天津大學工業(yè)化學基礎(chǔ)第三章第一節(jié)概述課件

化學反應(yīng)工程及反應(yīng)器7/22/2023第一節(jié)概述

1反應(yīng)工程在化學工程學科中的地位2反應(yīng)工程的范疇和任務(wù)3反應(yīng)工程的研究方法4化學反應(yīng)過程分類

7/22/2023一、反應(yīng)工程在化學工程學科中的地位1、化學工程的主要研究內(nèi)容化學方法加工原料的預(yù)處理進行化學反應(yīng)反應(yīng)產(chǎn)物的分離與提純反應(yīng)工程單元操作（三傳）單元操作（三傳）進行化學反應(yīng)7/22/2023

化學反應(yīng)工程：把化學反應(yīng)和工程中的問題統(tǒng)一起來研究，研究反應(yīng)器的設(shè)計放大和過程最優(yōu)化，便形成了化學反應(yīng)工程學，是化學工程學科的一個重要組成部分，是關(guān)于如何在工業(yè)規(guī)模上實現(xiàn)化學反應(yīng)過程，以期最有效地把原料轉(zhuǎn)化為盡可能多的目標產(chǎn)品，爭取實現(xiàn)經(jīng)濟效益，滿足國民經(jīng)濟需要的一門學科。凡是涉及物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)變化的過程都屬化學反應(yīng)的范疇，故而廣義的化學反應(yīng)工程涉及面十分廣闊，諸如無機化工、有機化工、精細化工、高分子化工、冶金工程、環(huán)保工程、生物化工等等。在許多發(fā)達國家，化學工業(yè)及與之相關(guān)的工業(yè)已成為國民經(jīng)濟中占主要地位的產(chǎn)業(yè)部門。所以研究化學反應(yīng)過程的放大規(guī)律，具有十分重要的意義

7/22/2023在現(xiàn)代化大規(guī)模連續(xù)操作的化工廠中，化學反應(yīng)器約占生產(chǎn)設(shè)備總投資的15％－20％，分離設(shè)備的投資占生產(chǎn)設(shè)備總投資的大部分。但是反應(yīng)器設(shè)計的優(yōu)劣、反應(yīng)結(jié)果的好壞，常常是決定整個生產(chǎn)過程效益的關(guān)鍵所在。在現(xiàn)代生產(chǎn)體系中，社會分工較細，一個工廠的產(chǎn)品常常又是另一個工廠的原料，所以構(gòu)成化工產(chǎn)品成本的諸因素中，原料所占的比重常常是決定性的。如何在一個化學反應(yīng)過程中，最大限度地利用原料生產(chǎn)出最多的目標產(chǎn)品，就成為至關(guān)重要的因素，而這一問題正是化學反應(yīng)工程所要研究解決的。

7/22/20232、反應(yīng)工程概念的提出20世紀30年代，丹克萊爾(Damhohler)論述了擴散、流體流動和傳熱對反應(yīng)器產(chǎn)率的影響——奠定了基礎(chǔ)梯爾(Thiele)和史爾多維奇對擴散反應(yīng)問題作了開拓性的工作40年代末，霍根(Hougen)和華生(Waston)著作《化學過程原理》法蘭克-卡明聶斯基著作《化學動力學中的擴散與傳熱》問世1957年，荷蘭阿姆斯特丹第一次歐洲反應(yīng)工程會議——確立了化學反應(yīng)工程的名稱7/22/2023二、化學反應(yīng)工程的范疇和任務(wù)化學工藝反應(yīng)器中流體流動、混合傳熱和傳質(zhì)化學催化劑經(jīng)濟學優(yōu)化工程控制反應(yīng)過程分析設(shè)備結(jié)構(gòu)及參數(shù)控制化學熱力學與反應(yīng)動力學反應(yīng)過程動態(tài)特性與反應(yīng)系統(tǒng)測量和控制7/22/20231化學反應(yīng)工程研究范疇工業(yè)規(guī)模的化學反應(yīng)過程是比較復(fù)雜的，既有化學反應(yīng)過程、又有物理過程。物理過程與化學過程相互影響、相互滲透，必然影響化學反應(yīng)效果。工業(yè)反應(yīng)器中主要的物理過程有：①流體的返混和不均勻流動；②傳質(zhì)過程；③傳熱過程。這些物理過程與化學反應(yīng)過程同時發(fā)生。從本質(zhì)上說，物理過程不改變反應(yīng)過程的動力學規(guī)律，即反應(yīng)動力學規(guī)律不因為物理過程的存在而發(fā)生變化。但是流體流動、傳質(zhì)、傳熱過程會影響實際反應(yīng)場所的溫度和濃度在時間、空間上的分布，從而影響反應(yīng)的最終結(jié)果。從學科角度講，化學反應(yīng)規(guī)律屬化學動力學領(lǐng)域，物理過程規(guī)律屬化學工程領(lǐng)域。化學反應(yīng)工程學實際上是這兩個學科的匯合，即物理過程和化學過程兩者結(jié)合，產(chǎn)生新的、有趣的現(xiàn)象，從這些現(xiàn)象中引伸出重要的反應(yīng)工程理論。正是這些理論指導(dǎo)工業(yè)反應(yīng)過程的開發(fā)，即選擇適宜的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、型式、操作方式和工藝條件等。

