分离工程第一章绪论-2

1、化化 学学 反反 应应 工工 程程Chemical Reaction Engineering 本课程的性质和内容地位：专业基础课前期课程： 物理化学、高等数学、化工热力学重点： 1.反应动力学 2.反应器的设计与分析 3.反应过程的数学模拟教材：李绍芬.反应工程(3版).北京：化学工业出版社 ，2013.1 (普通高等教育“九五”国家级规划教材 )主要参考书:朱炳辰.化学反应工程.北京:化学工业出版社, 2006.12（面向21世纪课程教材） 陈甘棠.化学反应工程.北京:化学工业出版社, 2009.1李绍芬.反应工程.北京：化学工业出版社 ，2000.6 (普通高等教育“九五”国家级规划教材

2、)总 课 时： 48（理论48）考核方式：闭卷考试总评成绩：（1）考勤10% （2）平时作业20% （3）闭卷考试70% 第第1 1章章 绪论绪论(2(2学时学时) )第第2 2章章 反应动力学基础反应动力学基础(10(10学时学时) )第第3 3章章 釜式反应器釜式反应器(10(10学时学时) )第第4 4章章 管式反应器管式反应器(6(6学时学时) )第第5 5章章 停留时间分布与反应器的流动模型停留时间分布与反应器的流动模型(4(4学时学时) )第第6 6章多相系统中的化学反应与传递现象章多相系统中的化学反应与传递现象(6(6学时学时) )第第7 7章多相催化反应器的设计与分析章多相催化

3、反应器的设计与分析(6(6学时学时) )第第8 8章多相反应器章多相反应器(4(4学时学时) ) 反应工程学的历史及发展反应工程学的历史及发展(了解了解) 反应工程的用途反应工程的用途(理解理解) 相关概念相关概念(重点掌握重点掌握) 反应器的类型与操作方式反应器的类型与操作方式(理解理解) 反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程(理解理解) 工业反应器的设计方法工业反应器的设计方法(了解了解)本章内容第一章第一章 绪论绪论1 反应工程学的历史及发展1.1 什么是化学反应工程煤石油天然气生物质反应化工原料分离产品一般化工生产过程一般化工生产过程反应动力学反应器20世纪世纪30年代（萌芽阶段）

4、年代（萌芽阶段） -丹克莱尔丹克莱尔(Damhhler): 扩散、流体流动和传热对反应器产率的影响扩散、流体流动和传热对反应器产率的影响 -梯尔梯尔(Thiele)和史尔多维奇和史尔多维奇：扩散反应：扩散反应20世纪世纪40年代末（年代末（1947） （系统化）（系统化） -霍根霍根(Hougen)和华生和华生(Waston)： 化学过程原理化学过程原理 法兰克法兰克-卡明斯基卡明斯基：化学动力学中的扩散与传热化学动力学中的扩散与传热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化学反应与传递现象的相互关系 1957年年 - 首次使用首次使用“化学反应工程化学反应工程”术语术语（学科确

5、立）（学科确立） Amsterdam，ISCRE 60年代年代 - 快速发展期快速发展期（学科发展壮大）（学科发展壮大） 石油化工的大发展石油化工的大发展 计算机的发展与应用计算机的发展与应用1 反应工程学的历史及发展80年代年代 - 形成新的分支形成新的分支（学科交叉和新技术运用）（学科交叉和新技术运用） 生化反应工程生化反应工程 聚合反应工程聚合反应工程 电化学反应工程电化学反应工程90年代年代 - 环境保护的要求环境保护的要求 环境友好、原子经济的绿色反应工艺、工程技术环境友好、原子经济的绿色反应工艺、工程技术International Symposia on Chemical Reac

6、tion Engineering (ISCRE) 反应工程学与有关学科间的关系化学工艺化学工艺反应器中流体流动、反应器中流体流动、混合传热和传质混合传热和传质反应过程分析反应过程分析化学热力学与化学热力学与反应动力学反应动力学工程控制工程控制设备结构及机械制造设备结构及机械制造优化优化催化剂催化剂经济学经济学化学化学反应过程动态反应过程动态特性与反应系特性与反应系统测量和控制统测量和控制化学反应的分类（反应工程学科） 2 反应工程的研究内容与作用 反应动力学反应动力学 反应模式反应模式 速率方程速率方程 活化能活化能 反应器的设计与分析反应器的设计与分析 各因素（各因素（T, P, c）的变化

