化學反應工程(ChemicalReactionEngineering)《化學反應工程》教學大綱學時：56學分：3.5一改進和加強現有的反應技術和設備；二開發新的反應技術和新的反應設備；三用理論指導和解決反應過程開發中的放大問題；四實現反應過程的最優化；五不斷發展反應工程學的理論和方法。化學反應的工程化，研究化學反應的工程問題，工業規模的反應器字典：生產、制造部門用比較大而復雜的設備來進行的工作。中國大百科：應用科學知識使自然資源轉化為結構、機械、產品、系統和過程以造福人類的專門技術。傳統學科：土木、機械、電氣、化學工程大美百科：工程學是指透過研究、經驗及實務而獲得在數學及自然科學方面的專業學識，并可配合判斷力發展出一套方法，來經濟有效地利用自然資源，為人類造福。航空工程學、農業工程學、生物工程學、陶瓷工程學、化學工程學、土木工程學、電機工程學、工業工程學、材料工程學、冶金工程學、環境工程學、其他（石油、海洋、軍事、核能、系統工程學）《中華人民共和國學科分類與代碼國家標準》GB/T13745-2009共設：5個門類、62個一級學科、748個二級學科、近6000個三級學科。Classificationandcodeofdisciplines自然科學

110數學120信息科學與系統科學130力學140物理學150化學160天文學170地球科學180生物學190心理學

農業科學

210農學220林學230畜牧、獸醫科學240水產學醫藥科學

310基礎醫學320臨床醫學330預防醫學與衛生學340軍事醫學與特種醫學350藥學360中醫學與中藥學

工程與技術科學

410工程與技術科學基礎學科413信息與系統科學相關工程與技術416

自然科學相關工程與技術420測繪科學技術430材料科學440礦山工程技術450冶金工程技術460工程機械470動力與電氣工程480能源科學490核科學技術510電子、通信與自動控制技術520計算機科學與技術530化學工程

535

產品應用相關工程與技術540紡織科學技術550食品科學技術560土木建筑工程

570水利工程580交通運輸工程

590航空、航天科學技術610環境科學技術

620安全科學技術630管理學人文與社會科學710馬克思主義720哲學730宗教學740語言學750文學760藝術學770歷史學780考古學790經濟學810政治學820法學830軍事學840社會學850民族學860新聞與傳播學870圖書館、情報與文獻學880教育學890體育學910統計學自然科學

110數學120信息科學與系統科學130力學140物理學150化學160天文學170地球科學180生物學農業科學

210農學220林學230畜牧、獸醫科學240水產學醫藥科學

310基礎醫學320臨床醫學330預防醫學與衛生學340軍事醫學與特種醫學350藥學360中醫學與中藥學

工程與技術科學

410工程與技術科學基礎學科420測繪科學技術430材料科學440礦山工程技術450冶金工程技術460工程機械470動力與電氣工程480能源科學490核科學技術510電子、通信與自動控制技術520計算機科學與技術530化學工程

540紡織科學技術550食品科學技術560土木建筑工程

570水利工程580交通運輸工程

590航空、航天科學技術綜合學科

610環境科學技術

620安全科學技術630管理學

人文與社會科學710馬克思主義720哲學730宗教學740語言學750文學760藝術學770歷史學780考古學790經濟學810政治學820法學830軍事學840社會學850民族學860新聞與傳播學870圖書館、情報與文獻學880教育學890體育學910統計學國家標準《學科分類與代碼》：58個一級學科530.11化學工程基礎學科530.14化工測量技術與儀器儀表530.17化工傳遞過程530.21化學分離工程530.24化學反應工程530.27化工系統工程53.031化工機械與設備530.34無機化學工程530.37有機化學工程530.41電化學工程530.44高聚物工程530.47煤化學工程530.51石油化學工程530.54精細化學工程530.57造紙技術530.61毛皮與制革工程530.64制藥工程530.67生物化學工程530.99化學工程其他學科化學工程19個二級學科530.2410催化反應工程530.2420催化劑工程530.2430固定床反應工程530.2440多相流反應工程530.2450生化反應工程530.2460聚合化學反應工程530.2470電化學反應工程530.2499化學反應工程其他學科化學反應工程8個三級學科化學反應工程

