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化学反应工程 (Chemical Reaction Engineering) 第一章 绪 论 1.1 化学反应工程学的范畴和任务 1.2 化学反应工程的基本方法 1.3 化工过程放大 1.4 最优化 1.5 反应器类型 1.6 主要内容 1.7 学习目的及要求 1.1 化学反应工程学的范畴和任务 化学反应过程是物理与化学两类因素综合体 ，是化学反应生产的关键。 远溯古代，陶瓷制作、酿酒等工艺，但直到 本世纪五十年代一直还未形成一门专门研究的独 立学科，到1957年举行的第一次欧洲反应工程会 议上确立了这一学科的名称。 化学反应工程学：是一门研究化学反应的工 程问题的科学，既以化学反应作为研究对象，又 以工程问题为研究对象，把二者结合起来的学科 体系。 l化学反应工程学是一门研究涉及化学反应 的工程问题的学科。 l对于已经在实验室中实现的化学反应，如 何将其在工业规模实现是化学反应工程学 的主要任务。 l为了这一目标，化学反应工程学不仅研 究化学反应速率与反应条件之间的关系 ，即化学反应动力学，而且，着重研究 传递过程对化学反应速率的影响；研究 不同类型反应器的特点及其与化学反应 结果之间的关系。 l工业规模的化学反应较之实验室规模要 复杂得多，在实验室规模上影响不大的 质量和热量传递因素，在工业规模可能 起着主导作用。在工业反应器中既有化 学反应过程，又有物理过程。物理过程 与化学过程相互影响，相互渗透，有可 能导致工业反应器内的反应结果与实验 室规模大相径庭。 工业反应器中对反应结果产生影响的主要物理 过程是： l(1)由物料的不均匀混合和停留时间不同引起 的传质过程； l(2)由化学反应的热效应产生的传热过程； l(3)多相催化反应中在催化剂微孔内的扩散与 传热过程。这些物理过程与化学反应过程同时 发生。 1.1.1 化学反应工程的研究对象 1.1 1.1 化学反应工程学的范畴和任务化学反应工程学的范畴和任务第一章第一章 绪 论绪 论 原材料 半成品或成品 公用工程 副产品及三废 化学反应、分离 以及 物料、能量的 输送和转换 可见，化工生产过程往往由许多步骤组成，并力求最经济 地生产产品，减少废弃物量。其中的化学加工步骤就是化学反 应工程的研究对象。实现化学加工步骤的设备称为反应器。 任何一个化工过程都可概括为：任何一个化工过程都可概括为： l能否选择恰当的化学加工方式、采用合适 的反应器型式，往往是一个化工生产过程 的关键。 l通过化学反应工程的学习，可解决： 如何分析化学加工过程及反应器状况， 制定最优化条件。 如何选择和设计反应器，以完成所需的 化学加工过程。 1.1 1.1 化学反应工程学的范畴和任务化学反应工程学的范畴和任务第一章第一章 绪 论绪 论 1.1.2 1.1.2 化学反应工程的范畴和任务化学反应工程的范畴和任务 化学反应工程学是一门研究化学反应的工程问题的科 学。 只研究化学反应本身的规律以及反应结果（反应速 率、选择性等）与温度和浓度的关系，而不涉及传递过 程，属化学动力学问题。 研究反应器构型，物料在其中的流动、传热和传质的 传递规律，以及传递过程对反应结果的影响。这属工程 问题。 根据化学动力学问题，解决工程问题，确定与反应特 性相适应的反应器型式、结构尺寸和操作条件，达到较 好的反应结果。这就是化学反应工程开发的核心内容。 1.1 1.1 化学反应工程学的范畴和任务化学反应工程学的范畴和任务第一章第一章 绪 论绪 论 1. 1. 化学反应工程的内容化学反应工程的内容 .过程动力学 研究反应机理 研究反应速率与外界因素关系 研究传递过程对反应速率影响 本征反应动力学：是在理想的条件下研究化学反应进行 的机理和反应物系组成、温度、压力等参数，但不包括传递 过程既反应器结构参数对反应速率的影响。 宏观动力学：在工业规模的化学反应器中，化学反应过 程与质量、热量及动量传递过程同时进行，这种化学反应与 物力变化过程的综合，成为宏观反应过程，研究其动力学的 成为宏观反应动力学。 1.1 1.1 化学反应工程学的范畴和任务化学反应工程学的范畴和任务第一章第一章 绪 论绪 论 本征动力学 宏观动力学 .反应器设计与分析 良好的反应器能提供一种良好的三传 环境，保证化学反应的顺利进行。 2.化学反应工程学的任务 .反应工程分析 .反应技术开发 .