化學(xué)反應(yīng)工程 緒論

1、1,化學(xué)反應(yīng)工程(Chemical reaction engineering, CRE)授課教師：董延茂,2,第一章 緒論,教材：朱炳辰 主編，化學(xué)反應(yīng)工程（第四版），化學(xué)工業(yè)出版社，2007參考資料：①郭鍇，唐小恒，周緒美編，化學(xué)反應(yīng)工程，化學(xué)工業(yè)出版社；②陳甘棠主編，化學(xué)反應(yīng)工程，高等教育出版社。,3,Chemical Reaction Engineering, by Levenspiel O.Elements

2、 of Chemical Reaction Engineering, by Scott Fogler,第一章 緒論,4,學(xué)科地位及歷史研究對(duì)象及內(nèi)容研究方法,第一章 緒論,5,化學(xué)反應(yīng)工程——化學(xué)工程學(xué)科的一個(gè)分支，以工業(yè)反應(yīng)過(guò)程為主要研究對(duì)象，以反應(yīng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)、反應(yīng)過(guò)程的優(yōu)化和反應(yīng)器設(shè)計(jì)為主要目的的一門新興工程學(xué)科。研究對(duì)象——工業(yè)反應(yīng)過(guò)程，研究過(guò)程速率及其變化規(guī)律、傳遞規(guī)律及其對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響。,課程的任務(wù)和基本要求,

3、化工熱力學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)傳遞過(guò)程理論化工單元操作,,6,反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)放大優(yōu)化操作,,目的,化學(xué)石油化學(xué)生物化學(xué)醫(yī)藥冶金輕工,,應(yīng)用,,課程的任務(wù)和基本要求,大慶煉化廠區(qū)鳥(niǎo)瞰圖,7,（1）牢固掌握基本概念、基本原理以及反應(yīng)器分析和設(shè)計(jì)所用的基本關(guān)系式；（2）較深入地了解各種類型反應(yīng)器的特點(diǎn)、性能和適用范圍，掌握固定床催化反應(yīng)器等幾種重要反應(yīng)器的化工設(shè)計(jì)計(jì)算方法；（3）掌握工業(yè)反應(yīng)器設(shè)計(jì)的一般方法和程序；（4）較

4、深刻地理解數(shù)學(xué)模型和模擬方法的基本原理和實(shí)質(zhì)；（5）具備一定的工程應(yīng)用能力。,學(xué)習(xí)要求,8,基本內(nèi)容,第一章       緒論第二章      均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 第三章      理想反應(yīng)器 第四章    

5、0; 非理想流動(dòng) 第五章      氣固催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 第六章      反應(yīng)器設(shè)計(jì)的一般原則和方法 第七章      固定床反應(yīng)器第八章     流化床反應(yīng)器 第九章  

6、;    其它多相反應(yīng)器,9,過(guò)程工程——以傳遞過(guò)程及化學(xué)反應(yīng)工程為核心的學(xué)科體系（包括化工熱力學(xué)、化工單元過(guò)程、分離工程、化工系統(tǒng)工程等）,學(xué)科體系的基本內(nèi)容與地位,三傳一反,動(dòng)量傳遞熱量傳遞質(zhì)量傳遞化學(xué)反應(yīng),,10,對(duì)“化學(xué)工程”概念的拓展?！斑^(guò)程工業(yè)”（process industry）——化學(xué)工程學(xué)在發(fā)展過(guò)程中不斷向科技新領(lǐng)域滲透拓展，應(yīng)用對(duì)象已經(jīng)涵蓋了所有與物質(zhì)的物理、化學(xué)加工過(guò)

7、程相聯(lián)系的工業(yè)部門，包括石油煉制、化學(xué)工業(yè)、能源工業(yè)、航空、軍事、冶金、環(huán)保工業(yè)、建材、印染、生物技術(shù)、醫(yī)藥、食品、造紙等工業(yè)部門。PI的特點(diǎn)：原料產(chǎn)品、加工過(guò)程、增加產(chǎn)量,過(guò)程工程（process engineering),11,教學(xué)時(shí)數(shù)分配,第一章3學(xué)時(shí)第二章7學(xué)時(shí)第三章9學(xué)時(shí)第四章8學(xué)時(shí)第五章6學(xué)時(shí)第六章3學(xué)時(shí)第七章5學(xué)時(shí)第八章6學(xué)時(shí)第九章4學(xué)時(shí)總學(xué)時(shí) 51