(ChemicalReactionEngineering)

選用教材：

《化學反應工程》，朱炳辰主編，化學工業出版社主要參考書：《反應工程》，李紹芬主編，化學工業出版社；《化學反應工程》，陳甘棠主編，化學工業出版社：ChemicalReactionEngineeringbyOctaveLevenspielElementsofChemicalReactionEngineering

byScottFogler

ChemicalReactorAnalysisandDesign-反應器分析與設計byGilbertF.Froment

列文斯比爾(OctaveLevenspiel)

男，1926年出生于上海，波蘭裔美籍人，美國工程院院士，美國俄勒岡州立大學教授，華東理工大學名譽教授。畢業于華東理工大學前身之一的震旦大學化工系，后于美國俄勒岡州立大學獲碩士學位，1952年獲博士學位，留校任教25年，于1991年退休。

曾發表100余篇學術論文和會議報告，其中兩篇已被列為“引文經典之作”。他曾被授予美國化學工程師學會1977年W.K.Lewis獎、1979年R.H.Wilhelm獎、2003年創始人和社會賦予的最高榮譽金獎。2000年被聘為美國工程院院士。

長期從事化學反應工程領域的研究，是世界著名化學反應工程學科領域的專家學者，國際著名的化學反應工程鼻祖，有化學反應器之父的著稱。他著述的《化學反應工程》一書，被世界上十幾個國家翻譯出版，并作為本國大學化工類教材。/~cre/緒論一、物質轉化過程工業中的化學加工二、化學反應工程與多尺度及多學科的聯系三、數學模擬方法四、工程放大與優化一、物質轉化過程工業中的化學加工所有工業行業分為兩類：一類是以物質轉化過程為核心的產業，這類產業從事物質的化學和物理轉化，生產新的物質產品，或者進行物質的傳遞，其產品計量不計件，連續操作，生產環節具有一定的不可分性，可統稱為過程工業。另一類是以物件的加工和組裝為核心的產業，這類產業不改變物質的內在形態，只是根據機械電子原理，加工零件并裝配成產品，其產品計件不計量，多屬非連續操作，這類工業可統稱為裝備與產品制造業。過程工業不僅占工業總產值比重很大，而且為裝備制造業提供原材料，其發展水平標志著一個國家工業化的水平。過程工程過程工程（processengineering)的概念是對“化學工程”概念的拓展。化學工程學在發展過程中不斷向科技新領域滲透拓展，應用對象已經涵蓋了所有與物質的物理、化學加工過程相聯系的工業部門，這個部門稱為“過程工業”（processindustry），包括石油煉制、化學工業、能源工業、航空、軍事、冶金、環保工業、建材、印染、生物技術、醫藥、食品、造紙等工業部門。過程工程屬于研究物質轉化過程中各種因素及其相互之間關系的科學，其任務是創建高效清潔的物質轉化工藝、流程和設備，主要解決從工藝創新、過程放大或縮小、工程量化設計直至產業化鏈條上的其他關鍵科學技術問題，也涵蓋產品設計和功能化制備的內容。一、物質轉化過程工業中的化學加工過程工業產品的生產是通過一定的工藝過程實現的，工藝過程是指從原料到制得產品的全過程。圖1是以天然氣或石腦油為原料生產合成氨的工藝過程。每個化工產品的工藝過程是不同的，但有共同的特點：工藝過程是由設備、管道、閥門和控制儀表組成的；化工設備分為兩大類：不含化學反應的設備

