反應工程緒論第一章 緒論

化學反應工程第一章緒論

1化學工程與化學工程師

反應工程學的歷史及發(fā)展反應工程的用途相關概念反應器的類型與操作方式

反應器設計的基本方程及工業(yè)反應器的設計方法本章內容21化學工程與化學工程師化學工程與化學化學工程師與化學家化學工程師的具體任務與目標

解決實際問題追求效率最大化追求資源利用最大化經(jīng)濟評價指標3Engineering&EngineersSolvepracticalproblemsScientistssolvetheproblemstheycan,butEngineerstrytosolvetheproblemstheyhaveto;Problem-orientedSolvepracticalproblemsefficientlyEngineersdoforapennywhatanyfoolcandoforapound.SolvepracticalproblemsefficientlywithlimitedresourcesWillingnesstomakeestimatesandassumptionsMustbeconstantlyawareofthedifferencebetweentheidealizedconditionsunderwhichthebasicknowledgewasobtainedandtherealconditionsoftheirdesignanditsenvironmentFearless,embracesnewchallenges45Engineering&EngineerQuantitativereasoningReadinesstofaceopen-endquestionAhabitofvisualizingthesolutionInventHamletwascreated;Thetelephonewasinvented;StructureofDNAwasdiscoveredWhetheryoubelieveyoucan,orwhetheryoubelieveyoucan’t,youareabsolutelyright! HenryFord6ChemicalEngineeringIshallusethephraseofChemicalEngineeringSciencetomeantheaspectsofsciencedevelopedbychemicalengineersfortheirownpurposeinfieldnotcoveredbyotherbranchoftechnology.P.VDanckwertsEducation:

WinchesterCollege;BalliolCollege,OxfordUniversity;MassachusettsInstituteofTechnology.BA(chemistry)Oxon,1938;SM(ChemicalEngineeringPractice),MIT,1948;MACantab1948.

HeldapostinthesmallchemicalcompanyofFullersEarthUnionLtd,Redhill,1939-1940.7TrendsinChemEandChem.IndustryDiversifiedapplicationareasRelyingonbroaderanddeeperscienceknowledgeChemicalEngineeringUnitOperationsTransportprocessesReactionEngineering……FundamentalSciencesPhysicsChemistryBiologyMathematics……ApplicationsEnergyInorganicIndustryPetrochemicalsBiochemicalsPharmaceuticalsMaterialsElectronics8TrendsinChemEandChem.IndustryGlobalization:CompetitionJobSecurityTheabilitytofindanotherjobSpeedisthekeySustainability:energyandenvironmental9RequirementforChemEEducationVersatilityBePracticalUsefundamentaltheoriesandknowledgetosolvepracticalproblemsMulti-scaleanalysisandSynthesisAnalysisofcomplexsystemComprehensiveusageofabroadrangeofknowledge10ChemicalReactor:DefinitionGeneral:Anequipmentordevicethatservestoconductchemicalreactions,i.e.convertmoleculesfromoneformtoanotherNarrowed:Chemicalconversionisperformedforthepurposeofproducingoreliminatingpre-determinedmolecularcompound(s)Purpose:makingoreliminatingControl:safe,selectivity,performanceoptimization111.2ChemicalReactor:Scale

Multi-scaleAnalysisScale,mReferenceChem.Eng.107EarthdiameterGlobalScale103~105GoldenGateBridgeSystemScale10~102HouseEquipmentScale10-3~10-1FrogParticleScale10-6~10-4BacteriaColloidScale10-10~10-7CarbonAtomMolecularScaleJamesWei,Chem.Eng.Sci.,59(2004),1641-165112ReactorDesignDesigntaskTypeSizeOperationconditionsScale-upProcedureInitialestimationSelectionDesigncalculation1314151620世紀30年代

--丹克萊爾(Damh?hler)--梯爾(Thiele)和史爾多維奇(Зельдович)20世紀40年代末

--霍根(Hougen)和華生(Waston)

