反應(yīng)工程緒論第一章 緒論

化學(xué)反應(yīng)工程第一章緒論

1化學(xué)工程與化學(xué)工程師

反應(yīng)工程學(xué)的歷史及發(fā)展反應(yīng)工程的用途相關(guān)概念反應(yīng)器的類型與操作方式

反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程及工業(yè)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方法本章內(nèi)容21化學(xué)工程與化學(xué)工程師化學(xué)工程與化學(xué)化學(xué)工程師與化學(xué)家化學(xué)工程師的具體任務(wù)與目標(biāo)

解決實(shí)際問題追求效率最大化追求資源利用最大化經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)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(jì)30年代

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

--霍根(Hougen)和華生(Waston)

法蘭克-卡明斯基(Франк-Каменеций)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171957年--首次使用“化學(xué)反應(yīng)工程”術(shù)語

Amsterdam，ESCRE

60年代--快速發(fā)展期石油化工的大發(fā)展計(jì)算機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用

80年代--形成新的分支：生化反應(yīng)工程聚合反應(yīng)工程電化學(xué)反應(yīng)工程1

反應(yīng)工程學(xué)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(yīng)工程的用途、作用、研究?jī)?nèi)容

反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

反應(yīng)模式速率方程活化能

反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與分析

各因素（T,P,c）的變化規(guī)律最佳工況20典型反應(yīng)：無機(jī)化學(xué)反應(yīng)、有機(jī)化學(xué)反應(yīng)、酸堿中和、氧化還原反應(yīng)、絡(luò)合反應(yīng)、聚合與分解反應(yīng)基礎(chǔ)化學(xué)：中學(xué)化學(xué)、無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)（專業(yè)基礎(chǔ)）共同特點(diǎn)：理想條件下研究化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)發(fā)生的條件、終結(jié)標(biāo)志、歷程、

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

22一個(gè)化學(xué)反應(yīng)能夠在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)，并不等于能夠在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)，只有將其在工業(yè)規(guī)模上實(shí)現(xiàn)，才能創(chuàng)造價(jià)值?！I(yè)過程：物理過程(工程學(xué)科）和化學(xué)反應(yīng)過程（化學(xué)學(xué)科）的綜合—工程問題（化學(xué)和工程學(xué)科的綜合）?！瘜W(xué)反應(yīng)工程是一門研究化學(xué)反應(yīng)工程問題的科學(xué)。屬于交叉性的邊緣學(xué)科?！鶎?duì)于已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)，如何將其在工業(yè)規(guī)模實(shí)現(xiàn)是化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的主要任務(wù)。23傳遞過程與反應(yīng)動(dòng)力學(xué)（過程）（簡(jiǎn)稱三傳一反）是構(gòu)成化學(xué)反應(yīng)工程問題最基本的兩個(gè)方面，兩者的有機(jī)結(jié)合上升為工業(yè)反應(yīng)過程，成為反應(yīng)工程研究中最活躍的組成部分預(yù)處理反應(yīng)分離精制原料產(chǎn)品排污處理排氣循環(huán)化學(xué)反應(yīng)過程是化工生產(chǎn)的核心化工產(chǎn)品生產(chǎn)共同點(diǎn)：原料借助于化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品2425工業(yè)規(guī)模反應(yīng)過程：物理和化學(xué)過程共存、相互影響、相互滲透影響工業(yè)過程反應(yīng)行為物理過程：不改變動(dòng)力學(xué)規(guī)律，但引起時(shí)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(yīng)過程的最終結(jié)果。物理過程包括：流體流動(dòng)與返混、傳質(zhì)過程、傳熱過程化學(xué)反應(yīng)工程的實(shí)質(zhì)：將化學(xué)動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的化學(xué)反應(yīng)規(guī)律和化學(xué)工程領(lǐng)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(yīng)工程理論，為反應(yīng)器設(shè)計(jì)、優(yōu)化操作和確定最優(yōu)化操作條件服務(wù)26課程地位化學(xué)反應(yīng)工程屬專業(yè)理論課程（學(xué)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(wù)

※使學(xué)生掌握化工生產(chǎn)中的關(guān)鍵過程—化學(xué)反應(yīng)過程的基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)知識(shí)

※培養(yǎng)學(xué)生具體分析、計(jì)算和解決化工生產(chǎn)中有關(guān)化學(xué)反應(yīng)的實(shí)際問題的能力課程地位與任務(wù)27化學(xué)反應(yīng)工程與已學(xué)過課程的聯(lián)系與區(qū)別

