《化学反应工程》教案 第一章 绪 论
第一章 绪 论
教学目标
1． 了解化学反应工程的范畴和任务；
2． 掌握化学反应工程的基本方法、研究内容以及各种反应器的特点；
3． 掌握反应速率、转化率、反应选择性以及得率等概念。
教学重点
1．化学反应工程的基本方法、优化的技术指标；
2．反应速率、转化率、反应选择性以及得率等概念。
教学难点
无
教学方法
讲授法
学时分配
2学时
教学过程
作者：傅杨武 重庆三峡学院化学工程系 第1页 共 8 页
《化学反应工程》教案 第一章 绪 论
［引 言］
［板 书］
［引入新课］
［板 书］
［讲 解］
*预修课程
《化工原理》、《物理化学》、《高等数学》、《概率论》
*参考文献
朱炳辰，《化学反应工程》，化学工业出版社，1993。
张濂、许志美、袁向前等，《化学反应工程原理》，华东理工大学出版社
*本学科的内容安排（参见本书目）
第一章 绪论
第二章 均相反应动力学基础
第三章 理想反应器
第四章 非理想流动
第五章 非均相反应动力学
第六章 固定床反应器
第七章 流化床反应器
第八章 其它多相反应器
通过讲述化学反应工程发展引入新课：
自然界物质的运动或变化过程有物理的和化学的两类，其中物理过程
可以不牵涉到化学 反应，但化学过程却总是与物理因素如温度、压力、浓
度等有着紧密的联系。所以化学反应 过程是物理与化学两类因素的综合体
远溯古代，陶瓷器件的制作、酒与醋的酿造、金属的 冶炼以及炼丹、造纸
等等，就都是一些．众所周知的化学反应过程。然而，直到本世纪五十年
代还一直来形成一门专门研究化学反应过程的独立学科，其原因是由于人
们还没有能够从那么许多五花八门、看起来风马牛不相及而又变化多端的
反应过程中，认清它们的共同规律。因此，多少个世纪以来，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。
随着第二次世界大战以后化学工业的发展，在1957年举行的第一次欧
洲反应工程会议确立了这一学科的名称，以后逐步形成了今日的化学反应
工程学科体系。〔陈甘棠，《化学反应工程》，化学工业出版社，1990，P
1
〕
一、化学反应工程研究的对象和目的
1．研究对象和目的
《化学反应工程》作为一门工程学科，它的研究对象是以工业规模进
行的化学反应过程，其目的是实现工业反应过程的优化。
2．工业反应过程的优化
工业反应过程的优化就是在一定的范围内，选择一组优惠的决策变量，
使“系统”对于确定的评价标准达到最佳状态。
化学反应过程的优化包括设计优化和操作优化：
Ａ 设计优化：就是根据给定的生产能力，确定反应器的型式、结构和
适宜的尺寸及操作条件；
Ｂ 操作优化：就是指反应器的操作，必须根据各种因素的变化对操作
条件做出相应的调整，使反应器处于最优条件下运转，以达到优化的目标。
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［板 书］
［讲 解］
［板 书］
［板 书］
［分 析］
设计优化 基础
工业反应过程的优化
操作优化
显然，工业反应过程的优化涉及优化目标、约束条件和决策变量等问
题。
1） 约束条件
优化过程是有约束的过程优化
2） 优化的经济指标（Ｐ
2
张濂）
任何一个化学反应过程要实现工业化生产，首先必须在技术上是可行
的。所谓技术的可行性是指：
①反应有合适的催化剂，反应能以一定的速率和选择性进行；
②对反应产物有可能进行分离取得合格的产品；
③有适宜的反应温度（Ｔ）、压力（Ｐ）等条件；
④废料有合适的处理技术，以免污染环境。
但是，一个工业反应过程得以存在和发展的前提除了技术上可行外，
重要的是经济上合理，一旦生产过程的技术问题解决之后，过程的经济性
就成为最主要的追求目标。
工业反应过程的经济目标直接决定于生产费用的大小。生产过程的费
用主要由以下三部份费用组成：
原料费用
生产过程的费用 设备费用
操作费用
显然，工业反应过程的这些目标与该过程的技术指标密切相关。
3） 优化的技术指标
在建立工业反应过程优化目标的定量关系式，即优化目标的函数式时，
需要把过程的经济目标与技术目标联系起来，才能进行优化计算以确定最优
的设备条件和操作条件。反应过程的主要技术有以下三个：
①反应速率；
②反应选择性（选择率）；
③能量消耗。
生产过程的能量消耗也是衡量过程经济性的一个指标。然而，由于化
工生产的复杂性，使能耗问题难以就整个生产过程的某一反应步骤或分离
步骤单独进行核算及评价。因此，这里我们将从反应速率和反应选择性作
为工业反应过程的两个基本技术指标。
① 反应速率
a. 概念：反应系统中某一物质在单位时间、单位反应区内的反应量。
均相反应：“单位反应区”常指“单位反应体积”；非均相反应：如气-
固催化反应，“单位反应区”常指“单位催化剂质量”。因此，对不同的反
应类型，反应速率的量纲是不一样的。
对一定大小的反应设备和物料处理量，反应速率的大小实际上反映了
反应物料的转化程度。对均相反应：
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［板 书］
［说 明］
［举 例］
［板 书］
［讲 解］
［板 书］
［板 书］
［讲 解］
［举 例］
dt
d
V
r
ξ1
??→?
