第一章化反緒論

化學(xué)反應(yīng)工程中國石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程學(xué)院李春義工科樓A－437；電話1322532化學(xué)反應(yīng)工程的定義和研究目的化學(xué)反應(yīng)工程與其它學(xué)科之間的關(guān)系學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)工程的重要意義第1章緒論1956年荷蘭Amsterdam化學(xué)工程方面的國際學(xué)術(shù)會議Krevelen教授提出了

ChemicalReactionEngineering1.化學(xué)反應(yīng)工程的定義和研究目的在上個(gè)世紀(jì)的前五十年，化學(xué)工程關(guān)注的對象是物理過程，如流體的流動(dòng)、傳熱、吸收、萃取、蒸餾和干燥等。沒有指導(dǎo)反應(yīng)器開發(fā)的一般性方法。石油工業(yè)，確切地說是煉油工業(yè)的繁榮，促進(jìn)了化學(xué)反應(yīng)工程的發(fā)展。1.化學(xué)反應(yīng)工程的定義和研究目的HisenseSDTV中國石油大學(xué)（華東）開發(fā)的大慶煉化12萬噸／年兩段提升管催化裂解多產(chǎn)丙烯TMP裝置宜賓五糧液酒廠現(xiàn)存明代的地穴式曲酒發(fā)酵窖工業(yè)規(guī)模反應(yīng)器開發(fā)工程活動(dòng)化學(xué)反應(yīng)工程的定義1.化學(xué)反應(yīng)工程的定義和研究目的設(shè)計(jì)操作

反應(yīng)器優(yōu)化研究目的化工過程：物理過程和化學(xué)過程生產(chǎn)有用的化工產(chǎn)品消除有害的污染物1.化學(xué)反應(yīng)工程的定義和研究目的化學(xué)反應(yīng)物理處理原料產(chǎn)品循環(huán)物理處理原子／分子催化劑反應(yīng)器過程工廠系統(tǒng)流體力學(xué)、放大動(dòng)力學(xué)模型反應(yīng)器模型過程模型優(yōu)化工廠模型優(yōu)化系統(tǒng)優(yōu)化從微觀到宏觀的集成技術(shù)鏈1.化學(xué)反應(yīng)工程的定義和研究目的催化劑設(shè)計(jì)表面科學(xué)均相反應(yīng)聚合物先進(jìn)材料生產(chǎn)生物化學(xué)生物醫(yī)學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)多相反應(yīng)器反應(yīng)器放大過程集成與優(yōu)化環(huán)境安全化學(xué)反應(yīng)工程CRE與化學(xué)反應(yīng)工程有關(guān)的成熟的與新興的技術(shù)1.化學(xué)反應(yīng)工程的定義和研究目的2.化學(xué)反應(yīng)工程與其它學(xué)科之間的關(guān)系

化學(xué)反應(yīng)工程基礎(chǔ)科學(xué)工程科學(xué)化學(xué)動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)數(shù)學(xué)傳質(zhì)傳熱流體流動(dòng)CRE

is

the

unique

area

of

chemical

engineering

that

integrates

fundamentals

of

reaction

and

kinetic

phenomena

including

catalysis

with

transport

processes

in

the

important

areas

of

reactor

design,

scale-up,

and

commercial

operation.化學(xué)反應(yīng)的基本規(guī)律催化作用2.化學(xué)反應(yīng)工程與其它學(xué)科之間的關(guān)系

化學(xué)催化劑：加快化學(xué)反應(yīng)速率，本身不被明顯消耗的物質(zhì)。原理：降低了反應(yīng)的活化能。不能改變化學(xué)反應(yīng)的平衡。2.化學(xué)反應(yīng)工程與其它學(xué)科之間的關(guān)系

化學(xué)PictorialcomparisonofZSM-5zeolitedesilicationbytetraalkylammoniumhydroxidesandsodiumhydroxide

for

improving

the

performance

of

benzene

alkylation

with

ethylene

in

liquid

phase*.S.Abelló,A.Bonilla,J.Pérez-Ramírez.MesoporousZSM-5zeolitecatalystspreparedbydesilicationwithorganichydroxidesandcomparisonwithNaOHleaching.AppliedCatalysisA:General,2009,364:191-198.活性選擇性壽命催化劑的關(guān)鍵性質(zhì)：2.化學(xué)反應(yīng)工程與其它學(xué)科之間的關(guān)系

2.化學(xué)反應(yīng)工程與其它學(xué)科之間的關(guān)系

Introduction:Heterogeneouscatalysis.ChemicalReviews,1995,95(3):475-476.Heterogeneouscatalysisiscrucialtochemicaltechnology.Intheabsenceofthecatalysts,thechemicaltransformationwouldeithernotoccurorwouldtakeplacewithlowerefficienciesorslowerrates.Thestudyofheterogeneouscatalysisdatesbacktotheearly1800s.MichaelFaradaywasoneofthefirstscientiststoexaminetheabilityofplatinumtofacilitateoxidationreactions.*

