化學(xué)反應(yīng)工程緒論

第一章緒論第一節(jié)化學(xué)反應(yīng)工程第二節(jié)化學(xué)反應(yīng)器的類型第三節(jié)反應(yīng)器的操作方式第四節(jié)反應(yīng)器的設(shè)計與基本過程第五節(jié)工業(yè)反應(yīng)器的放大

無論是化學(xué)工業(yè)還是冶金、石油煉制和能源加工等工業(yè)過程，均采用化學(xué)方法將原料加工成為有用的產(chǎn)品。生產(chǎn)過程包括如下三個組成部分：

第①和③兩部分屬于單元操作的研究范圍；而②部分是化學(xué)反應(yīng)工程的研究對象，是生產(chǎn)過程的核心。

①②③第一節(jié)化學(xué)反應(yīng)工程定義：化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)是一門研究涉及化學(xué)反應(yīng)的工程問題的學(xué)科。目的：對于已經(jīng)在實驗室中實現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)，如何將其在工業(yè)規(guī)模實現(xiàn)是化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的主要任務(wù)。

為了這一目標(biāo)，化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)不僅研究化學(xué)反應(yīng)速率與反應(yīng)條件之間的關(guān)系，即化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)，而且，著重研究傳遞過程對化學(xué)反應(yīng)速率的影響；研究不同類型反應(yīng)器的特點及其與化學(xué)反應(yīng)結(jié)果之間的關(guān)系,即反應(yīng)器設(shè)計計算、過程分析和最優(yōu)化。工業(yè)規(guī)模的化學(xué)反應(yīng)較之實驗室規(guī)模要復(fù)雜得多，在實驗室規(guī)模上影響不大的質(zhì)量和熱量傳遞因素，在工業(yè)規(guī)?？赡芷鹬鲗?dǎo)作用。在工業(yè)反應(yīng)器中既有化學(xué)反應(yīng)過程，又有物理過程。物理過程與化學(xué)過程相互影響，相互滲透，有可能導(dǎo)致工業(yè)反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)結(jié)果與實驗室規(guī)模大相徑庭。工業(yè)反應(yīng)器中對反應(yīng)結(jié)果產(chǎn)生影響的主要物理過程是：(1)由物料的不均勻混合和停留時間不同引起的傳質(zhì)過程；(2)由化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)產(chǎn)生的傳熱過程；(3)多相催化反應(yīng)中在催化劑微孔內(nèi)的擴(kuò)散與傳熱過程。這些物理過程與化學(xué)反應(yīng)過程同時發(fā)生。化學(xué)反應(yīng)工程與其他課程的關(guān)系高等數(shù)學(xué)工程數(shù)學(xué)物理四大化學(xué)化工熱力學(xué)傳遞過程原理（化工原理）反應(yīng)工程分離工程各類專業(yè)和工藝學(xué)課程化學(xué)反應(yīng)工程的發(fā)展

化學(xué)反應(yīng)工程是建立在數(shù)學(xué)、物理及化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科上的而又有自己特點的應(yīng)用學(xué)科分支，是化學(xué)工程學(xué)科的組成部分，從學(xué)科建立至今變革的主要歷程如下表:時間標(biāo)志性成果代表人物20世紀(jì)30年代（萌芽階段）對擴(kuò)散、流體流動和傳遞對反應(yīng)過程影響的深刻認(rèn)識。丹克來爾(Damhohler)

席勒（Thiele）

史爾多維奇20世紀(jì)40年代（系統(tǒng)化）《化學(xué)過程原理》和《化學(xué)動力學(xué)中的擴(kuò)散與傳熱》出現(xiàn)，對學(xué)科形成奠定了基礎(chǔ)?；舾?Hougen)

華生(Waston)

20世紀(jì)50年代

（學(xué)科確立）學(xué)科確立，學(xué)科第一次國際性的學(xué)術(shù)會議在歐洲召開，第一次使用了化學(xué)反應(yīng)工程這一術(shù)語丹克沃茨

