第一章 绪 论
化学反应工程的定义
研究方法
学科体系
1.1 化学反应工程学的范畴和任务
化学反应工程发展简述
化学反应工程的范畴和任务
本学科知识的应用及所需基础知识一、化学反应工程发展简述
古代,炼丹术、酿酒、酿醋等 ~技艺
30年代以前：发展缓慢
1937年：丹克勒（德国）的发现
二战前后：
1957年荷兰：欧洲第一届反应工程会议正式确认“化学反应工程”这一学科
目前,化学反应工程 +过程系统工程 +产品工程二、化学反应工程的范畴和任务
研究对象：
化学反应 特性：动力学特性
装置特性 （ 工程 ）,传递特性
范 畴,
化学反应：化工热力学：平衡和反应极限反应动力学：速率
工 程：催化剂,设备型式,操作方法和流程,
传递工程,工程控制,反应过程的分析,反应技术的开发和反应器设计化学反应工程范围示意图传递工程反应器中流体流动,混合
,传热和传质化 学 反 应反应过程解析反应技术开发反应器的设计工 程化学化学热力学化学动力学工程控制反应过程动态特性
、
与反应系统的测量与控制
、
化学动力学反应工艺路线流程与设备化学工艺催化剂反应条件 最优化
,放大效应,
影响反应动力学的主要因素：
浓度与温度
实验室研究：
反应器体积小
浓度、温度均一
消除传递因素
大型反应器：
反应器中存在温度、浓度分布（不均一）
不能消除传递因素
相同反应条件，反应结果不同
,三传一反,
传递过程
动量传递,Momentum Transfer
热量传递,Heat Transfer
质量传递,Mass Transfer
化学反应工程
（ Chemical Reaction Engineering)
—— 反应工程学最基本的两个支柱三、本学科知识的应用
改进和强化现有的反应技术和设备,挖潜降耗,提高效率
开发新的技术和设备
指导和解决反应过程开发中的方法问题
实现反应过程的最优化
不断发展反应工程学的理论和方法四、所需基础知识
物理化学知识：
化学平衡
化学热力学
化学动力学
化工原理：
三传基本理论
单元操作
应用数学：
微分方程,微积分运算
数值方法
矢量,张量分析必须熟练的数学基础知识
。、求极值等方面的运算以及相应的一些求导数
dx
bxabxa
bxa
dxexdxex
dxedxxdxx
dxdx
x
dx
x
xx
x
))((
1
11
3322
11
2
2
2
1.2 化学反应工程的基本方法
反应工程的研究方法
数学模型方程
数学模型的分类
,放大,方法一、反应工程的研究方法
——,数学模型法,
数学模型：
描述反应器内的反应过程，如反应状态、特性及变化规律的一组数学方程。
为什么叫“模型”？
建立方程式时,往往要加一些假设把问题简化,故称之为,模型,。
对同一个反应,由于简化条件不同,可有不同的模型提出 。
二、数学模型中的数学方程
物料衡算式
热量衡算式
动量衡算式
化学反应动力学方程 （要求 实用）
热力学计算式（焓、平衡常数、反应热）
参数计算式 （ 传递参数,物性参数 ）
数学模型中各数学方程的关系物料衡算式的累积速率关键组分的转化速率关键组分的输出速率关键组分的输入速率关键组分 iiii
热量衡算式累积的热量单位时间内的反应热单位时间输出的热量单位时间内输入的热量单位时间内
动量衡算式累积的动量消耗的动量输出的动量输入的动量
（ P当对反应结果影响不大时，可不考虑）
衡算基本形式
输入 = 输出 + 消耗 + 累积三、数学模型的分类
机理模型
从反应过程的机理出发而建立的模型
可外推使用
经验模型
通过实验数据归纳得到模型
有局限性，不能外推使用四,,放大,方法
经验放大
相似放大
仅对物理过程有效
难以同时维持物理相似和化学相似
数学模拟放大
对物理过程、化学过程均有效
合理简化是关键
半经验、半理论放大
化学反应工程中通常采用的方法数学模拟放大的一般步骤
实验室规模试验
小型试验
大型冷模试验
中间试验
计算机试验
工业级规模的装置设计
1.3 反应工程的学科系统和编排
化学反应 +反应器一、反应过程分类分类特征 反应过程反应特征 简单反应,复杂反应热力学特征 可逆反应 （ 放热,吸热；恒容,变容； ）不可逆反应 （ 放热,吸热；恒容,变容； ）
相态 均相,非均相时间特征 稳态,非稳态控制步骤 化学反应控制；外扩散控制；内扩散控制；吸附或脱附控制；
术语解释
简单反应（单一反应）
复杂反应
稳态（定常态）
非稳态
控制步骤二、反应器的分类分类特征 反应器类别催化剂运动状态 固定床,移动床,流化床结构特征 （ 高径比 ） 管式,塔式,釜式,喷嘴式等换热状况 绝热,自热,中间换热等时间特征 稳态,非稳态操作特征 间歇 （ 分批 ） 式,半连续式,连续式术语解释
间歇式操作
半连续式操作
连续式操作三、本教材内容编排
以相态作第一级区分
阐明其动力学的共同规律
以不同的装置类型作为第二级区分
阐明其不同的传递规律
把动力学与反应器的规律结合起来
解决各式各样的问题学科体系相 态 —————— 反应装置 ——————— 两者结合应用动力学 传递规律 动力学 + 传递规律均 相：气相 B.R.,CSTR,PFR 模型,反应装置设计,放大液相非均相：气 -固 固定床,流化床等气 -液气 -液 -固液 -固