化學(xué)反應(yīng)方向與限度——化工熱力學(xué)反應(yīng)歷程與速率極限——物理化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)物流流動(dòng)與傳遞——傳遞過程原理反應(yīng)器操作——化工原理－單元操作反應(yīng)器設(shè)計(jì)與操作優(yōu)化——數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)28化學(xué)反應(yīng)工程與相鄰學(xué)科的關(guān)系化學(xué)工程－過程認(rèn)識(shí)和優(yōu)化科學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)工藝－全局系統(tǒng)整合與優(yōu)化系統(tǒng)工程－全局?jǐn)?shù)學(xué)式的系統(tǒng)優(yōu)化？29化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的任務(wù)現(xiàn)有反應(yīng)技術(shù)與設(shè)備的強(qiáng)化和改進(jìn)

—達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗的目的開發(fā)新的反應(yīng)技術(shù)和設(shè)備指導(dǎo)和解決反應(yīng)過程開發(fā)中的放大問題實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程的最優(yōu)化發(fā)展和完善化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的理論和方法30化學(xué)反應(yīng)工程課程特點(diǎn)

（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(nèi)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(xué)的直接測(cè)定（BET

N2吸附量測(cè)定）、化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象的直接觀察化學(xué)反應(yīng)工程研究需要抽象思維和邏輯推理，正確的學(xué)習(xí)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(nèi)在關(guān)系復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)和物理過程交織進(jìn)行（耦合），相互影響和制約，描述困難（建模），數(shù)學(xué)推導(dǎo)復(fù)雜，求解難度大（非線性和高度非線性問題多）（3）反應(yīng)種類多、差異大不同類型的反應(yīng)過程，研究方法不盡相同如何進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)工程的學(xué)習(xí)和掌握其研究方法？33化學(xué)反應(yīng)工程的學(xué)習(xí)方法

目的：建立基本的工程概念，掌握研究化學(xué)反應(yīng)工程問題的基本方法（1）學(xué)習(xí)中要貫穿抓反應(yīng)類型，理解物理因素，歸結(jié)于最終目標(biāo)這一路線

反應(yīng)類型※均相反應(yīng)、氣－固催化反應(yīng)、氣－液反應(yīng)、流固非均相反應(yīng)等※動(dòng)力學(xué)（本征、宏觀）、過程描述、反應(yīng)器34

物理因素傳遞過程（熱量、質(zhì)量和動(dòng)量傳遞）顆粒內(nèi)、外擴(kuò)散流動(dòng)問題－流速分布、返混

最終目標(biāo)過程（工程）反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、宏觀速率選擇性反應(yīng)器分析、設(shè)計(jì)與優(yōu)化等常規(guī)的物料、熱量衡算方法，微分運(yùn)算等35（2）著重掌握基本概念（工程概念），力求達(dá)到清晰、嚴(yán)格、準(zhǔn)確屬于發(fā)展型科學(xué)，已有結(jié)論和基本工程概念對(duì)探索未知和指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐極其重要。eg.宏觀動(dòng)力學(xué)影響因素（化學(xué)反應(yīng)、傳遞過程、流動(dòng)過程）主次確定、生產(chǎn)對(duì)策—理論指導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(xì)分催化劑（本征）固體顆粒內(nèi)擴(kuò)散＋反應(yīng)（宏觀）內(nèi)、外擴(kuò)散＋反應(yīng)＋流動(dòng)（宏觀）傳遞＋反應(yīng)＋流動(dòng)（反應(yīng)器－宏觀）六、課程講解盡量按課本順序進(jìn)行著重基本概念基本推導(dǎo)基本運(yùn)算

36化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的內(nèi)容和分類（1）化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的主要內(nèi)容圍繞反應(yīng)器進(jìn)行三傳一反的研究，既有化學(xué)反應(yīng)過程，又有物理過程※1

化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性的研究不計(jì)及物理過程的（反應(yīng)）機(jī)理及動(dòng)力學(xué)特性研究，重要的是建立動(dòng)力學(xué)模型（方程），為反應(yīng)器分析、設(shè)計(jì)、催化劑工程等提供基礎(chǔ)工具

本征動(dòng)力學(xué)：研究反應(yīng)分子間的反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)速率的化學(xué)動(dòng)力學(xué)稱為～。37※2

流動(dòng)、傳遞過程對(duì)反應(yīng)的影響

流動(dòng)和傳遞過程通過對(duì)反應(yīng)場(chǎng)所濃度、溫度和壓力等在時(shí)間、空間上分布的影響，對(duì)整體反應(yīng)效果（過程）產(chǎn)生影響。實(shí)際為宏觀動(dòng)力學(xué)的范疇。

宏觀動(dòng)力學(xué)：研究工業(yè)規(guī)?；瘜W(xué)反應(yīng)器中化學(xué)反應(yīng)與質(zhì)量、熱量、動(dòng)量傳遞同時(shí)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)與物理變化過程綜合的過程動(dòng)力學(xué)稱為～?！?