（Dankwerts)

泰勒（Taylor）

烈文斯彼爾(Levenspiel)

20世紀(jì)60年代

（學(xué)科發(fā)展壯大）石油化工的發(fā)展要求生產(chǎn)的大進(jìn)化，產(chǎn)品的多樣化和深加工促進(jìn)了實驗研究和生產(chǎn)實際的結(jié)果，產(chǎn)品研發(fā)周期縮短。20世紀(jì)80年代到90年代中期(學(xué)科交叉和新技術(shù)運用)計算機和徽電子技術(shù)普遍應(yīng)用實現(xiàn)了反應(yīng)器的精確控制問題。通過與其它學(xué)科的交駐形成了一系列新的交叉學(xué)科。此外,反應(yīng)與分離過程的結(jié)合出現(xiàn)了多功能反應(yīng)器。20世紀(jì)90年代環(huán)境保護(hù)意識的深厚感情對化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)科提出了新的要求、新的環(huán)境友好、原子經(jīng)濟(jì)的綠色反應(yīng)工藝的出現(xiàn)，對能源開發(fā)和存放利用的貢獻(xiàn)。

第二節(jié)化學(xué)反應(yīng)器的類型化學(xué)反應(yīng)和反應(yīng)器的分類方法很多，常按下列四種方法進(jìn)行分類。(a)管式反應(yīng)器(b)移動床反應(yīng)器(c)機械攪拌漿態(tài)床反應(yīng)器

(d)循環(huán)式漿態(tài)反應(yīng)器

(e)半連續(xù)漿態(tài)床反應(yīng)器(f)固定床鼓泡床反應(yīng)器(g)滴流床反應(yīng)器(h)規(guī)整填料塔反應(yīng)器(i)噴霧塔式反應(yīng)器(j)板式塔反應(yīng)器(k)鼓泡塔反應(yīng)器(l)氣液攪拌釜式反應(yīng)器種類特點應(yīng)用范圍管式反應(yīng)器長度遠(yuǎn)大于管徑,內(nèi)部沒有任何構(gòu)件多用于均相反應(yīng)過程釜式反應(yīng)器高度與直徑比約為2-3內(nèi)設(shè)攪拌裝置和檔板均相、多相反應(yīng)過程均可塔式(填塔板式塔)高度遠(yuǎn)大于直徑，內(nèi)部設(shè)有填料、塔板等以提高相互接觸面積用于多相反應(yīng)過程固定床底層內(nèi)部裝有不動的固體顆粒，固體顆?？梢允谴呋瘎┗蚴欠磻?yīng)物用于多相反應(yīng)系統(tǒng)流化床反應(yīng)過程中反應(yīng)器內(nèi)部有固體顆粒的懸浮和循環(huán)運動，提高反應(yīng)器內(nèi)液體的混合性能多相反應(yīng)體系，可以提高傳熱速率移動床固體顆粒自上而下作定向移動與反應(yīng)流體逆向接觸用于多相體系，催化劑可以連續(xù)再生滴流床是固定反應(yīng)器的一種，但反應(yīng)物還包括氣液兩種屬于固定床的一種，用于使用固體催化劑的氣液反應(yīng)過程重油的催化裂化流化床反應(yīng)器攪拌釜式反應(yīng)器鄰二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反應(yīng)器乙苯加氫氣液塔式反應(yīng)器輕油裂解制乙烯管式非催化反應(yīng)器第三節(jié)反應(yīng)器的操作方式間歇操作:一次性投料，卸料。反應(yīng)物系參數(shù)(濃度或組成等)隨時間變化。連續(xù)操作:原料不斷加入,產(chǎn)物不斷引出,反應(yīng)器內(nèi)物系參數(shù)均不隨時間變化。半連續(xù)(或半間歇)兼有以上兩種過程的特點，情況比較復(fù)雜。第四節(jié)反應(yīng)器的設(shè)計與基本過程反應(yīng)器設(shè)計的基本內(nèi)容一般包括：選擇合適的反應(yīng)型式確定最佳操作條件根據(jù)操作負(fù)荷和規(guī)定的轉(zhuǎn)化程度，確定反應(yīng)器的體積和尺寸要完成上述任務(wù)，需要使用下列三類基本設(shè)計方程：質(zhì)量衡算式(描述濃度變化)能量衡算式(描述溫度變化)動量衡算式(描述壓力變化)這三個式子是相互耦聯(lián)的,需要同時求解。具體的作法,將在以后的各個章節(jié)中詳細(xì)闡述。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）熱量衡算：（輸入的熱量）=（輸出的熱量）+（反應(yīng)熱）+（累積的熱量） 在確定的邊界條件和初始條件下，可以得到反應(yīng)器內(nèi)的溫度分布和濃度分布。常用質(zhì)量衡算和熱量衡算的一般式第五節(jié)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，但相似放大法在化學(xué)反應(yīng)器放大方面則無能為力，主要原因是無法同時保持物理和化學(xué)相似。化學(xué)反應(yīng)器放大方法：

