化学反应工程第一章-绪论

化学反应工程ChemicalReactionEngineering,主讲教师：罗国华工作单位：化学工程学院答疑地点：3#实验楼-216答疑时间：成绩评定：总评成绩=20%平时成绩（作业+考勤）+80%期末成绩,主要参考书：1、郭锴化学反应工程化学工业出版社，2000年2、朱炳辰化学反应工程第五版，化学工业出版社，2012年3、靳海波等译化学反应工程第二版，中国石化出版社，2012年4、李绍芬化学反应工程化学工业出版社，2005年5、OctaveLevenspiel.ChemicalReactionEngineering.2002化学工业出版社（第一版）,第一章绪论Chapter1PrefaceandOverviewofChemicalReactionEngineering典型的化工过程（TypicalChemicalProcess）,物理处理过程,物理处理过程,化学反应过程,原料,产品,循环物流,图1.1典型的化工过程Figure1.1Typicalchemicalprocess,单元操作,单元操作,过程之核心,化工厂图,1.1化学反应工程学的范畴与任务1、化学反应工程发展概述最初主要依靠经验(Experiences)，形成技艺(Technics)；然后去解决化学反应工程放大(Scaleuptolargerunits)问题；化学工程学科的发展促进反应工程学科发展；先有单元操作(Unitoperations)，后有反应工程学科分支；系统工程学科的发展要求反应技术及反应器设计方面能适应系统实现最优化目标；,非线性的复杂因素关联导致出现反应工程的分支,实用化学：陶瓷的制作、酒与醋的酿造医药化学：炼丹冶金化学：炼金特点：早期化学知识来源于人类的生产和生活实践；对自然界万物的本原构成的探索中，诞生了古代朴素的元素观(如：金木水火土)；古代化学具有实用和经验的特点，尚未形成理论体系、是化学的萌芽时期；尚未形成有规模的化学加工实践。,第一阶段：古代的化学生产（17世纪以前）,第二阶段：近代化学工业（从十八世纪末开始）,特点：规模的扩大要求人们对生产过程的规律有更为透彻的了解；需要既懂工程又熟悉化学知识促使工程与化学相结合。,FritzHaber(1868-1934)弗里茨哈贝尔，德国化学家，在担任洪堡大学教授期间（1911-1933），因发明用氮和氢在高压下合成氨，1918年获诺贝尔化学奖。,开端：硝酸纯碱的工业规模生产合成氨：载入化工发展史册的工业生产（20世纪初）,提出单元操作：20世纪初提出了“化学工程”的概念，发展成为以“单元操作”（unitoperations）为基本研究内容的化学工程学。,第三阶段：现代化学工业（二战前后）,特点：原料路线、技术和设备方面都有巨大的变化和进步；以石油和天然气为主要原料的化学工业中，各种催化反应被广泛应用，要求在反应技术和反应器设计方面作出重大努力；生产规模日益大型化，促使化学工程学科形成了第二次理论综合，即：从动量传递、热量传递、质量传递（三传）的角度深入研究化工生产的物理变化过程以及从“化学反应工程”的角度来研究化工生产的化学过程（一反）。从而使化学工程学科上升为一门具有完整理论体系的全面学科。,于是：1957年，阿姆斯特丹，第一届欧洲化学反应工程会议，vanKrevelen作首篇综合性报告：Micro-andMacro-Kinetics，并将化学反应工程正式定为一门学科。,于是：荷兰vanKrevelen（范克雷维伦）提出“化学反应工程”的概念，意在系统深入地研究伴有物理过程（即传递现象）的化学反应过程。,于是：1981年，化学反应工程正式进入我国化工高等教育。,于是：,2、化学反应工程的范畴与任务化学反应工程：研究化学反应工程问题的学科化学反应工程研究对象：化学反应及反应器的工程问题，将化学反应特性(characteristicsofchemicalreaction)与反应器装置特性两者结合起来形成的学科体系化学反应工程研究内容包括范围：化学与工艺：化学热力学(thermodynamics)、化学反应动力学(chemicalkinetics)，催化剂(catalysts)制备工艺及反应条件；确定反应工艺路线、流程与设备传递工程：反应器中流体流动(fluidmechanics)、混合(mix)、传热(heattransfer)、传质(masstransfer)系统工程：反应过程的动态特性与反应系统的控制及相关的最优化问题,化学反应工程与相关学科的联系：化学热力学：确定物系的各种物性常数，反应的可行性及可能达到的程度。