化学反应工程第0章绪论

1、化学反应工程(Chemical Reaction Engineering)化学反应工程教学大纲学时：56 学分：3. 5一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。化学反应的工程化，研究化学反应的工程问题，工业规模的反应器字典：生产、制造部门用比较大而复杂的设备来进行的工作。中国大百科：应用科学知识使自然资源转化为结构、机械、产品、系统和过程以造福人类的专门技术。传统学科：土木、机械、电气、化学工程大美百科：工程学是指透过研究、经验及实务而获得在数学及自然科学方面的专业

2、学识，并可配合判断力发展出一套方法，来经济有效地利用自然资源，为人类造福。航空工程学、农业工程学、生物工程学、陶瓷工程学、化学工程学、土木工程学、电机工程学、工业工程学、材料工程学、冶金工程学、环境工程学、其他（石油、海洋、军事、核能、系统工程学）国家标准国家标准学科分类与代码学科分类与代码 ：5858个一级学科个一级学科 化学工程化学工程19个二级学科个二级学科化学反应工程化学反应工程8个三级学科个三级学科化学反应工程(Chemical Reaction Engineering)/cre/所有工业行业分为两类：一类是以物质转化过程为核心的产业

3、，这类所有工业行业分为两类：一类是以物质转化过程为核心的产业，这类产业从事物质的化学和物理转化，生产新的物质产品，或者进行物质的产业从事物质的化学和物理转化，生产新的物质产品，或者进行物质的传递，其产品计量不计件，连续操作，生产环节具有一定的不可分性，传递，其产品计量不计件，连续操作，生产环节具有一定的不可分性，可统称为可统称为过程工业过程工业。另一类是以物件的加工和组装为核心的产业，这类产业不改变物质的另一类是以物件的加工和组装为核心的产业，这类产业不改变物质的内在形态，只是根据机械电子原理，加工零件并装配成产品，其产品计内在形态，只是根据机械电子原理，加工零件并装配成产品，其产品计件不计量

4、，多属非连续操作，这类工业可统称为装备与产品制造业。件不计量，多属非连续操作，这类工业可统称为装备与产品制造业。过程工业过程工业不仅占工业总产值比重很大，而且为装备制造业提供原材料，不仅占工业总产值比重很大，而且为装备制造业提供原材料，其发展水平标志着一个国家工业化的水平。其发展水平标志着一个国家工业化的水平。过程工业产品的生产是通过一定的工艺过程实现的，工艺过程是指从过程工业产品的生产是通过一定的工艺过程实现的，工艺过程是指从原料到制得产品的全过程。原料到制得产品的全过程。图1是以天然气或石脑油为原料生产合成氨的工艺过程。每个化工产品的工艺过程是不同的，但有共同的特点：工艺过程是由设备、管道

5、、阀门和控制仪表组成的；化工设备分为两大类：不含化学反应的设备化学反应器化学反应器图图1合成氨工艺流程图合成氨工艺流程图合成氨工艺流程图合成氨工艺流程图CH4+H2O=CO+3H2CO+H2O=CO2+H2N2,O2K2CO3+CO2+H2O=2KHCO3CO+H2=CH4+H2ON2+3H2=2NH3N2+3H2=2NH3组分CH4C2H6C3H8C4H10C5H12N2H2CO2合计摩尔分数/%84.2010.001100组分摩尔分数/%(干)H255.9131N222.4355Ar0.2871CO13.3795CO27.6547CH40.33

6、00干气100.00组分摩尔分数/%(干基)H259.9520N220.3802Ar0.2608CO3.0000CO216.1071CH40.3006干气100.0000组分摩尔分数/%(干基)H260.9432N219.8315Ar0.2538CO0.3480CO218.3306CH40.2929干气100.0000组分摩尔分数/%(干)摩尔分数/%(干)CH478.62359.6108C29.3376C33.8658C41.1112C50.1027N21.82360.5301H24.914966.3832CO20.00935.2616CO22.9437Ar0.02090.0060干气100

