化學(xué)反應(yīng)工程第0章緒論

1、化學(xué)反應(yīng)工程(Chemical Reaction Engineering)化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)大綱學(xué)時(shí)：56 學(xué)分：3. 5一改進(jìn)和加強(qiáng)現(xiàn)有的反應(yīng)技術(shù)和設(shè)備；二開發(fā)新的反應(yīng)技術(shù)和新的反應(yīng)設(shè)備；三用理論指導(dǎo)和解決反應(yīng)過程開發(fā)中的放大問題；四實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程的最優(yōu)化；五不斷發(fā)展反應(yīng)工程學(xué)的理論和方法。化學(xué)反應(yīng)的工程化，研究化學(xué)反應(yīng)的工程問題，工業(yè)規(guī)模的反應(yīng)器字典：生產(chǎn)、制造部門用比較大而復(fù)雜的設(shè)備來進(jìn)行的工作。中國大百科：應(yīng)用科學(xué)知識(shí)使自然資源轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)、機(jī)械、產(chǎn)品、系統(tǒng)和過程以造福人類的專門技術(shù)。傳統(tǒng)學(xué)科：土木、機(jī)械、電氣、化學(xué)工程大美百科：工程學(xué)是指透過研究、經(jīng)驗(yàn)及實(shí)務(wù)而獲得在數(shù)學(xué)及自然科學(xué)方面的專業(yè)

2、學(xué)識(shí)，并可配合判斷力發(fā)展出一套方法，來經(jīng)濟(jì)有效地利用自然資源，為人類造福。航空工程學(xué)、農(nóng)業(yè)工程學(xué)、生物工程學(xué)、陶瓷工程學(xué)、化學(xué)工程學(xué)、土木工程學(xué)、電機(jī)工程學(xué)、工業(yè)工程學(xué)、材料工程學(xué)、冶金工程學(xué)、環(huán)境工程學(xué)、其他（石油、海洋、軍事、核能、系統(tǒng)工程學(xué)）國家標(biāo)準(zhǔn)國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)科分類與代碼學(xué)科分類與代碼 ：5858個(gè)一級(jí)學(xué)科個(gè)一級(jí)學(xué)科 化學(xué)工程化學(xué)工程19個(gè)二級(jí)學(xué)科個(gè)二級(jí)學(xué)科化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程8個(gè)三級(jí)學(xué)科個(gè)三級(jí)學(xué)科化學(xué)反應(yīng)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(xué)和物理轉(zhuǎn)化，生產(chǎn)新的物質(zhì)產(chǎn)品，或者進(jìn)行物質(zhì)的產(chǎn)業(yè)從事物質(zhì)的化學(xué)和物理轉(zhuǎn)化，生產(chǎn)新的物質(zhì)產(chǎn)品，或者進(jìn)行物質(zhì)的傳遞，其產(chǎn)品計(jì)量不計(jì)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(jì)量不計(jì)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(jī)械電子原理，加工零件并裝配成產(chǎn)品，其產(chǎn)品計(jì)內(nèi)在形態(tài)，只是根據(jù)機(jī)械電子原理，加工零件并裝配成產(chǎn)品，其產(chǎn)品計(jì)件不計(jì)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(jì)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(biāo)志著一個(gè)國家工業(yè)化的水平。其發(fā)展水平標(biāo)志著一個(gè)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(shí)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(shí)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(gè)化工產(chǎn)品的工藝過程是不同的，但有共同的特點(diǎn)：工藝過程是由設(shè)備、管道

5、、閥門和控制儀表組成的；化工設(shè)備分為兩大類：不含化學(xué)反應(yīng)的設(shè)備化學(xué)反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)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(jì)摩爾分?jǐn)?shù)/%84.2010.001100組分摩爾分?jǐn)?shù)/%(干)H255.9131N222.4355Ar0.2871CO13.3795CO27.6547CH40.33