化學反應器圖1合成氨工藝流程圖合成氨工藝流程圖CH4+H2O=CO+3H2CO+H2O=CO2+H2N2,O2K2CO3+CO2+H2O=2KHCO3CO+H2=CH4+H2ON2+3H2=2NH3N2+3H2=2NH3組分CH4C2H6C3H8C4H10C5H12N2H2CO2合計摩爾分數/%84.2010.004.141.190.110.250.100.01100組分摩爾分數/%(干)H255.9131N222.4355Ar0.2871CO13.3795CO27.6547CH40.3300Σ干氣100.00組分摩爾分數/%(干基)H259.9520N220.3802Ar0.2608CO3.0000CO216.1071CH40.3006Σ干氣100.0000組分摩爾分數/%(干基)H260.9432N219.8315Ar0.2538CO0.3480CO218.3306CH40.2929Σ干氣100.0000組分摩爾分數/%(干)摩爾分數/%(干)CH478.62359.6108C29.3376C33.8658C41.1112C50.1027N21.82360.5301H24.914966.3832CO20.00935.2616CO22.9437Ar0.02090.0060Σ干氣100.00100.0000一段轉化二段轉化中溫變換低溫變換不含化學反應的設備這類設備中沒有發生化學反應，只改變物料的狀態，物理性質，不改變其化學性質。圖中的壓縮機、泵、換熱器、冷卻塔和貯槽中沒有化學反應發生，只有物理過程，是不含化學反應的設備。在鼓風機和泵中只有能量的轉換，從中能轉換成機械能，輸送物料；在換熱器和冷卻塔中只改變物料的溫度，物料的化學性質沒有起變化；貯槽只是起貯存物料作用化工生產中設備的分類化學反應器在這類設備中發生了化學反應，通過化學反應改變了物料的化學性質圖中的一段爐、二段爐、變換爐、甲烷化爐、合成塔、鼓泡反應器等都是化學反應器。物料在反應器中發生了化學反應，物料性質起了變化。可見，化學工業生產是由物理過程和化學反應過程組成的，其中化學反應過程是生產過程的關鍵。化學反應器的任務是完成由原料轉變到產物的化學反應，是化工生產的核心設備。“化學反應工程”的研究對象是工業規模的化學反應器。化工生產中設備的分類化學反應工程（CRE）研究對象及內容研究對象：工業規模的化學反應過程。化學反應工程的中心內容是深入認識有關工業反應器的操作和設計所必需的理論知識。工業反應器中的化學反應過程是同時伴隨物理變化的復雜過程。化學反應工程（CRE）學科簡史化學工程（過程工程）學科體系的基本內容：過程工程共同的現象，可概括為“三傳一反”，即動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞及化學反應，其學科形成了以傳遞過程及化學反應工程為核心的學科體系（包括化工熱力學、化工單元過程、分離工程、化工系統工程等）化學工程發展史及化學反應工程學科的形成

第一階段：古代的化學生產（17世紀以前）這一時期經歷了實用化學、煉丹和煉金、醫藥化學和冶金化學等時期。早期化學知識來源于人類的生產和生活實踐。同時在人類對自然界萬物的本原構成的探索中，誕生了古代樸素的元素觀。古代化學具有實用和經驗的特點，尚未形成理論體系、是化學的萌芽時期；另一方面，尚未形成有規模的化學加工實踐。生產硫酸第二階段：近代化學工業從十八世紀末開始，以硫酸，硝酸，純堿的工業規模的生產過程為開端，至20世紀初，出現了載入化工發展史冊的合成氨的工業生產。FritzHaber(1868-1934)規模的擴大要求人們對生產過程的規律有更為透徹的了解需要既懂工程又熟悉化學知識促使工程與化學相結合單元操作（unitoperation）GeorgeE.Davistaughtthefirstchemicalengineeringcourse.ItwasgiveninManchester,Englandin1887.化工產品種類繁多，生產方法也千差萬別，但可以分解、歸納成若干原理相同（或相似）的基本單元操作。研究這些基本單元操作過程的工程原理，尋找其內在規律，解決生產過程中所需要的設備及操作中的優化，等等問題，就構成了一門新的工程技術學科，化學工程學。20世紀初，英國的Davis,美Walker,Lewis等提出了“化學工程”的概念，發展成為以“單元操作”（unitoperations）為基本研究內容的化學工程學。第一次綜合。第三階段：現代化學工業（二戰前后），在原料路線，技術和設備方面都有巨大的變化和進步，在以石油和天然氣為主要原料的化學工業中，各種催化反應被廣泛應用，這就要求在反應技術和反應器設計方面作出重大努力。尤其是在生產規模日益大型化的趨勢下，其影響就更大了，促使化學工程學科形成了第二次理論綜合：即，從動量傳遞、熱量傳遞質量傳遞的角度深入研究化工生產的物理變化過程，以及從“化學反應工程”的角度來研究化工生產的化學過程。從而使化學工程學科上升為一門具有完整理論體系的全面學科。三傳一反。三傳一反：動量傳遞：流體的流動和輸送，懸浮液的沉降和過濾等。熱量傳遞：加熱、冷卻、蒸發、冷凝、熱交換等。質量傳遞：溶解、結晶、萃取、蒸餾、吸收、吸附等。化學反應過程：美國Bird等編寫了《傳遞現象》這部歷史性的著作TransportPhenomena