7/22/2023化學熱力學——討論反應(yīng)進行的方向和限度，平衡問題

如：計算反應(yīng)的平衡常數(shù)和平衡轉(zhuǎn)化率反應(yīng)動力學——闡明化學反應(yīng)速率與各種物理因素（溫度、濃度、壓力和催化劑等）之間的關(guān)系

影響反應(yīng)速率的內(nèi)因——決定能否實際應(yīng)用的關(guān)鍵所在7/22/2023反應(yīng)器中流體流動、混合傳熱與傳質(zhì)——影響反應(yīng)速率的外因如：非均相反應(yīng)、氣固反應(yīng)、催化劑表面的擴散與吸附等——“放大效應(yīng)“產(chǎn)生的直接原因設(shè)備結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計如：反應(yīng)器的種類（管式、釜式、流化床、固定床等）、操作方式（連續(xù)、分批）——考慮經(jīng)濟上的合理性7/22/2023反應(yīng)過程動態(tài)特性與反應(yīng)系統(tǒng)測量和控制——工業(yè)生產(chǎn)的必須條件，人為不能達到例如：對于一放熱反應(yīng)進料溫度高反應(yīng)速率快放熱不及時溫度升高反應(yīng)加快溫度過高爆炸——自動控溫裝置7/22/20232、反應(yīng)工程的任務(wù)

創(chuàng)新與選擇最適宜反應(yīng)器型式

新工藝、新產(chǎn)品開發(fā)確定最優(yōu)工藝條件傳統(tǒng)技術(shù)改造估算反應(yīng)器尺寸大小優(yōu)化操作目標：單位設(shè)備容積的反應(yīng)器處理能力大目的產(chǎn)物單一性大安全,穩(wěn)定核心——復(fù)雜系統(tǒng)的工程放大7/22/20231)改進和強化現(xiàn)有反應(yīng)技術(shù)和設(shè)備,使之優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低能耗；(2)開發(fā)新的反應(yīng)技術(shù)和設(shè)備；(3)利用實驗室數(shù)據(jù)解決反應(yīng)過程中放大問題；(4)實現(xiàn)反應(yīng)過程的最優(yōu)化；(5)不斷發(fā)展化學反應(yīng)工程學的理論和方法（6）化學反應(yīng)器的正確選型與合理設(shè)計7/22/20233、工業(yè)反應(yīng)的特點物性龐雜

多相（氣,液,固,超臨界,等離子,納米膠體） 溫度,壓力,粘度,重度,表面張力…變化幅度大非線性耦合

物理,化學,生物學之間預(yù)測精度高生產(chǎn)規(guī)模大

250萬T/年－1000萬T/年催化裂化（ф10m,H=70m) 30萬T/年－100萬T/年乙烯裂解 30萬T/年合成氨－52萬T/年尿素 100m3－300m3

聚合釜,120m長循環(huán)管聚丙稀7/22/2023高低并列的提升管FCC裝置7/22/2023南充煉廠FCC裝置7/22/2023GrassrootsFCCunitunderconstructioninMexicoColdflowmodelofKelloggdensephasecatalystcooler7/22/20237/22/20237/22/202380萬噸/年加氫裂化裝置7/22/20237/22/20237/22/20237/22/202345萬噸/年乙烯裂解球罐7/22/2023釜式反應(yīng)器7/22/2023環(huán)管反應(yīng)器7/22/20237/22/2023三、反應(yīng)工程的研究方法1、模型化方法建立數(shù)學模型參數(shù)計算式動力學方程式物料、熱量、動量衡算式求解數(shù)學模型的計算方法計算機軟件的實現(xiàn)及計算結(jié)果7/22/20232、試驗的方法設(shè)備傳遞過程模型的測定如：大型冷模測定無法計算的參數(shù)的測定如：熱力學、動力學、催化劑等的參數(shù)數(shù)學模擬的檢驗測定即：數(shù)學模擬結(jié)果用實驗測定可否應(yīng)用7/22/2023基礎(chǔ)試驗測定擬定過程模型用計算機做方案研究制定模型測試方法及參數(shù)范圍小試中試比較測試結(jié)果與模型計算結(jié)果模型的放大試驗修正基礎(chǔ)模型用計算機做多方案及優(yōu)化設(shè)計計算過程的基本設(shè)計數(shù)學模擬放大示意圖7/22/2023四、化學反應(yīng)過程分類按操作方式分類間歇操作連續(xù)操作半連續(xù)操作按反應(yīng)器除熱方式分類絕熱式7/22/2023自熱式冷激式T℃

相變式T℃

間壁換熱式7/22/2023按反應(yīng)物相態(tài)分類非催化反應(yīng)催化反應(yīng)均相反應(yīng)大部分氣相反應(yīng)大部分液相反應(yīng)快速反應(yīng)（燃燒等）膠體反應(yīng)酶和微生物反應(yīng)非均相反應(yīng)煤燃燒，礦石焙燒氣－液吸收反應(yīng)煉鐵，濕法冶金合成氨，硝酸，硫酸煉油，合成材料單體7/22/2023對于A+B→R反應(yīng)過程，反應(yīng)器的三種操作方法和反應(yīng)物及產(chǎn)物的濃度的變化，如圖所示。間歇釜式半連續(xù)釜式連續(xù)流動釜式連續(xù)流動管式