定义
（1.1）
式中：V为体积；ξ：反应进度
对非均相反应，其反应速率的定义是有差异的，如气-固催化反应。
例1.1 对如下反应：，其反应进度可写成如下形式：cRbBaA ?→?+
c
nn
b
n
RRB
n
a
nn
BAA
?
=
0
b. 转化率
转化程度通常用反应转化率来表示。其定义：反应物中某一组份转化
掉的物质的量与其初始量的比值。常用x表示：
0
0
A
AA
A
n
nn
x
?
= （1.2）
对于确定处理能力的生产过程，反应速率的大小实际上决定了反应器
的大小或催化剂量的多少，因此也是反应设备费用多少的标志。
② 反应选择性（选择率）
对于复杂反应，同一反应原料可以生成两种以上的不同产物，即需要
的目的产物和无用产物（副产物）。如下反应
aA
k
1
k
2
pP
sS
此时，不同产物之间的分配比例对该反应过程的经济效益是一个非常
重要的指标。我们把生成的目标产物Ｐ的摩尔数与生成的某副产物Ｓ的摩
尔数之比称为该反应的选择性，常用S
p
来表示。对上述反应，若分别用n、
、n分别表示A、P和S三种物质的起始摩尔数，用、n、n分
别表示A、P和S三种物质终态的摩尔数，则上述反应的选择性可表示为：
0A
S0P
n
0S A
n
P
0
0
SS
PP
P
nn
nn
S
?
?
= （1.3）
对大多数的化学工业而言，原料费用在生产成本中占有极大的比重，
随着生产过程技术水平的提高，使得除原料费用以外的其它各项支出不断
降低，因此原料费用的比例愈来愈大。原料费用在生产成本中比例大小已
成为现代工业生产过程先进性的标志之一。（P
3
张濂等）
例1.2：乙烯脱氢反应：
?
?
=
?
?
