化學(xué)反應(yīng)工程緒論

1、1蔡旺鋒蔡旺鋒辦公室：辦公室：20-518電話：電話：27890041Email：2第一章第一章 緒論緒論1.11.1、化學(xué)反應(yīng)工程研究內(nèi)容與發(fā)展歷史、化學(xué)反應(yīng)工程研究內(nèi)容與發(fā)展歷史1.21.2、化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和收率、化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和收率1.31.3、化學(xué)反應(yīng)器的類型、化學(xué)反應(yīng)器的類型1.41.4、化學(xué)反應(yīng)器的操作方式、化學(xué)反應(yīng)器的操作方式1.51.5、反應(yīng)器設(shè)計的基本方程、反應(yīng)器設(shè)計的基本方程1.61.6、工業(yè)反應(yīng)器的放大、工業(yè)反應(yīng)器的放大3反應(yīng)工程反應(yīng)工程反應(yīng)動力學(xué)反應(yīng)動力學(xué)反應(yīng)器設(shè)計與分析反應(yīng)器設(shè)計與分析本征動力學(xué)本征動力學(xué)宏觀動力學(xué)宏觀動力學(xué)理想條件下研究化學(xué)反應(yīng)進行的機理與反應(yīng)物

2、系組成、溫度、壓力等參數(shù)對反應(yīng)速率的影響。主要決定于化學(xué)反應(yīng)本身描述反應(yīng)器內(nèi)濃度、溫度和壓力變化的設(shè)計方程研究化學(xué)反應(yīng)進行的機理與速率反應(yīng)器選型、反應(yīng)器體積計算、反應(yīng)器操作參數(shù)確定等流體流動過程描述反應(yīng)過程與質(zhì)量、熱量和動量傳遞的相互作用一、一、反應(yīng)工程反應(yīng)工程課程研究內(nèi)容及相互關(guān)系課程研究內(nèi)容及相互關(guān)系4A分分子子吸吸附附態(tài)態(tài)A分分子子吸吸附附態(tài)態(tài)P分分子子P分分子子1234567AP ggPA本征動力學(xué)與宏觀動力學(xué)本征動力學(xué)與宏觀動力學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物反應(yīng)產(chǎn)物P的外擴散的外擴散 7反應(yīng)產(chǎn)物反應(yīng)產(chǎn)物P的內(nèi)擴散的內(nèi)擴散 6反應(yīng)產(chǎn)物反應(yīng)產(chǎn)物P的脫附的脫附 5表面反應(yīng)表面反應(yīng) 4本本征征動動力力學(xué)學(xué)反應(yīng)物

3、反應(yīng)物A的吸附的吸附 3反應(yīng)物反應(yīng)物A的內(nèi)擴散的內(nèi)擴散 2反應(yīng)物反應(yīng)物A的外擴散的外擴散 1宏宏觀觀動動力力學(xué)學(xué) 5二、二、反應(yīng)工程反應(yīng)工程的歷史與發(fā)展的歷史與發(fā)展n 20世紀(jì)世紀(jì)30年代：丹克萊爾、梯爾和史爾多維奇年代：丹克萊爾、梯爾和史爾多維奇n 40年代末：霍根、華生和法蘭克年代末：霍根、華生和法蘭克-卡明涅斯基卡明涅斯基l反應(yīng)工程反應(yīng)工程的發(fā)展歷史的發(fā)展歷史l反應(yīng)工程反應(yīng)工程的發(fā)展趨勢的發(fā)展趨勢 80 80年代年代 - - 形成新的分支形成新的分支19571957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 60年代年代 - 快速發(fā)展期快速發(fā)展期化學(xué)反應(yīng)與傳遞現(xiàn)象

