化学反应工程课件绪论

1、化学反应工程化学反应工程Chemical Reaction Engineering 1.1 化学反应工程学的学科历史化学反应工程学的学科历史 1.2 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 1.3化学反应工程的化学反应工程的与多尺度及多学科的联系与多尺度及多学科的联系 1.4化学反应工程的研究方法化学反应工程的研究方法绪绪 论论 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，理过程。物理过程

2、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。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。的学科历史的学科历史1.1.1 化学工程的发展史化学工程的发展史 化学工程发展史及化学反应工程学科的形成第一阶段

3、：古代的化学生产第一阶段：古代的化学生产（17世纪以前）世纪以前） 这一时期经历了实用化学、炼丹和炼金、医药化学和冶金化学等时期。如，远古时的金属冶炼、酿造、制陶、火药、造纸等技艺，为化学反应工程学提供了实践基础。 第二阶段：近代化学工业从十八世纪末开始，第二阶段：近代化学工业从十八世纪末开始，以硫酸，硝酸，纯碱的工业规模的生产过程为开端，至20世纪初，出现了载入化工发展史册的合成氨的工业生产合成氨的工业生产。 第三阶段：现代化学工业（二战前后），第三阶段：现代化学工业（二战前后），在原料路线，技术和设备方面都有巨大的变化和进步，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、

4、质量传递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。最终，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。三传三传一反一反。的学科历史的学科历史的学科历史的学科历史1.1.2 化学反应工程学的发展史化学反应工程学的发展史均相非均相低分子体系高分子体系反应动力学反应器中的传递现象定常态非定常态实验室研究计算机模拟化学反应工程学的发展历程：Back 30年代年代，石油化学工业刚刚兴起。提出了“单元操作”和“单元过程”等概念。单元操作流体输送，蒸馏，干燥等专管物理工序。单元过程磺化，水解，加氢等专管化学反应工序。1937年，丹克莱尔较系统的阐述了“

5、扩散，流体流动和传热对化学反应收率的影响”，为化学反应工程的创立奠定了基础。的学科历史的学科历史40年代年代，三个重要的过程开发研究工作： 流化床催化裂化-汽油 丁苯橡胶乳液聚合-（汽车）轮胎 曼哈顿计划-原子弹（气体扩散提炼浓缩铀U238） 1947年，出版了两本书: 霍根（Hougen）和华生（waston）-化学过程原理 法兰克-卡明涅斯基-化学动力学中的扩散与传热。50年代年代，石油化工迅猛发展，反应器规模不断扩大。 又提出了一些重要的基本概念。如返混，反应器稳定性，微观混合，伴有化学反应的传质等。 1957年，在荷兰首都举行了第一次欧洲化学反应工程会议。会上正式提出了“化学反应工程学

6、”的概念。 1960年，召开了第二次欧洲化学反应工程会议。 1970年，在美国首都(华盛顿)召开了第一次国际化学反应工程讨论会。70年代中期年代中期，反应工程向深度和广度发展，出现了关于g-l、g-l-s反应器、生化反应工程等方面的专著。80年代以后年代以后，反应工程的理论与方法已日臻完善与丰富。的学科历史的学科历史我国化学工程与技术学科的发展中里程碑我国化学工程与技术学科的发展中里程碑 1935年8月我国化工的先驱吴蕴初先生建成上海天利氮气厂生产出液氨，吴先生还创办了天厨味精厂(1923)，天原电化厂(1929)和天盛陶器厂(1934)，以及范旭东在天津创办的永利碱厂，这些化工原料的生产推动

7、了我国化学工业的发展. 合成氨工业的巨大成功推动了化学工业迅速发展，也带动了一系列化学工程基础理论工作，如化工热力学、化学工艺学、工业催化等。氨合成催化剂的研究与改进已经尝试10万多个配方，至今仍是催化界研究的方向。1.2.1 化学反应工程学的定义化学反应工程学的定义的的范畴和任务范畴和任务化学方法加工进行化学反应反应产物的分离与提纯反应工程单元操作（三传）单元操作（三传）进行化学反应原料的预处理典型化工过程 (Typical chemical pocess)1、化学反应工程是化工生产的核心、化学反应工程是化工生产的核心原料预处理原料预处理化学反应化学反应产品分离产品分离与提纯与提纯核心目的产

8、物产生高纯度产物脱出杂质 化学反应工程化学反应工程简称反应工程简称反应工程，是一门研究化学反应的工程问题的学科。即：是一门研究化学反应的工程问题的学科。即：研究化学反应如何在工业上实现的科学研究化学反应如何在工业上实现的科学。包括两个方面，即。包括两个方面，即反应动力学反应动力学和和反反应器设计与分析应器设计与分析。反应动力学反应动力学主要研究化学反应的机理和速率。主要研究化学反应的机理和速率。反应器设计与分析反应器设计与分析主要研究反应器影响因素的变化规律，寻找最优工况和反主要研究反应器影响因素的变化规律，寻找最优工况和反应器的最好型式，以获得最大的经济效益。应器的最好型式，以获得最大的经济

9、效益。 即生产多少产品，需要多少时间？需要多大空间（即反应器体积）？即生产多少产品，需要多少时间？需要多大空间（即反应器体积）？如何使反应过程实现优质、高产、低消耗。如何使反应过程实现优质、高产、低消耗。2、 化学反应工程学是研究工业规模的化学反应过程化学反应工程学是研究工业规模的化学反应过程化学反应化学反应工程学工程学化学动力学化学动力学化学工程化学工程化学过程化学过程物理过程物理过程催化剂反应机理温度浓度流体流动传质传热指导工业反应过工业反应过程开发程开发反应器的结构型式操作方式工艺条件的的范畴和任务范畴和任务的研究内容的研究内容2、流体流动、传递过程对反应的影响、流体流动、传递过程对反应