反应动力学：反应器的选型、设计及操作方式选择都依赖于对反应动力学特性(characteristicsofreactionkinetics)的认识。例如：裂解制乙烯；乙烯氧化制环氧乙烷；合成氨催化剂的开发等。传递工程：流动与混合直接影响温度与浓度分布，最终影响离开装置物料的组成。装置中的“三传”是极其复杂的，规模放大时的“三传”也随之发生变化，即出现“放大效应”，因此要解决好装置的放大效应，就必须对反应器内流体的三传（传热、传质、动量传递）有一个十分清晰的认识。系统工程：对反应装置是最优化的条件不一定就是整个系统的最优化，这时反应装置也就只能服从系统最优化目标，为此必须了解反应过程的动态特征及相关的最优化问题。,化学反应工程学的任务：研究工业化学反应器的基本原理和对反应器中所进行反应过程进行分析。结合具体的反应装置，运用物理学、化学及工程学和经济学的基本原理与定律，综合研究反应器中的反应过程与传递过程，从而能够正确选定反应器的的最合适的型式和最经济的化学工艺路线及操作条件，对反应器进行最佳设计和最佳控制，为过程开发和反应器的放大提供依据。概括的说，化学反应工程学就是使化学反应实现工业化的一门技术科学。,化学工业生产过程包括物理变化和化学反应的过程。化学反应过程是生产的关键。化学反应工程研究化学反应的工程问题，其主要内容是：对工业反应进行宏观动力学研究；对反应过程进行工程分析；制定合理的技术方案和操作条件；进行反应器或反应系统的设计及优化。本课程的教学目的是为使同学们具有以下方面的能力打下坚实的理论基础：一改进和加强现有的反应技术和设备；二开发新的反应技术和新的反应设备；三用理论指导和解决反应过程开发中的放大问题；四实现反应过程的最优化；五不断发展反应工程学的理论和方法。,1.2化学反应工程学的基本方法化学反应工程研究方法：模型方法（ModellingMethod)。模型方法：是用数学模型来分析和研究化学反应工程问题。数学模型（MathematicalModel)：用数学语言来表达过程中各种变量之间的关系。数学模型的建立应从应用的角度着眼，使之适用和能用，而不是力图将过程中的一切关系不分主次地罗列出来。数学模型的分类：机理模型(ExperienceModel)-从过程机理出发推导得到的；经验模型(MechanismModel)-从实验数据归纳得到的。,化学反应工程中的数学模型：动力学方程式(ChemicalReactionKineticsEquation)物料衡算式(MaterialEquilibriumEquation)热量衡算式(EnergyEquilibriumEquation)动量衡算式(MomentumEquilibriumEquation)参数计算式(ParameterEquation)模型的检验：必要性，工业反应器规模变化时，不仅产生量的变化，而且产生质的变化，一定规模的实验得到的模型可能不适用，必须修正；检验模型过程，需要做不同规模的反应器试验，反复将模型进行检验，不断修正。可以用下图表示：,动力学模型数据：描述过程反应速率快慢的数学模型。一般均在实验室的小装置中进行，提供最基础的资料（反应特性）。传递过程模型数据：依靠实验求取，特别是大型冷模装置，当然有生产装置的数据可用就更好了（反应器特性）。写出并整理数学模型：列出物料衡算式、热量衡算式、动量衡算式。一般原则：累积量(Accumulation)=输入量(Input)输出量(Output)将物料衡算式、热量衡算式、化学反应动力学方程式结合相关的参数计算式联立求解结果就给出了反应装置的浓度分布与温度分布从而回答了反应器设计中的最基本问题,1.3化学反应工程学的学科系统和编排按操作方法分类（见下页图）：分批（或间歇）式操作（Batchreactoroperation)：物料浓度及反应速率都在不断改变，是一种非定常态过程。工程放大问题比较简单（相似放大），生产弹性大，操作灵活。连续式操作(Constantflowreactoroperation)：适用于产量较大、生产品种单一的情况。半分批（或半连续）式操作：,按反应装置的结构分类：大致可分为：管式、塔式、釜式、固定床、流化床等类型。要结合反应特性及装置特性进行选型。按反应相态分类：均相(Homogeneoussystems)：气相、液相；非均相(Heterogeneoussystems)：气液、液液、气固、液固、固固、气液固。,综上所述：化学反应工程研究的主体仍然是化学反应本身，而反应器只不过是提供实现化学反