6、00干氣100.00組分摩爾分?jǐn)?shù)/%(干基)H259.9520N220.3802Ar0.2608CO3.0000CO216.1071CH40.3006干氣100.0000組分摩爾分?jǐn)?shù)/%(干基)H260.9432N219.8315Ar0.2538CO0.3480CO218.3306CH40.2929干氣100.0000組分摩爾分?jǐn)?shù)/%(干)摩爾分?jǐn)?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(xué)反應(yīng)的設(shè)備不含化學(xué)反應(yīng)的設(shè)備這類設(shè)備中沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，只改變物料的狀態(tài)，物理性質(zhì)，不改變其化學(xué)性質(zhì)。圖中的壓縮機(jī)、泵、換熱器、冷卻塔和貯槽中沒有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，只有物理過程，是不含化學(xué)反應(yīng)的設(shè)備。在鼓風(fēng)機(jī)和泵中只有能量的轉(zhuǎn)換，從中能轉(zhuǎn)換成機(jī)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(xué)性質(zhì)沒有起變化；貯槽只是起貯存物料作用化學(xué)反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)器 在這類設(shè)備中發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，通過化學(xué)反應(yīng)改變了物料的化學(xué)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(yīng)器等都是化學(xué)反應(yīng)器。物料在反

8、應(yīng)器中發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，物料性質(zhì)起了變化?？梢?，化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)是由物理過程和化學(xué)反應(yīng)過程組成的，其中化學(xué)反應(yīng)過程是生產(chǎn)過程的關(guān)鍵?；瘜W(xué)反應(yīng)器的任務(wù)是完成由原料轉(zhuǎn)變到產(chǎn)物的化學(xué)反應(yīng)，是化工生產(chǎn)的核心設(shè)備?！盎瘜W(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程”的研究對(duì)象是工業(yè)規(guī)模的化學(xué)反應(yīng)器。的研究對(duì)象是工業(yè)規(guī)模的化學(xué)反應(yīng)器。研究對(duì)象：工業(yè)規(guī)模的化學(xué)反應(yīng)過程研究對(duì)象：工業(yè)規(guī)模的化學(xué)反應(yīng)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(shè)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(shù)學(xué)科，化學(xué)工程學(xué)。第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)以后，化學(xué)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(jì)劃曼哈頓原子彈工程計(jì)劃等,化學(xué)工程都發(fā)揮了重要作用。例如:流態(tài)化催化裂化的設(shè)想就是由麻省理工學(xué)院的劉易斯教授和E.R.吉利蘭教授提出的。在他們的指導(dǎo)

10、下，幾所大學(xué)同時(shí)進(jìn)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(yùn)動(dòng)所需的氣速間的關(guān)系，證實(shí)了在催化裂化反應(yīng)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(xiàng)開發(fā)的成功，使人們認(rèn)識(shí)到要順利實(shí)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(dá)1000），必須對(duì)過程的內(nèi)在規(guī)律有深刻的了解，沒有堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)研究工作，是很難做到這一點(diǎn)的。同時(shí)，在單元操作經(jīng)過二、三十年的研究已有了一定的基礎(chǔ)后，反應(yīng)器的工程放大對(duì)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(xué)工程的進(jìn)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(yīng)器中進(jìn)行等溫、體積不變的一級(jí)不可逆反應(yīng)，則出口轉(zhuǎn)化率可達(dá)0.96，現(xiàn)保持反應(yīng)條件不變，但將反應(yīng)改在：（a）相同體積的全混流反應(yīng)器中，（b）等體積串聯(lián)的兩個(gè)全混流反應(yīng)器（總體積與活塞流反應(yīng)器相等）中。（c）相同體積的間歇反應(yīng)器，反應(yīng)時(shí)間與輔助時(shí)間之比為3：1試分別計(jì)算所能達(dá)到的轉(zhuǎn)化率。AArkCA0ktAACC e0ACACA0ACAC0ERTkk eAArkCR邊緣反應(yīng)物濃度高中央反應(yīng)物濃度低此處反應(yīng)較快二、化學(xué)反應(yīng)工程與多尺度及多學(xué)科的聯(lián)系

12、近年來，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界倡導(dǎo)物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中的時(shí)空多尺度（Multi-scale）效應(yīng)4，歸納其要點(diǎn)如下：化工過程同時(shí)發(fā)生在很寬的時(shí)間尺度和空間尺度，即以分子振動(dòng)的納秒至污染物消失所需長達(dá)世紀(jì)的時(shí)間尺度。其中（i）納尺度，即分子化學(xué)鍵振動(dòng)的納秒尺度及納米尺度；（ii）微尺度，即流體力學(xué)和傳遞中的滴、粒、泡、旋渦運(yùn)動(dòng)的微尺度；（iii）介尺度，即反應(yīng)器、換熱器、分離器、泵等反應(yīng)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(xué)反應(yīng)工程與多尺度及多學(xué)科的聯(lián)系以管式催化反應(yīng)器中氣-固相催化反應(yīng)為例，反應(yīng)物與催化劑的載體上所負(fù)載的活性組分間的分子反應(yīng)屬于納秒