第二次世界大戰爆發以后，化學工程的研究也轉入了滿足戰爭需要的軌道。40年代前期，在重大化工過程的開發中，即碳四餾分的分離和丁苯橡膠的乳液聚合、粗柴油的流態化催化裂化以及曼哈頓原子彈工程計劃等,化學工程都發揮了重要作用。例如:流態化催化裂化的設想就是由麻省理工學院的劉易斯教授和E.R.吉利蘭教授提出的。在他們的指導下，幾所大學同時進行了流化床性能的研究，確定了顆粒尺寸、密度和使顆粒床層膨脹，以造成氣固間良好接觸和顆粒運動所需的氣速間的關系，證實了在催化裂化反應器和再生器之間連續輸送大量固體催化劑的可能性。這三項開發的成功，使人們認識到要順利實現過程放大，特別是高倍數的放大（在曼哈頓工程中放大倍數高達1000），必須對過程的內在規律有深刻的了解，沒有堅實的基礎研究工作，是很難做到這一點的。同時，在單元操作經過二、三十年的研究已有了一定的基礎后，反應器的工程放大對化工過程開發的重要性顯得更為突出。這些都為戰后化學工程的進一步發展指明了方向。

1929年弗萊明在《不列顛實驗病理學雜志》上，發表了《關于霉菌培養的殺菌作用》的研究論文，但未被人們引起注意。弗萊明指出，青霉素將會有重要的用途，但他自己無法發明一種提純青霉素的技術，致使此藥十幾年一直未得以使用。

1939年，在英國的澳大利亞人瓦爾特·弗洛里（1898—1968）和德國出生的鮑利斯·錢恩（1906—1979），重復了弗萊明的工作，證實了他的結果，然后提純了青霉素，1941年給病人使用成功。在英美政府的鼓勵下，美國科技人員找到大規模生產青霉素的工程方法，1944年英美公開在醫療中使用，1945年以后，青霉素遍及全世界。1945年，弗萊明、弗洛里和錢恩共獲諾貝爾生理學及醫學獎。ErnstBorisChainHowardFlorey1898.9.24

–1968.2.211906.6.19–1979.8.12AlexanderFleming1881.8.6－1955.3.111945年諾貝爾生物獎DorothyMaryHodgkin，1910.5.12－1994.7.29國籍

英國研究領域生物化學機構牛津大學母校牛津大學薩默維爾學院

劍橋大學其他著名學生瑪格麗特·撒切爾知名于蛋白質晶體學的發展

確定青霉素、胰島素的結構著名獎項諾貝爾化學獎（1964年）

科普利獎章（1976年）

羅蒙諾索夫金質獎章（英語：LomonosovGoldMedal）（1982年）

發酵的發展簡史傳統型—天然發酵第一代—純培養技術的建立第二代—深層培養技術第三代—微生物工程第二代—深層培養技術deep-tankfermentationmethod1928年，英國的細菌學家弗萊明(Fleming)發現了能夠抑制葡萄球菌的點青霉，其產物稱為青霉素。第二次世界大戰中對于抗感染藥物的極大需求，促使人們重新研究青霉素。至1945年，采用了深層培養技術，將青霉素進行大規模生產。主要產品：各種抗生素、氨基酸、酶制劑、維生素等。特點：發酵產量大大提高，可選擇性地發酵所需產物SWE(SocietyofWomenEngineers)上的圖片1955年MargaretHutchinsonRousseau