化学反应工程的定义
研究方法
学科体系
1.1 化学反应工程学的范畴和任务
化学反应工程发展简述
化学反应工程的范畴和任务
本学科知识的应用及所需基础知识一、化学反应工程发展简述
古代,炼丹术、酿酒、酿醋等 ~技艺
30年代以前：发展缓慢
1937年：丹克勒（德国）的发现
二战前后：
1957年荷兰：欧洲第一届反应工程会议正式确认“化学反应工程”这一学科
目前,化学反应工程 +过程系统工程 +产品工程二、化学反应工程的范畴和任务
研究对象：
化学反应 特性：动力学特性
装置特性 （ 工程 ）,传递特性
范 畴,
化学反应：化工热力学：平衡和反应极限反应动力学：速率
工 程：催化剂,设备型式,操作方法和流程,
传递工程,工程控制,反应过程的分析,反应技术的开发和反应器设计化学反应工程范围示意图传递工程反应器中流体流动,混合
,传热和传质化 学 反 应反应过程解析反应技术开发反应器的设计工 程化学化学热力学化学动力学工程控制反应过程动态特性
、
与反应系统的测量与控制
、
化学动力学反应工艺路线流程与设备化学工艺催化剂反应条件 最优化
,放大效应,
影响反应动力学的主要因素：
浓度与温度
实验室研究：
反应器体积小
浓度、温度均一
消除传递因素
大型反应器：
反应器中存在温度、浓度分布（不均一）
不能消除传递因素
相同反应条件，反应结果不同
,三传一反,
传递过程
动量传递,Momentum Transfer
热量传递,Heat Transfer
质量传递,Mass Transfer
化学反应工程
（ Chemical Reaction Engineering)
—— 反应工程学最基本的两个支柱三、本学科知识的应用
改进和强化现有的反应技术和设备,挖潜降耗,提高效率
开发新的技术和设备
指导和解决反应过程开发中的方法问题
实现反应过程的最优化
不断发展反应工程学的理论和方法四、所需基础知识
物理化学知识：
化学平衡
化学热力学
化学动力学
化工原理：
三传基本理论
单元操作
应用数学：
微分方程,微积分运算
数值方法
矢量,张量分析必须熟练的数学基础知识
。、求极值等方面的运算以及相应的一些求导数
dx
bxabxa
bxa
dxexdxex
dxedxxdxx
dxdx
x
dx
x
xx
x
))((
1
11
3322
11
2
2
2
1.2 化学反应工程的基本方法
反应工程的研究方法
数学模型方程
数学模型的分类
,放大,方法一、反应工程的研究方法
——,数学模型法,
数学模型：
描述反应器内的反应过程，如反应状态、特性及变化规律的一组数学方程。
为什么叫“模型”？
建立方程式时,往往要加一些假设把问题简化,故称之为,模型,。
对同一个反应,由于简化条件不同,可有不同的模型提出 。
二、数学模型中的数学方程
物料衡算式
热量衡算式
动量衡算式
化学反应动力学方程 （要求 实用）
热力学计算式（焓、平衡常数、反应热）
参数计算式 （ 传递参数,物性参数 ）
数学模型中各数学方程的关系物料衡算式的累积速率关键组分的转化速率关键组分的输出速率关键组分的输入速率关键组分 iiii
热量衡算式累积的热量单位时间内的反应热单位时间输出的热量单位时间内输入的热量单位时间内
动量衡算式累积的动量消耗的动量输出的动量输入的动量
（ P当对反应结果影响不大时，可不考虑）
衡算基本形式
输入 = 输出 + 消耗 + 累积三、数学模型的分类
机理模型
从反应过程的机理出发而建立的模型
可外推使用
经验模型
通过实验数据归纳得到模型
有局限性，不能外推使用四,,放大,方法
经验放大
相似放大
仅对物理过程有效
难以同时维持物理相似和化学相似
数学模拟放大
对物理过程、化学过程均有效
合理简化是关键
半经验、半理论放大
化学反应工程中通常采用的方法数学模拟放大的一般步骤
实验室规模试验
小型试验
大型冷模试验
中间试验
计算机试验
工业级规模的装置设计
1.3 反应工程的学科系统和编排
化学反应 +反应器一、反应过程分类分类特征 反应过程反应特征 简单反应,复杂反应热力学特征 可逆反应 （ 放热,吸热；恒容,变容； ）不可逆反应 （ 放热,吸热；恒容,变容； ）
相态 均相,非均相时间特征 稳态,非稳态控制步骤 化学反应控制；外扩散控制；内扩散控制；吸附或脱附控制；
术语解释
简单反应（单一反应）
复杂反应
稳态（定常态）
非稳态
控制步骤二、反应器的分类分类特征 反应器类别催化剂运动状态 固定床,移动床,流化床结构特征 （ 高径比 ） 管式,塔式,釜式,喷嘴式等换热状况 绝热,自热,中间换热等时间特征 稳态,非稳态操作特征 间歇 （ 分批 ） 式,半连续式,连续式术语解释
间歇式操作
半连续式操作
连续式操作三、本教材内容编排
以相态作第一级区分
阐明其动力学的共同规律
以不同的装置类型作为第二级区分
阐明其不同的传递规律
把动力学与反应器的规律结合起来
解决各式各样的问题学科体系相 态 —————— 反应装置 ——————— 两者结合应用动力学 传递规律 动力学 + 传递规律均 相：气相 B.R.,CSTR,PFR 模型,反应装置设计,放大液相非均相：气 -固 固定床,流化床等气 -液气 -液 -固液 -固