7、规律）的变化规律 最佳工况最佳工况2 反应工程的研究内容与作用 反应工程研究的作用反应工程研究的作用p提高反应器的放大倍数，减少试验和开发提高反应器的放大倍数，减少试验和开发周期周期 p对现有反应装置操作工况进行优化、提高对现有反应装置操作工况进行优化、提高生产效率生产效率 p开发环境友好的绿色生产路线和工艺开发环境友好的绿色生产路线和工艺3.1 反应进度 RBARBARRRBBBAAARBARRBBAAnnnnnnnnnnnn000000:)( : )( : )(即：iiinn0普遍化：Mjjijiinn10对多个反应：3 基本概念：反应进度、转化率和收率等A、B、R为、的化学计量系数，规定

8、：反应物取负数，产物取正数为反应进度永远为正3.2 转化率 X该反应物的起始量某一反应物的转化量X0iiinX注意： 按关键组分计（选择不过量的反应物） 反应物的起始态连续反应器：进口处原料的状态间歇反应器：反应开始时的状态串联反应器：第一个反应器进口处原料的状态 单程转化率、全程转化率X100%针对反应针对反应物物3.3 收率Y与选择性S关键组分的起始量反应产物的生成量RARY关键组分的起始量关键组分量生成某一产物所消耗的或：Y 已转化的关键组分量关键组分量生成目的产物所消耗的SXSY针对产物针对产物进入进入SO2氧化器的气体组成（摩尔分数）为：氧化器的气体组成（摩尔分数）为： SO2: 3

9、.07%; SO3: 4.6%; O2: 8.44%; N2: 83.89%离开反应器的气体中离开反应器的气体中SO2的含量为的含量为1.5%，试，试计算计算SO2的转化率。的转化率。例例1N2的作用？的作用？32222SOOSO反应：解：解：总量2232NOSOSO10089.8344. 86 . 407. 3前nnnn10089.8344. 826 . 4207. 3后以以100mol进料为基准，进料为基准，n为为O2的反应量的反应量,则有：则有：%5 . 1100207. 3nnmoln79. 0%47.51%10007. 32nx丁二烯是制造合成橡胶的重要原料。制取丁二烯丁二烯是制造合

10、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、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。反应在温度醛及有机酸的反应。反应在温度350、压力、压力0.2026MPa下进行。得到反应前后的物料组成如下进行。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。烯的收率和反应的选择性。例例2反应前后物料组成反应前

11、后物料组成 习题习题1、2课后作业：课后作业：4 反应器的类型4 反应器的类型 (b) 管式管式 (a) 釜式釜式 (c) (c) 板式塔板式塔 (d) 填料塔填料塔 进料进料出料出料进进料料出出料料液体液体气体气体气体气体液体液体液液体体气气体体液液体体气气体体图图 不同结构型式的反应器不同结构型式的反应器 (e) 鼓泡塔鼓泡塔 (f) 喷雾塔喷雾塔 (g) 固定床固定床 (h) 流化床流化床 图图 不同结构型式的反应器不同结构型式的反应器 液液体体气气体体液液体体气气体体液液体体气气体体液液体体气气体体气气体体或或液液体体气气体体或或液液体体气气体体或或液液体体气气体体或或液液体体4 反应

12、器的类型5 反应器的操作方式间歇操作间歇操作(batch reactor, BR)连续操作连续操作(continuous stirred tank reactor, CSTR) 连续操作连续操作(F reactor)AR CA00浓浓度度CRCA时间时间CRfCAf图图 间歇釜式反应器间歇釜式反应器及其浓度变化及其浓度变化 LCA0CAfCRfCRfCA0CAf0L管管 长长浓浓度度CRCA 理想反应器是指流体的流动处于理想状况的反应器。理想反应器是指流体的流动处于理想状况的反应器。对于流体混合，有两种理想极限，即理想混合和理对于流体混合，有两种理想极限，即理想混合和理想置换。想置换。 理想混

