分離工程第一章緒論-2

1、化化 學(xué)學(xué) 反反 應(yīng)應(yīng) 工工 程程Chemical Reaction Engineering 本課程的性質(zhì)和內(nèi)容地位：專業(yè)基礎(chǔ)課前期課程： 物理化學(xué)、高等數(shù)學(xué)、化工熱力學(xué)重點(diǎn)： 1.反應(yīng)動力學(xué) 2.反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與分析 3.反應(yīng)過程的數(shù)學(xué)模擬教材：李紹芬.反應(yīng)工程(3版).北京：化學(xué)工業(yè)出版社 ，2013.1 (普通高等教育“九五”國家級規(guī)劃教材 )主要參考書:朱炳辰.化學(xué)反應(yīng)工程.北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2006.12（面向21世紀(jì)課程教材） 陳甘棠.化學(xué)反應(yīng)工程.北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2009.1李紹芬.反應(yīng)工程.北京：化學(xué)工業(yè)出版社 ，2000.6 (普通高等教育“九五”國家級規(guī)劃教材

2、)總 課 時(shí)： 48（理論48）考核方式：閉卷考試總評成績：（1）考勤10% （2）平時(shí)作業(yè)20% （3）閉卷考試70% 第第1 1章章 緒論緒論(2(2學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)) )第第2 2章章 反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)(10(10學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)) )第第3 3章章 釜式反應(yīng)器釜式反應(yīng)器(10(10學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)) )第第4 4章章 管式反應(yīng)器管式反應(yīng)器(6(6學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)) )第第5 5章章 停留時(shí)間分布與反應(yīng)器的流動模型停留時(shí)間分布與反應(yīng)器的流動模型(4(4學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)) )第第6 6章多相系統(tǒng)中的化學(xué)反應(yīng)與傳遞現(xiàn)象章多相系統(tǒng)中的化學(xué)反應(yīng)與傳遞現(xiàn)象(6(6學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)) )第第7 7章多相催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與分析章多相催化

3、反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與分析(6(6學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)) )第第8 8章多相反應(yīng)器章多相反應(yīng)器(4(4學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)) ) 反應(yīng)工程學(xué)的歷史及發(fā)展反應(yīng)工程學(xué)的歷史及發(fā)展(了解了解) 反應(yīng)工程的用途反應(yīng)工程的用途(理解理解) 相關(guān)概念相關(guān)概念(重點(diǎn)掌握重點(diǎn)掌握) 反應(yīng)器的類型與操作方式反應(yīng)器的類型與操作方式(理解理解) 反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程(理解理解) 工業(yè)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方法工業(yè)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方法(了解了解)本章內(nèi)容第一章第一章 緒論緒論1 反應(yīng)工程學(xué)的歷史及發(fā)展1.1 什么是化學(xué)反應(yīng)工程煤石油天然氣生物質(zhì)反應(yīng)化工原料分離產(chǎn)品一般化工生產(chǎn)過程一般化工生產(chǎn)過程反應(yīng)動力學(xué)反應(yīng)器20世紀(jì)世紀(jì)30年代（萌芽階段）

4、年代（萌芽階段） -丹克萊爾丹克萊爾(Damhhler): 擴(kuò)散、流體流動和傳熱對反應(yīng)器產(chǎn)率的影響擴(kuò)散、流體流動和傳熱對反應(yīng)器產(chǎn)率的影響 -梯爾梯爾(Thiele)和史爾多維奇和史爾多維奇：擴(kuò)散反應(yīng)：擴(kuò)散反應(yīng)20世紀(jì)世紀(jì)40年代末（年代末（1947） （系統(tǒng)化）（系統(tǒng)化） -霍根霍根(Hougen)和華生和華生(Waston)： 化學(xué)過程原理化學(xué)過程原理 法蘭克法蘭克-卡明斯基卡明斯基：化學(xué)動力學(xué)中的擴(kuò)散與傳熱化學(xué)動力學(xué)中的擴(kuò)散與傳熱1 反應(yīng)工程學(xué)的歷史及發(fā)展化學(xué)反應(yīng)與傳遞現(xiàn)象的相互關(guān)系化學(xué)反應(yīng)與傳遞現(xiàn)象的相互關(guān)系 1957年年 - 首次使用首次使用“化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程”術(shù)語術(shù)語（學(xué)科確