13、及納米尺度納米尺度；反應(yīng)組分在催化劑顆?？椎纼?nèi)的擴(kuò)散屬于微尺度微尺度；反應(yīng)組分連續(xù)流過長達(dá)數(shù)米的反應(yīng)管的停留時(shí)間一般為10103秒，屬于介尺度介尺度；反應(yīng)器及有關(guān)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(shí)間才能消去屬于宇尺度宇尺度。反映和描述工業(yè)反應(yīng)器中各參數(shù)之間的關(guān)系，稱為物理概念模型，表達(dá)物理概念模型的數(shù)學(xué)式稱為數(shù)學(xué)模型，用數(shù)學(xué)方法來模擬反應(yīng)過程的模擬方法稱為數(shù)學(xué)模擬方法。用數(shù)學(xué)模擬方法來研究化學(xué)反應(yīng)工程，進(jìn)行反應(yīng)器的放大與優(yōu)化，比傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)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(fù)雜的實(shí)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(yàn)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(shí)驗(yàn)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(guān)因素提出優(yōu)化設(shè)計(jì)和操作方案，即“工程放大和優(yōu)化” 相似放大法：幾何相似、準(zhǔn)數(shù)相似經(jīng)驗(yàn)放大法：數(shù)學(xué)模型放大法：n經(jīng)驗(yàn)放大法是按小型生產(chǎn)裝置的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算或定額計(jì)算，即在單位時(shí)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(duì)于某些過程簡單的反應(yīng)器，如攪拌反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行單一液相均相反應(yīng)，而物料又屬

15、通過一般攪拌易于達(dá)到均勻的物質(zhì)，在機(jī)械制造許可的條件下，大倍數(shù)的放大還可奏效。對(duì)于某些氣-固相催化反應(yīng)器，積累了多年的操作經(jīng)驗(yàn)，可以采用經(jīng)驗(yàn)放大法，如根據(jù)催化反應(yīng)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(yàn)放大法還可用以放大設(shè)計(jì)。n數(shù)學(xué)模擬放大法數(shù)學(xué)模擬放大法如果要求通過改變反應(yīng)過程的操作條件和反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)來改進(jìn)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，或者進(jìn)一步優(yōu)化反應(yīng)器的操作方案，經(jīng)驗(yàn)放大法是不適用的，應(yīng)該用數(shù)學(xué)模擬放大法。數(shù)學(xué)模擬放大法比傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)方法能更好地反映反應(yīng)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(xué)模擬方法來評(píng)比各類反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)及預(yù)期所達(dá)到的效果，從而尋求反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

16、此外，用數(shù)學(xué)模型還可以研究反應(yīng)過程中操作參數(shù)改變時(shí)反應(yīng)裝置的行為，從而達(dá)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(shí)現(xiàn)或具有破壞性質(zhì)的。因此，數(shù)學(xué)模擬方法既是進(jìn)行工程放大和優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是制訂優(yōu)化操作和控制方案的基礎(chǔ)我國的科學(xué)技術(shù)工作者在充分開展有關(guān)反應(yīng)過程的化學(xué)反應(yīng)特我國的科學(xué)技術(shù)工作者在充分開展有關(guān)反應(yīng)過程的化學(xué)反應(yīng)特征、催化劑的組成和制備方法研究、工程設(shè)計(jì)及宏觀反應(yīng)動(dòng)力征、催化劑的組成和制備方法研究、工程設(shè)計(jì)及宏觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)及理論分析，運(yùn)用數(shù)學(xué)模擬方法，學(xué)研究的基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)及理論分析，運(yùn)用數(shù)學(xué)模擬方法，成功地開發(fā)了多種具有我國特色的反應(yīng)過程及反應(yīng)器，如成功

17、地開發(fā)了多種具有我國特色的反應(yīng)過程及反應(yīng)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(yīng)器，流化床萘氧化制苯酐反應(yīng)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(yīng)器，乙苯脫氫等多種型式的催化反應(yīng)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(yīng)器，濕法冶金中的氣體提升攪拌反應(yīng)器，三相床三相床1，4-丁炔二醇炔化反應(yīng)器，丁炔二醇炔化反應(yīng)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(yīng)器，液反應(yīng)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(yīng)制丙二醇反應(yīng)器等。環(huán)氧丙烷水合反應(yīng)制丙二醇反應(yīng)器等。應(yīng)予強(qiáng)調(diào)