化學反應工程第0章緒論

1、化學反應工程(Chemical Reaction Engineering)化學反應工程教學大綱學時：56 學分：3. 5一改進和加強現(xiàn)有的反應技術和設備；二開發(fā)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(fā)中的放大問題；四實現(xiàn)反應過程的最優(yōu)化；五不斷發(fā)展反應工程學的理論和方法?；瘜W反應的工程化，研究化學反應的工程問題，工業(yè)規(guī)模的反應器字典：生產(chǎn)、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(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)、機械、產(chǎn)品、系統(tǒng)和過程以造福人類的專門技術。傳統(tǒng)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(jīng)驗及實務而獲得在數(shù)學及自然科學方面的專業(yè)

2、學識，并可配合判斷力發(fā)展出一套方法，來經(jīng)濟有效地利用自然資源，為人類造福。航空工程學、農(nóng)業(yè)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(yè)工程學、材料工程學、冶金工程學、環(huán)境工程學、其他（石油、海洋、軍事、核能、系統(tǒng)工程學）國家標準國家標準學科分類與代碼學科分類與代碼 ：5858個一級學科個一級學科 化學工程化學工程19個二級學科個二級學科化學反應工程化學反應工程8個三級學科個三級學科化學反應工程(Chemical Reaction Engineering)/cre/所有工業(yè)行業(yè)分為兩類：一類是以物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程為核心的產(chǎn)業(yè)

3、，這類所有工業(yè)行業(yè)分為兩類：一類是以物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程為核心的產(chǎn)業(yè)，這類產(chǎn)業(yè)從事物質(zhì)的化學和物理轉(zhuǎn)化，生產(chǎn)新的物質(zhì)產(chǎn)品，或者進行物質(zhì)的產(chǎn)業(yè)從事物質(zhì)的化學和物理轉(zhuǎn)化，生產(chǎn)新的物質(zhì)產(chǎn)品，或者進行物質(zhì)的傳遞，其產(chǎn)品計量不計件，連續(xù)操作，生產(chǎn)環(huán)節(jié)具有一定的不可分性，傳遞，其產(chǎn)品計量不計件，連續(xù)操作，生產(chǎn)環(huán)節(jié)具有一定的不可分性，可統(tǒng)稱為可統(tǒng)稱為過程工業(yè)過程工業(yè)。另一類是以物件的加工和組裝為核心的產(chǎn)業(yè)，這類產(chǎn)業(yè)不改變物質(zhì)的另一類是以物件的加工和組裝為核心的產(chǎn)業(yè)，這類產(chǎn)業(yè)不改變物質(zhì)的內(nèi)在形態(tài)，只是根據(jù)機械電子原理，加工零件并裝配成產(chǎn)品，其產(chǎn)品計內(nèi)在形態(tài)，只是根據(jù)機械電子原理，加工零件并裝配成產(chǎn)品，其產(chǎn)品計件不計量

4、，多屬非連續(xù)操作，這類工業(yè)可統(tǒng)稱為裝備與產(chǎn)品制造業(yè)。件不計量，多屬非連續(xù)操作，這類工業(yè)可統(tǒng)稱為裝備與產(chǎn)品制造業(yè)。過程工業(yè)過程工業(yè)不僅占工業(yè)總產(chǎn)值比重很大，而且為裝備制造業(yè)提供原材料，不僅占工業(yè)總產(chǎn)值比重很大，而且為裝備制造業(yè)提供原材料，其發(fā)展水平標志著一個國家工業(yè)化的水平。其發(fā)展水平標志著一個國家工業(yè)化的水平。過程工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)是通過一定的工藝過程實現(xiàn)的，工藝過程是指從過程工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)是通過一定的工藝過程實現(xiàn)的，工藝過程是指從原料到制得產(chǎn)品的全過程。原料到制得產(chǎn)品的全過程。圖1是以天然氣或石腦油為原料生產(chǎn)合成氨的工藝過程。每個化工產(chǎn)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

5、、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化學反應器圖圖1合成氨工藝流程圖合成氨工藝流程圖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(shù)/%84.2010.001100組分摩爾分數(shù)/%(干)H255.9131N222.4355Ar0.2871CO13.3795CO27.6547CH40.33

6、00干氣100.00組分摩爾分數(shù)/%(干基)H259.9520N220.3802Ar0.2608CO3.0000CO216.1071CH40.3006干氣100.0000組分摩爾分數(shù)/%(干基)H260.9432N219.8315Ar0.2538CO0.3480CO218.3306CH40.2929干氣100.0000組分摩爾分數(shù)/%(干)摩爾分數(shù)/%(干)CH478.62359.6108C29.3376C33.8658C41.1112C50.1027N21.82360.5301H24.914966.3832CO20.00935.2616CO22.9437Ar0.02090.0060干氣100

