化學工程講義

主講：張穎Email:zhzhying@化學反應工程基礎ElementsofChemicalReactionEngineering1教材：化學工程基礎，北京大學，北京大學出版社，2008參考書目：化學工程基礎，武漢大學，高等教育出版社ElementsofChemicalReactionEngineering,

H.ScottFoglerThirdEdition2ContentsIntroductionSection1ElementsofChemicalKineticsSection2IndustrialReactorsSection3DesignforIdealHomogeneousReactorsSection4Non-idealflowintheReactorsSection5Gas-solidCatalyticReactionsSection6Gas-solidCatalysisReactors3Introduction

1、ChemicalReactionEngineeringChemicalEngineering動量傳遞熱量傳遞質(zhì)量傳遞以傳遞過程和反應動力學為基礎，以反應技術的開發(fā)、反應過程的優(yōu)化和反應器設計為主要研究內(nèi)容，探討如何在工業(yè)規(guī)模的反應器中實現(xiàn)有經(jīng)濟價值的化學反應。是所有工業(yè)化學品生產(chǎn)的核心。（TransportsandReaction）PrinciplesofChemicalEngineering

（上世紀初）（或單元操作、化工過程及設備、化工傳遞過程學）ChemicalReactionEngineering（上世紀50年代）（andReactors）4二、工業(yè)規(guī)模的化學反應過程實驗室反應多在理想條件下進行工業(yè)反應器中實際進行的過程包括化學反應，伴隨有各種物理過程，如熱量的傳遞、物質(zhì)的流動、混合和傳遞等，這些傳遞過程顯著地影響著反應的最終結(jié)果，這就是工業(yè)規(guī)模下的反應過程的特征。5工業(yè)生產(chǎn)的復雜性舉例1、傳熱設備，如反應釜：

傳熱面

2rH（r：半徑

H：高）

傳熱體積

r2H

如r10，則

V100，S10如r10，H10，則

V1000，S100主視俯視傳熱面2、反應器中非理想流動狀態(tài)6三、化學反應工程學的發(fā)展20世紀30年代德國科學家丹克萊爾在當時實驗數(shù)據(jù)十分貧乏的情況下,較系統(tǒng)地論述了擴散、流體流動和傳熱對反應器產(chǎn)率的影響，為化學反應工程奠定了基礎，40年代末期，霍根和華生的著作《化學過程原理》及前蘇聯(lián)學者弗蘭克—卡明涅斯基的著作《化學動力學中的擴散與傳熱》相繼問世，總結(jié)了化學反應與傳遞現(xiàn)象的相互關系，探討了反應器設計的問題，對化學反應工程學的發(fā)展起到了巨大的推動作用。1957年荷蘭阿姆斯特丹舉行的歐洲第一屆化學反應工程會議上，正式確定了“化學反應工程學”這一學科的名稱。60年代石油化工的大發(fā)展，生產(chǎn)日趨大型化以及原料深加工向化學反應工程領域提出了一系列的課題，加速了這一學科的發(fā)展。特別是后來計算機的應用，解決了不少復雜的反應器設計與控制問題。80年代后，隨著高新技術的發(fā)展和應用（如微電子器件、光導纖維、新材料及生物技術的應用等），擴大了化學工程的研究領域，形成了一些新的學科分支，如生化反應工程、聚合物反應工程、電化學反應工程等，將化學反應工程的研究推到了一個嶄新的階段。7四、化學反應工程學研究的內(nèi)容通過深入地研究，掌握傳遞過程的動力學和化學動力學共同作用的基本規(guī)律，從而改進和深化現(xiàn)有的反應技術和設備，降低能耗，提高效率。開發(fā)新的技術和設備。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。8五、化學反應工程學與相關學科的關系化學反應工程9六、化學反應工程學的研究方法在化學反應工程中，需要建立數(shù)學模型，主要包括：（1）、動力學方程式

對于均相反應，可采用本征速率方程式；對于非均相反應，一般采用宏觀速率方程式。（2）、物料衡算式流入量=流出量+反應消耗量+累積量（3）、熱量衡算式

物料帶入熱=物料帶出熱+反應熱+與外界換熱+累積熱（4）、動量衡算式輸入動量=輸出動量+動量損失（5）、參數(shù)計算式主要是指物性參數(shù)、傳遞參數(shù)及熱力學等計算公式。10七、從實驗室研究到工業(yè)化生產(chǎn)實驗室研究小型模擬試驗模型試驗（冷模、熱模、計算機模擬）中間工廠試驗概念設計技術經(jīng)濟評價基礎設計工程設計和建立生產(chǎn)裝置（工程研究）（過程研究）111.1反應速率