法蘭克-卡明斯基(Франк-Каменеций)1

反應工程學的歷史及發(fā)展化學反應與傳遞現(xiàn)象的相互關系171957年--首次使用“化學反應工程”術語

Amsterdam，ESCRE

60年代--快速發(fā)展期石油化工的大發(fā)展計算機的發(fā)展與應用

80年代--形成新的分支：生化反應工程聚合反應工程電化學反應工程1

反應工程學的歷史及發(fā)展18InternationalSymposiaonChemicalReactionEngineering(ISCRE)

NamePlaceCountryYearCo-SponsoringOrganizationsESCRE1AmsterdamNetherlands1957EFChEESCRE2AmsterdamNetherlands1960EFChEESCRE3AmsterdamNetherlands1964EFChEESCRE4BrusselsBelgium1968EFChEISCRE1WashingtonUSA1970ACS/AIChEISCRE2AmsterdamNetherlands1972EFChEISCRE3EvanstonUSA1974ACS/AIChEISCRE4HeidelbergGermany1976EFChEISCRE5HoustonUSA1978ACS/AIChEISCRE6NiceFrance1980EFChEISCRE7BostonUSA1982ACS/AIChEISCRE8EdinburghGreatBritain1984EFChEISCRE9PhiladelphiaUSA1986ACS/AIChEISCRE10BaselSwitzerland1988EFChEISCRE11TorontoCanada1990ACS/AIChE/CSCEISCRE12TorinoItaly1992EFChEISCRE13BaltimoreUSA1994ACS/AIChEISCRE14BruggeBelgium1996EFChEISCRE15NewportUSA1998ACS/AIChEISCRE16CracowPoland2000EFChEISCRE17

HongKong

China

2002

AsiaPacificCRE

192

反應工程的用途、作用、研究內容

反應動力學

反應模式速率方程活化能

反應器的設計與分析

各因素（T,P,c）的變化規(guī)律最佳工況20典型反應：無機化學反應、有機化學反應、酸堿中和、氧化還原反應、絡合反應、聚合與分解反應基礎化學：中學化學、無機化學、有機化學、分析化學、物理化學（專業(yè)基礎）共同特點：理想條件下研究化學反應反應發(fā)生的條件、終結標志、歷程、

NaOH+H2SNaHSNa2S什么條件下反應最快或較快21傳統(tǒng)的顆粒填充床整體式結構從隨機填充到結構化工業(yè)化過程涉及的問題

22一個化學反應能夠在實驗室實現(xiàn)，并不等于能夠在工業(yè)上實現(xiàn)，只有將其在工業(yè)規(guī)模上實現(xiàn)，才能創(chuàng)造價值?！I(yè)過程：物理過程(工程學科）和化學反應過程（化學學科）的綜合—工程問題（化學和工程學科的綜合）?！瘜W反應工程是一門研究化學反應工程問題的科學。屬于交叉性的邊緣學科?！鶎τ谝呀?jīng)在實驗室中實現(xiàn)的化學反應，如何將其在工業(yè)規(guī)模實現(xiàn)是化學反應工程學的主要任務。23傳遞過程與反應動力學（過程）（簡稱三傳一反）是構成化學反應工程問題最基本的兩個方面，兩者的有機結合上升為工業(yè)反應過程，成為反應工程研究中最活躍的組成部分預處理反應分離精制原料產品排污處理排氣循環(huán)化學反應過程是化工生產的核心化工產品生產共同點：原料借助于化學反應轉化為產品2425工業(yè)規(guī)模反應過程：物理和化學過程共存、相互影響、相互滲透影響工業(yè)過程反應行為物理過程：不改變動力學規(guī)律，但引起時間和空間位置上溫度、壓力和物料濃度的差異與分布，從而影響工業(yè)反應過程的最終結果。物理過程包括：流體流動與返混、傳質過程、傳熱過程化學反應工程的實質：將化學動力學領域的化學反應規(guī)律和化學工程領域的物理過程規(guī)律匯總、研究、抽象和提煉出一些重要的反應工程理論，為反應器設計、優(yōu)化操作和確定最優(yōu)化操作條件服務26課程地位化學反應工程屬專業(yè)理論課程（學位課）是化工類專業(yè)不可缺少的主干課程

