化学反应工程
(Chemical Reaction Engineering)
,化学反应工程, 教学大纲
学时,56 学分,3,5
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，其主要内容是：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，其教学目的是为学生具有以下方面的能力打下坚实的理
论基础,
一 改进和加强现有的反应技术和设备；
二 开发新的反应技术和新的反应设备；
三 用理论指导和解决反应过程开发中的放大问题；
四 实现反应过程的最优化；
五 不断发展反应工程学的理论和方法。
化学反应的工程化，研究化学反应的工程问题，工业规模的反应器
化学反应工程
(Chemical Reaction Engineering)
? 选用教材,
,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,
Chemical Reaction Engineering,
by Levenspiel O,
Elements of Chemical Reaction Engineering
by Scott Fogler
绪 论
? 化学反应工程（ CRE）学科地位及历史
? 化学反应工程（ CRE）研究对象及内容
? 化学反应工程（ CRE）研究方法
化学反应工程（ CRE）学科地位及历史
? 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）
过程工程
? 过程工程（ process engineering)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,
（ process industry），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。
? PI特点有三个方面：原料产品、加工过程、增加
产量
化学反应工程（ CRE）学科地位及历史
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
化学反应工程（ CRE）学科地位及历史
? 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 。
Fritz Haber (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
化学反应工程（ CRE）学科地位及历史
? 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, （ unit
operations）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。
化学反应工程（ CRE）学科地位及历史
? 美国 Bird等编写了, 传递现象, 这部历史性的著
作 Transport Phenomena
化学反应工程（ CRE）学科地位及历史
荷兰 van Krevelen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,van Krevelen作首篇综合性报
告,Micro- and Macro- Kinetics
1981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
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。
物理变化概括为三种传递过程,
化学反应也可进行分类
二者的交联：宏观动力学
动量传递过程－流动因素
? A→ B
AArC?A 0 tAAC C e??
0AC
AC
热量传递过程－传热因素
? A→ B
A
0AC
AC
0
E
RTk k e ??AA
r kC?
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
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
操作方式
? 间歇，连续，半连续
气
??? ???? ??
半连续
气
气 气
流动系统
气
??? ???? ??
连续
液
气 液
流动系统
间歇
封闭系统
宏观动力学
? 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。
工业反应器的种类
? 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
? 按反应物料的相态进行分类，可有均相反应器和
非均相反应器两大类。
? 按反应物料流型进行分类，可大约将反应器分为
平推流,全混流，非理想流动反应器三大类。
化工厂图
化工设备
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
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
? 与相关学科的关系,
? 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
(,,,,)p f D L U ??? ? ?
2( ) (,)
p L D Uf
UD
?
??
??? 1
2( ) ( ),( )
p L D Uk
UD
?
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2
32 ULp
D
?? ? ?
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
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
重要的概念、名词
? 化学反应工程
? 反应器
? 三传一反
? 宏观动力学
? 数学模拟方法
? 数学模型
? 反应过程的放大方法
(Chemical Reaction Engineering)
,化学反应工程, 教学大纲
学时,56 学分,3,5
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，其主要内容是：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，其教学目的是为学生具有以下方面的能力打下坚实的理
论基础,
一 改进和加强现有的反应技术和设备；
二 开发新的反应技术和新的反应设备；
三 用理论指导和解决反应过程开发中的放大问题；
四 实现反应过程的最优化；
五 不断发展反应工程学的理论和方法。
化学反应的工程化，研究化学反应的工程问题，工业规模的反应器
化学反应工程
(Chemical Reaction Engineering)
? 选用教材,
,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,
Chemical Reaction Engineering,
by Levenspiel O,
Elements of Chemical Reaction Engineering
by Scott Fogler
绪 论
? 化学反应工程（ CRE）学科地位及历史
? 化学反应工程（ CRE）研究对象及内容
? 化学反应工程（ CRE）研究方法
化学反应工程（ CRE）学科地位及历史
? 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）
过程工程
? 过程工程（ process engineering)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,
（ process industry），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。
? PI特点有三个方面：原料产品、加工过程、增加
产量
化学反应工程（ CRE）学科地位及历史
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
化学反应工程（ CRE）学科地位及历史
? 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 。
Fritz Haber (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
化学反应工程（ CRE）学科地位及历史
? 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, （ unit
operations）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。
化学反应工程（ CRE）学科地位及历史
? 美国 Bird等编写了, 传递现象, 这部历史性的著
作 Transport Phenomena
化学反应工程（ CRE）学科地位及历史
荷兰 van Krevelen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,van Krevelen作首篇综合性报
告,Micro- and Macro- Kinetics
1981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
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。
物理变化概括为三种传递过程,
化学反应也可进行分类
二者的交联：宏观动力学
动量传递过程－流动因素
? A→ B
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热量传递过程－传热因素
? A→ B
A
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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
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
操作方式
? 间歇，连续，半连续
气
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半连续
气
气 气
流动系统
气
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连续
液
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流动系统
间歇
封闭系统
宏观动力学
? 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。
工业反应器的种类
? 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
? 按反应物料的相态进行分类，可有均相反应器和
非均相反应器两大类。
? 按反应物料流型进行分类，可大约将反应器分为
平推流,全混流，非理想流动反应器三大类。
化工厂图
化工设备
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
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
? 与相关学科的关系,
? 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
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D
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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
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
重要的概念、名词
? 化学反应工程
? 反应器
? 三传一反
? 宏观动力学
? 数学模拟方法
? 数学模型
? 反应过程的放大方法