反应器设计 1.2 1.2 化学反应工程的基本方法化学反应工程的基本方法 第一章第一章 绪 论绪 论 1.2.1 1.2.1 数学模型数学模型 数学模型数学模型是指在因变量和自变量间建立的数学关系是指在因变量和自变量间建立的数学关系 式。式。 1.1.数学模型分类数学模型分类 按参数空间分布程度：集中参数模型和分布参数模按参数空间分布程度：集中参数模型和分布参数模 型。型。 按参数与时间关系：定态模型和非定态模型。按参数与时间关系：定态模型和非定态模型。 按参数性质：确定模型和随机模型。按参数性质：确定模型和随机模型。 按建立模型的方法：机理模型和经验模型。按建立模型的方法：机理模型和经验模型。 按参数连续性：连续体模型和细胞室模型。按参数连续性：连续体模型和细胞室模型。 按数学关系：线性模型和非线性模型。按数学关系：线性模型和非线性模型。 2.数学模型法的建立步骤 l1建立简化物理模型 对复杂客观实体，在深入了解基础上，进行合理 简化，设想一个物理过程(模型)代替实际过程。 简化必须合理，即简化模型必须反映客观实体， 便于数学描述和适用。不失真、满足应用要求、 适应现有的实验条件和适应现有的计算能力。 l2建立数学模型 依照物理模型和相关的已知原理，写出描述物理 模型的数学方程及其初始和边界条件。 l3用模型方程的解讨论客体的特性规律 1.2 1.2 化学反应工程的基本方法化学反应工程的基本方法第一章第一章 绪 论绪 论 1.2.2 1.2.2 反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程 反应器设计的基本方程就是描述反应器的数学模型。反应器设计的基本方程就是描述反应器的数学模型。 控制体积是指能把化学反应速率视作定值的最大空间范围。它控制体积是指能把化学反应速率视作定值的最大空间范围。它 规定了建立数学模型的范围。规定了建立数学模型的范围。 1.1.物料衡算方程物料衡算方程 依据：质量守恒定律。依据：质量守恒定律。 一般式为：一般式为： 其中，其中，输入量为随物流进入控制体积的衡算对象量；输入量为随物流进入控制体积的衡算对象量； 输出量包括随物流离开控制体积的衡算对象量、衡算对象反应输出量包括随物流离开控制体积的衡算对象量、衡算对象反应 量以及衡算对象损失量；量以及衡算对象损失量； 累积量为控制体积内衡算对象随时间的变化量。累积量为控制体积内衡算对象随时间的变化量。 输入量输出量累积量 1.2 1.2 化学反应工程的基本方法化学反应工程的基本方法第一章第一章 绪 论绪 论 2.2.能量衡算方程能量衡算方程 依据：能量守恒定律。依据：能量守恒定律。 一般式为：一般式为： 其中，输入量包括随物流进入控制体积的能量、反应热以及其中，输入量包括随物流进入控制体积的能量、反应热以及 其他输入能量；其他输入能量； 输出量包括随物流离开控制体积的能量、与环境交换的输出量包括随物流离开控制体积的能量、与环境交换的 能量以及其他输出能量；能量以及其他输出能量； 累积量为控制体积内能量随时间的变化量。累积量为控制体积内能量随时间的变化量。 输入量输出量累积量 1.2 1.2 化学反应工程的基本方法化学反应工程的基本方法第一章第一章 绪 论绪 论 3.3.动量衡算方程动量衡算方程 依据：动量守恒定律。依据：动量守恒定律。 一般式为：一般式为： 其中，输入量包括随物流进入控制体积的动量和作用在控制其中，输入量包括随物流进入控制体积的动量和作用在控制 体积上的各种力所引起的动量；体积上的各种力所引起的动量； 输出量包括随物流离开控制体积的动量和动量消耗量输出量包括随物流离开控制体积的动量和动量消耗量 ； 累积量为控制体积内动量随时间的变化量。累积量为控制体积内动量随时间的变化量。 4.4.动力学方程动力学方程 5.5.参数计算式参数计算式 输入量输出量累积量 1.3 1.3 化工放大化工放大 第一章第一章 绪 论绪 论 放大效应：由试验室小型生产到放大生产,出现了导 致反应器结构和操作条件发生变化的现象。温度、浓度、 时间分布是工业反应器不同于实验室反应器的特征所在。 放大放大是指部分依据小型装置的试验和示范对较大装置是指部分依据小型装置的试验和示范对较大装置 进行设计和制定操作方法并使其成功开车和运转的过程。进行设计和制定操作方法并使其成功开车和运转的过程。 从实验室试验到成功的工业规模设计的过程就是从实验室试验到成功的工业规模设计的过程就是放大放大 过程过程。 