5、立）（學(xué)科確立） Amsterdam，ISCRE 60年代年代 - 快速發(fā)展期快速發(fā)展期（學(xué)科發(fā)展壯大）（學(xué)科發(fā)展壯大） 石油化工的大發(fā)展石油化工的大發(fā)展 計(jì)算機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用計(jì)算機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用1 反應(yīng)工程學(xué)的歷史及發(fā)展80年代年代 - 形成新的分支形成新的分支（學(xué)科交叉和新技術(shù)運(yùn)用）（學(xué)科交叉和新技術(shù)運(yùn)用） 生化反應(yīng)工程生化反應(yīng)工程 聚合反應(yīng)工程聚合反應(yīng)工程 電化學(xué)反應(yīng)工程電化學(xué)反應(yīng)工程90年代年代 - 環(huán)境保護(hù)的要求環(huán)境保護(hù)的要求 環(huán)境友好、原子經(jīng)濟(jì)的綠色反應(yīng)工藝、工程技術(shù)環(huán)境友好、原子經(jīng)濟(jì)的綠色反應(yīng)工藝、工程技術(shù)International Symposia on Chemical Reac

6、tion Engineering (ISCRE) 反應(yīng)工程學(xué)與有關(guān)學(xué)科間的關(guān)系化學(xué)工藝化學(xué)工藝反應(yīng)器中流體流動、反應(yīng)器中流體流動、混合傳熱和傳質(zhì)混合傳熱和傳質(zhì)反應(yīng)過程分析反應(yīng)過程分析化學(xué)熱力學(xué)與化學(xué)熱力學(xué)與反應(yīng)動力學(xué)反應(yīng)動力學(xué)工程控制工程控制設(shè)備結(jié)構(gòu)及機(jī)械制造設(shè)備結(jié)構(gòu)及機(jī)械制造優(yōu)化優(yōu)化催化劑催化劑經(jīng)濟(jì)學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)化學(xué)化學(xué)反應(yīng)過程動態(tài)反應(yīng)過程動態(tài)特性與反應(yīng)系特性與反應(yīng)系統(tǒng)測量和控制統(tǒng)測量和控制化學(xué)反應(yīng)的分類（反應(yīng)工程學(xué)科） 2 反應(yīng)工程的研究內(nèi)容與作用 反應(yīng)動力學(xué)反應(yīng)動力學(xué) 反應(yīng)模式反應(yīng)模式 速率方程速率方程 活化能活化能 反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與分析反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與分析 各因素（各因素（T, P, c）的變化

7、規(guī)律）的變化規(guī)律 最佳工況最佳工況2 反應(yīng)工程的研究內(nèi)容與作用 反應(yīng)工程研究的作用反應(yīng)工程研究的作用p提高反應(yīng)器的放大倍數(shù)，減少試驗(yàn)和開發(fā)提高反應(yīng)器的放大倍數(shù)，減少試驗(yàn)和開發(fā)周期周期 p對現(xiàn)有反應(yīng)裝置操作工況進(jìn)行優(yōu)化、提高對現(xiàn)有反應(yīng)裝置操作工況進(jìn)行優(yōu)化、提高生產(chǎn)效率生產(chǎn)效率 p開發(fā)環(huán)境友好的綠色生產(chǎn)路線和工藝開發(fā)環(huán)境友好的綠色生產(chǎn)路線和工藝3.1 反應(yīng)進(jìn)度 RBARBARRRBBBAAARBARRBBAAnnnnnnnnnnnn000000:)( : )( : )(即：iiinn0普遍化：Mjjijiinn10對多個(gè)反應(yīng)：3 基本概念：反應(yīng)進(jìn)度、轉(zhuǎn)化率和收率等A、B、R為、的化學(xué)計(jì)量系數(shù)，規(guī)定

