化学反应工程-绪论

1、化学反应工程化学反应工程 Chemical Reaction Engineering 化学反应工程化学反应工程2022-2-26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, 120m长 循环管聚丙稀2022-2-26高低并列的提升管FCC装置2022-2-26南充炼厂FCC装置2022-2-26

2、Grassroots FCC unit under construction in MexicoCold flow model of Kellogg dense phase catalyst cooler2022-2-262022-2-2680万吨/年加氢裂化装置2022-2-262022-2-26第一章第一章 绪论绪论 1 化学反应工程的范畴和任务 2 化学反应过程分类 3 化学反应工程的研究方法 4 发展趋势2022-2-261.1 1.1 反应工程概念的提反应工程概念的提出出萌芽阶段：1937年，丹克莱尔在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扩散、

3、流体流动和传热对反应器产率的影响响，为化学反应工程的创立奠定了基础。（被认为是化学动力学发展到“工程技术”阶段的标志。）奠定基础。30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。单元操作单元过程流体输送，蒸馏，干燥等专管物理工序。磺化，水解，加氢等专管化学反应工序。2022-2-26初步形成：1947年，出版了两本书: 化学过程原理的第三卷，专门讲述动力学与催化过程动力学与催化过程,以及法兰克-卡明涅斯基-化学动力学中的扩散与传热；n总结了化学反应与传递现象之间的相互关系。探讨了反应探讨了反应器设计问题器设计问题。为学科的形成起了一定的作用。2022-2-26五十年代，石油化工

4、迅猛发展，反应器规模不断扩大。对反应器的放大问题的研究，使人们认识到，任何一个化学反应在工业规模反应器中进行时不可避免地伴随着三传现象，必须将化学反应与将化学反应与 三传三传 同时结合同时结合起来加以考虑和分析。起来加以考虑和分析。另外，又提出了一些重要的基本概念。如 返混返混 ， 反应器稳定性反应器稳定性 ， 微微观混合观混合 ， 伴有化学反应的传质伴有化学反应的传质 等。推动了学科的发展。1957年，在荷兰首都（阿姆斯特丹）举行了第一次欧洲化学反应工程会议。荷兰van Krevelen作首篇综合性报告：Micro-and Macro-Kinetics，提出化学反应工程的概念，意在系统深入地

5、研究伴有物理过程即传递伴有物理过程即传递现象的化学反应过程。正式提出了现象的化学反应过程。正式提出了 化学反应工程学化学反应工程学 的概念。的概念。2022-2-26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，及原料加工的不断发展使其进入黄金时代并日趋成熟。1960年，召开了第二次欧洲化学反应工程会议。从那以后，每四年举行一次。 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，以后每两年举行一次。70年代中期，反应工程向深度和广度发展，出现了关于g-lg-l、g-l-sg-l-s反应器反应器、生化反应工程生化反应工程等方面的专著。1979年，我国派代表参加

6、了国际化学反应工程会议（以张有衡为团长）。2022-2-26新的契机：新的契机：8080年代后，随着高技术的发展和应用，如微电子年代后，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新的阶段。一

7、个新的阶段。19811981年，化学反应工程正式进入我国化工高等教育。年，化学反应工程正式进入我国化工高等教育。2022-2-261.2 1.2 化学工程的主要研究内化学工程的主要研究内容容化学方法加工原料的预处理进行化学反应反应产物分离与提纯反应工程（本征）单元操作（三传）单元操作（三传）2022-2-26化学工艺反应器中流体流动、混合传热和传质化学催化剂优化工程控制反应反应过程过程分析分析工艺路线流程与设备化学热力学与反应动力学 反应 过程动 态特性与 反应系统 测量和 控制传递工程1.3 1.3 化学反应工程的范畴和任务化学反应工程的范畴和任务2022-2-26化学热力学化学热力学确定物

8、系的各种物性常数，讨论反应进行的 如：计算反应的平衡常数和平衡转化率反应动力学反应动力学阐明化学反应速率与各种物理因素（温度、 浓度、压力和催化剂等）之间的关系 影响反应速率的内因 决定能否实际应用的关键所在，e.g.方向和限度，平衡问题2022-2-26n常压、低温合成氨 反应速率太慢而实际不可行 加入催化剂可以使其在适当的温度压力下 以显著速率进行反应n甲烷裂解制乙炔 1500乙炔极不稳定，似乎只能得到碳、氢 在极短时间内（0.001s）反应并淬冷到低温 就可以得到乙炔动力学问题所以，实际上起决定作用的往往是动力学因素2022-2-26设备型式、操作方式和流程设备型式、操作方式和流程如：反

9、应器的种类（管式、釜式、流化床、固定床等）、操作方式（连续、分批）考虑经济上的合理性2022-2-26传递工程传递工程主要指“三传”，流体流动与物料混合情况，温度、浓度分步等都直接影响反应进程。催化剂催化剂一般属于化学或工艺范畴。2022-2-26工程控制工程控制工业生产的必须条件，人为不能达到例如：对于一放热反应进料温度高反应速率快放热不及时温度升高反应加快温度过高自动控温装置爆炸2022-2-26课程目的与任务：课程目的与任务：一 用理论指导和解决反应过程开发中的放大问题；二实现反应过程的最优化；四 开发新的反应技术和新的反应设备； 三改进和加强现有的反应技术和设备；五不断发展反应工程学的