7、.00100.0000一段轉(zhuǎn)化二段轉(zhuǎn)化中溫變換低溫變換一段轉(zhuǎn)化二段轉(zhuǎn)化中溫變換低溫變換不含化學反應的設備不含化學反應的設備這類設備中沒有發(fā)生化學反應，只改變物料的狀態(tài)，物理性質(zhì)，不改變其化學性質(zhì)。圖中的壓縮機、泵、換熱器、冷卻塔和貯槽中沒有化學反應發(fā)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(zhuǎn)換，從中能轉(zhuǎn)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(zhì)沒有起變化；貯槽只是起貯存物料作用化學反應器化學反應器 在這類設備中發(fā)生了化學反應，通過化學反應改變了物料的化學性質(zhì)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

8、應器中發(fā)生了化學反應，物料性質(zhì)起了變化。可見，化學工業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)過程的關鍵。化學反應器的任務是完成由原料轉(zhuǎn)變到產(chǎn)物的化學反應，是化工生產(chǎn)的核心設備。“化學反應工程化學反應工程”的研究對象是工業(yè)規(guī)模的化學反應器。的研究對象是工業(yè)規(guī)模的化學反應器。研究對象：工業(yè)規(guī)模的化學反應過程研究對象：工業(yè)規(guī)模的化學反應過程George E. Davis taught the first chemical engineering course. It was given in Manchester, England in 1887.化工產(chǎn)品種類繁多，生產(chǎn)方法也千

9、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(nèi)在規(guī)律，解決生產(chǎn)過程中所需要的設備及操作中的優(yōu)化，等等問題，就構(gòu)成了一門新的工程技術學科，化學工程學。第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)以后，化學工程的研究也轉(zhuǎn)入了滿足戰(zhàn)爭需要的軌道。40年代前期，在重大化工過程的開發(fā)中，即碳四餾分的分離和丁苯橡膠的乳液聚合碳四餾分的分離和丁苯橡膠的乳液聚合、粗柴油的流態(tài)化催化裂化粗柴油的流態(tài)化催化裂化以及曼哈頓原子彈工程計劃曼哈頓原子彈工程計劃等,化學工程都發(fā)揮了重要作用。例如:流態(tài)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

10、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(xù)輸送大量固體催化劑的可能性。這三項開發(fā)的成功，使人們認識到要順利實現(xiàn)過程放大，特別是高倍數(shù)的放大（在曼哈頓工程中放大倍數(shù)高達1000），必須對過程的內(nèi)在規(guī)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(jīng)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(fā)的重要性顯得更為突出。這些都為戰(zhàn)后化學工程的進一步發(fā)展指明了方向。 02110 1(1)3.2191(1)10.76311(2)/21

11、.151,1 ()0.85313(3)(/3)2.414,10.9114kRAAAAktRAVxeklnxVxkkkxkVV ttktkxe 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(zhuǎn)化率可達0.96，現(xiàn)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(lián)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(zhuǎn)化率。AArkCA0ktAACC e0ACACA0ACAC0ERTkk eAArkCR邊緣反應物濃度高中央反應物濃度低此處反應較快二、化學反應工程與多尺度及多學科的聯(lián)系

12、近年來，國內(nèi)外學術界倡導物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中的時空多尺度（Multi-scale）效應4，歸納其要點如下：化工過程同時發(fā)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(chǎn)單元和工廠；（v）宇尺度，即環(huán)境、大氣、海洋、土壤。二、化學反應工程與多尺度及多學科的聯(lián)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

13、及納米尺度納米尺度；反應組分在催化劑顆?？椎纼?nèi)的擴散屬于微尺度微尺度；反應組分連續(xù)流過長達數(shù)米的反應管的停留時間一般為10103秒，屬于介尺度介尺度；反應器及有關原料制備和產(chǎn)物分離的裝備組合成的生產(chǎn)單元和工廠屬于宏尺度宏尺度；而生產(chǎn)過程的污染物經(jīng)歷長時間才能消去屬于宇尺度宇尺度。反映和描述工業(yè)反應器中各參數(shù)之間的關系，稱為物理概念模型，表達物理概念模型的數(shù)學式稱為數(shù)學模型，用數(shù)學方法來模擬反應過程的模擬方法稱為數(shù)學模擬方法。用數(shù)學模擬方法來研究化學反應工程，進行反應器的放大與優(yōu)化，比傳統(tǒng)的經(jīng)驗方法能更好地反映其本質(zhì)。 為了形象、簡捷的處理物理問題，人們經(jīng)常把復雜的實際情況轉(zhuǎn)化成一定的容易接受的

