化学反应工程

1、1化学反应工程化学反应工程(Chemical reaction engineering, CRE)授课教师：陈卫丰授课教师：陈卫丰办公室：办公室：M-1509电话：电话：186717046392上课及作业要求上课及作业要求n考勤要求：上课之前点名，缺勤一次扣五分，迟到考勤要求：上课之前点名，缺勤一次扣五分，迟到、早退扣、早退扣2分，作业不交扣分，作业不交扣5分，迟交扣分，迟交扣2分；缺勤分；缺勤5次不能参加考试；次不能参加考试；n上课要求：不吃东西，禁止玩手机，不说话以免影上课要求：不吃东西，禁止玩手机，不说话以免影响他人听课响他人听课；n作业要求：独立完成作业，不懂的问题可以讨论，作业要求：

2、独立完成作业，不懂的问题可以讨论，可以参考，但严禁抄袭可以参考，但严禁抄袭；3本课程的考核方式本课程的考核方式n考试方式：闭卷笔试考试方式：闭卷笔试n成绩：成绩： 平时成绩（考勤，作业）平时成绩（考勤，作业） 40% 期末考试期末考试 60% 4上课教材：上课教材：化学反应工程郭锴主编，化学工业出版社参考教材：参考教材：化学反应工程刘军主编，化学工业出版社5（1 1）牢固掌握基本概念、基本原理以及反应器分析和设计）牢固掌握基本概念、基本原理以及反应器分析和设计所用的基本关系式；所用的基本关系式；（2 2）较深入地了解各种类型反应器的特点、性能和适用范）较深入地了解各种类型反应器的特点、性能和适

3、用范围，掌握固定床催化反应器等几种重要反应器的化工设计计围，掌握固定床催化反应器等几种重要反应器的化工设计计算方法；算方法；（3 3）掌握工业反应器设计的一般方法和程序；）掌握工业反应器设计的一般方法和程序；（4 4）较深刻地理解数学模型和模拟方法的基本原理和实质；）较深刻地理解数学模型和模拟方法的基本原理和实质；（5 5）具备一定的工程应用能力。）具备一定的工程应用能力。 学习要求学习要求6n1.1 化学反应工程的发展、任务和范畴化学反应工程的发展、任务和范畴n1.2 研究内容及分类研究内容及分类n1.3 研究方法研究方法第一章第一章 绪论绪论7 化学反应工程是研究化学反应过程在工化学反应工

4、程是研究化学反应过程在工业实施过程中需解决的问题。业实施过程中需解决的问题。 即生产多少产品，需要多少时间？需要即生产多少产品，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。程实现优质、高产、低消耗。8化学反应工程化学反应工程化学工程学科的一个化学工程学科的一个分支，分支，以工业反应过程为主要研究对象，以工业反应过程为主要研究对象，以反应技术的开发、反应过程的优化和以反应技术的开发、反应过程的优化和反应器设计为主要目的的一门新兴工程反应器设计为主要目的的一门新兴工程学科。学科。研究对象研究对象工业反应过程，研究过程工业反

5、应过程，研究过程速率及其变化规律、传递规律及其对化速率及其变化规律、传递规律及其对化学反应的影响。学反应的影响。 n1.1 化学反应工程的发展、任务和范畴化学反应工程的发展、任务和范畴化工热力学化工热力学反应动力学反应动力学传递过程理论传递过程理论化工单元操作化工单元操作9化工热力学化工热力学 主要研究化工过程中各种形式的能量之间相互转化的规律及过程趋近平衡的极限条件。反应动力学反应动力学 研究化学反应速率以及各种因素对化学反应速率影响的学科。传递过程传递过程 流体中三种传递过程的总称。化工单元操作化工单元操作 构成多种化工产品生产的物理过程都可归纳为有限的几种基本过程，如换热（加热和冷却）、

6、蒸馏、吸收、蒸发、萃取、结晶、干燥等。这些基本过程称为单元操作。10 化学工程的学科分支也可以分两个层次：化学工程的学科分支也可以分两个层次：单元操作单元操作和和反应工程反应工程较多地直接面向工业实际，较多地直接面向工业实际，传递传递过程和化工热力学过程和化工热力学较多地从基础研究角度，支持前两较多地从基础研究角度，支持前两个分支。通过这两个层次使理论和实际得以密切结合。个分支。通过这两个层次使理论和实际得以密切结合。11n 原因：原因：n 随着装置的放大，物料的流动、传热、传质等物理过程的因素和条件发生了变化。这种起源于放大过程的效应，长期以来被笼统地称作“放大效放大效应应”，它包含了很多已