8、學(xué)時(shí),12,第一階段：古代的化學(xué)生產(chǎn)（17世紀(jì)以前）　古代化學(xué)具有實(shí)用和經(jīng)驗(yàn)的特點(diǎn)，尚未形成理論體系、是化學(xué)的萌芽時(shí)期；尚未形成有規(guī)模的化學(xué)加工實(shí)踐。,發(fā)展簡(jiǎn)史,實(shí)用化學(xué),煉丹和煉金,醫(yī)藥化學(xué),冶金化學(xué),,,,生產(chǎn)硫酸,13,第二階段：近代化學(xué)工業(yè)從十八世紀(jì)末開(kāi)始，以硫酸，硝酸，純堿的工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)過(guò)程為開(kāi)端，至20世紀(jì)初，出現(xiàn)了載入化工發(fā)展史冊(cè)的合成氨的工業(yè)生產(chǎn)。,20世紀(jì)初，英國(guó)的Davis,美Walker,Lewis等提出了“化

9、學(xué)工程”的概念，發(fā)展成為以“單元操作” （unit operations）為基本研究?jī)?nèi)容的化學(xué)工程學(xué)。,Fritz Haber (1868 - 1934),發(fā)展簡(jiǎn)史,14,第三階段：現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)（二戰(zhàn)前后），在原料路線，技術(shù)和設(shè)備方面都有巨大的變化和進(jìn)步，在以石油和天然氣為主要原料的化學(xué)工業(yè)中，各種催化反應(yīng)被廣泛應(yīng)用，這就要求在反應(yīng)技術(shù)和反應(yīng)器設(shè)計(jì)方面作出重大努力。從動(dòng)量傳遞、熱量傳遞質(zhì)量傳遞的角度深入研究化工生產(chǎn)的物理變化過(guò)程，以及

10、從“化學(xué)反應(yīng)工程”的角度來(lái)研究化工生產(chǎn)的化學(xué)過(guò)程。從而使化學(xué)工程學(xué)科上升為一門具有完整理論體系的全面學(xué)科。,發(fā)展簡(jiǎn)史,15,1947年——霍根與華生合著的《化工過(guò)程原理》第三分冊(cè)中論述了動(dòng)力學(xué)和催化過(guò)程。50年代，有一系列重要的研究論文發(fā)表于《化學(xué)工程科學(xué)》雜志，對(duì)反應(yīng)器內(nèi)部發(fā)生的若干種重要的、影響反應(yīng)結(jié)果的傳遞過(guò)程，如返混、停留時(shí)間分布、微觀混合、反應(yīng)器的穩(wěn)定性等進(jìn)行研究，獲得了豐碩的成果。,發(fā)展簡(jiǎn)史,16,美國(guó)Bird等編寫(xiě)了《傳

11、遞現(xiàn)象》 （ Transport Phenomena ）這部歷史性的著作,發(fā)展簡(jiǎn)史,17,發(fā)展簡(jiǎn)史,荷蘭van Krevelen提出“化學(xué)反應(yīng)工程”的概念。1957年，阿姆斯特丹，第一屆歐洲化學(xué)反應(yīng)工程會(huì)議， van Krevelen作首篇綜合性報(bào)告：Micro- and Macro- Kinetics化學(xué)工業(yè)（石油化學(xué)工業(yè)）的發(fā)展，生產(chǎn)趨于大型化，對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的開(kāi)發(fā)和反應(yīng)器的可靠設(shè)計(jì)提出迫切要求；化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和化工單元操作的

12、理論和實(shí)踐有了深厚的基礎(chǔ)；數(shù)學(xué)模型方法和大型電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用為反應(yīng)工程理論研究提拱有效的方法和工具。,18,50年代末到60年代初——S.M.華拉斯的《化工動(dòng)力學(xué)》，O.列文斯比爾的《化學(xué)反應(yīng)工程》等，使學(xué)科體系大體形成。1981年，化學(xué)反應(yīng)工程正式進(jìn)入我國(guó)化工高等教育。,發(fā)展簡(jiǎn)史,集總方法聚合反應(yīng)工程電化學(xué)反應(yīng)工程生化反應(yīng)工程冶金化學(xué)反應(yīng)工程,,新的分支,19,以工業(yè)規(guī)模進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)的規(guī)律。化學(xué)動(dòng)力學(xué)——研究濃度和溫度

