第1 第 1章 章 绪论 绪论
河北科技大学
化学与制药工程学院 化学工程系
张向京
1.1 化学反应工程研究的对象和任务
原料预处
理过程
(学处理) 处理） 原料 过程 ( 物质化)
未反应原料循环 产和产物
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。
什么是化学反应工程
Chemical Reaction Engineering (CRE) is the discipline that the interactions ofand in relatingto operating conditions and feed variables.（ISCRE website ）
化学反应工程是将影响反应器性能的传递现象与动 力学之间的相互作用以及操作条件和进料变量进行 量化的一门学科。
化学反应工程的研究对象
n 化学反应工程是化学工程学科的一个分支，通常简 称为反应工程。其可概括为两个方面，即反 应动力学和反应器设计与分析。
⑴ 反应动力学
主要研究化学反应进行的机理和速率，以获得进行工 业反应器的设计和操作所必需的动力学知识，如反应 模式、速率方程及反应活化能等等。
⑵ 反应器设计与分析
研究反应器内各因素的变化规律，找出最优工况和反 应器的最好型式，以获得最大的经济效益。
•• 宏观动力学——在本征动力学的基础上，考虑反应 器结构设计和操作条件（温度、压力和操作方法）； 传质传热和动量传递以及催化剂结构（内外扩散）对 反应速率的影响后的反应速率。1) ——
2)
——包括反应器设计与分析、反应器优化、 反应器放大等。
n 反应器本身的投资也许只占整个生产装置投资的 很小一部分；但是,反应器通常是整个生产过程 的核心,反应器的操作状态(主要是反应的转化率 和选择性)对整个装置的投资和产品的生产成本 往往会起到决定性的作用。
化学反应工程的任务
①改进和强化现有的反应技术和设备，挖掘潜力。 ②开发新的技术和设备。
③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。
《化学反应工程》与已学相关课程的关系
无机化学
化学课程 有机化学
物理化学
化学基本原理
工业催化
化工热力学
化工基础
化工原理 化工中的物理过程 化学反应器 各种化学反应 化学反应在工 业实际中如何 实现？ 型式 大小 设计 ？
研究方法-数学模型法
如何实现
？
放大效应
化工过程开发也就意味着装置规模的扩大， 因此常被形象化地称为“放大(scale up)”。 伴随着“放大”，往往会产生所谓的“放大 效应”，即小装置中的某些技术经济指标在 大装置中不能重现，甚至大装置根本不能正 常运转。
在反应过程开发中是否会发生“放大效应”，并 不完全取决于“放大”的倍数，而是主要取决于 以下两个因素：
•1. 反应器中的浓度分布和温度分布对反应器规 模的扩大和由此引起的传递过程状况的变化是否 敏感；
•2. 反应结果对反应器中的浓度分布和温度分布 的变化是否敏感。
放大的方法
n相似放大法
几何相似放大 准数相似放大
n逐级放大法 n数学模拟放大法
物理过程的放大
反应器的放大
（非线性）
逐级放大法
n小型试验（小试） n中间试验（中试） n半工业化试验阶段 n工业化生产
数学模型法
n 数学模型 用数学方法描述工业反应器中个参数的关系
化学动力学模型 流动模型 传递模型 宏观动力学模型
1. 不失真 2. 满足应用要求
联立求解
代数方程 常微分方程 偏微分方程 积分方程
实际情况的复杂性 模型的简化
3. 适应实验条件 4. 适应计算机能力
Ø反应器设计的基本方程化学动力学方程 物料衡算方程 热量衡算方程 动量衡算方程
计算反应速率 计算反应体积 计算温度变化 计算压力变化
输入量=输出量+消耗量+累积量
反应单元
输入
消耗 累积
输出
数学模型放大方法的一般步骤
1. 2. 3. 4. 5.