8、：反應(yīng)物取負(fù)數(shù)，產(chǎn)物取正數(shù)為反應(yīng)進(jìn)度永遠(yuǎn)為正3.2 轉(zhuǎn)化率 X該反應(yīng)物的起始量某一反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化量X0iiinX注意： 按關(guān)鍵組分計(jì)（選擇不過量的反應(yīng)物） 反應(yīng)物的起始態(tài)連續(xù)反應(yīng)器：進(jìn)口處原料的狀態(tài)間歇反應(yīng)器：反應(yīng)開始時(shí)的狀態(tài)串聯(lián)反應(yīng)器：第一個(gè)反應(yīng)器進(jìn)口處原料的狀態(tài) 單程轉(zhuǎn)化率、全程轉(zhuǎn)化率X100%針對反應(yīng)針對反應(yīng)物物3.3 收率Y與選擇性S關(guān)鍵組分的起始量反應(yīng)產(chǎn)物的生成量RARY關(guān)鍵組分的起始量關(guān)鍵組分量生成某一產(chǎn)物所消耗的或：Y 已轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵組分量關(guān)鍵組分量生成目的產(chǎn)物所消耗的SXSY針對產(chǎn)物針對產(chǎn)物進(jìn)入進(jìn)入SO2氧化器的氣體組成（摩爾分?jǐn)?shù)）為：氧化器的氣體組成（摩爾分?jǐn)?shù)）為： SO2: 3

9、.07%; SO3: 4.6%; O2: 8.44%; N2: 83.89%離開反應(yīng)器的氣體中離開反應(yīng)器的氣體中SO2的含量為的含量為1.5%，試，試計(jì)算計(jì)算SO2的轉(zhuǎn)化率。的轉(zhuǎn)化率。例例1N2的作用？的作用？32222SOOSO反應(yīng)：解：解：總量2232NOSOSO10089.8344. 86 . 407. 3前nnnn10089.8344. 826 . 4207. 3后以以100mol進(jìn)料為基準(zhǔn)，進(jìn)料為基準(zhǔn)，n為為O2的反應(yīng)量的反應(yīng)量,則有：則有：%5 . 1100207. 3nnmoln79. 0%47.51%10007. 32nx丁二烯是制造合成橡膠的重要原料。制取丁二烯丁二烯是制造合

10、成橡膠的重要原料。制取丁二烯的工業(yè)方法之一是將正丁烯和空氣及水蒸氣的混的工業(yè)方法之一是將正丁烯和空氣及水蒸氣的混合氣體在磷鉬鉍催化劑上進(jìn)行氧化脫氫。除生成合氣體在磷鉬鉍催化劑上進(jìn)行氧化脫氫。除生成丁二烯的主反應(yīng)外，還有許多副反應(yīng)，如生成酮、丁二烯的主反應(yīng)外，還有許多副反應(yīng)，如生成酮、醛及有機(jī)酸的反應(yīng)。反應(yīng)在溫度醛及有機(jī)酸的反應(yīng)。反應(yīng)在溫度350、壓力、壓力0.2026MPa下進(jìn)行。得到反應(yīng)前后的物料組成如下進(jìn)行。得到反應(yīng)前后的物料組成如下。根據(jù)表中的數(shù)據(jù)計(jì)算正丁烯的轉(zhuǎn)化率、丁二下。根據(jù)表中的數(shù)據(jù)計(jì)算正丁烯的轉(zhuǎn)化率、丁二烯的收率和反應(yīng)的選擇性。烯的收率和反應(yīng)的選擇性。例例2反應(yīng)前后物料組成反應(yīng)前