13、對(duì)反應(yīng)速度的影響的科學(xué)。（1）影響反應(yīng)速度的各種因素以及如何獲得最優(yōu)的反應(yīng)結(jié)果等問(wèn)題。（2）化學(xué)反應(yīng)的速度和平衡的規(guī)律。,化學(xué)反應(yīng)工程的研究?jī)?nèi)容,大慶煉化,20,化學(xué)反應(yīng)的分類,按反應(yīng)特性分類：　機(jī)理，可逆性，分子數(shù)，級(jí)數(shù)，熱效應(yīng)按反應(yīng)物系的相類特征分類：　均相；非均相（催化非催化），如　氣固相催化反應(yīng)，氣液相反應(yīng)。按反應(yīng)過(guò)程的條件分類：　溫度，壓力，操作方式,22,動(dòng)量傳遞過(guò)程－流動(dòng)因素,A→B,,A,,,,,,,,,

14、,,,23,熱量傳遞過(guò)程－傳熱因素,A→B,,A,,,,,,,,24,質(zhì)量傳遞過(guò)程－傳質(zhì)因素,25,質(zhì)量傳遞過(guò)程－傳質(zhì)因素,,,R,,,邊緣反應(yīng)物濃度高中央反應(yīng)物濃度低,此處反應(yīng)較快,26,(1)間歇操作的攪拌釜 批次生產(chǎn)，用于處理液相系統(tǒng)、多品種、小批量的制藥、染料等的生產(chǎn)。,工業(yè)反應(yīng)器型式,27,(2)連續(xù)操作的攪拌釜用于均相或非均相的液相系統(tǒng)，如聚合反應(yīng)等。多釜連續(xù)操作、多釜串聯(lián)操作。(3)管式反應(yīng)器 多用于大規(guī)模的

15、氣相或液相反應(yīng)，如石油氣裂解用的裂解爐,工業(yè)反應(yīng)器型式,(4)固定床反應(yīng)器 在管子中充填有固體顆粒催化劑，氣相反應(yīng)物通過(guò)催化劑床層而進(jìn)行氣相催化反應(yīng)，如氣相醋酸和乙烯通過(guò)含有鈀的催化劑床層生成氣相的醋酸乙烯。,(5)流化床反應(yīng)器（沸騰床） 固體催化劑顆粒小，當(dāng)反應(yīng)氣體通過(guò)床層時(shí)，使催化劑顆粒處于不斷的運(yùn)動(dòng)中，俗稱——石油工業(yè)中的催化裂化反應(yīng)器。,29,（6)鼓泡床反應(yīng)器。用于氣液非均相反應(yīng)過(guò)程的反應(yīng)器。如乙醛與氧氣通過(guò)含有醋酸錳的

16、醋酸溶液生成醋酸的反應(yīng)。,工業(yè)反應(yīng)器型式,漿態(tài)反應(yīng)器滴流床反應(yīng)器移動(dòng)床反應(yīng)器,,其他型式,30,（1）反應(yīng)體積V——進(jìn)行反應(yīng)場(chǎng)所的體積?！绻磻?yīng)在液相進(jìn)行，就要用液相的體積；反之就要用氣相的體積（或界面區(qū)的體積）,工業(yè)反應(yīng)器的參數(shù),工業(yè)反應(yīng)器,溫度分布,濃度分布,時(shí)間分布,,,,,,y,x,z,31,（2）濃度：在氣液反應(yīng)中，濃度指液相中B的濃度和溶解于液相中的A的濃度。在同一時(shí)刻在反應(yīng)器的不同部位，A的濃度不同。（3）溫度

17、：在反應(yīng)器中心處與釜壁處溫度存在差異。（4）時(shí)間： 在連續(xù)操作的反應(yīng)器，平均的停留時(shí)間是否等于反應(yīng)時(shí)間呢?,工業(yè)反應(yīng)器的參數(shù),,,,,,,,A,B,C,32,處理反應(yīng)工程的問(wèn)題需要具備三個(gè)方面的知識(shí)：(1)化學(xué)反應(yīng)的規(guī)律——主要是物理化學(xué)的領(lǐng)域，著重研究反應(yīng)的歷程和機(jī)理；化學(xué)反應(yīng)工程著重于反應(yīng)速率規(guī)律的定量描述。(2)傳遞過(guò)程的規(guī)律——一般化學(xué)工程的領(lǐng)域；(3)上述兩者的結(jié)合能力。,知識(shí)準(zhǔn)備,,,總結(jié),實(shí)踐,33,新的反應(yīng)過(guò)程的