4、及流體流動的相互關(guān)系化學(xué)反應(yīng)與傳遞現(xiàn)象及流體流動的相互關(guān)系61.3 1.3 反應(yīng)器的類型反應(yīng)器的類型管式反應(yīng)器（*）釜式反應(yīng)器（*）塔式反應(yīng)器固定床反應(yīng)器（*）流化床反應(yīng)器移動床反應(yīng)器滴流床反應(yīng)器71.41.4、化學(xué)反應(yīng)器的操作方式、化學(xué)反應(yīng)器的操作方式間歇間歇操作操作連續(xù)連續(xù)操作操作半間歇半間歇操作操作操作操作方式方式描描述述特特點點反應(yīng)原料一次裝反應(yīng)原料一次裝入反應(yīng)器，反應(yīng)入反應(yīng)器，反應(yīng)過程中無進料和過程中無進料和出料出料反應(yīng)過程中反反應(yīng)過程中反應(yīng)原料和產(chǎn)物應(yīng)原料和產(chǎn)物分別連續(xù)加入分別連續(xù)加入和輸出反應(yīng)器和輸出反應(yīng)器間歇與間歇與連續(xù)操連續(xù)操作之外作之外物系組成隨時物系組成隨時間而變間而變多

5、數(shù)情況下可多數(shù)情況下可視為恒容視為恒容操作靈活，適操作靈活，適于小規(guī)模生產(chǎn)于小規(guī)模生產(chǎn)物系組成不隨時物系組成不隨時間但隨位置而變間但隨位置而變適于大規(guī)模、機適于大規(guī)模、機械自動化操作械自動化操作產(chǎn)品質(zhì)量好，勞產(chǎn)品質(zhì)量好，勞動強度小動強度小兼具間兼具間歇和連歇和連續(xù)操作續(xù)操作的某些的某些特點特點81.51.5、反應(yīng)器設(shè)計的基本方程、反應(yīng)器設(shè)計的基本方程 反應(yīng)器設(shè)計的基本內(nèi)容反應(yīng)器設(shè)計的基本內(nèi)容建立反應(yīng)參數(shù)如轉(zhuǎn)化率、建立反應(yīng)參數(shù)如轉(zhuǎn)化率、收率、選擇性和生產(chǎn)能收率、選擇性和生產(chǎn)能力等與反應(yīng)器尺寸、操力等與反應(yīng)器尺寸、操作方式、反應(yīng)時間等之作方式、反應(yīng)時間等之間的關(guān)系。間的關(guān)系。 反應(yīng)器型式選擇反應(yīng)器

6、型式選擇 反應(yīng)器最佳操作條件確反應(yīng)器最佳操作條件確定定 反應(yīng)體積（尺寸）計算反應(yīng)體積（尺寸）計算反應(yīng)器設(shè)計方程建立的步驟反應(yīng)器設(shè)計方程建立的步驟選擇反選擇反應(yīng)變量應(yīng)變量確定控確定控制體積制體積建立質(zhì)量、熱量建立質(zhì)量、熱量和動量恒算方程和動量恒算方程9質(zhì)量衡算：質(zhì)量衡算：（關(guān)鍵組分i的輸入速率） （i的輸出速率）+ （i的轉(zhuǎn)化速率）（i的累積速率）VrMdVr質(zhì)量、熱量和動量恒算方程質(zhì)量、熱量和動量恒算方程熱量衡算：熱量衡算：（輸入的熱量） （輸出的熱量）+ （反應(yīng)熱）（累積的熱量）動量恒算：動量恒算：（輸入的動量） （輸出的動量）+ （消耗的動量）（累積的熱量）101.6 1.6 工業(yè)反應(yīng)器的

7、放大工業(yè)反應(yīng)器的放大11一、一、經(jīng)驗歸納法經(jīng)驗歸納法 對化學(xué)反應(yīng)過程適應(yīng)性不強：反應(yīng)與傳質(zhì)對化學(xué)反應(yīng)過程適應(yīng)性不強：反應(yīng)與傳質(zhì)傳熱、流體流動狀況、反應(yīng)速率與溫度的傳熱、流體流動狀況、反應(yīng)速率與溫度的非線形性。非線形性。 將實驗數(shù)據(jù)用因次分析和相似方法整理獲將實驗數(shù)據(jù)用因次分析和相似方法整理獲得經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式；得經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式； 主要用于研究物理變化的單元操作，如管主要用于研究物理變化的單元操作，如管道內(nèi)流體流動的壓力降、氣液兩相傳熱傳道內(nèi)流體流動的壓力降、氣液兩相傳熱傳質(zhì)等；質(zhì)等；12二、數(shù)學(xué)模型法二、數(shù)學(xué)模型法 n 反應(yīng)工程主要研究方法，在反應(yīng)器放大反應(yīng)工程主要研究方法，在反應(yīng)器放大過程中作用顯著；