放大方法放大方法： 逐级经验放大法逐级经验放大法 实型规模试验法实型规模试验法 数学模拟放大法数学模拟放大法 利用数学模型解决化学 反应工程问题 l基本步骤为： l1小试研究化学反应规律； l2大型冷模实验研究传递过程规律； l3利用计算机或其它手段综合反应规律和 传递规律，预测大型反应器性能，寻找优 化条件； l4热模实验检验数学模型的等效性。 1.4 1.4 最优化最优化 第一章第一章 绪 论绪 论 对工程问题，都可能存在多种解决途径，即多种方案。人们对工程问题，都可能存在多种解决途径，即多种方案。人们 总希望从其中选择一种最优的方案。这种最优总是与一定评价标总希望从其中选择一种最优的方案。这种最优总是与一定评价标 准相联系的。标准不同，最优方案也不同。准相联系的。标准不同，最优方案也不同。 目标目标是指最优化的标准或评价方法。是指最优化的标准或评价方法。 目标函数目标函数是指目标与系统变量间的数学关系。是指目标与系统变量间的数学关系。 凡是最优化问题都要达到最优目标，因次，最优化问题就变凡是最优化问题都要达到最优目标，因次，最优化问题就变 成了对目标函数求极值的问题。当对变量的取值存在某些限制时成了对目标函数求极值的问题。当对变量的取值存在某些限制时 ，这时的最优问题是一种条件极值问题。，这时的最优问题是一种条件极值问题。 反应器最优化反应器最优化有：有： 设计优化设计优化 管理优化管理优化 控制优化控制优化 1.5 1.5 反应器类型反应器类型第一章第一章 绪 论绪 论 1.5.1 1.5.1 反应器分类反应器分类 按按反应相态反应相态：均相和非均相：均相和非均相 按按结构型式结构型式：固定床反应器、移动床反应器和流：固定床反应器、移动床反应器和流 化化 床反应器；搅拌槽、鼓泡塔和管式反应器；特殊床反应器；搅拌槽、鼓泡塔和管式反应器；特殊 反应器，如火焰反应器、气流床反应器、板式塔、光反应器，如火焰反应器、气流床反应器、板式塔、光 化学反应器、砖窑等。化学反应器、砖窑等。 按按操作方式操作方式：间歇操作反应器、连续操作反应器：间歇操作反应器、连续操作反应器 和半连续操作反应器。和半连续操作反应器。 按按物流流动状态物流流动状态：理想反应器（全混流反应器和：理想反应器（全混流反应器和 平推流反应器）和非理想反应器。平推流反应器）和非理想反应器。 按按传热方式传热方式：间接换热式反应器和直接换热式反：间接换热式反应器和直接换热式反 应器。应器。 重油的催化裂化流化床反应器 搅拌釜式反应器 邻二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反应器 轻油裂解制乙烯管式非催化反应器 反应器的型式与特性表 类型适用反应优缺点 搅拌槽液相、液液、液固相适用性大，操作弹性大，温度、浓 度易控制，产品质量均一 管式气相、液相返混小，反应器容积小，比传热面 大 空塔或搅拌塔液相、液液相结构简单，返混程度与高/径比及搅 拌有关，轴向温差大 鼓泡塔或挡板鼓 泡塔 气液相，气液固相气相返混小，液相返混大，温度较 易调节，气体压降大，流速有限制 填料塔液相、气液相结构简单，返混小，压降小，有温 差，填料装卸麻烦 板式塔气液相逆流接触，气液返混均小，流速有 限制，如需传热，常另加传热面 喷雾塔气液相快速反应结构简单，液体表面积大，停留时 间受塔高限制，气流速度有限制 1.5.2 反应器型式的选定 依据：相态及其数目；反应特性；传热和传 质对反应的影响。 l 均相：气相反应常用管式反应器和火焰反应 器；液相反应一般采用搅拌槽。 l 非均相：气固催化反应常用固定床反应器和 流化床反应器；气固非催化反应常用移动床反应 器和流化床反应器；气液反应常用搅拌槽、鼓泡 塔、填料塔、板式塔等；液液和液固反应常用搅 拌槽；固固反应常用转窑；气液固反应常用浆态 床反应器和滴流床反应器。 1.6 主要内容 反应动力学基础 釜式反应器 管式反应器 停留时间分布与反应器的流动模型 多相系统中的化学反应与传递现象 多相催化反应器的设计与分析 1.7 学习目的与要求 设置本课程，为了使学生能够牢固掌 握反应工程的基本概念、基本原理和计算 方法，能够运用所学理论知识合理确定反 应器型式和进行反应器的设计计算；根据 具体情况对反应器的操作进行优化；对反 应过程中的某些现象进行简单分析，从而 指导设计与生产。 通过本课程的学习，要求考生正确理 解反应工程有关基本概念、基本原理，掌 握化学反应学科的学习方法及理论联系实 际方法，提高分析问题和解决问题的能力 。 主要参考书主要参考书： ： 陈甘棠陈甘棠. . 化学反应工程化学反应工程( (第二版第二版). ).北京北京: :化学工业出化学工业出 版社版社,1990.,1990. 朱炳