MichaelFaraday

(1791-1867)：著名的英國化學(xué)家和物理學(xué)家，電解定律的創(chuàng)始人，電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)者。13歲為生計(jì)所迫到書店去謀生，22歲(1813年)將所聽的英國皇家學(xué)院著名化學(xué)家HumphryDavy教授4次4個(gè)多小時(shí)的演講整理成了386頁的書送給了Davy教授而得到賞識，成為了Davy教授的助手，從此步入了科學(xué)的店堂。Humphry

Davy

(1778-1829)2014年9月16日下午，92歲高齡的國家科技最高獎(jiǎng)獲得主吳良鏞一手拄著拐杖，在工作人員的攙扶下，一步步緩緩走上人民大會堂報(bào)告臺，堅(jiān)持站著35分鐘為首都新入學(xué)的6000多名研究生講完了以《志存高遠(yuǎn)身體力行》為題的報(bào)告，但放眼臺下，大批后排學(xué)生一片片"倒"下，趴在桌上睡去。2.化學(xué)反應(yīng)工程與其它學(xué)科之間的關(guān)系

化學(xué)一段提升管二段提升管油氣去分餾系統(tǒng)新鮮原料噴嘴循環(huán)油或汽油再生劑再生劑循環(huán)油或汽油待生劑預(yù)提升介質(zhì)預(yù)提升介質(zhì)高低并列TSRFCCIV催化裂化催化劑的技術(shù)進(jìn)步，推動(dòng)了反應(yīng)器技術(shù)的發(fā)展。2.化學(xué)反應(yīng)工程與其它學(xué)科之間的關(guān)系

動(dòng)力學(xué)化學(xué)反應(yīng)速率：單位時(shí)間、單位反應(yīng)器有效體積著眼組分摩爾數(shù)的變化量。動(dòng)力學(xué)：反應(yīng)速率與其影響因素之間定量關(guān)系的科學(xué)，為動(dòng)力學(xué)。丁烯催化裂解制丙烯：

C4H8C3H6丁烯的裂解速率與丁烯濃度之間關(guān)系為，這樣，從動(dòng)力學(xué)的角度講，丁烯的濃度越高越有利于其裂解。2.化學(xué)反應(yīng)工程與其它學(xué)科之間的關(guān)系

熱力學(xué)兩方面重要信息：平衡常數(shù)和反應(yīng)熱全景截面內(nèi)表面外表面小分子烷烴脫氫平衡轉(zhuǎn)化率與溫度關(guān)系曲線（根據(jù)熱力學(xué)數(shù)據(jù)繪制）*ZhentaoWu,IrfanM.D.Hatim,BenjaminF.K.Kingsbury,EjiroGbenedio,K.Li.Anovelinorganichollowfibermembranereactorforcatalyticdehydrogenationofpropane.AIChEJournal,2009,55(9):2389-2398.丙烷脫氫是可逆的強(qiáng)吸熱反應(yīng)（ΔHo=124kJ/mol)。UOP公司的OleflexTM在550oC進(jìn)行，反應(yīng)過程補(bǔ)充H2以減緩生焦，可將反應(yīng)周期延長到7h。Wu等利用非對稱Al2O3管式反應(yīng)器，內(nèi)部“手指”狀孔道中負(fù)載Pt，外襯Pd／Ag透H2膜，實(shí)現(xiàn)在反應(yīng)過程中及時(shí)分離H2，打破在低溫反應(yīng)條件下平衡的限制，提高轉(zhuǎn)化率和丙烯的選擇性。2.化學(xué)反應(yīng)工程與其它學(xué)科之間的關(guān)系

BaCOxFeyZrzO3-

(BCFZ,x+y+z=1)hollowfibermembraneobtainedbyspinning.Schematicdrawingofthereactorset-upandanincorporatedmulti-stepBCFZhollowfiberwithfiveactivezonesforODP.ImpactofoxygensupplyviaaBCFZhollowfibermemberonthecatalyticpropanedehydrogenation.OliverCzuprat,SteffenWerth,JrgenCaro,ThomasSchiestel.Oxidativedehydrogenationofpropaneinaperovskitemembranereactorwithmulti-stepoxygeninsertion.AIChEJournal,2010,56(9):2390-2396.2.化學(xué)反應(yīng)工程與其它學(xué)科之間的關(guān)系

甲烷水蒸汽重整是目前制合成氣或制氫的主要途徑。甲烷部分氧化路線，從反應(yīng)的角度看有利于節(jié)能，但空分成本高。甲烷二氧化碳重整是減少了二氧化碳的排放還是增加了二氧化碳排放？CH4制合成氣的反應(yīng)路線CH4+H2O

