，1926年出生于上海，波兰裔美籍人，美国工程院院士，美国俄勒冈州立大学教授，华东理工大学名誉教授。毕业于华东理工大学前身之一的震旦大学化工系，后于美国俄勒冈州立大学获硕士学位，1952年获博士学位，留校任教25年，于1991年退休。

曾发表100余篇学术论文和会议报告，其中两篇已被列为“引文经典之作”。他曾被授予美国化学工程师学会1977年W.K.Lewis奖、1979年R.H.Wilhelm奖、2003年创始人和社会赋予的最高荣誉金奖。2000年被聘为美国工程院院士。

长期从事化学反应工程领域的研究，是世界著名化学反应工程学科领域的专家学者，国际著名的化学反应工程鼻祖，有化学反应器之父的著称。他著述的《化学反应工程》一书，被世界上十几个国家翻译出版，并作为本国大学化工类教材。/~cre/绪论一、物质转化过程工业中的化学加工二、化学反应工程与多尺度及多学科的联系三、数学模拟方法四、工程放大与优化一、物质转化过程工业中的化学加工所有工业行业分为两类：一类是以物质转化过程为核心的产业，这类产业从事物质的化学和物理转化，生产新的物质产品，或者进行物质的传递，其产品计量不计件，连续操作，生产环节具有一定的不可分性，可统称为过程工业。另一类是以物件的加工和组装为核心的产业，这类产业不改变物质的内在形态，只是根据机械电子原理，加工零件并装配成产品，其产品计件不计量，多属非连续操作，这类工业可统称为装备与产品制造业。过程工业不仅占工业总产值比重很大，而且为装备制造业提供原材料，其发展水平标志着一个国家工业化的水平。过程工程过程工程（processengineering)的概念是对“化学工程”概念的拓展。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，这个部门称为“过程工业”（processindustry），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。过程工程属于研究物质转化过程中各种因素及其相互之间关系的科学，其任务是创建高效清洁的物质转化工艺、流程和设备，主要解决从工艺创新、过程放大或缩小、工程量化设计直至产业化链条上的其他关键科学技术问题，也涵盖产品设计和功能化制备的内容。一、物质转化过程工业中的化学加工过程工业产品的生产是通过一定的工艺过程实现的，工艺过程是指从原料到制得产品的全过程。图1是以天然气或石脑油为原料生产合成氨的工艺过程。每个化工产品的工艺过程是不同的，但有共同的特点：工艺过程是由设备、管道、阀门和控制仪表组成的；化工设备分为两大类：不含化学反应的设备