7、.00100.0000一段转化二段转化中温变换低温变换一段转化二段转化中温变换低温变换不含化学反应的设备不含化学反应的设备这类设备中没有发生化学反应，只改变物料的状态，物理性质，不改变其化学性质。图中的压缩机、泵、换热器、冷却塔和贮槽中没有化学反应发生，只有物理过程，是不含化学反应的设备。在鼓风机和泵中只有能量的转换，从中能转换成机械能，输送物料；在换热器和冷却塔中只改变物料的温度，物料的化学性质没有起变化；贮槽只是起贮存物料作用化学反应器化学反应器 在这类设备中发生了化学反应，通过化学反应改变了物料的化学性质图中的一段炉、二段炉、变换炉、甲烷化炉、合成塔、鼓泡反应器等都是化学反应器。物料在反

8、应器中发生了化学反应，物料性质起了变化。可见，化学工业生产是由物理过程和化学反应过程组成的，其中化学反应过程是生产过程的关键。化学反应器的任务是完成由原料转变到产物的化学反应，是化工生产的核心设备。“化学反应工程化学反应工程”的研究对象是工业规模的化学反应器。的研究对象是工业规模的化学反应器。研究对象：工业规模的化学反应过程研究对象：工业规模的化学反应过程George E. Davis taught the first chemical engineering course. It was given in Manchester, England in 1887.化工产品种类繁多，生产方法也千

9、差万别，但可以分解、归纳成若干原理相同（或相似）的基本单元操作。研究这些基本单元操作过程的工程原理，寻找其内在规律，解决生产过程中所需要的设备及操作中的优化，等等问题，就构成了一门新的工程技术学科，化学工程学。第二次世界大战爆发以后，化学工程的研究也转入了满足战争需要的轨道。40年代前期，在重大化工过程的开发中，即碳四馏分的分离和丁苯橡胶的乳液聚合碳四馏分的分离和丁苯橡胶的乳液聚合、粗柴油的流态化催化裂化粗柴油的流态化催化裂化以及曼哈顿原子弹工程计划曼哈顿原子弹工程计划等,化学工程都发挥了重要作用。例如:流态化催化裂化的设想就是由麻省理工学院的刘易斯教授和E.R.吉利兰教授提出的。在他们的指导

10、下，几所大学同时进行了流化床性能的研究，确定了颗粒尺寸、密度和使颗粒床层膨胀，以造成气固间良好接触和颗粒运动所需的气速间的关系，证实了在催化裂化反应器和再生器之间连续输送大量固体催化剂的可能性。这三项开发的成功，使人们认识到要顺利实现过程放大，特别是高倍数的放大（在曼哈顿工程中放大倍数高达1000），必须对过程的内在规律有深刻的了解，没有坚实的基础研究工作，是很难做到这一点的。同时，在单元操作经过二、三十年的研究已有了一定的基础后，反应器的工程放大对化工过程开发的重要性显得更为突出。这些都为战后化学工程的进一步发展指明了方向。 02110 1(1)3.2191(1)10.76311(2)/21

11、.151,1 ()0.85313(3)(/3)2.414,10.9114kRAAAAktRAVxeklnxVxkkkxkVV ttktkxe 在活塞流反应器中进行等温、体积不变的一级不可逆反应，则出口转化率可达0.96，现保持反应条件不变，但将反应改在：（a）相同体积的全混流反应器中，（b）等体积串联的两个全混流反应器（总体积与活塞流反应器相等）中。（c）相同体积的间歇反应器，反应时间与辅助时间之比为3：1试分别计算所能达到的转化率。AArkCA0ktAACC e0ACACA0ACAC0ERTkk eAArkCR边缘反应物浓度高中央反应物浓度低此处反应较快二、化学反应工程与多尺度及多学科的联系

12、近年来，国内外学术界倡导物质转化过程中的时空多尺度（Multi-scale）效应4，归纳其要点如下：化工过程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长达世纪的时间尺度。其中（i）纳尺度，即分子化学键振动的纳秒尺度及纳米尺度；（ii）微尺度，即流体力学和传递中的滴、粒、泡、旋涡运动的微尺度；（iii）介尺度，即反应器、换热器、分离器、泵等反应和单元操作的装置；（iv）宏尺度，即生产单元和工厂；（v）宇尺度，即环境、大气、海洋、土壤。二、化学反应工程与多尺度及多学科的联系以管式催化反应器中气-固相催化反应为例，反应物与催化剂的载体上所负载的活性组分间的分子反应属于纳秒