October27,1910–January12,2000)deep-tankfermentationmethodwhodesignedthefirstcommercialpenicillinproductionplantMargaretHutchinsonwasbornin1910inHouston,Texas,thedaughterofaclothingstoreowner.ShereceivedherBachelorofSciencedegreefromRiceInstitutein1932andherDoctorofSciencedegreeinchemicalengineeringfromMITin1937,thefirstwomantoearnadoctorateinthesubjectintheUSA.HerthesistopicwasTheeffectofsoluteontheliquidfilmresistanceingasabsorption.SWE(SocietyofWomenEngineers)上的圖片1961年Herdevelopmentofdeep-tankfermentationofPenicilliummoldenabledlarge-scaleproductionofpenicillin.Sheworkedonthedevelopmentofhigh-octanegasolineforaviationfuel.Herlaterworkincludedimproveddistillationcolumndesignandplantsfortheproductionofethyleneglycolandglacialaceticacid.1944美國青霉素工廠FritzGoro/攝通氣攪拌發酵技術的建立標志：純種培養深層發酵生產青霉素主要技術進展：通氣攪拌解決了液體深層培養的供氧問題。無菌空氣、培養基滅菌、無污染接種、大型發酵罐的密封與抗污染設計解決了耗氧發酵中的雜菌污染問題。通氣攪拌發酵技術的建立標志：純種培養深層發酵生產青霉素主要技術進展：通氣攪拌解決了液體深層培養的供氧問題。無菌空氣、培養基滅菌、無污染接種、大型發酵罐的密封與抗污染設計解決了耗氧發酵中的雜菌污染問題。通氣攪拌發酵罐結構示意圖l00m3機械攪拌發酵罐典型尺寸示例1-電機2-齒輪箱3-人孔4-消泡器5-冷卻蛇管6-支撐座7-放辯口8-進風管9一空氣分布器10-攪拌葉輪11-罐體12-排氣口13-攪拌軸14-無菌軸封15-軸承16-聯軸器鼓泡反應器啟發：化學反應器的放大1957年“化學反應工程”的創立化學反應工程（CRE）學科地位及歷史荷蘭vanKrevelen提出“化學反應工程”的概念，意在系統深入地研究伴有物理過程即傳遞現象的化學反應過程。1957年，阿姆斯特丹，第一屆歐洲化學反應工程會議，vanKrevelen作首篇綜合性報告：Micro-andMacro-Kinetics1981年，化學反應工程正式進入我國化工高等教育。CRE歷史萌芽階段：20世紀30年代，丹克萊爾（Damhöhler）在當時實驗數據十分貧乏的情況下，較系統地論述了擴散、流體流動和傳熱對反應器產率的影響，為化學反應工程奠定了基礎。初步形成：1957年，歐洲幾個國家從事反應工程這一領域研究工作的學者在荷蘭的阿姆斯特丹召開的一次學術會議上首次使用化學反應工程一詞，這標志著該學科的初步形成。成熟階段：60年代石油化工的大發展，生產的日趨大型化和單機化，以及原料加工的不斷發展加速了反應工程學科的發展使其進入黃金時代并日趨成熟。