8、過程中作用顯著；n包括本征（化學(xué)）動力學(xué)模型、傳質(zhì)傳包括本征（化學(xué)）動力學(xué)模型、傳質(zhì)傳熱模型熱模型宏觀動力學(xué)模型；討論整個宏觀動力學(xué)模型；討論整個反應(yīng)器時，宏觀動力學(xué)模型包括流體流反應(yīng)器時，宏觀動力學(xué)模型包括流體流動模型在內(nèi)；動模型在內(nèi)；n 反應(yīng)器的復(fù)雜性使得即使采用數(shù)學(xué)模型反應(yīng)器的復(fù)雜性使得即使采用數(shù)學(xué)模型研究方法，反應(yīng)器設(shè)計、優(yōu)化和放大具研究方法，反應(yīng)器設(shè)計、優(yōu)化和放大具有很大的困難性。如流動反應(yīng)器內(nèi)流體有很大的困難性。如流動反應(yīng)器內(nèi)流體和固體運動狀況；多孔催化劑及固相反和固體運動狀況；多孔催化劑及固相反應(yīng)物內(nèi)的宏觀反應(yīng)過程。應(yīng)物內(nèi)的宏觀反應(yīng)過程。131 1、數(shù)學(xué)模型方法的作用、數(shù)學(xué)模型方

9、法的作用 n 進行方案比較、操作參數(shù)的優(yōu)化；進行方案比較、操作參數(shù)的優(yōu)化；n 擴大實驗結(jié)果的范圍，預(yù)測實驗以外的擴大實驗結(jié)果的范圍，預(yù)測實驗以外的操作區(qū)間；操作區(qū)間；n 在實驗范圍內(nèi)進行預(yù)測；在實驗范圍內(nèi)進行預(yù)測；n 工程放大時較能抓住事物本質(zhì)，獲得更工程放大時較能抓住事物本質(zhì)，獲得更大的放大倍數(shù)。大的放大倍數(shù)。142、數(shù)學(xué)模型方法的局限性、數(shù)學(xué)模型方法的局限性n 物理模型不能全面反映事物的本質(zhì)，物理模型不能全面反映事物的本質(zhì)，可能帶來失真；可能帶來失真；n 實際過程太復(fù)雜，模型建立需要簡化；實際過程太復(fù)雜，模型建立需要簡化；n 物理模型獲得數(shù)學(xué)模型求解復(fù)雜性；物理模型獲得數(shù)學(xué)模型求解復(fù)雜性；

10、n 數(shù)學(xué)模型方法需要與實驗相結(jié)合。數(shù)學(xué)模型方法需要與實驗相結(jié)合。153 3、數(shù)學(xué)模型的簡化原則、數(shù)學(xué)模型的簡化原則 簡化模型是否失真，需要通過實驗進行簡化模型是否失真，需要通過實驗進行檢驗和修正。檢驗和修正。 不失真，與應(yīng)用相適應(yīng)；不失真，與應(yīng)用相適應(yīng)； 能適應(yīng)當(dāng)前的實驗條件，以便進行模型能適應(yīng)當(dāng)前的實驗條件，以便進行模型鑒別和參數(shù)估值；鑒別和參數(shù)估值； 能適應(yīng)現(xiàn)有計算機的能力；能適應(yīng)現(xiàn)有計算機的能力；164、數(shù)學(xué)模型放大方法的一般步驟、數(shù)學(xué)模型放大方法的一般步驟實驗室規(guī)模的試驗實驗室規(guī)模的試驗小型試驗小型試驗大型冷膜試驗大型冷膜試驗中間試驗中間試驗l計算機試驗計算機試驗l數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型工業(yè)