10、理论和方法。2022-2-26n（1）氰乙醇法n1931年，美国罗姆哈斯公司开发成功氰乙醇水解制丙烯酸工艺，长时间是工业上唯一的生产方法。丙烯酸生产该技术反应过程中生成的聚合物多，丙烯酸收率低，仅为6070，且氰化物为剧毒，环境污染严重。采用该技术建成的生产装置已于20世纪50年代全部关闭。2022-2-26n（2）乙炔羰化法和丙烯腈水解法n1939年,德国人W.J.雷佩发明了乙炔羰化法制丙烯酸，1954年在美国建立了工业装置。与此同时还成功地开发了丙烯腈水解制丙烯酸工艺。n由于反应进行缓慢，而且羰基镍分解挥发损失严重，再加上乙炔的分解以及乙炔与丙烯酸（酯）的聚合等原因，不利于生产。 n丙烯腈

11、水解法:工艺成熟，但由于污染问题和成本问题，在国外已淘汰。我国仍有几家小厂采用此法生产丙烯酸。2022-2-26n（3）烯酮法 n烯酮法由于使用醋酸或丙酮为原料，且需要在较高温度下进行裂解，原料价格较贵，生产费用较高，-丙内酯已被公认是一种致癌物，Celanses公司已于1974年停止使用采用此技术的装置。 n（4）丙烯氧化法 n自1969年美国联合碳化物公司建成以丙烯氧化法制丙烯酸工业装置后，各国相继采用此法进行生产。近年来，丙烯氧化法在催化剂和工艺方面进行了许多改进，已成为生产丙烯酸的主要方法。 2022-2-26nCH2=CHCOOHn无色、具有腐蚀性和刺激性的液体。n沸点140.9，与

12、水互溶，聚合性很强。n是近年来不饱和有机酸中产量增长最快的品种。工业上主要以丙烯为原料制得。n用于树脂制造、合成橡胶乳液制造等领域。在精细化工领域占有相当重要的地位。2022-2-26按反应物相态分类非催化反应催化反应均相反应大部分气相反应大部分液相反应快速反应（燃烧等）胶体反应酶和微生物反应非均相反应煤燃烧，矿石焙烧气液吸收反应炼铁，湿法冶金合成氨，硝酸，硫酸炼油，合成材料单体2、化学反应工程内容的分类和编排、化学反应工程内容的分类和编排2022-2-26按操作方式分类按反应器除热方式分类v绝热式T0CL2022-2-26Lv自热式v冷激式LT v相变式 t (hr)T v间壁换热式L202

13、2-2-261.2.2 工业化学反应器的分类工业化学反应器的分类 2022-2-26特征特征：长度管径。内部是空的，不设置任何构件。 多用于均相反应。如裂解炉。（1）管式反应器管式反应器 2022-2-26轻油裂解制乙烯管式非催化反应器2022-2-262022-2-26 特征特征:反应器高度与直径相当或稍高。 釜内设有搅拌装置和挡板。 常带夹套或釜内放置蛇管，传热以维持釜内所需温度。 适用于液相均相反应、气液反应、液液反应、液固反应、气液固三相反应。 （2） 釜式反应器釜式反应器 2022-2-26搅拌釜式反应器2022-2-26釜式反应器2022-2-26特征：特征：反应器高度为直径的数倍

14、以至十几倍。 内部常设置能增加两相接触的构件，如填料，筛板等。 适用于两种流体相反应的过程。如气液反应、液液反应。（3）塔式反应器塔式反应器 2022-2-26乙苯加氢气液塔式反应器2022-2-26n特征：特征：反应器内填充有固定不动的固体颗粒。 可以是催化剂，也可以是固体反应物。 适用于气固催化反应，固相加工反应，应用非常广泛。列管式固定床反应器列管式固定床反应器（4） 固定床反应器固定床反应器 2022-2-26邻二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反应器2022-2-26n特征：特征：反应器内固体粒子可以象流体一样被流化起来。 n适用于气固，液固，气液固反应。（5） 流化床反应器流化床反应器

15、2022-2-26特征：特征：固体颗粒自反应器顶部连续加入，自上而下移动，由底部卸出。反应流体与颗粒成逆流接触。 适用：适用：催化剂需要连续再生的催化反应、固相加工反应。（6）移动床反应器移动床反应器2022-2-26特征：特征：反应器内催化剂也是固定不动的。广义上的固定床反应器。 适用：适用：液固及气液固三相反应。如石油馏份加氢精制、脱硫等。 优点：优点：液体不需要加热变成气体，节省能源。（7） 滴流床反应器滴流床反应器2022-2-26（8） 鼓泡塔反应器1.3 反应工程的研究方法反应工程的研究方法1、模型化方法、模型化方法建立数学模型参数计算式动力学方程式物料、热量、动量衡算式求解数学模

16、型的计算方法计算机软件的实现及计算结果2、试验的方法、试验的方法设备传递过程模型的测定 如：大型冷模测定无法计算的参数的测定 如：热力学、动力学、催化剂等的参数数学模拟的检验测定 即：数学模拟结果用实验测定可否应用2022-2-26明确任务计算机建 立 数 学模型实际应用解 算 数 学模型检 验 数 学模型计算机数学模拟放大示意图数学模拟放大示意图2022-2-261.4 反应工程的现状及发展趋势反应工程的现状及发展趋势对本学科的深入研究对本学科的深入研究 解决传统研究领域的问题也有助于形成解决传统研究领域的问题也有助于形成一些新兴的课题推动其他相关学科的发展一些新兴的课题推动其他相关学科的发展研究方法的不断完善研究方法的不断完善2022-2-26与新兴领域的互相渗透与新兴领域的互相渗透 在解决石油加工中多组分反应物系处理方法时，在解决石油加工中多组分反应物系处理方法时，发展了集总动力学处理方法，这一方法反过来又可用发展了集总动力学处理方法，这一方法反过来又可