反應速率是指單位量的反應體系中反應進度隨時間的變化率。對于均相反應，某組分i在單位時間、單位反應體積內(nèi)因反應所消耗或生成的物質(zhì)的量，如果在反應過程中體積是恒定的，也就是恒容過程。則上式可寫成：第一節(jié)化學反應動力學基礎r—化學反應速率，mol?m-3?s-1。

正號----表示產(chǎn)物的生成速率；負號----表示反應物的消耗速率12各組分的反應速率為：各組分反應速率之間的關系：13對于非均相反應，如氣-固相催化反應過程：（1）若以固體催化劑表面積Sc為基準，反應物消耗速率為：（2）若以固體催化劑質(zhì)量mc為基準，反應物消耗速率為：（3）若以固體催化劑堆積體積Vc為基準，反應物消耗速率為：14根據(jù)實驗研究發(fā)現(xiàn)：均相反應的速度取決于物料的濃度和溫度，這種關系可以用冪函數(shù)的形式表示，就是動力學方程式：k----反應速率表觀常數(shù)，可以根據(jù)阿倫尼烏斯（Arrhenius）方程求得：化學反應過程進行的快慢可以以化學反應速率的大小來衡量。SvanteAugustArrhenius(19thFebruary1859–2ndOctober1927)wasaSwedishscientist,originallyaphysicist,butoftenreferredtoasachemist,andoneofthefoundersofthescienceofphysicalchemistry.TheArrheniusequation,lunar

crater

ArrheniusandtheArrheniusLabsatStockholmUniversityarenamedafterhim.15對于連續(xù)流動系統(tǒng)，轉(zhuǎn)化率則以下式表示：對于等溫、恒容反應，可以用濃度表示：1.2轉(zhuǎn)化率表明反應的深度對于間歇系統(tǒng)161.3反應的選擇性表明反應的方向aApP

（目的產(chǎn)物）qQ

（副產(chǎn)物）反應的選擇性是指生成主產(chǎn)物所消耗的關鍵組分與發(fā)生反應消耗關鍵組分量之比，或者生成的目的產(chǎn)物量與已轉(zhuǎn)化的關鍵反應物量之比。171.4收率反映原料利用率的綜合指標生成目的產(chǎn)物的量比加入反應物的量收率、轉(zhuǎn)化率與選擇性之間的關系為：有時也用質(zhì)量收率表示：181.5等溫變?nèi)莘磻到y(tǒng)若以反應物A為計算基礎，則有化學反應物種初始量變化量剩余量

(mol)(mol)(mol)ABCDI(惰性)總量化學計量表191.5.1化學膨脹因子當τ=0時反應物A在氣相中的摩爾分數(shù)為：當τ=τ時反應物A在氣相中的摩爾分數(shù)為：對于恒溫恒壓過程，還可以有：pA，0為反應物的起始分壓cA，0為反應物的起始濃度20則：A完全反應所引起的摩爾數(shù)變化加入反應器中的總摩爾數(shù)對于氣相反應系統(tǒng)，通?？山普J為符合理想氣體定律，即：在反應初始時有：1.5.2膨脹率是以組分A為基準的膨脹率21一、反應器的分類

1、按反應物料的相態(tài)分類：反應器的種類反應類型設備的結(jié)構形式反應特性均相氣相

液相燃燒、裂解中和、硫化、水解管式釜式無相界面，反應速率只與溫度或濃度有關非均相氣-液相液-液相氣-固相液-固相固-固相氣-液-固相氧化、氯化、加氫磺化、硝化、烷基化燃燒、還原、固相催化還原、離子交換水泥制造加氫裂解、加氫硫化釜式、塔式釜式、塔式固定床、流化床釜式、塔式回轉(zhuǎn)筒式固定床、流化床有相界面，實際反應速率與相界面大小及相間擴散速率有關第二節(jié)工業(yè)反應器222、按反應器的結(jié)構型式分類

結(jié)構型式適用的相態(tài)應用舉例反應釜液相，氣-液相液-液相，液固相藥物的合成、染料、中間體合成、樹脂合成管式氣相，液相輕質(zhì)油裂解，高壓聚乙烯鼓泡塔氣-液相，氣-液-固相變換氣的碳化，苯的烷基化，二甲苯的氧化固定床氣-固相SO