11、規(guī)模反應(yīng)器工業(yè)規(guī)模反應(yīng)器171.21.2、化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、收率和選擇性、化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、收率和選擇性1 1、 反應(yīng)進度反應(yīng)進度RBARBA CBARRBBAAnnnnnn:000CRRBBBAAAnnnnnn000iiinn0Mjjijiinn10存在多個反應(yīng)時存在多個反應(yīng)時182. 2. 轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率（X）該反應(yīng)物的起始量某一反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化量X單程轉(zhuǎn)單程轉(zhuǎn)化率與化率與全程轉(zhuǎn)全程轉(zhuǎn)化率化率定義：某一反應(yīng)物轉(zhuǎn)化的百分率或分率。定義：某一反應(yīng)物轉(zhuǎn)化的百分率或分率。 表示一個反應(yīng)進行的程度。表示一個反應(yīng)進行的程度。0Q0Ac0QQrReactor12RBARBA00iiinnnX0iin19例題例

12、題1.1合成聚氯乙烯所用的單體氯乙烯，合成聚氯乙烯所用的單體氯乙烯，多由乙炔和氯化氫以氯化汞為催化劑合成多由乙炔和氯化氫以氯化汞為催化劑合成得到，反應(yīng)式如下得到，反應(yīng)式如下通常反應(yīng)原料中氯化氫過量通常反應(yīng)原料中氯化氫過量10%10%。若反應(yīng)。若反應(yīng)器出口中氯乙烯摩爾分?jǐn)?shù)為器出口中氯乙烯摩爾分?jǐn)?shù)為90%90%，試分別，試分別計算乙炔和氯化氫的轉(zhuǎn)化率。計算乙炔和氯化氫的轉(zhuǎn)化率。CHClCHHClHC222203. 收率收率(Y)與選擇性與選擇性(S)關(guān)鍵組分的起始量反應(yīng)產(chǎn)物的生成量關(guān)鍵組分的起始量關(guān)鍵組分量生成目的產(chǎn)物所消耗的RAYl摩爾收率與質(zhì)量收率摩爾收率與質(zhì)量收率l單程收率與全程收率單程收率

13、與全程收率C2H4+12O2H2CCH2OC2H4+ 3O22CO2+2H2O0Q0Ac0QQr12C2H4+12O2H2CCH2OC2H4+ 3O22CO2+2H2O21關(guān)鍵組分的轉(zhuǎn)化量關(guān)鍵組分量生成目的產(chǎn)物所消耗的S關(guān)鍵組分的起始量關(guān)鍵組分量生成目的產(chǎn)物所消耗的Y該反應(yīng)物的起始量某一反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化量XSXY 關(guān)鍵組分的起始量關(guān)鍵組分的轉(zhuǎn)化量關(guān)鍵組分的轉(zhuǎn)化量關(guān)鍵組分量生成目的產(chǎn)物所消耗的YSX22例題例題1.2 在銀催化劑上進行乙烯氧化生產(chǎn)在銀催化劑上進行乙烯氧化生產(chǎn)環(huán)氧乙烷，進入催化劑中各種氣體的摩爾環(huán)氧乙烷，進入催化劑中各種氣體的摩爾數(shù)分別為數(shù)分別為C2H4 15%，O2 7%，CO2 10%， Ar 12%，其余為，其余為N2。反應(yīng)器。反應(yīng)器出口氣體含出口氣體含C2H4和和O2分別為分別為13.1和和4.8%。試計算乙烯的轉(zhuǎn)化率、環(huán)氧乙烷。試計算乙烯的轉(zhuǎn)化率、環(huán)氧乙烷收率和反應(yīng)選擇性。收率和反應(yīng)選擇性。C2H4+12O2H2CCH2OC2H4+ 3O22CO2+2H2O2