7、查明或未查明的物理因素（或称工程因素）的影响。化学工程的一个重要任务就是研究有关工程因素对过程和装置的效应，特别是在放大中的效应，放大中的效应，以解决关于过程开发、装置设计和操作的理论和方法等问题。需要指出的一个问题：为什么化学工业为什么化学工业生产与实验室制备的产品有较大的差别？生产与实验室制备的产品有较大的差别？12n化学反应工程的研究非常复杂，主要表现化学反应工程的研究非常复杂，主要表现在：在：n过程本身的复杂性：过程本身的复杂性：既有化学的，又有物理的，并且两者时常同时发生，相互影响。n物系的复杂性：物系的复杂性：既有流体（气体和液体），又有固体，时常多相共存。流体性质可有大幅度变化，

8、如低粘度和高粘度、牛顿型和非牛顿型等。n物系流动时边界的复杂性物系流动时边界的复杂性：由于设备（如塔板、搅拌桨、档板等）的几何形状是多变的，填充物的外形也是多变的，使流动边界复杂且难以确定和描述。13第一阶段：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）古代化学具有实用和经验的特点，尚未形成理论体系、是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。化学的萌芽时期；尚未形成有规模的化学加工实践。古时古时的金属冶炼、酿造、制陶、火药、造纸等技艺，为化学反的金属冶炼、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。

9、应工程学提供了实践基础。发展简史发展简史14n第二阶段：近代化学工业从十八世纪末开始，以硫酸，硝第二阶段：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，至酸，纯碱的工业规模的生产过程为开端，至20世纪初，出世纪初，出现了载入化工发展史册的合成氨的工业生产。现了载入化工发展史册的合成氨的工业生产。n20世纪初，英国的世纪初，英国的Davis,美美Walker,Lewis等提出了等提出了“化学工化学工程程”的概念，发展成为以的概念，发展成为以“单元单元操作操作” （unit operations）为基）为基本研究内容的化学工程学。本研究内容的化学工程学。Fritz H

10、aber (1868 - 1934)发展简史发展简史15第三阶段：现代化学工业（二战前后），在原料路线，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，在以石油和天技术和设备方面都有巨大的变化和进步，在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然气为主要原料的化学工业中，各种催化反应被广泛应用，这就要求在反应技术和反应器设计方面作出重大努用，这就要求在反应技术和反应器设计方面作出重大努力。力。n从动量传递、热量传递和质量传递的角度深入研究化工从动量传递、热量传递和质量传递的角度深入研究化工生产的物理变化过程，以及从生产的物理变化过程，以及从“

11、化学反应工程化学反应工程”的角度的角度来研究化工生产的化学过程。从而使化学工程学科上升来研究化工生产的化学过程。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。为一门具有完整理论体系的全面学科。发展简史发展简史161947年年霍根与华生合著的霍根与华生合著的化工过程原理化工过程原理第三分册中第三分册中论述了动力学和催化过程。论述了动力学和催化过程。50年代，有一系列重要的研究论文发表于年代，有一系列重要的研究论文发表于化学工程科学化学工程科学杂志，对反应器内部发生的若干种重要的、影响反应结果的杂志，对反应器内部发生的若干种重要的、影响反应结果的传递过程，如返混、停留时间分布、微观混合、

12、反应器的稳传递过程，如返混、停留时间分布、微观混合、反应器的稳定性等进行研究，获得了丰硕的成果。定性等进行研究，获得了丰硕的成果。 发展简史发展简史17 发展简史发展简史18发展简史发展简史荷兰荷兰van Krevelen提出提出“化学反应工程化学反应工程”的概念。的概念。1957年，阿姆斯特丹，第一届欧洲化学反应工程会议，年，阿姆斯特丹，第一届欧洲化学反应工程会议， van Krevelen作首篇综合性报告：作首篇综合性报告：Micro- and Macro- Kinetics化学工业（石油化学工业）的发展，生产趋于大型化，对化化学工业（石油化学工业）的发展，生产趋于大型化，对化学反应过程的