13、合流型理想混合流型 理想置换流型理想置换流型 图图 反应器的两种理想流型反应器的两种理想流型 6 理想反应器模式理想反应器模式（a a）层流）层流 （b b）湍流）湍流 （c c）活塞流）活塞流图图 管式径向流速分布管式径向流速分布流体在管式反应器内流动如图所示，径向流速分布是不均流体在管式反应器内流动如图所示，径向流速分布是不均匀的，以中心处的流速最大，靠壁处最小。匀的，以中心处的流速最大，靠壁处最小。6 理想反应器模式理想反应器模式 理想混合的特征是物料达到完全混合，浓度、温度理想混合的特征是物料达到完全混合，浓度、温度和反应速度处处相等。工业生产中，搅拌良好的釜式和反应速度处处相等。工业

14、生产中，搅拌良好的釜式反应器可近似看成理想混合反应器。反应器可近似看成理想混合反应器。 6 理想反应器模式理想反应器模式 理想置换的特征是径向流速分布均匀理想置换的特征是径向流速分布均匀, ,径向混合均匀；径向混合均匀；不存在轴向混合即在流体流动方向上不存在流体的混不存在轴向混合即在流体流动方向上不存在流体的混合。工业生产中合。工业生产中, ,细长型的管式反应器可近似看成理细长型的管式反应器可近似看成理想置换反应器。想置换反应器。 理想反应器的主要类型理想反应器的主要类型 间歇釜式反应器（分批加料的釜式反应器）间歇釜式反应器（分批加料的釜式反应器）Batch Stirred Tank Reac

15、tor (BSTR) 连续釜式反应器（连续加料的釜式反应器）连续釜式反应器（连续加料的釜式反应器）Continued Stirred Tank Reactor (CSTR) 理想管式反应器（连续加料的管式反应器）理想管式反应器（连续加料的管式反应器） Piston(Plug) Flow Reactor (PFR)CA0 CAf 浓浓度度 时间时间 CRf A RA RCA0 位置位置 CAf CRf 浓浓度度 CA0 CRf CAf A RA RCA0CRf位位置置 CAf 浓浓度度 CA0 CAf CRf A A R R 间歇釜式反应器间歇釜式反应器 连续釜式反应器连续釜式反应器 管式反应器

16、管式反应器 图图 理想反应器内反应物及产物的浓度变化理想反应器内反应物及产物的浓度变化 6 理想反应器模式理想反应器模式三种反应器的比较三种反应器的比较6 理想反应器模式理想反应器模式7 反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程反应器设计的基本内容：反应器设计的基本内容：选择合适的反应器型式；选择合适的反应器型式；确定最佳的操作条件；确定最佳的操作条件；计算完成规定任务所需的反应体积；计算完成规定任务所需的反应体积；确定反应器尺寸。确定反应器尺寸。7 反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程 反应器计算所应用的基本方程式主要有反应器计算所应用的基本方程式主要有反应动力学方程式反应动力学方程式、

17、物料衡算式物料衡算式和和热量衡算热量衡算式式。若反应过程有较大的压力降，并影响到。若反应过程有较大的压力降，并影响到化学反应速度时，还要应用动量衡算式。化学反应速度时，还要应用动量衡算式。 物料衡算：物料衡算：（关键组分（关键组分i i 的输入速率）的输入速率） （i i 的输出速率）（的输出速率）（i i 的转化速率）（的转化速率）（i i 的累的累积速率）积速率）热量衡算：热量衡算：（输入的热量）（输入的热量） （输出的热量）（反应热）（累积的热量）（输出的热量）（反应热）（累积的热量）7 反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程8 工业反应器的放大工业反应器的放大问题的提出：在造船、筑坝等很多领域上相似理论和因次分析为基准的相似放大法是非常有效的，但由于无法同时保持物理和化学相似使得在化学反应器放大方面无能为力。目前使用的化学反应器放大法有： 逐级经验放大法（主要靠经验） 数学模型法，可以提高放大倍数，缩短中试时间 半经验放大法8 工业