10、的影响流体流动传质传热影响反应器内浓度和温度在时间和空间 上 的 分 布影响反应结果反应工程学的主要任务之一研究反应机理动力学特性动力学方程反应器设计、分析的基础。1、化学反应动力学特性的研究、化学反应动力学特性的研究的的范畴和任务范畴和任务3、反应器设计计算、过程分析和最佳化、反应器设计计算、过程分析和最佳化数学建模动力学特性流体流动传递特征结合计算机模拟数据优化设计优化控制反应器的的范畴和任务范畴和任务 建立化学反应过程的动力学模型和传质模型； 选择反应器型式以满足不同类型的反应特点和传质要求； 计算反应器大小，以满足一定的产量和转化率的要求； 确定反应器的最佳操作条件，提高反应过程的经济

11、效益； 研究反应器的动态特点，保证操作稳定和开、停车的顺利。 改进和强化现有反应技术和设备，使之优质、高产、低消耗； 开发新的反应技术和设备； 解决反应工程中的开发放大问题； 实现反应过程最优化； 不断发展化学反应工程学的理论和方法。的任务的任务工业反应的特点工业反应的特点物性庞杂多相（气,液,固,超临界,等离子,纳米胶体）温度,压力,粘度,重度,表面张力 变化幅度大非线性耦合物理,化学,生物学之间预测精度高生产规模大250万T/年1000万T/年 催化裂化（ 10m, H=70m)30万T/年100万T/年 乙烯裂解30万T/年 合成氨52万T/年 尿素100m3 300m3 聚合釜, 12

12、0m长 循环管聚丙稀高低并列的提升管FCC装置南充炼厂FCC装置80万吨/年加氢裂化装置45万吨/年乙烯裂解球罐22化学反应工程流体流动传质与传热传递工程化学工艺工艺路线流程、设备最佳化催化剂反应条件物理化学化学动力学化学热力学工程控制测量与控制动态特性1.3 化学反应工程与多尺度及多学科的联系化学反应工程与多尺度及多学科的联系 科学技术发展到一定阶段的必然产物。 是一些基础学科诸如物理化学、传递工程、化学工艺等相互渗透与交叉而演变成的边缘科学。时空多尺度效应要点时空多尺度效应要点：化工过程中同时发生在很宽的时间尺度和空间尺度，即以分子振动的纳秒至污染物消失所需要长达世纪的时间尺度。纳尺度、纳

13、尺度、 微尺度、介尺度、宏尺度、宇尺度微尺度、介尺度、宏尺度、宇尺度1.4 化学反应工程学的研究方法化学反应工程学的研究方法1.4.1 逐级经验放大法逐级经验放大法开发工业反应器解决程序：小试 反应器型式小 试 工 艺 条 件逐级中试考察几何尺寸的影响逐级放大法的特点：逐级放大法的特点： 效果差，效率低，对放大中出现的问题束手无策，只好认定是放大效应。因为这种方法 着眼于外部联系，不研究反应器内部规律； 着眼于综合研究，不进行过程分解，分不清影响因素的主次； 受经济条件限制，认识决定了决策程序； 放大过程是外推的，这在方法论上是不科学的；1.4.2 解析法解析法尽管逐级放大法有上述种种不足，但

14、由于其立足于经验，不尽管逐级放大法有上述种种不足，但由于其立足于经验，不需要理解过程的本质、机理和内在规律，对于一些复杂的反需要理解过程的本质、机理和内在规律，对于一些复杂的反应，在难于用其它方法时，逐级放大法不失为一可用的开发应，在难于用其它方法时，逐级放大法不失为一可用的开发方法。方法。深刻理解过程整理出各参数之间的关系方程定量求解获得结果解析法是解决反应工程问题最科学的方法，但由于实际过程解析法是解决反应工程问题最科学的方法，但由于实际过程极为复杂，难以用定量关系予以描述，迄今还没有一个化学极为复杂，难以用定量关系予以描述，迄今还没有一个化学反应过程是用解析法求得结果的。但就其科学性而言

15、，无疑反应过程是用解析法求得结果的。但就其科学性而言，无疑是化学反应工程学发展的方向。是化学反应工程学发展的方向。1.4.3 模型法模型法 模型法是人们对某一复杂的，难以用数学全面正确描述的客观实体，人为地作某些假设，设想出一个近似的数学模型，并用此模型定量地描述客观实体的近似描述过程。客观实体理想结果目前无法求解模型求解结 果近似模型方法的程序：模型方法的程序：建立物理模型合理简化建立数学模型（建立描述物理模型的数学方程及初始和边界条件）用模型方程的解讨论客观实体的特性规律 数学模数学模拟方拟方法法：用数学方法模拟反应过程的模拟：用数学方法模拟反应过程的模拟方法。方法。 用数学模拟方法来研究

16、化学反应工程，进行反应器的放用数学模拟方法来研究化学反应工程，进行反应器的放大与优化，比传统的经验方法能更好的反映其本质。大与优化，比传统的经验方法能更好的反映其本质。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，便于数学描述和适用。2、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。3、用模型方程的解讨论客体的特性规律 用最简捷、经济和可视化的结果验证实验结果；为工业反应器放大提供理论指导。化学反应工程的基本研究方法是数学模型法数学模型中的数学方程数学模型中的数学方程 物料衡算式物料衡算式 热量衡算式热量衡算式 动量衡算式动量衡算式 化学反应动力学方程（要求实用）化学反应动力学方程（要求实用） 热力学计算式（焓、平衡常数、反应热）热力学计算式（焓、平衡常数、反应热）参数计算式（传递参数、