化学反应器图1合成氨工艺流程图合成氨工艺流程图CH4+H2O=CO+3H2CO+H2O=CO2+H2N2,O2K2CO3+CO2+H2O=2KHCO3CO+H2=CH4+H2ON2+3H2=2NH3N2+3H2=2NH3组分CH4C2H6C3H8C4H10C5H12N2H2CO2合计摩尔分数/%84.2010.004.141.190.110.250.100.01100组分摩尔分数/%(干)H255.9131N222.4355Ar0.2871CO13.3795CO27.6547CH40.3300Σ干气100.00组分摩尔分数/%(干基)H259.9520N220.3802Ar0.2608CO3.0000CO216.1071CH40.3006Σ干气100.0000组分摩尔分数/%(干基)H260.9432N219.8315Ar0.2538CO0.3480CO218.3306CH40.2929Σ干气100.0000组分摩尔分数/%(干)摩尔分数/%(干)CH478.62359.6108C29.3376C33.8658C41.1112C50.1027N21.82360.5301H24.914966.3832CO20.00935.2616CO22.9437Ar0.02090.0060Σ干气100.00100.0000一段转化二段转化中温变换低温变换不含化学反应的设备这类设备中没有发生化学反应，只改变物料的状态，物理性质，不改变其化学性质。图中的压缩机、泵、换热器、冷却塔和贮槽中没有化学反应发生，只有物理过程，是不含化学反应的设备。在鼓风机和泵中只有能量的转换，从中能转换成机械能，输送物料；在换热器和冷却塔中只改变物料的温度，物料的化学性质没有起变化；贮槽只是起贮存物料作用化工生产中设备的分类化学反应器在这类设备中发生了化学反应，通过化学反应改变了物料的化学性质图中的一段炉、二段炉、变换炉、甲烷化炉、合成塔、鼓泡反应器等都是化学反应器。物料在反应器中发生了化学反应，物料性质起了变化。可见，化学工业生产是由物理过程和化学反应过程组成的，其中化学反应过程是生产过程的关键。化学反应器的任务是完成由原料转变到产物的化学反应，是化工生产的核心设备。“化学反应工程”的研究对象是工业规模的化学反应器。化工生产中设备的分类化学反应工程（CRE）研究对象及内容研究对象：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。工业反应器中的化学反应过程是同时伴随物理变化的复杂过程。化学反应工程（CRE）学科简史化学工程（过程工程）学科体系的基本内容：过程工程共同的现象，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）化学工程发展史及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。生产硫酸第二阶段：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单元操作（unitoperation）GeorgeE.Davistaughtthefirstchemicalengineeringcourse.ItwasgiveninManchester,Englandin1887.化工产品种类繁多，生产方法也千差万别，但可以分解、归纳成若干原理相同（或相似）的基本单元操作。研究这些基本单元操作过程的工程原理，寻找其内在规律，解决生产过程中所需要的设备及操作中的优化，等等问题，就构成了一门新的工程技术学科，化学工程学。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”（unitoperations）为基本研究内容的化学工程学。第一次综合。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。尤其是在生产规模日益大型化的趋势下，其影响就更大了，促使化学工程学科形成了第二次理论综合：即，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。三传一反：动量传递：流体的流动和输送，悬浮液的沉降和过滤等。热量传递：加热、冷却、蒸发、冷凝、热交换等。质量传递：溶解、结晶、萃取、蒸馏、吸收、吸附等。化学反应过程：美国Bird等编写了《传递现象》这部历史性的著作TransportPhenomena

第二次世界大战爆发以后，化学工程的研究也转入了满足战争需要的轨道。40年代前期，在重大化工过程的开发中，即碳四馏分的分离和丁苯橡胶的乳液聚合、粗柴油的流态化催化裂化以及曼哈顿原子弹工程计划等,化学工程都发挥了重要作用。例如:流态化催化裂化的设想就是由麻省理工学院的刘易斯教授和E.R.吉利兰教授提出的。在他们的指导下，几所大学同时进行了流化床性能的研究，确定了颗粒尺寸、密度和使颗粒床层膨胀，以造成气固间良好接触和颗粒运动所需的气速间的关系，证实了在催化裂化反应器和再生器之间连续输送大量固体催化剂的可能性。这三项开发的成功，使人们认识到要顺利实现过程放大，特别是高倍数的放大（在曼哈顿工程中放大倍数高达1000），必须对过程的内在规律有深刻的了解，没有坚实的基础研究工作，是很难做到这一点的。同时，在单元操作经过二、三十年的研究已有了一定的基础后，反应器的工程放大对化工过程开发的重要性显得更为突出。这些都为战后化学工程的进一步发展指明了方向。

