化学反应工程：第一讲 绪论

1、化学反应工程Chemical Reaction Engineering国家精品课程目 录第一讲 绪论第二讲 化学动力学第三讲 理想流动反应器第四讲 反应器中的返混对反应的影响第五讲 气固相催化反应宏观动力学第六讲 气固相催化反应器第七讲 流固相非催化反应及反应器国家精品课程大纲介绍 化学反应工程是以工业规模的化学反应过程为研究对象，研究过程速率及其变化规律，宏观动力学因素对化学反应过程的影响，以实现工业反应过程开发、设计、放大和操作的优化。国家精品课程 学习本门课程，学生应牢固地掌握化学反应工程中最基本的原理和计算方法，运用科学思维方法， 增强提出问题、分析问题和解决问题的能力。 课程教学将突

2、出阐述反应工程理论思维方法，重点讨论影响反应结果的工程因素 （如返混、混合、热稳定性和参数灵敏性等），并以开发实例进行分析，培养学生应用反应工程方法论解决实际问题的能力国家精品课程必备教材朱炳辰主编，化学反应工程（第四版），化学工业出版社2007. 8 丁百全等，化学反应工程例题与习题，化学工业出版社 2001. 6参考教材O.Levenspiel，Chemical Reaction Engineering3rd edition 化学工业出版社，2002. 8 J.M.Smith，Chemical Engineering Kinetics3rd edition McGraw-Hill Book

3、 Company , 1981(3) 张濂等，化学反应工程原理 华东理工大学出版社 2007. 8 (4) H. Scott Fogler,化学反应工程原理,4th edition， 化学工业出版社，2006年10月(5) 梁斌等， 化学反应工程,科学出版社，2003. 11国家精品课程考试化学反应工程教学进度表 华东理工大学精品课程网站国家精品课程第一讲 绪 论一、研究对象工业反应过程与反应器 工厂中反应过程是核心，反应器是核心CH3OH 脱硫转化压缩合成精馏精甲醇 国家精品课程国家精品课程能源结构的变迁石油炼制图国家精品课程石油加工图国家精品课程工业生产过程原料的预处理化学反应反应产物的分

4、离与提纯国家精品课程核心反应器本身的投资也许只占整个生产装置投资的很小一部分；反应器通常是整个生产过程的核心，反应器的操作状态（主要是反应的转化率和选择性）对整个装置的投资和产品的生产成本往往会起到决定性的作用；在化工过程开发、设计中，反应过程往往会受到特别的重视。国家精品课程 根据原料、工艺及产品的不同，可选择不同的反应器及反应的方式。国家精品课程 气相 管式(NONO2，石脑油高热裂解)均 液 管式(一些聚合反应)相 釜式(多数精细化工反应)(聚合反应) 相 塔式(NH3、CO2尿素)国家精品课程 固定床(甲醇合成、氨合成) 气 移动床(煤气化、矿石燃烧) 固 流化床(石油裂解、丙烯氨氧化

5、) 气流床(煤气化) 二相 搅拌釜(有机化工苯氯化) 气 填料塔(脱碳、硫) 液 板式塔(脱碳、硫) 湍球塔(脱硫)非均相 液 釜式(酸介、碱介) 固 塔式 塔式(碳化塔) 三相 淤浆床(石油加氢、煤加氢) 涓流床(丁炔二醇加氢)国家精品课程反应器动画CSTR列管式固定床反应器多段式固定床反应器气液搅拌釜式反应器气液内环流反应器气液外环流反应器 PBR单段式固定床反应器二、化学反应工程研究及教学内容 化学反应工程的课程定位： 专业基础课 教学必修课 核心主干课国家精品课程 当我们在开发一个新反应过程时， 当我们在设计一个新反应装备时， 当我们在改造一个已投产的反应过程时， 当我们在强化一个已投

6、产的反应装备时，要定性与定量地考虑以下十个问题：反应过程开发中应重视的若干问题国家精品课程问题（一）化学热力学各类化学反应的平衡问题化学平衡：反应的平衡常数？ 反应的平衡转化率？判断反应的方向与限度! 判断反应过程的可行性! 低压下理想溶液（气体）单一反应 高压下非理想溶液（气体）单一反应 低压下理想溶液（气体）复合反应 高压下非理想溶液（气体）复合反应国家精品课程举例：CO2H2 CH3OH CO23H2 CH3OHH2O摩尔数减少的可逆放热反应，定性：必须高压下进行，低温下有利平衡。定量：计算KP、ym*!高压，非理想性如何对理想体系的修正 （状态方程）复合反应如何确定独立反应与独立反应组

7、分数。国家精品课程摩尔数增加的可逆吸热反应，定性：必须低压，高温下进行定量：选取独立反应与独立反应组分举例：CH4H2O CO+3H2 CH42H2O CO24H2国家精品课程问题（二） 化学动力学催化剂开发、动力学研究催化剂开发：用不用催化剂？ 用何种类型催化剂？ 催化剂的活性组份，助催化剂，载体？ 催化剂的制备方法？举例：合成甲醇 80年代前锌铬催化剂 80年代后铜基催化剂甲烷蒸汽转化 镍基催化剂国家精品课程动力学研究：反应速率的温度效应活化能E 反应速率的浓度效应反应级数n 在等温管式反应器中研究本征动力学 在内循环无梯度反应器中研究宏观动力学举例：合成甲醇 由实验得出幂指数型与双曲型动