13、及纳米尺度纳米尺度；反应组分在催化剂颗粒孔道内的扩散属于微尺度微尺度；反应组分连续流过长达数米的反应管的停留时间一般为10103秒，属于介尺度介尺度；反应器及有关原料制备和产物分离的装备组合成的生产单元和工厂属于宏尺度宏尺度；而生产过程的污染物经历长时间才能消去属于宇尺度宇尺度。反映和描述工业反应器中各参数之间的关系，称为物理概念模型，表达物理概念模型的数学式称为数学模型，用数学方法来模拟反应过程的模拟方法称为数学模拟方法。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地反映其本质。 为了形象、简捷的处理物理问题，人们经常把复杂的实际情况转化成一定的容易接受的

14、简单的物理情境，从而形成一定的经验性的规律，即建立物理模型 ( , , , )pf D L U 2()(,)pLDUfUD12()()()pLDUkUD232ULpD 压力降p，管径D，管长L，流速U，流体粘度，流体密度将实验室和小规模生产的研究成果推广到大型工业生产装置，并综合各方面的有关因素提出优化设计和操作方案，即“工程放大和优化” 相似放大法：几何相似、准数相似经验放大法：数学模型放大法：n经验放大法是按小型生产装置的经验计算或定额计算，即在单位时间内，在某些操作条件下，由一定的原料组成来生产规定质量和产量的产品。对于某些过程简单的反应器，如搅拌反应器内进行单一液相均相反应，而物料又属

15、通过一般搅拌易于达到均匀的物质，在机械制造许可的条件下，大倍数的放大还可奏效。对于某些气-固相催化反应器，积累了多年的操作经验，可以采用经验放大法，如根据催化反应的空间速度放大，按单管的根数放大，如果放大倍数不太大，这种经验放大法还可用以放大设计。n数学模拟放大法数学模拟放大法如果要求通过改变反应过程的操作条件和反应器的结构来改进反应器的设计，或者进一步优化反应器的操作方案，经验放大法是不适用的，应该用数学模拟放大法。数学模拟放大法比传统的经验方法能更好地反映反应过程的本质,可以增大放大倍数，缩短放大周期，可以根据数学模拟方法来评比各类反应器的结构及预期所达到的效果，从而寻求反应器的优化设计。

16、此外，用数学模型还可以研究反应过程中操作参数改变时反应装置的行为，从而达到操作优化，而某些参数的改变往往是工业中难以实现或具有破坏性质的。因此，数学模拟方法既是进行工程放大和优化设计的基础，也是制订优化操作和控制方案的基础我国的科学技术工作者在充分开展有关反应过程的化学反应特我国的科学技术工作者在充分开展有关反应过程的化学反应特征、催化剂的组成和制备方法研究、工程设计及宏观反应动力征、催化剂的组成和制备方法研究、工程设计及宏观反应动力学研究的基础上，通过实验及理论分析，运用数学模拟方法，学研究的基础上，通过实验及理论分析，运用数学模拟方法，成功地开发了多种具有我国特色的反应过程及反应器，如成功

17、地开发了多种具有我国特色的反应过程及反应器，如流态化催化裂化工业装置，流态化催化裂化工业装置，流化床丙烯腈，流化床丙烯腈，流化床萘氧化制苯酐反应器，流化床萘氧化制苯酐反应器，固定床径向及轴径向氨合成、固定床径向及轴径向氨合成、甲醇合成、甲醇合成、丁烯氧化脱氢、丁烯氧化脱氢、乙苯脱氢等多种型式的催化反应器，乙苯脱氢等多种型式的催化反应器，轻质烃热裂解炉，轻质烃热裂解炉，高温煤气化炉，高温煤气化炉，湿法冶金中的气体提升搅拌反应器，湿法冶金中的气体提升搅拌反应器，三相床三相床1，4-丁炔二醇炔化反应器，丁炔二醇炔化反应器，丙烯氯醇化制备环氧丙烷的气丙烯氯醇化制备环氧丙烷的气-液反应器，液反应器，活化活化MDEA溶液脱除二氧化碳过程开发，溶液脱除二氧化碳过程开发，环氧丙烷水合反应制丙二醇反应器等。环氧丙烷水合反应制丙二醇反应器等。应予强调