CO+3H2+206kJ/mol甲烷水蒸汽重整CH4+1/2O2

CO+2H2-36kJ/mol甲烷部分氧化CH4+CO2

2CO+2H2+261kJ/mol甲烷二氧化碳重整CO+H2O

CO2+H2-42.1kJ/mol一氧化碳水汽變換透氧膜空分反應(yīng)耦合過程設(shè)想熱力學(xué)兩方面重要信息：平衡常數(shù)和反應(yīng)熱2.化學(xué)反應(yīng)工程與其它學(xué)科之間的關(guān)系

熱力學(xué)兩方面重要信息：平衡常數(shù)和反應(yīng)熱打破平衡提供熱量減少蒸汽，節(jié)約能量2.化學(xué)反應(yīng)工程與其它學(xué)科之間的關(guān)系

數(shù)學(xué)研究方法代數(shù)方程微分方程偏微分方程積分方程微分－積分方程數(shù)學(xué)模型結(jié)合實(shí)驗(yàn)，建立模型利用模型，進(jìn)行模擬二維模型環(huán)狀微元體從z面進(jìn)入微元的量從z＋dz面離開微元的量從r面進(jìn)入微元的量從r＋dr面離開微元的量微元內(nèi)反應(yīng)的量2.化學(xué)反應(yīng)工程與其它學(xué)科之間的關(guān)系

數(shù)學(xué)物料衡算能量衡算動(dòng)力學(xué)模型傳遞模型流動(dòng)模型參數(shù)模型采用數(shù)值解法，求解方程組。Crank-Nicholson法差分格式2.化學(xué)反應(yīng)工程與其它學(xué)科之間的關(guān)系

傳質(zhì)反應(yīng)物的外擴(kuò)散反應(yīng)物的內(nèi)擴(kuò)散反應(yīng)物的吸附表面反應(yīng)產(chǎn)物脫附產(chǎn)物的內(nèi)擴(kuò)散產(chǎn)物的外擴(kuò)散氣固相催化反應(yīng)過程2.化學(xué)反應(yīng)工程與其它學(xué)科之間的關(guān)系

傳熱化學(xué)反應(yīng)都有熱效應(yīng)。傳熱大的方面不僅關(guān)系到反應(yīng)器類型的選擇，而且關(guān)系到整個(gè)反應(yīng)器的溫度控制方案；小的方面，關(guān)系到催化劑顆粒內(nèi)部溫度的控制。催化劑顆粒與主流體間、催化劑顆粒內(nèi)都存在著溫度梯度。放熱反應(yīng)，催化劑顆粒內(nèi)比外表面溫度高，反應(yīng)速率快。吸熱反應(yīng)，催化劑內(nèi)部溫度比外表面低，反應(yīng)速率慢。2.化學(xué)反應(yīng)工程與其它學(xué)科之間的關(guān)系

流體流動(dòng)對反應(yīng)器內(nèi)流體流動(dòng)認(rèn)識膚淺，是造成反應(yīng)器預(yù)測或設(shè)計(jì)不確定性的主要原因。InputOutputReactorFlowpatternKinetics:Chemical,massandheattransfer2.化學(xué)反應(yīng)工程與其它學(xué)科之間的關(guān)系

流體流動(dòng)催化裂化或催化裂解循環(huán)流化床反應(yīng)器，巧妙地將吸熱的反應(yīng)過程與放熱的催化劑燒焦再生過程組合在一起，具有諸多的優(yōu)點(diǎn)；但是，其氣固接觸效率不高，徑向催化劑分布不均勻也是顯而易見的。劑油比8.57.05.0收率,

wt%干氣LPG丙烯汽油柴油重油焦炭2.9035.4015.3632.0612.199.078.383.0732.2914.2630.5913.1612.558.343.1530.3513.3126.6318.1213.598.172.化學(xué)反應(yīng)工程與其它學(xué)科之間的關(guān)系

流體流動(dòng)氣固接觸效率與氣速和固體流通量關(guān)系曲線**R.J.Dry,I.N.Christensen,C.C.White.

Gas-solidscontactefficiencyinahigh-velocityfluidizedbed.

PowderTechnology,1987,

52:243-250.在催化裂化中，提高一次通過的原料轉(zhuǎn)化率和目的產(chǎn)品的選擇性，是過程節(jié)能和提高經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素。在TMP技術(shù)中，回?zé)挼妮p組分以分子形式分散，能否高收率、高選擇性轉(zhuǎn)化成丙烯，決定性因素在于氣固接觸是否充分。重油輕組分TMP2.化學(xué)反應(yīng)工程與其它學(xué)科之間的關(guān)系

流體流動(dòng)不同流化床軸向固體濃度分布*H.Y.

Zhu,

J.