11、后物料組成 習(xí)題習(xí)題1、2課后作業(yè)：課后作業(yè)：4 反應(yīng)器的類型4 反應(yīng)器的類型 (b) 管式管式 (a) 釜式釜式 (c) (c) 板式塔板式塔 (d) 填料塔填料塔 進(jìn)料進(jìn)料出料出料進(jìn)進(jìn)料料出出料料液體液體氣體氣體氣體氣體液體液體液液體體氣氣體體液液體體氣氣體體圖圖 不同結(jié)構(gòu)型式的反應(yīng)器不同結(jié)構(gòu)型式的反應(yīng)器 (e) 鼓泡塔鼓泡塔 (f) 噴霧塔噴霧塔 (g) 固定床固定床 (h) 流化床流化床 圖圖 不同結(jié)構(gòu)型式的反應(yīng)器不同結(jié)構(gòu)型式的反應(yīng)器 液液體體氣氣體體液液體體氣氣體體液液體體氣氣體體液液體體氣氣體體氣氣體體或或液液體體氣氣體體或或液液體體氣氣體體或或液液體體氣氣體體或或液液體體4 反應(yīng)

12、器的類型5 反應(yīng)器的操作方式間歇操作間歇操作(batch reactor, BR)連續(xù)操作連續(xù)操作(continuous stirred tank reactor, CSTR) 連續(xù)操作連續(xù)操作(F reactor)AR CA00濃濃度度CRCA時(shí)間時(shí)間CRfCAf圖圖 間歇釜式反應(yīng)器間歇釜式反應(yīng)器及其濃度變化及其濃度變化 LCA0CAfCRfCRfCA0CAf0L管管 長長濃濃度度CRCA 理想反應(yīng)器是指流體的流動處于理想狀況的反應(yīng)器。理想反應(yīng)器是指流體的流動處于理想狀況的反應(yīng)器。對于流體混合，有兩種理想極限，即理想混合和理對于流體混合，有兩種理想極限，即理想混合和理想置換。想置換。 理想混

13、合流型理想混合流型 理想置換流型理想置換流型 圖圖 反應(yīng)器的兩種理想流型反應(yīng)器的兩種理想流型 6 理想反應(yīng)器模式理想反應(yīng)器模式（a a）層流）層流 （b b）湍流）湍流 （c c）活塞流）活塞流圖圖 管式徑向流速分布管式徑向流速分布流體在管式反應(yīng)器內(nèi)流動如圖所示，徑向流速分布是不均流體在管式反應(yīng)器內(nèi)流動如圖所示，徑向流速分布是不均勻的，以中心處的流速最大，靠壁處最小。勻的，以中心處的流速最大，靠壁處最小。6 理想反應(yīng)器模式理想反應(yīng)器模式 理想混合的特征是物料達(dá)到完全混合，濃度、溫度理想混合的特征是物料達(dá)到完全混合，濃度、溫度和反應(yīng)速度處處相等。工業(yè)生產(chǎn)中，攪拌良好的釜式和反應(yīng)速度處處相等。工業(yè)

14、生產(chǎn)中，攪拌良好的釜式反應(yīng)器可近似看成理想混合反應(yīng)器。反應(yīng)器可近似看成理想混合反應(yīng)器。 6 理想反應(yīng)器模式理想反應(yīng)器模式 理想置換的特征是徑向流速分布均勻理想置換的特征是徑向流速分布均勻, ,徑向混合均勻；徑向混合均勻；不存在軸向混合即在流體流動方向上不存在流體的混不存在軸向混合即在流體流動方向上不存在流體的混合。工業(yè)生產(chǎn)中合。工業(yè)生產(chǎn)中, ,細(xì)長型的管式反應(yīng)器可近似看成理細(xì)長型的管式反應(yīng)器可近似看成理想置換反應(yīng)器。想置換反應(yīng)器。 理想反應(yīng)器的主要類型理想反應(yīng)器的主要類型 間歇釜式反應(yīng)器（分批加料的釜式反應(yīng)器）間歇釜式反應(yīng)器（分批加料的釜式反應(yīng)器）Batch Stirred Tank Reac