化学反应工程（CRE）学科地位及历史荷兰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。1957年，阿姆斯特丹，第一届欧洲化学反应工程会议，vanKrevelen作首篇综合性报告：Micro-andMacro-Kinetics1981年，化学反应工程正式进入我国化工高等教育。Cre历史萌芽阶段：20世纪30年代，丹克莱尔（Damhöhler）在当时实验数据十分贫乏的情况下，较系统地论述了扩散、流体流动和传热对反应器产率的影响，为化学反应工程奠定了基础。初步形成：1957年，欧洲几个国家从事反应工程这一领域研究工作的学者在荷兰的阿姆斯特丹召开的一次学术会议上首次使用化学反应工程一词，这标志着该学科的初步形成。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，以及原料加工的不断发展加速了反应工程学科的发展使其进入黄金时代并日趋成熟。新的契机：80年代以后，随着高技术的发展和应用，如微电子器件的加工、光导纤维生产、新材料以及生物技术等，向化学反应工程工作者提出了新的研究课题，使化学反应工程形成新的分支，如生化反应工程、聚合反应工程等，扩大了化学反映工程的研究领域，从而使化学反应工程的研究进入了一个新的阶段反应过程的工程因素三传一反：动量传递因素热量传递因素质量传递因素化学反应因素反应过程的工程因素之动量传递因素试题：在活塞流反应器中进行等温、体积不变的一级不可逆反应，则出口转化率可达0.96，现保持反应条件不变，但将反应改在：（a）相同体积的全混流反应器中，（b）等体积串联的两个全混流反应器（总体积与活塞流反应器相等）中。（c）相同体积的间歇反应器，反应时间与辅助时间之比为3：1试分别计算所能达到的转化率。在活塞流反应器中进行等温、体积不变的一级不可逆反应，则出口转化率可达0.96，现保持反应条件不变，但将反应改在：（a）相同体积的全混流反应器中，（b）等体积串联的两个全混流反应器（总体积与活塞流反应器相等）中。（c）相同体积的间歇反应器，反应时间与辅助时间之比为3：1试分别计算所能达到的转化率。动量传递过程－流动因素A→BA热量传递过程－传热因素A→BA质量传递过程－传质因素质量传递过程－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绪论一、物质转化过程工业中的化学加工二、化学反应工程与多尺度及多学科的联系三、数学模拟方法四、工程放大与优化二、化学反应工程与多尺度及多学科的联系近年来，国内外学术界倡导物质转化过程中的时空多尺度（Multi-scale）效应[4]，归纳其要点如下：化工过程同时发生在很宽的时间尺度和空间尺度，即以分子振动的纳秒至污染物消失所需长达世纪的时间尺度。其中（i）纳尺度，即分子化学键振动的纳秒尺度及纳米尺度；（ii）微尺度，即流体力学和传递中的滴、粒、泡、旋涡运动的微尺度；（iii）介尺度，即反应器、换热器、分离器、泵等反应和单元操作的装置；（iv）宏尺度，即生产单元和工厂；（v）宇尺度，即环境、大气、海洋、土壤。二、化学反应工程与多尺度及多学科的联系以管式催化反应器中气-固相催化反应为例，反应物与催化剂的载体上所负载的活性组分间的分子反应属于纳秒及纳米尺度；反应组分在催化剂颗粒孔道内的扩散属于微尺度；反应组分连续流过长达数米的反应管的停留时间一般为10～103秒，属于介尺度；反应器及有关原料制备和产物分离的装备组合成的生产单元和工厂属于宏尺度；而生产过程的污染物经历长时间才能消去属于宇尺度。绪论一、物质转化过程工业中的化学加工二、化学反应工程与多尺度及多学科的联系三、数学模拟方法四、工程放大与优化绪论三、数学模拟方法反映和描述工业反应器中各参数之间的关系，称为物理概念模型，表达物理概念模型的数学式称为数学模型，用数学方法来模拟反应过程的模拟方法称为数学模拟方法。用数学模拟方法来研究化学反应工程，进行反应器的放大与优化，比传统的经验方法能更好地反映其本质。为了形象、简捷的处理物理问题，人们经常把复杂的实际情况转化成一定的容易接受的简单的物理情境，从而形成一定的经验性的规律，即建立物理模型化学反应工程（CRE）研究方法理论方法，实验方法，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，因次分析举例：管道压力降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ρ数学模拟方法用数学方式来模拟工业反应过程。基础：数学模型分析，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

绪论四、工程放大与优化将实验室和小规模生产的研究成果推广到大型工业生产装置，并综合各方面的有关因素提出优化设计和操作方案，即“工程放大和优化”

四、工程放大与优化相似放大法：几何相似、准数相似经验放大法：数学模型放大法：反应过程开发放大方法逐级经验放大法相似放大法数学模型放大法冷模实验获取数学模型的传递参数反应过程开发放大方法逐级经验放大法经验放大法是按小型生产装置的经验计算或定额计算，即在单位时间内，在某些操作条件下，由一定的原料组成来生产规定质量和产量的产品。对于某些过程简单的反应器，如搅拌反应器内进行单一液相均相反应，而物料又属通过一般搅拌易于达到均匀的物质，在机械制造许可的条件下，大倍数的放大还可奏效。对于某些气-固相催化反应器，积累了多年的操作经验，可以采用经验放大法，如根据催化反应的空间速度放大，按单管的根数放大，如果放大倍数不太大，这种经验放大法还可用以放大设计。

反应过程开发放大方法相似放大法生产装置以模型装置的某些参数按比例放大，即按相同准数对应的原则放大，称