实验室规模的试验 小型试验
大型冷膜试验：探索传递规律 中间试验 计算机试验
1.3 化学反应及反应器分类 化学反应分类
按反应物系相
态分
固相 固、气液固 按是否使用催
催化反应
化剂 按操作条件 按操作方式
非催化反应
均相反应
非均相反应
等温反应、变温反应
等压反应、加压反应、减压反应 间歇、连续、半间歇
气固催化反应器型式
固定床
按固体状态 流化床
气流床 根据反应体系的特点，运用
反应工程的知识，来确定
连续换热
按换热方式
间歇换热
各种反应器在工业中的应用－H SO 2 4 的生产
各种反应器在工业中的应用－乙烯的生产 •乙烯用来生产应用量广泛的塑料聚 乙烯
•目前世界上最大的新建裂解装置 是道化学公司／诺瓦化工品公司在 加拿大的127万吨／年装置
高温管式反应器
C H H 2 6 C 2 4 + H
2
各种反应器在工业中的应用－低密度聚乙烯的生产
高压釜式反器
Source: ExxonMobil
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
教材及参考书n 选用教材： 化学反应工程
王承学 胡永琪 编 化学工业出版社
n 主要参考书： 《化学反应工程》 朱炳辰 主编，化学
工业出版社
主要参考书：
Elements of Chemical Reaction Engineering Edited by
H. Scott Fogler
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
主要参考书：
Chemical Reaction
Engineering
Edited by O. Levenspiel John Wiley &
Sons
公共邮箱：密码：hebust
第1 第 1章 章 绪论 绪论
河北科技大学
化学与制药工程学院 化学工程系
张向京
1.1 化学反应工程研究的对象和任务
原料预处
理过程
(学处理) 处理） 原料 过程 ( 物质化)
未反应原料循环 产和产物
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。
什么是化学反应工程
Chemical Reaction Engineering (CRE) is the discipline that the interactions ofand in relatingto operating conditions and feed variables.（ISCRE website ）
化学反应工程是将影响反应器性能的传递现象与动 力学之间的相互作用以及操作条件和进料变量进行 量化的一门学科。
化学反应工程的研究对象
n 化学反应工程是化学工程学科的一个分支，通常简 称为反应工程。其可概括为两个方面，即反 应动力学和反应器设计与分析。
⑴ 反应动力学
主要研究化学反应进行的机理和速率，以获得进行工 业反应器的设计和操作所必需的动力学知识，如反应 模式、速率方程及反应活化能等等。
⑵ 反应器设计与分析
研究反应器内各因素的变化规律，找出最优工况和反 应器的最好型式，以获得最大的经济效益。
•• 宏观动力学——在本征动力学的基础上，考虑反应 器结构设计和操作条件（温度、压力和操作方法）； 传质传热和动量传递以及催化剂结构（内外扩散）对 反应速率的影响后的反应速率。1) ——
2)
——包括反应器设计与分析、反应器优化、 反应器放大等。
n 反应器本身的投资也许只占整个生产装置投资的 很小一部分；但是,反应器通常是整个生产过程 的核心,反应器的操作状态(主要是反应的转化率 和选择性)对整个装置的投资和产品的生产成本 往往会起到决定性的作用。
化学反应工程的任务
①改进和强化现有的反应技术和设备，挖掘潜力。 ②开发新的技术和设备。
③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。
《化学反应工程》与已学相关课程的关系
无机化学
化学课程 有机化学
物理化学
化学基本原理
工业催化
化工热力学
化工基础
化工原理 化工中的物理过程 化学反应器 各种化学反应 化学反应在工 业实际中如何 实现？ 型式 大小 设计 ？
研究方法-数学模型法
如何实现
？
放大效应
化工过程开发也就意味着装置规模的扩大， 因此常被形象化地称为“放大(scale up)”。 伴随着“放大”，往往会产生所谓的“放大 效应”，即小装置中的某些技术经济指标在 大装置中不能重现，甚至大装置根本不能正 常运转。
在反应过程开发中是否会发生“放大效应”，并 不完全取决于“放大”的倍数，而是主要取决于 以下两个因素：
•1. 反应器中的浓度分布和温度分布对反应器规 模的扩大和由此引起的传递过程状况的变化是否 敏感；
•2. 反应结果对反应器中的浓度分布和温度分布 的变化是否敏感。
放大的方法
n相似放大法
几何相似放大 准数相似放大
n逐级放大法 n数学模拟放大法
物理过程的放大
反应器的放大
（非线性）
逐级放大法
n小型试验（小试） n中间试验（中试） n半工业化试验阶段 n工业化生产
数学模型法
n 数学模型 用数学方法描述工业反应器中个参数的关系
化学动力学模型 流动模型 传递模型 宏观动力学模型
1. 不失真 2. 满足应用要求
联立求解
代数方程 常微分方程 偏微分方程 积分方程
实际情况的复杂性 模型的简化
3. 适应实验条件 4. 适应计算机能力
Ø反应器设计的基本方程化学动力学方程 物料衡算方程 热量衡算方程 动量衡算方程
计算反应速率 计算反应体积 计算温度变化 计算压力变化
输入量=输出量+消耗量+累积量
反应单元
输入
消耗 累积
输出
数学模型放大方法的一般步骤
1. 2. 3. 4. 5.
实验室规模的试验 小型试验
大型冷膜试验：探索传递规律 中间试验 计算机试验
1.3 化学反应及反应器分类 化学反应分类
按反应物系相
态分
固相 固、气液固 按是否使用催
催化反应
化剂 按操作条件 按操作方式
非催化反应
均相反应
非均相反应
等温反应、变温反应
等压反应、加压反应、减压反应 间歇、连续、半间歇
气固催化反应器型式
固定床
按固体状态 流化床
气流床 根据反应体系的特点，运用
反应工程的知识，来确定
连续换热
按换热方式
间歇换热
各种反应器在工业中的应用－H SO 2 4 的生产
各种反应器在工业中的应用－乙烯的生产 •乙烯用来生产应用量广泛的塑料聚 乙烯
•目前世界上最大的新建裂解装置 是道化学公司／诺瓦化工品公司在 加拿大的127万吨／年装置
高温管式反应器
C H H 2 6 C 2 4 + H
2
各种反应器在工业中的应用－低密度聚乙烯的生产
高压釜式反器
Source: ExxonMobil
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
教材及参考书n 选用教材： 化学反应工程
王承学 胡永琪 编 化学工业出版社
n 主要参考书： 《化学反应工程》 朱炳辰 主编，化学
工业出版社
主要参考书：
Elements of Chemical Reaction Engineering Edited by
H. Scott Fogler
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
主要参考书：
Chemical Reaction
Engineering
Edited by O. Levenspiel John Wiley &
Sons
公共邮箱：密码：hebust