18、開(kāi)發(fā),工程階段——反應(yīng)器的選型操作條件的選擇反應(yīng)器的工程設(shè)計(jì),化學(xué)階段——發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)新的化學(xué)反應(yīng),現(xiàn)場(chǎng)工作——反應(yīng)器操作不正常的原因化學(xué)方面(如催化劑活性變化)傳遞過(guò)程方面,,,34,研究方法,一般的化學(xué)工程問(wèn)題，藉助相似論和因次論指導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)，綜合性地予以解決。 例如：換熱器中傳熱系數(shù)，它不是從基礎(chǔ)理論出發(fā)去尋找有關(guān)因素之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，再經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)方程的運(yùn)算而求解，而是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定歸納成經(jīng)驗(yàn)的相似準(zhǔn)數(shù)的關(guān)系式予以確定

19、的。,換熱器,35,化學(xué)反應(yīng)工程中，有化學(xué)過(guò)程，又有物理過(guò)程。實(shí)驗(yàn)的納果，只能還原應(yīng)用于該實(shí)驗(yàn)條件本身，既沒(méi)有普遍性，也不能轉(zhuǎn)用于實(shí)驗(yàn)條件之外的其它情況。小實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，不能應(yīng)用于大型裝置。,研究方法,蘭州石油化工,36,數(shù)學(xué)模型,數(shù)學(xué)模型：將復(fù)雜的研究對(duì)象合理地簡(jiǎn)化成某個(gè)模型，與原過(guò)程(或稱原型)近似地等效的或當(dāng)量的。以該簡(jiǎn)化模型進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，所得的數(shù)學(xué)關(guān)系式即為原型近似等效的數(shù)學(xué)模型，然后通過(guò)求解或進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算而研究其特性。數(shù)字

20、模型方法的核心——對(duì)復(fù)雜對(duì)象的簡(jiǎn)化。,37,數(shù)學(xué)模型——數(shù)學(xué)模擬方法的基礎(chǔ)，數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)是對(duì)過(guò)程多種影響因素的分析或稱為物理模型。,數(shù)學(xué)模型,處理問(wèn)題的性質(zhì),化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型流動(dòng)模型傳遞模型宏觀動(dòng)力學(xué)模型。,,,數(shù)學(xué)模型,38,數(shù)學(xué)模擬放大方法,39,學(xué)習(xí)方法,1．抓反應(yīng)類型、挖掘物理因素、歸結(jié)于最終目標(biāo) 評(píng)定反應(yīng)結(jié)果優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)為下列二個(gè)主要因素： (1)反應(yīng)的速率——直接影響到反應(yīng)器的大小尺寸(或催化劑等的用量)從而關(guān)

21、系到投資費(fèi)用。對(duì)一個(gè)特定的反應(yīng)器，速率往往體現(xiàn)為轉(zhuǎn)化率，它是表明反應(yīng)的深度即反應(yīng)原料轉(zhuǎn)化的百分率的。 (2)反應(yīng)的選擇性——表明反應(yīng)的方向，即反應(yīng)的物料以多高的百分率轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)品。,40,2. 要著重于基本概念的掌握，力求達(dá)到清晰、嚴(yán)格、準(zhǔn)確。3. 要明確考察問(wèn)題中的不同尺度和不同立場(chǎng)。 ——化學(xué)反應(yīng)本身是以分子尺度進(jìn)行的，屬于微觀動(dòng)力學(xué)。 ——傳遞過(guò)程比如氣泡、液滴和固體顆粒的運(yùn)動(dòng)，都是比分子尺度大得多的尺

22、度，屬于宏觀動(dòng)力學(xué)。,學(xué)習(xí)方法,41,本課程綜合性強(qiáng),42,普遍采用數(shù)學(xué)模型和模擬方法。本課程宜以數(shù)學(xué)模型和模擬方法為主線，結(jié)合各章節(jié)的具體內(nèi)容，強(qiáng)化對(duì)該方法的講授。,本課程的特點(diǎn),吉林燃料乙醇裝置,43,反應(yīng)器內(nèi)傳遞過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)據(jù)的積累還很薄弱，特別是對(duì)于化工生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的多相流動(dòng)體系研究得還很不夠。反應(yīng)工程的研究需要與多相流體力學(xué)和多相傳遞過(guò)程的研究相結(jié)合，以便相輔相成。化學(xué)反應(yīng)工程向生化、冶金等領(lǐng)域擴(kuò)展時(shí)還會(huì)出現(xiàn)新的