“三傳一反”

——化工原理，傳遞工程

課程任務

※使學生掌握化工生產中的關鍵過程—化學反應過程的基礎理論和基礎知識

※培養(yǎng)學生具體分析、計算和解決化工生產中有關化學反應的實際問題的能力課程地位與任務27化學反應工程與已學過課程的聯(lián)系與區(qū)別

化學反應方向與限度——化工熱力學反應歷程與速率極限——物理化學反應器內物流流動與傳遞——傳遞過程原理反應器操作——化工原理－單元操作反應器設計與操作優(yōu)化——數(shù)學、計算機28化學反應工程與相鄰學科的關系化學工程－過程認識和優(yōu)化科學基礎化學工藝－全局系統(tǒng)整合與優(yōu)化系統(tǒng)工程－全局數(shù)學式的系統(tǒng)優(yōu)化？29化學反應工程學的任務現(xiàn)有反應技術與設備的強化和改進

—達到優(yōu)質、高產、低消耗的目的開發(fā)新的反應技術和設備指導和解決反應過程開發(fā)中的放大問題實現(xiàn)反應過程的最優(yōu)化發(fā)展和完善化學反應工程學的理論和方法30化學反應工程課程特點

（1）抽象研究的問題許多是看不見、摸不到的，且多為宏觀過程的綜合

eg.催化劑顆粒內的溫度、濃度分布；催化劑表面上的吸附組成與吸附量。不同于物理化學的直接測定（BET

N2吸附量測定）、化學反應現(xiàn)象的直接觀察化學反應工程研究需要抽象思維和邏輯推理，正確的學習方法極其重要31多相催化過程中的物理傳遞現(xiàn)象及其描述32（2）內在關系復雜化學反應和物理過程交織進行（耦合），相互影響和制約，描述困難（建模），數(shù)學推導復雜，求解難度大（非線性和高度非線性問題多）（3）反應種類多、差異大不同類型的反應過程，研究方法不盡相同如何進行化學反應工程的學習和掌握其研究方法？33化學反應工程的學習方法

目的：建立基本的工程概念，掌握研究化學反應工程問題的基本方法（1）學習中要貫穿抓反應類型，理解物理因素，歸結于最終目標這一路線

反應類型※均相反應、氣－固催化反應、氣－液反應、流固非均相反應等※動力學（本征、宏觀）、過程描述、反應器34

物理因素傳遞過程（熱量、質量和動量傳遞）顆粒內、外擴散流動問題－流速分布、返混

最終目標過程（工程）反應動力學、宏觀速率選擇性反應器分析、設計與優(yōu)化等常規(guī)的物料、熱量衡算方法，微分運算等35（2）著重掌握基本概念（工程概念），力求達到清晰、嚴格、準確屬于發(fā)展型科學，已有結論和基本工程概念對探索未知和指導生產實踐極其重要。eg.宏觀動力學影響因素（化學反應、傳遞過程、流動過程）主次確定、生產對策—理論指導下的實驗驗證（3）要明確考察問題中的角度和尺度介觀、亞觀和宏觀層次細分催化劑（本征）固體顆粒內擴散＋反應（宏觀）內、外擴散＋反應＋流動（宏觀）傳遞＋反應＋流動（反應器－宏觀）六、課程講解盡量按課本順序進行著重基本概念基本推導基本運算

