化學反應工程 緒論

1、1,化學反應工程(Chemical reaction engineering, CRE)授課教師：董延茂,2,第一章 緒論,教材：朱炳辰 主編，化學反應工程（第四版），化學工業(yè)出版社，2007參考資料：①郭鍇，唐小恒，周緒美編，化學反應工程，化學工業(yè)出版社；②陳甘棠主編，化學反應工程，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,學科地位及歷史研究對象及內容研究方法,第一章 緒論,5,化學反應工程——化學工程學科的一個分支，以工業(yè)反應過程為主要研究對象，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目的的一門新興工程學科。研究對象——工業(yè)反應過程，研究過程速率及其變化規(guī)律、傳遞規(guī)律及其對化學反應的影響。,課程的任務和基本要求,

3、化工熱力學反應動力學傳遞過程理論化工單元操作,,6,反應器的開發(fā)設計放大優(yōu)化操作,,目的,化學石油化學生物化學醫(yī)藥冶金輕工,,應用,,課程的任務和基本要求,大慶煉化廠區(qū)鳥瞰圖,7,（1）牢固掌握基本概念、基本原理以及反應器分析和設計所用的基本關系式；（2）較深入地了解各種類型反應器的特點、性能和適用范圍，掌握固定床催化反應器等幾種重要反應器的化工設計計算方法；（3）掌握工業(yè)反應器設計的一般方法和程序；（4）較

4、深刻地理解數(shù)學模型和模擬方法的基本原理和實質；（5）具備一定的工程應用能力。,學習要求,8,基本內容,第一章       緒論第二章      均相反應動力學 第三章      理想反應器 第四章    

5、0; 非理想流動 第五章      氣固催化反應動力學 第六章      反應器設計的一般原則和方法 第七章      固定床反應器第八章     流化床反應器 第九章  

6、;    其它多相反應器,9,過程工程——以傳遞過程及化學反應工程為核心的學科體系（包括化工熱力學、化工單元過程、分離工程、化工系統(tǒng)工程等）,學科體系的基本內容與地位,三傳一反,動量傳遞熱量傳遞質量傳遞化學反應,,10,對“化學工程”概念的拓展?！斑^程工業(yè)”（process industry）——化學工程學在發(fā)展過程中不斷向科技新領域滲透拓展，應用對象已經(jīng)涵蓋了所有與物質的物理、化學加工過

7、程相聯(lián)系的工業(yè)部門，包括石油煉制、化學工業(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、醫(yī)藥、食品、造紙等工業(yè)部門。PI的特點：原料產(chǎn)品、加工過程、增加產(chǎn)量,過程工程（process engineering),11,教學時數(shù)分配,第一章3學時第二章7學時第三章9學時第四章8學時第五章6學時第六章3學時第七章5學時第八章6學時第九章4學時總學時 51

8、學時,12,第一階段：古代的化學生產(chǎn)（17世紀以前）　古代化學具有實用和經(jīng)驗的特點，尚未形成理論體系、是化學的萌芽時期；尚未形成有規(guī)模的化學加工實踐。,發(fā)展簡史,實用化學,煉丹和煉金,醫(yī)藥化學,冶金化學,,,,生產(chǎn)硫酸,13,第二階段：近代化學工業(yè)從十八世紀末開始，以硫酸，硝酸，純堿的工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)過程為開端，至20世紀初，出現(xiàn)了載入化工發(fā)展史冊的合成氨的工業(yè)生產(chǎn)。,20世紀初，英國的Davis,美Walker,Lewis等提出了“化

9、學工程”的概念，發(fā)展成為以“單元操作” （unit operations）為基本研究內容的化學工程學。,Fritz Haber (1868 - 1934),發(fā)展簡史,14,第三階段：現(xiàn)代化學工業(yè)（二戰(zhàn)前后），在原料路線，技術和設備方面都有巨大的變化和進步，在以石油和天然氣為主要原料的化學工業(yè)中，各種催化反應被廣泛應用，這就要求在反應技術和反應器設計方面作出重大努力。從動量傳遞、熱量傳遞質量傳遞的角度深入研究化工生產(chǎn)的物理變化過程，以及

10、從“化學反應工程”的角度來研究化工生產(chǎn)的化學過程。從而使化學工程學科上升為一門具有完整理論體系的全面學科。,發(fā)展簡史,15,1947年——霍根與華生合著的《化工過程原理》第三分冊中論述了動力學和催化過程。50年代，有一系列重要的研究論文發(fā)表于《化學工程科學》雜志，對反應器內部發(fā)生的若干種重要的、影響反應結果的傳遞過程，如返混、停留時間分布、微觀混合、反應器的穩(wěn)定性等進行研究，獲得了豐碩的成果。,發(fā)展簡史,16,美國Bird等編寫了《傳

11、遞現(xiàn)象》 （ Transport Phenomena ）這部歷史性的著作,發(fā)展簡史,17,發(fā)展簡史,荷蘭van Krevelen提出“化學反應工程”的概念。1957年，阿姆斯特丹，第一屆歐洲化學反應工程會議， van Krevelen作首篇綜合性報告：Micro- and Macro- Kinetics化學工業(yè)（石油化學工業(yè)）的發(fā)展，生產(chǎn)趨于大型化，對化學反應過程的開發(fā)和反應器的可靠設計提出迫切要求；化學反應動力學和化工單元操作的