15、tor (BSTR) 連續(xù)釜式反應(yīng)器（連續(xù)加料的釜式反應(yīng)器）連續(xù)釜式反應(yīng)器（連續(xù)加料的釜式反應(yīng)器）Continued Stirred Tank Reactor (CSTR) 理想管式反應(yīng)器（連續(xù)加料的管式反應(yīng)器）理想管式反應(yīng)器（連續(xù)加料的管式反應(yīng)器） Piston(Plug) Flow Reactor (PFR)CA0 CAf 濃濃度度 時(shí)間時(shí)間 CRf A RA RCA0 位置位置 CAf CRf 濃濃度度 CA0 CRf CAf A RA RCA0CRf位位置置 CAf 濃濃度度 CA0 CAf CRf A A R R 間歇釜式反應(yīng)器間歇釜式反應(yīng)器 連續(xù)釜式反應(yīng)器連續(xù)釜式反應(yīng)器 管式反應(yīng)器

16、管式反應(yīng)器 圖圖 理想反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物及產(chǎn)物的濃度變化理想反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物及產(chǎn)物的濃度變化 6 理想反應(yīng)器模式理想反應(yīng)器模式三種反應(yīng)器的比較三種反應(yīng)器的比較6 理想反應(yīng)器模式理想反應(yīng)器模式7 反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容：反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容：選擇合適的反應(yīng)器型式；選擇合適的反應(yīng)器型式；確定最佳的操作條件；確定最佳的操作條件；計(jì)算完成規(guī)定任務(wù)所需的反應(yīng)體積；計(jì)算完成規(guī)定任務(wù)所需的反應(yīng)體積；確定反應(yīng)器尺寸。確定反應(yīng)器尺寸。7 反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程 反應(yīng)器計(jì)算所應(yīng)用的基本方程式主要有反應(yīng)器計(jì)算所應(yīng)用的基本方程式主要有反應(yīng)動力學(xué)方程式反應(yīng)動力學(xué)方程式、

17、物料衡算式物料衡算式和和熱量衡算熱量衡算式式。若反應(yīng)過程有較大的壓力降，并影響到。若反應(yīng)過程有較大的壓力降，并影響到化學(xué)反應(yīng)速度時(shí)，還要應(yīng)用動量衡算式。化學(xué)反應(yīng)速度時(shí)，還要應(yīng)用動量衡算式。 物料衡算：物料衡算：（關(guān)鍵組分（關(guān)鍵組分i i 的輸入速率）的輸入速率） （i i 的輸出速率）（的輸出速率）（i i 的轉(zhuǎn)化速率）（的轉(zhuǎn)化速率）（i i 的累的累積速率）積速率）熱量衡算：熱量衡算：（輸入的熱量）（輸入的熱量） （輸出的熱量）（反應(yīng)熱）（累積的熱量）（輸出的熱量）（反應(yīng)熱）（累積的熱量）7 反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程8 工業(yè)反應(yīng)器的放大工業(yè)反應(yīng)器的放大問題的提出：在造船、筑壩等很多領(lǐng)域上相似理論和因次分析為基準(zhǔn)的相似放大法是非常有效的，但由于無法同時(shí)保持物理和化學(xué)相似使得在化學(xué)反應(yīng)器放大方面無能為力。目前使用的化學(xué)反應(yīng)器放大法有： 逐級經(jīng)驗(yàn)放大法（主要靠經(jīng)驗(yàn)） 數(shù)學(xué)模型法，可以提高放大倍數(shù)，縮短中試時(shí)間 半經(jīng)驗(yàn)放大法8 工業(yè)