反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算、過程分析和最優(yōu)化

將反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性（宏觀）與流動(dòng)、傳遞過程規(guī)律結(jié)合起來研究，為工業(yè)反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)和過程優(yōu)化控制建立可靠的理論和工具基礎(chǔ)。重要的是建模和計(jì)算機(jī)的使用38（2）化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的分類1）按反應(yīng)系統(tǒng)涉及的相態(tài)分類均相反應(yīng)

※氣相均相反應(yīng)—烴類熱裂解制乙烯

※液相均相反應(yīng)—水解反應(yīng)非均相反應(yīng)

※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(xué)反應(yīng)工程中用模型法進(jìn)行開發(fā)的步驟

※1小型實(shí)驗(yàn)—研究化學(xué)反應(yīng)規(guī)律

※2反應(yīng)器類型的適宜選擇

※3大型冷模實(shí)驗(yàn)

※4計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)

※5熱模實(shí)驗(yàn)

※6工業(yè)反應(yīng)器設(shè)計(jì)本課程沿模型法思路學(xué)習(xí)40模型化層次分類：化學(xué)反應(yīng)本身特性研究，工業(yè)反應(yīng)器內(nèi)傳遞、流動(dòng)特性研究反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)、傳遞和化學(xué)反應(yīng)耦聯(lián)關(guān)系（一）動(dòng)力學(xué)層次微觀（本征）動(dòng)力學(xué)：解決化學(xué)反應(yīng)速率問題，難以理論計(jì)算，須借助于實(shí)驗(yàn)完成宏觀動(dòng)力學(xué)：多數(shù)工業(yè)反應(yīng)均為非均勻過程41（二）工業(yè)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與計(jì)算反應(yīng)場(chǎng)所、條件的變化對(duì)反應(yīng)物種的流體力學(xué)、熱力學(xué)狀態(tài)、化學(xué)反應(yīng)特性影響很大（氫脆、氮脆）。不同類型的化學(xué)反應(yīng)器具有不同的反應(yīng)工程特性?；A(chǔ)化學(xué)反應(yīng)器類型：

管式流動(dòng)反應(yīng)器理想置換（PFR）

攪拌釜式反應(yīng)器理想混合（CSTR）

攪拌間歇反應(yīng)器均勻混合（BR）其它反應(yīng)器均可視為上述反應(yīng)器的不同級(jí)別的組合

42（三）各類反應(yīng)過程的學(xué)習(xí)方法層次上：

基礎(chǔ)動(dòng)力學(xué)——

本征動(dòng)力學(xué)

綜合動(dòng)力學(xué)——

宏觀動(dòng)力學(xué)

化學(xué)反應(yīng)器——

分析與設(shè)計(jì)（概念性的）類別上（由易到難）：

均相反應(yīng)

兩相（氣－固/氣－液）催化反應(yīng)

多相（氣/液/固）催化/非催化反應(yīng)（不講）

復(fù)合型（反應(yīng)精餾）（不講）

反應(yīng)器熱穩(wěn)定性和靈敏性分析433

化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和收率3.1反應(yīng)進(jìn)度443.2轉(zhuǎn)化率X注意：①按關(guān)鍵組分計(jì)②反應(yīng)物的起始態(tài)3

化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和收率453.3收率Y與選擇性S3

化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和收率46進(jìn)入SO2氧化器的氣體組成（摩爾分?jǐn)?shù)）為：

SO2:3.07%;SO3:4.6%;O2:8.44%;N2:83.89%離開反應(yīng)器的氣體中SO2的含量為1.5%，試計(jì)算SO2的轉(zhuǎn)化率。例13

化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)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(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、醛及有機(jī)酸的反應(yīng)。反應(yīng)在溫度350℃、壓力0.2026MPa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、丁二烯的收率和反應(yīng)的選擇性。例248組分反應(yīng)前%反應(yīng)后%組分反應(yīng)前%反應(yīng)后