13、开发和反应器的可靠设计提出迫切要求；学反应过程的开发和反应器的可靠设计提出迫切要求；化学反应动力学和化工单元操作的理论和实践有了深厚的基化学反应动力学和化工单元操作的理论和实践有了深厚的基础；础；数学模型方法和大型电子计算机的应用为反应工程理论研究数学模型方法和大型电子计算机的应用为反应工程理论研究提拱有效的方法和工具。提拱有效的方法和工具。 1950年代末到年代末到60年代初年代初S.M.华拉斯的华拉斯的化工动力学化工动力学，O.列文斯比尔的列文斯比尔的化学反应工程化学反应工程等，使学科体系大体形成。等，使学科体系大体形成。1981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

14、式进入我国化工高等教育。发展简史发展简史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生化反应工程生化反应工程冶金化学反应工程冶金化学反应工程新的分支新的分支20化学反应工程学的任务和范畴化学反应工程学的任务和范畴1.1.1 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化学反应化学反应产品分离与提纯核心目的产物产生高纯度产物脱出杂质211.1.2 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工程学化学动力学化学工程化学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程开发反应器的结构型式操作方式工艺条件

15、221.1.3 化学反应工程学的任务化学反应工程学的任务1、改进和强化现有反应技术和设备，使之优质、高产、低消耗；2、开发新的反应技术和设备；3、解决反应工程中的开发放大问题；4、实现反应过程最优化；5、不断发展化学反应工程学的理论和方法。23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1.1.4 化学反应工程与相邻学科的关系化学反应工程与相邻学科的关系 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。1.2 化学反应工程学的内容和

16、分类化学反应工程学的内容和分类1.2.1 化学反应工程学内容化学反应工程学内容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。化学动力学化学动力学研究浓度和温度对反应速度的影响的科学。研究浓度和温度对反应速度的影响的科学。（1 1）影响反应速度的各种因素以及如何获得最优的反应结果）影响反应速度的各种因素以及如何获得最优的反应结果等问题。等问题。（2 2）化学反应的速度和平衡的规律。）化学反应的速度和平衡的规律。25252、流体流动、传递过程对反应的影响、流体流动、传递过程对反应的影响流体流动传质传热影响反应器

17、内浓度和温度在时间和空间 上 的 分 布影响反应结果263、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1.2.2 化学反应工程学的分类化学反应工程学的分类281.2.2 化学反应工程学的分类按反应体系涉及的相态分类按 操 作 方 式 分 类按反应器型式分类按 传 热 条 件 分 类按流体流动状态分类均相反应器非均相反应器间 歇 操 作 反 应 器连 续 操 作 反 应 器半连续式操作反应器管式反应器釜式反应器塔式反应器等温反应器绝热反应器非等温、非绝热反应器理 想 流 动 反 应 器非 理 想 流 动 反 应 器反应器29结构型式

18、结构型式适用的相态适用的相态工业生产实例工业生产实例管式管式气相气相,液相液相轻油裂解轻油裂解,NO氧化氧化釜式釜式液相液相,气液气液,液液液液,液固液固酯化反应酯化反应,甲苯硝化甲苯硝化塔式塔式气液气液,气液固（催化剂）气液固（催化剂）苯的烷基化苯的烷基化,二甲苯氧化二甲苯氧化固定床固定床气固（催化或非催化）气固（催化或非催化）合成氨合成氨, 乙苯脱氢乙苯脱氢流化床流化床气固（催化或非催化）气固（催化或非催化）,特特别是催化剂很快失活的反应别是催化剂很快失活的反应石油催化裂化石油催化裂化, 丙烯氨氧化丙烯氨氧化移动床移动床气固气固, 特别是催化剂易于失特别是催化剂易于失活的反应活的反应二甲苯

19、异构二甲苯异构, 矿石焙烧矿石焙烧滴流床滴流床气液固气液固(催化或非催化催化或非催化)石油加氢脱硫石油加氢脱硫化学反应器的基本类型化学反应器的基本类型30工业反应器型式工业反应器型式30301 釜式反应器釜式反应器 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。 3131各种搅拌桨的形式 32( (2)2)连续操作的搅拌釜连续操作的搅拌釜用于均相或非均相的液相用于均相或非均相的液相系统，如聚合反应等。多系统，如聚合反应等。多釜连续操作、多釜串联操釜连续操作、多釜串联操作。作。( (3)3)管式反应器管式反应器 多用于大规模

