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化学反应工程 第一章绪论 天津大学化工学院反应工程教研组 化学反应工程定义 化学反应和反应器的分类 化学工程与化学工程师 反应工程学的历史及发展 反应工程的用途 相关概念 反应器的类型与操作方式 反应器设计的基本方程 化学反应工程的基本研究方法及工业反应器的设计方法 本章内容 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 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 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 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 1 由物料的不均匀混合和停留时间不同引起的传质过程 2 由化学反应的热效应产生的传热过程 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 从本质上说 物理过程不会改变化学反应过程的动力学规律 即反应动力学规律不因为物理过程的存在而发生变化 但是流体流动 传质 传热过程会影响实际反应场所的温度和参与反应的各组分浓度在空间上的分布 最终影响到反应的结果 化学反应和反应器的分类 化学反应和反应器的分类方法很多 常按下列四种方法进行分类 一 按反应系统涉及的相态分类 分为1 均相反应 包括气相均相反应和液相均相反应 2 非均相反应 包括气 固相 气 液相 气 液 固相反应等 二 按操作方式分类 分为1 间歇操作 是指一批物料投入反应器后 经过一定时间的反应再取出的操作方法 2 连续操作 指反应物料连续地通过反应器的操作方式 3 半连续操作 指反应器中的物料 有一些是分批地加入或取出 而另一些则是连续流动通过反应器 三 按反应器型式来分类 分为1 管式反应器 一般长径比大于302 槽式反应器 一般高径比为1 33 塔式反应器 一般高径比在3 30之间 四 按传热条件分类 分为1 等温反应器 整个反应器维持恒温 这对传热要求很高 2 绝热反应器 反应器与外界没有热量交换 全部反应热效应使物料升温或降温 3 非等温 非绝热反应器 与外界有热量交换 但不等温 化学工程与化学工程师 化学工程与化学化学工程师与化学家化学工程师的具体任务与目标解决实际问题追求效率最大化追求资源利用最大化经济评价指标 Engineering Engineers SolvepracticalproblemsScientistssolvetheproblemstheycan butEngineerstrytosolvetheproblemstheyhaveto Problem orientedSolvepracticalproblemsefficientlyEngineersdoforapennywhatanyfoolcandoforapound SolvepracticalproblemsefficientlywithlimitedresourcesWillingnesstomakeestimatesandassumptionsMustbeconstantlyawareofthedifferencebetweentheidealizedconditionsunderwhichthebasicknowledgewasobtainedandtherealconditionsoftheirdesignanditsenvironmentFearless embracesnewchallenges Engineering Engineer QuantitativereasoningReadinesstofaceopen endquestionAhabitofvisualizingthesolutionInvent Hamletwascreated Thetelephonewasinvented StructureofDNAwasdiscovered Whetheryoubelieveyoucan orwhetheryoubelieveyoucan t youareabsolutelyright HenryFord ChemicalEngineering IshallusethephraseofChemicalEngineeringSciencetomeantheaspectsofsciencedevelopedbychemicalengineersfortheirownpurposeinfieldnotcoveredbyotherbranchoftechnology P VDanckwerts Education WinchesterCollege BalliolCollege OxfordUniversity MassachusettsInstituteofTechnology BA chemistry Oxon 1938 SM ChemicalEngineeringPractice MIT 1948 MACantab1948 HeldapostinthesmallchemicalcompanyofFullersEarthUnionLtd Redhill 1939 1940 TrendsinChemEandChem Industry DiversifiedapplicationareasRelyingonbroaderanddeeperscienceknowledge ChemicalEngineeringUnitOperationsTransportprocessesReactionEngineering FundamentalSciences PhysicsChemistryBiologyMathematics Applications EnergyInorganicIndustryPetrochemicalsBiochemicalsPharmaceuticalsMaterialsElectronics