12、理論和實踐有了深厚的基礎；數(shù)學模型方法和大型電子計算機的應用為反應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《化工動力學》，O.列文斯比爾的《化學反應工程》等，使學科體系大體形成。1981年，化學反應工程正式進入我國化工高等教育。,發(fā)展簡史,集總方法聚合反應工程電化學反應工程生化反應工程冶金化學反應工程,,新的分支,19,以工業(yè)規(guī)模進行的化學反應的規(guī)律。化學動力學——研究濃度和溫度

13、對反應速度的影響的科學。（1）影響反應速度的各種因素以及如何獲得最優(yōu)的反應結果等問題。（2）化學反應的速度和平衡的規(guī)律。,化學反應工程的研究內容,大慶煉化,20,化學反應的分類,按反應特性分類：　機理，可逆性，分子數(shù)，級數(shù)，熱效應按反應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，氣液相反應。按反應過程的條件分類：　溫度，壓力，操作方式,22,動量傳遞過程－流動因素,A→B,,A,,,,,,,,,

14、,,,23,熱量傳遞過程－傳熱因素,A→B,,A,,,,,,,,24,質量傳遞過程－傳質因素,25,質量傳遞過程－傳質因素,,,R,,,邊緣反應物濃度高中央反應物濃度低,此處反應較快,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)，如聚合反應等。多釜連續(xù)操作、多釜串聯(lián)操作。(3)管式反應器 多用于大規(guī)模的

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

16、醋酸溶液生成醋酸的反應。,工業(yè)反應器型式,漿態(tài)反應器滴流床反應器移動床反應器,,其他型式,30,（1）反應體積V——進行反應場所的體積?！绻磻谝合噙M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)反應器的參數(shù),工業(yè)反應器,溫度分布,濃度分布,時間分布,,,,,,y,x,z,31,（2）濃度：在氣液反應中，濃度指液相中B的濃度和溶解于液相中的A的濃度。在同一時刻在反應器的不同部位，A的濃度不同。（3）溫度

17、：在反應器中心處與釜壁處溫度存在差異。（4）時間： 在連續(xù)操作的反應器，平均的停留時間是否等于反應時間呢?,工業(yè)反應器的參數(shù),,,,,,,,A,B,C,32,處理反應工程的問題需要具備三個方面的知識：(1)化學反應的規(guī)律——主要是物理化學的領域，著重研究反應的歷程和機理；化學反應工程著重于反應速率規(guī)律的定量描述。(2)傳遞過程的規(guī)律——一般化學工程的領域；(3)上述兩者的結合能力。,知識準備,,,總結,實踐,33,新的反應過程的

18、開發(fā),工程階段——反應器的選型操作條件的選擇反應器的工程設計,化學階段——發(fā)現(xiàn)和認識新的化學反應,現(xiàn)場工作——反應器操作不正常的原因化學方面(如催化劑活性變化)傳遞過程方面,,,34,研究方法,一般的化學工程問題，藉助相似論和因次論指導下的實驗，綜合性地予以解決。 例如：換熱器中傳熱系數(shù)，它不是從基礎理論出發(fā)去尋找有關因素之間的數(shù)學關系，再經(jīng)過數(shù)學方程的運算而求解，而是通過實驗測定歸納成經(jīng)驗的相似準數(shù)的關系式予以確定

19、的。,換熱器,35,化學反應工程中，有化學過程，又有物理過程。實驗的納果，只能還原應用于該實驗條件本身，既沒有普遍性，也不能轉用于實驗條件之外的其它情況。小實驗的結果，不能應用于大型裝置。,研究方法,蘭州石油化工,36,數(shù)學模型,數(shù)學模型：將復雜的研究對象合理地簡化成某個模型，與原過程(或稱原型)近似地等效的或當量的。以該簡化模型進行數(shù)學描述，所得的數(shù)學關系式即為原型近似等效的數(shù)學模型，然后通過求解或進行數(shù)值運算而研究其特性。數(shù)字

20、模型方法的核心——對復雜對象的簡化。,37,數(shù)學模型——數(shù)學模擬方法的基礎，數(shù)學模型的基礎是對過程多種影響因素的分析或稱為物理模型。,數(shù)學模型,處理問題的性質,化學動力學模型流動模型傳遞模型宏觀動力學模型。,,,數(shù)學模型,38,數(shù)學模擬放大方法,39,學習方法,1．抓反應類型、挖掘物理因素、歸結于最終目標 評定反應結果優(yōu)劣的標準為下列二個主要因素： (1)反應的速率——直接影響到反應器的大小尺寸(或催化劑等的用量)從而關

21、系到投資費用。對一個特定的反應器，速率往往體現(xiàn)為轉化率，它是表明反應的深度即反應原料轉化的百分率的。 (2)反應的選擇性——表明反應的方向，即反應的物料以多高的百分率轉化為目的產(chǎn)品。,40,2. 要著重于基本概念的掌握，力求達到清晰、嚴格、準確。3. 要明確考察問題中的不同尺度和不同立場。 ——化學反應本身是以分子尺度進行的，屬于微觀動力學。 ——傳遞過程比如氣泡、液滴和固體顆粒的運動，都是比分子尺度大得多的尺

22、度，屬于宏觀動力學。,學習方法,41,本課程綜合性強,42,普遍采用數(shù)學模型和模擬方法。本課程宜以數(shù)學模型和模擬方法為主線，結合各章節(jié)的具體內容，強化對該方法的講授。,本課程的特點,吉林燃料乙醇裝置,43,反應器內傳遞過程的實驗研究和數(shù)據(jù)的積累還很薄弱，特別是對于化工生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的多相流動體系研究得還很不夠。反應工程的研究需要與多相流體力學和多相傳遞過程的研究相結合，以便相輔相成?；瘜W反應工程向生化、冶金等領域擴展時還會出現(xiàn)新的