20、的气相或多用于大规模的气相或液相反应，如石油气裂解液相反应，如石油气裂解用的裂解炉用的裂解炉工业反应器型式工业反应器型式( (4)4)固定床反应器固定床反应器 在管子中充填有固体颗粒催化剂，在管子中充填有固体颗粒催化剂，气相反应物通过催化剂床层而进行气相反应物通过催化剂床层而进行气相催化反应，如气相醋酸和乙烯气相催化反应，如气相醋酸和乙烯通过含有钯的催化剂床层生成气相通过含有钯的催化剂床层生成气相的醋酸乙烯。的醋酸乙烯。( (5)5)流化床反应器（流化床反应器（沸腾床沸腾床） 固体催化剂颗粒小，当反应气体通固体催化剂颗粒小，当反应气体通过床层时，使催化剂颗粒处于不断过床层时，使催化剂颗粒处于不

21、断的运动中，俗称的运动中，俗称石油工业中的石油工业中的催化裂化反应器。催化裂化反应器。3434346. 塔式反应器塔式反应器 特征：反应器高度为直径的数倍以至十几倍。 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。35 （7)7)鼓泡床反应器。用于气液鼓泡床反应器。用于气液非均相反应过程的反应器。如乙非均相反应过程的反应器。如乙醛与氧气通过含有醋酸锰的醋酸醛与氧气通过含有醋酸锰的醋酸溶液生成醋酸的反应。溶液生成醋酸的反应。工业反应器型式工业反应器型式浆态反应器浆态反应器滴流床反应器滴流床反应器移动床反应器移动床反应器其他型式其他型式36高低

22、并列的提升管FCC装置373839釜式反应器40环管反应器4142 1 1） 间歇操作间歇操作 特点： 反应物料一次加入反应器，经过一定反应 时间后一次取出反应产物。 特征：非定态过程，在反应期间，反应物和产物的浓度均随时间而变化。 适用范围： 生产小批量、多品种的产品。反应器的操作方式及其特征反应器的操作方式及其特征43 2 2） 连续操作连续操作 特点：反应物不断地加入到反应器内，反应不断进行，反应产物不断取出。 特征： 定态操作，达到定态时，反应器内任一位置的物系参数（浓度、温度等）均不随时间变化。 优缺点：适用于工业大规模生产，产品质量稳定、劳动生产率高、便于实现机械化和自动化但是，要

23、改变产品品种、大幅度改变产品产量比较困难443 3）半间歇（半连续）操作）半间歇（半连续）操作 特点：原料与产物中的一种为连续输入或输出而其余的分批加入或卸出。 特征： 非定态，反应器内反应物系的组成既随时间而改变，也随反应器内的位置而改变。1.3 化学反应工程学的研究方法化学反应工程学的研究方法1.3.1 逐级经验放大法逐级经验放大法开发工业反应器解决合理选型优化操作工程放大程序：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4646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

24、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；47 尽管逐级放大法有上述种种不足，但由于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，对于一些复杂的反应，在难于用和内在规律，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其它方法时，逐级放大法不失为一可用的开发方法。方法。481.3.2 解析法解析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

25、由于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反应过程是用解析法求得结果的。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，无疑是化学反应工程学发展的但就其科学性而言，无疑是化学反应工程学发展的方向。方向。1.3.3 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50一、模型方法的程序一、模型方法的程序建立物理模型

26、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51二、模型法开发化学反应过程的步骤二、模型法开发化学反应过程的步骤1、小试研究化学反应规律；2、根据化学反应规律合理选择反应器类型；3、大型冷模试验研究传递过程规律；4、利用计算机或其他手段结合反应规律和传递规律，预测大型反应器性能，寻找优化条件；5、热模试验检验模型的合理性。52数学模型分类：数学模型分类：n（1）化学动力学模型n（2）流动模型n（3）传递模型n（4）宏观反应动力学模型 工业反应器中的宏观反应动力学模型是化学动力学模型、流动模型、传递模型的综合，是本门课程的核心内容。5253反应过程的开发方法反应过程 反应热力学计算小型热模大型冷模 催 化 剂 操作条件 本征动力学 宏观动力学 反 应 器 型 式数学模型 中 试 工业示范装置工程参数54 小型热模与大型冷模相结合小型热模与大型冷模相结合 反应因素与传递因素相结合反应因素与传递因素相结合 数学模型与试验数据相结合数学模型与试验数据相结合 过程简化与过程优化相结合过程简化与过程优化相结合 55学习方法学习方法1 1抓反应类型、挖掘物理因素、归结于最终目标抓反应类型、挖掘物理因素、归结于最终目标 评定反应结果优劣的标准为下列二个主要因素：评定反应结果优劣的标准为下列二