TrendsinChemEandChem Industry Globalization CompetitionJobSecurityTheabilitytofindanotherjobSpeedisthekeySustainability energyandenvironmental RequirementforChemEEducation VersatilityBePracticalUsefundamentaltheoriesandknowledgetosolvepracticalproblemsMulti scaleanalysisandSynthesisAnalysisofcomplexsystemComprehensiveusageofabroadrangeofknowledge ChemicalReactor Definition General Anequipmentordevicethatservestoconductchemicalreactions i e convertmoleculesfromoneformtoanother Narrowed Chemicalconversionisperformedforthepurposeofproducingoreliminatingpre determinedmolecularcompound s Purpose makingoreliminatingControl safe selectivity performanceoptimization 1 2ChemicalReactor ScaleMulti scaleAnalysis JamesWei Chem Eng Sci 59 2004 1641 1651 ReactorDesign DesigntaskTypeSizeOperationconditionsScale upProcedureInitialestimationSelectionDesigncalculation 20世纪30年代 丹克莱尔 Damh hler 梯尔 Thiele 和史尔多维奇 扩散 流体流动和传热对反应器产率的影响 奠定了化学反应工程基础20世纪40年代末 霍根 Hougen 和华生 Waston 法兰克 卡明斯基 1反应工程学的历史及发展 化学反应与传递现象的相互关系 萌芽阶段 20世纪30年代 丹克莱尔在当时实验数据十分贫乏的情况下 较系统地论述了扩散 流体流动和传热对反应器产率的影响 为化学反应工程奠定了基础 初步形成 1957年 欧洲几个国家从事反应工程这一领域研究工作的学者在荷兰的阿姆斯特丹召开的一次学术会议上首次使用化学反应工程一词 这标志着该学科的初步形成 成熟阶段 60年代石油化工的大发展 生产的日趋大型化和单机化 以及原料加工的不断发展加速了反应工程学科的发展使其进入黄金时代并日趋成熟 新的契机 80年代以后 随着高技术的发展和应用 如微电子器件的加工 光导纤维生产 新材料以及生物技术等 向化学反应工程工作者提出了新的研究课题 使化学反应工程形成新的分支 如生化反应工程 聚合反应工程等 扩大了化学反应工程的研究领域 从而使化学反应工程的研究进入了一个碌慕锥巍 1957年 首次使用 化学反应工程 术语Amsterdam ESCRE 60年代 快速发展期石油化工的大发展计算机的发展与应用80年代 形成新的分支 生化反应工程聚合反应工程电化学反应工程 1反应工程学的历史及发展 InternationalSymposiaonChemicalReactionEngineering ISCRE 2反应工程的用途 作用 研究内容 反应动力学反应模式速率方程活化能 反应器的设计与分析各因素 T P c 的变化规律最佳工况 3化学反应的转化率和收率 3 1反应进度 3 2转化率X 注意 按关键组分计 反应物的起始态 3化学反应的转化率和收率 3 3收率Y与选择性S 3化学反应的转化率和收率 进入SO2氧化器的气体组成 摩尔分数 为 SO2 3 07 SO3 4 6 O2 8 44 N2 83 89 离开反应器的气体中SO2的含量为1 5 试计算SO2的转化率 例1 3化学反应的转化率和收率 丁二烯是制造合成橡胶的重要原料 制取丁二烯的工业方法之一是将正丁烯和空气及水蒸气的混合气体在磷钼铋催化剂上进行氧化脱氢 除生成丁二烯的主反应外 还有许多副反应 如生成酮 醛及有机酸的反应 反应在温度350 压力0 2026MPa下进行 得到反应前后的物料组成如下 根据表中的数据计算正丁烯的转化率 丁二烯的收率和反应的选择性 例2 反应前后物料组成 4反应器的类型 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 乙苯加氢气液塔式反应器 轻油裂解制乙烯管式非催化反应器 4反应器的类型 管式反应器 釜式反应器 4反应器的类型 塔式反应器 板式塔 填料塔 4反应器的类型 固定床反应器 流化床反应器 床式反应器 4反应器的类型 移动床反应器 滴流床反应器 浆态床反应器 4反应器的类型 5反应器的操作方式 A B 5反应器的操作方式 间歇操作 batchreactor BR 连续操作 continuousstirredtankreactor CSTR 连续操作 PFRreactor 质量衡算 关键组分i的输入速率 i的输出速率 i的转化速率 i的累积速率 热量衡算 输入的热量 输出的热量 反应热 累积的热量 动量衡算 输入的动量 输出的动量 动量消耗 累积的动量 6反应器设计的基本方程 6反应器设计的基本方程 控制体积 可以把反应速度视为定值的最大空间范围 状态变量 浓度 质量衡算 温度 能量衡算 压力 动量衡算 自变量 时间空间 定态过程 无时间变量 化学反应工程的基本研究方法 化学反应工程的基本研究方法是数学模型法 数学模型法是对复杂的难以用数学全面描述的客观实体 人为地做某些假定 设想出一个简化模型 并通过对简化模型的数学求解 达到利用简单数学方程描述复杂物理过程的目的 1 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