36化學反應工程學的內容和分類（1）化學反應工程學的主要內容圍繞反應器進行三傳一反的研究，既有化學反應過程，又有物理過程※1

化學反應動力學特性的研究不計及物理過程的（反應）機理及動力學特性研究，重要的是建立動力學模型（方程），為反應器分析、設計、催化劑工程等提供基礎工具

本征動力學：研究反應分子間的反應機理和反應速率的化學動力學稱為～。37※2

流動、傳遞過程對反應的影響

流動和傳遞過程通過對反應場所濃度、溫度和壓力等在時間、空間上分布的影響，對整體反應效果（過程）產生影響。實際為宏觀動力學的范疇。

宏觀動力學：研究工業(yè)規(guī)?；瘜W反應器中化學反應與質量、熱量、動量傳遞同時進行的化學反應與物理變化過程綜合的過程動力學稱為～?！?

反應器設計計算、過程分析和最優(yōu)化

將反應動力學特性（宏觀）與流動、傳遞過程規(guī)律結合起來研究，為工業(yè)反應器優(yōu)化設計和過程優(yōu)化控制建立可靠的理論和工具基礎。重要的是建模和計算機的使用38（2）化學反應工程學的分類1）按反應系統(tǒng)涉及的相態(tài)分類均相反應

※氣相均相反應—烴類熱裂解制乙烯

※液相均相反應—水解反應非均相反應

※氣固相—氨的合成

※氣液相—吸收

※液固相—還原、離子交換

※氣液固三相—加氫裂解精制

※固固相—水泥、電石制備39

化學反應工程中用模型法進行開發(fā)的步驟

※1小型實驗—研究化學反應規(guī)律

※2反應器類型的適宜選擇

※3大型冷模實驗

※4計算機模擬實驗

※5熱模實驗

※6工業(yè)反應器設計本課程沿模型法思路學習40模型化層次分類：化學反應本身特性研究，工業(yè)反應器內傳遞、流動特性研究反應器內流動、傳遞和化學反應耦聯(lián)關系（一）動力學層次微觀（本征）動力學：解決化學反應速率問題，難以理論計算，須借助于實驗完成宏觀動力學：多數(shù)工業(yè)反應均為非均勻過程41（二）工業(yè)反應器的設計與計算反應場所、條件的變化對反應物種的流體力學、熱力學狀態(tài)、化學反應特性影響很大（氫脆、氮脆）。不同類型的化學反應器具有不同的反應工程特性。基礎化學反應器類型：

管式流動反應器理想置換（PFR）

攪拌釜式反應器理想混合（CSTR）

攪拌間歇反應器均勻混合（BR）其它反應器均可視為上述反應器的不同級別的組合

42（三）各類反應過程的學習方法層次上：

基礎動力學——

本征動力學

綜合動力學——

宏觀動力學

化學反應器——

分析與設計（概念性的）類別上（由易到難）：

均相反應

兩相（氣－固/氣－液）催化反應

多相（氣/液/固）催化/非催化反應（不講）

復合型（反應精餾）（不講）

反應器熱穩(wěn)定性和靈敏性分析433

化學反應的轉化率和收率3.1反應進度443.2轉化率X注意：①按關鍵組分計②反應物的起始態(tài)3

化學反應的轉化率和收率453.3收率Y與選擇性S3

化學反應的轉化率和收率46進入SO2氧化器的氣體組成（摩爾分數(shù)）為：

SO2:3.07%;SO3:4.6%;O2:8.44%;N2:83.89%離開反應器的氣體中SO2的含量為1.5%，試計算SO2的轉化率。例13

化學反應的轉化率和收率47丁二烯是制造合成橡膠的重要原料。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合氣體在磷鉬鉍催化劑上進行氧化脫氫。除生成丁二烯的主反應外，還有許多副反應，如生成酮、醛及有機酸的反應。反應在溫度350℃、壓力0.2026MPa下進行。得到反應前后的物料組成如下。根據(jù)表中的數(shù)據(jù)計算正丁烯的轉化率、丁二烯的收率和反應的選擇性。例248組分反應前%反應后%組分反應前%反應后