=
00
ξ
C
6
H
5
C
2
H
5
C
6
H
5
C
2
H
3
+
H
2
C
6
H
5
C
2
H
5
C
6
H
6
+C
2
H
4
C
6
H
5
C
2
H
5
C
6
H
5
CH
3
+ CH
4
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［板 书］
［板 书］
［板 书］
［讲 解］
［讲 解］
③ 能量消耗
4) 决策变量
工业反应过程优化的决策变量主要有三个，即是：①结构变量；②操
作方式；③工艺条件。
① 结构变量
结构变量就是指反应器型式和结构尺寸。
工业生产上使用的反应器型式多种多样，分类法也有多种。可以按其
反应物相态分类，也可按反应器传热方式分；亦可按反应器的形状分；或
者按操作方式分类。其中最常用的是按相态进行分类，表1.1中列出了一
些常用工业反应器类型：
表1.1 常用工业反应器类型
相 态 反 应 器 型 式
气相 管式反应器 均
相
单
相 液相 管式、釜式、塔式反应器
固定床反应器
流化床反应器
气
固
相
移动床反应器
鼓泡塔 气
液 鼓泡搅伴釜
二
相
液 固 塔式、釜式反应器
三 涓流反应器
非
均
相
相
气-液-固
淤浆床反应器
Ⅰ 均相管式反应器
管式反应器是工业生产中常用的反应器类型之一。它大多采用长径比
很大的圆形空管构成，因而得名“管式反应器”。常用于气相反应，亦用于
液相反应。
图1.1 管式反应器
Ⅱ 釜式搅拌反应器
釜式搅拌反应器是另一类应用广泛的反应器。其形状特征是高径比要
比管式反应器小得多，因而成“釜”状或“锅”状。釜式反应器一定型式
的搅拌桨叶以使釜内的物料混合均匀。多用于液相反应。
管式反应器
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图1.2 搅拌釜式反应器
Ⅲ 固定床反应器
固定床反应器是用来进行气固催化反应的典型设备。反应器中，催化
剂颗料保持静止状态，故称为固定床反应器。
图1.3 绝热床反应器 图1.4 列管式反应器
（乙炔法合成氯乙烯反应器）
列管式固定床反应器（图1.4）
A. 按反应热效应分类
筒体式
绝热式（图1.3 ）
B. 按床层温度分布不同分类 等温式
非绝热非等温式
换热式
C. 按换热方式
自热式
Ⅳ 流化床反应器
流化床反应器也是一种实现气固催化的重要反应器，自1942年第一次
大规模应用于重质油的催化裂化以来，得到了迅速的发展，广泛应用于各
种类型的反应。
流化床反应器中，气流从下而上，流速要达到足以固体催化剂颗粒呈
釜式
催化剂
物料气
出气
调节阀
蒸气
补充水
催化剂
进气
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悬浮状态，此时床层犹如“沸腾”一般，故也称“沸腾床”。其最大特点是
由于床内气、固两相呈强烈湍动状态，增强了传质和传热，使床层温度达
到均匀，因而特别适合一些强放热反应或对温度很敏感的过程。
Ⅴ 气-液相反应器：塔式、釜式和管式
鼓泡塔
填料塔
按气液两相的接触形态
鼓泡搅拌釜
喷雾塔等
② 操作方式
反应器的操作方式：
间歇操作
A. 按其操作的连续性可分为： 连续操作
半连续操作
一次加料（用于间歇操作）
B. 按其加料方式可分为： 分批加料（用于间歇操作）
分段加料（用于连续操作）
③ 工艺条件
反应过程的工艺条件主指温度、浓度、反应时间、操作线速度和催化
剂颗粒大小等因素。
二、化学反应工程的研究内容
1. 化学反应过程
Ａ. 容积反应过程；
B. 表面反应过程。
2. 物理过程
工业反应器中的物理过程包括流体流动的均匀性和混合过程、传质过程
和传热过程。
① 返混和不均匀流动；
② 传质过程；
③ 传热过程。
三、化学反应工程的基本方法
主要采用数学模型法：就是用数学模型来分析和研究化学反应工程问
题。数学模型就是用数学语言来表达过程各变量之间的关系。
在化学反应工程中，数学模型主要包含如下一些内容（P
4
陈甘棠，《化
学反应工程》）：
1. 动力学方程式
表示反应速率与浓度等参数之间的关系，或表示浓度等参数与时间之
间关系的方程称为化学反应的速率方程（rate equation），亦称为动力学方
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［作业布置］
程。
2. 物料衡算式：累积量=输入量－输出量
对于等温过程，则只凭物料衡算式就可以算出反应器的大小。
3. 热量衡算式：累积量=输入量－输出量
对于许多化学反应过程，热效应常是不可忽略的，是非等温的，这时
就需要物料衡算式与热量衡算式联立求解，结果就给出了反应装置的温度
分布和浓度分布，从而回答了反应器设计中的基本问题。
4. 动量衡算式
通常，在设计反应器时，当流体通过反应器前后的压差不太大时，动
量衡式可以不列。
5. 参数计算式
在数学模型中所用的许多参数，有些不一定都需要实测。如某些物性
数据及传递属性（如导热系数、扩散系数等）可从文献中查取，或用关联
式加以估算。但也有一些重要参数，如相界面积及相间传递系数等等，则
常常由于缺乏可靠的方法而不得不通过实验来加以解决。
P
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