逐級經(jīng)驗放大法（主要靠經(jīng)驗）

數(shù)學(xué)模型法。可以提高放大倍數(shù)

半經(jīng)驗放大法 采用逐級放大法費時費力，但采用數(shù)學(xué)模型放大法時，往往由于缺乏對過程的深刻認(rèn)識而告失敗。目前實際的反應(yīng)器放大介于兩者之間，既有數(shù)學(xué)模型放大法的理論分析又加入經(jīng)驗處理方法?？梢灶A(yù)測，隨著人們對反應(yīng)過程基本規(guī)律的認(rèn)識不斷加深，數(shù)學(xué)模型放大法將逐步取代現(xiàn)有的經(jīng)驗和半經(jīng)驗方法，成為反應(yīng)器放大法的主流。反應(yīng)器的放大過程實驗室規(guī)模試驗小型試驗中間試驗工廠設(shè)計大型冷模試驗研究化學(xué)反應(yīng)規(guī)律建立反應(yīng)動力學(xué)考察物理過程對反應(yīng)的影響研究反應(yīng)器傳遞規(guī)律建立物理模型檢驗并修正模型考察催化劑性能考察設(shè)備腐蝕情況數(shù)學(xué)模型法的步驟1．實驗室研究化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)規(guī)律。2．建立簡化物理模型 對復(fù)雜客觀實體，在深入了解基礎(chǔ)上，進(jìn)行合理簡化，設(shè)想一個物理過程(模型)代替實際過程。簡化必須合理，即簡化模型必須反映客觀實體，便于數(shù)學(xué)描述和適用。3．建立數(shù)學(xué)模型 依照物理模型和相關(guān)的已知原理，寫出描述物理模型的數(shù)學(xué)方程及其初始和邊界條件。利用計算機或其它手段綜合反應(yīng)規(guī)律和傳遞規(guī)律，預(yù)測大型反應(yīng)器性能，尋找優(yōu)化條件。4．熱模試驗檢驗數(shù)學(xué)模型的等效性。化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)化學(xué)反應(yīng)器分析與設(shè)計均相反應(yīng)動力學(xué)非均相反應(yīng)動力學(xué)化學(xué)反應(yīng)速率定義化學(xué)反應(yīng)速率方程反應(yīng)速率方程推導(dǎo)復(fù)合反應(yīng)氣－固相催化反應(yīng)過程本征反應(yīng)動力學(xué)宏觀反應(yīng)動力學(xué)理想反應(yīng)器非理想反應(yīng)器氣－固相催化反應(yīng)器理解：

化學(xué)反應(yīng)器的三種操作方式和特點。

反應(yīng)器設(shè)計的基本方程。

了解：

化學(xué)