14、簡單的物理情境，從而形成一定的經(jīng)驗性的規(guī)律，即建立物理模型 ( , , , )pf D L U 2()(,)pLDUfUD12()()()pLDUkUD232ULpD 壓力降p，管徑D，管長L，流速U，流體粘度，流體密度將實驗室和小規(guī)模生產(chǎn)的研究成果推廣到大型工業(yè)生產(chǎn)裝置，并綜合各方面的有關因素提出優(yōu)化設計和操作方案，即“工程放大和優(yōu)化” 相似放大法：幾何相似、準數(shù)相似經(jīng)驗放大法：數(shù)學模型放大法：n經(jīng)驗放大法是按小型生產(chǎn)裝置的經(jīng)驗計算或定額計算，即在單位時間內(nèi)，在某些操作條件下，由一定的原料組成來生產(chǎn)規(guī)定質(zhì)量和產(chǎn)量的產(chǎn)品。對于某些過程簡單的反應器，如攪拌反應器內(nèi)進行單一液相均相反應，而物料又屬

15、通過一般攪拌易于達到均勻的物質(zhì)，在機械制造許可的條件下，大倍數(shù)的放大還可奏效。對于某些氣-固相催化反應器，積累了多年的操作經(jīng)驗，可以采用經(jīng)驗放大法，如根據(jù)催化反應的空間速度放大，按單管的根數(shù)放大，如果放大倍數(shù)不太大，這種經(jīng)驗放大法還可用以放大設計。n數(shù)學模擬放大法數(shù)學模擬放大法如果要求通過改變反應過程的操作條件和反應器的結(jié)構(gòu)來改進反應器的設計，或者進一步優(yōu)化反應器的操作方案，經(jīng)驗放大法是不適用的，應該用數(shù)學模擬放大法。數(shù)學模擬放大法比傳統(tǒng)的經(jīng)驗方法能更好地反映反應過程的本質(zhì),可以增大放大倍數(shù)，縮短放大周期，可以根據(jù)數(shù)學模擬方法來評比各類反應器的結(jié)構(gòu)及預期所達到的效果，從而尋求反應器的優(yōu)化設計。

16、此外，用數(shù)學模型還可以研究反應過程中操作參數(shù)改變時反應裝置的行為，從而達到操作優(yōu)化，而某些參數(shù)的改變往往是工業(yè)中難以實現(xiàn)或具有破壞性質(zhì)的。因此，數(shù)學模擬方法既是進行工程放大和優(yōu)化設計的基礎，也是制訂優(yōu)化操作和控制方案的基礎我國的科學技術工作者在充分開展有關反應過程的化學反應特我國的科學技術工作者在充分開展有關反應過程的化學反應特征、催化劑的組成和制備方法研究、工程設計及宏觀反應動力征、催化劑的組成和制備方法研究、工程設計及宏觀反應動力學研究的基礎上，通過實驗及理論分析，運用數(shù)學模擬方法，學研究的基礎上，通過實驗及理論分析，運用數(shù)學模擬方法，成功地開發(fā)了多種具有我國特色的反應過程及反應器，如成功

17、地開發(fā)了多種具有我國特色的反應過程及反應器，如流態(tài)化催化裂化工業(yè)裝置，流態(tài)化催化裂化工業(yè)裝置，流化床丙烯腈，流化床丙烯腈，流化床萘氧化制苯酐反應器，流化床萘氧化制苯酐反應器，固定床徑向及軸徑向氨合成、固定床徑向及軸徑向氨合成、甲醇合成、甲醇合成、丁烯氧化脫氫、丁烯氧化脫氫、乙苯脫氫等多種型式的催化反應器，乙苯脫氫等多種型式的催化反應器，輕質(zhì)烴熱裂解爐，輕質(zhì)烴熱裂解爐，高溫煤氣化爐，高溫煤氣化爐，濕法冶金中的氣體提升攪拌反應器，濕法冶金中的氣體提升攪拌反應器，三相床三相床1，4-丁炔二醇炔化反應器，丁炔二醇炔化反應器，丙烯氯醇化制備環(huán)氧丙烷的氣丙烯氯醇化制備環(huán)氧丙烷的氣-液反應器，液反應器，活化活化MDEA溶液脫除二氧化碳過程開發(fā)，溶液脫除二氧化碳過程開發(fā)，環(huán)氧丙烷水合反應制丙二醇反應器等。環(huán)氧丙烷水合反應制丙二醇反應器等。應予強調(diào)