CRE歷史萌芽階段：20世紀30年代初步形成：1957年，成熟階段：60年代石油化工的大發展新的契機：80年代以后，隨著高技術的發展和應用，如微電子器件的加工、光導纖維生產、新材料以及生物技術等，向化學反應工程工作者提出了新的研究課題，使化學反應工程形成新的分支，如生化反應工程、聚合反應工程等，擴大了化學反映工程的研究領域，從而使化學反應工程的研究進入了一個新的階段反應過程的工程因素三傳一反：動量傳遞因素熱量傳遞因素質量傳遞因素化學反應因素反應過程的工程因素之動量傳遞因素試題：在活塞流反應器中進行等溫、體積不變的一級不可逆反應，則出口轉化率可達0.96，現保持反應條件不變，但將反應改在：（a）相同體積的全混流反應器中，（b）等體積串聯的兩個全混流反應器（總體積與活塞流反應器相等）中。（c）相同體積的間歇反應器，反應時間與輔助時間之比為3：1試分別計算所能達到的轉化率。動量傳遞過程－流動因素A→BA熱量傳遞過程－傳熱因素A→BA質量傳遞過程－傳質因素質量傳遞過程－傳質因素R邊緣反應物濃度高中央反應物濃度低此處反應較快化工廠圖化工設備常見反應器用來實現化學變化的設備過程工業中的核心裝置，其性能對生產過程的影響舉足輕重。裂解爐攪拌釜式反應器多釜串聯反應器氣液相塔式反應器固定床反應器流化床反應器氣液固三相反應器緒論一、物質轉化過程工業中的化學加工二、化學反應工程與多尺度及多學科的聯系三、數學模擬方法四、工程放大與優化二、化學反應工程與多尺度及多學科的聯系近年來，國內外學術界倡導物質轉化過程中的時空多尺度（Multi-scale）效應，歸納其要點如下：化工過程同時發生在很寬的時間尺度和空間尺度，即以分子振動的納秒至污染物消失所需長達世紀的時間尺度。其中（i）納尺度，即分子化學鍵振動的納秒尺度及納米尺度；（ii）微尺度，即流體力學和傳遞中的滴、粒、泡、旋渦運動的微尺度；（iii）介尺度，即反應器、換熱器、分離器、泵等反應和單元操作的裝置；（iv）宏尺度，即生產單元和工廠；（v）宇尺度，即環境、大氣、海洋、土壤。二、化學反應工程與多尺度及多學科的聯系以管式催化反應器中氣-固相催化反應為例，反應物與催化劑的載體上所負載的活性組分間的分子反應屬于納秒及納米尺度；反應組分在催化劑顆粒孔道內的擴散屬于微尺度；反應組分連續流過長達數米的反應管的停留時間一般為10～103秒，屬于介尺度；反應器及有關原料制備和產物分離的裝備組合成的生產單元和工廠屬于宏尺度；而生產過程的污染物經歷長時間才能消去屬于宇尺度。緒論一、物質轉化過程工業中的化學加工二、化學反應工程與多尺度及多學科的聯系三、數學模擬方法四、工程放大與優化緒論三、數學模擬方法反映和描述工業反應器中各參數之間的關系，稱為物理概念模型，表達物理概念模型的數學式稱為數學模型，用數學方法來模擬反應過程的模擬方法稱為數學模擬方法。用數學模擬方法來研究化學反應工程，進行反應器的放大與優化，比傳統的經驗方法能更好地反映其本質。為了形象、簡捷的處理物理問題，人們經常把復雜的實際情況轉化成一定的容易接受的簡單的物理情境，從而形成一定的經驗性的規律，即建立物理模型化學反應工程（CRE）研究方法理論方法，實驗方法，數值計算方法半理論半經驗方法：數學模擬方法理論方法局限性：不能應付物性參數復雜，邊界條件復雜的工程化學反應系統。傳統的經驗法的局限性：不能應付數量眾多、強烈交互的系統參數，。相似法，因次分析舉例：管道壓力降管道壓力降問題壓力降Δp，管徑D，管長L，流速U，流體粘度μ，流體密度ρ數學模擬方法用數學方式來模擬工業反應過程。基礎：數學模型分析，抽象，簡化物理模型，數學模型實驗，數據處理模型參數抽象簡化的要求：（1）不失真（2）滿足應用要求（3）適應現有的實驗條件（4）適應現有的計算能力

緒論四、工程放大與優化將實驗室和小規模生產的研究成果推廣到大型工業生產裝置，并綜合各方面的有關因素提出優化設計和操作方案，即“工程放大和優化”

四、工程放大與優化相似放大法：幾何相似、準數相似經驗放大法：數學模型放大法：反應