8、力学方程 甲烷蒸汽转化 由实验得出动力学方程国家精品课程问题（三） 反应器选型PFR？CSTR？选取何种反应器：间歇反应或连续反应？ 平推流或全混流？ 非理想流动反应器的停留时间分布。 举例：合成甲醇 平推流固定床反应器 （三相淤浆床反应器是新研究开发的方向）甲烷蒸汽转化 外加热管式炉（平推流固定床）国家精品课程问题（四） 传热与反应之间的关系微观：催化剂粒内与粒外的传热问题宏观：放热与供热 反应热的回收与利用举例：合成甲醇 （微观）催化剂颗粒等温 （宏观）移走反应热使过程接近最佳温度曲线 反应热的有效利用和床层的径向导热甲烷蒸汽转化 （微观）催化剂颗粒非等温 （宏观）燃烧一部分天然气供给反应

9、热 每一根炉管受热均匀问题，燃 烧热量的优化使用。 国家精品课程问题（五） 传质与反应之间的关系微观：催化剂颗粒粒内、粒外有效因子宏观：反应器尺度上的混和和返混举例：合成甲醇 （微观）粒内传质影响宏观速率甲烷蒸汽转化（微观）粒内、粒外传质严重影响宏观动力学 国家精品课程问题（六） 流体流动与反应之间的关系反应器内流体的均布问题反应器减低阻力问题举例：合成甲醇 轴向流动反应器 径向流动反应器甲烷蒸汽转化 几百根炉管的气体均布问题。国家精品课程显示图片1-1显示图片1-2问题（七） 复合反应体系的选择率与收率瞬时选择率与平均选择率单程收率与总收率举例：合成甲醇 铜基催化剂收率锌铬催化剂收率合成二甲

10、醚 浆态床收率固定床收率如何根据主副反应的活化能来选择反应温度？如何根据主副反应的级数来选择反应器？国家精品课程问题（八）反应器的数学模型理想流动模型与非理想流动模型一维模型与二维模型拟均相模型与非均相模型举例：合成甲醇管壳式反应器 二维模型甲烷蒸汽转化管式炉 非理想流动模型中的扩散模型国家精品课程问题（九）操作条件优化温度？压力？组分浓度？空速？温度可逆放热反应的最佳温度曲线举例：合成甲醇 均温型反应器甲烷蒸汽转化 高温型反应器压力能量最优化举例：合成甲醇 等压合成甲烷蒸汽转化 2.03.0 Mpa 国家精品课程组分浓度由原料路线决定举例：合成甲醇 煤或天然气为原料甲烷蒸汽转化 水碳比空速追

11、求产量还是追求长运转周期举例：合成甲醇 冷管型塔20000h-1，管壳型塔8000h-1国家精品课程CSTR与PFR的操作稳定性。操作灵敏性与反应操作参数的控制举例：合成甲醇 管壳型甲醇合成塔的最大移热温差，最小冷却 介质温度与最大管径限制。 控制灵敏点温度与床层热点温度及热点位置。 操作负荷适应性 问题（十） 反应器的稳定性,操作灵敏性,操作适应性国家精品课程教学内容1 均相反应的动力学基础主要内容：反应速率；动力学方程；温度效应； 浓度效应；可逆反应；平行反应； 串连反应；变温变容反应.国家精品课程教学内容2理想反应器（间歇反应器，平推流反应器，全混流反应器）主要内容：间歇反应器；半间歇反

12、应器； 平推流反应器；循环流动平推流反应器； 全混流反应器；多釜串联； 平推流与全混流反应器中进行的平行反应和串连反应. 国家精品课程教学内容3 停留时间分布与非理想流动模型主要内容：停留时间分布（概念，实验测定，统计特征）； 非理想流动的n种模型.国家精品课程教学内容4 非均相反应动力学主要内容：气-固相催化反应本征动力学； 气-固相催化反应宏观动力学； 催化剂的粒内、粒外有效因子； 非催化流-固相反应动力学； 气液相反应动力学.国家精品课程教学内容5 固定床反应器主要内容：固定床中的传递过程； 绝热床反应器； 换热式固定床反应器； 固定床反应器数学模型（拟均相与非均相模型，一维与二维模型）

13、.国家精品课程教学内容6 其它多相反应器（流化床反应器，气液反应器，气液固三相反应器）主要内容：流化床反应器； 气-液相反应器； 气-液-固三相反应器.国家精品课程 教学内容7流动反应器中流体的混合与返混反应器的热稳定性反应动力学的实验测定国家精品课程三. 化学反应工程的开发方法国家精品课程国家精品课程对于化工原理单元操作：主要研究涉及流动、传热、传质等物理过程及其设备选型；主要研究方法因次论、相似论国家精品课程对于化学反应工程主要研究同时存在流动、传热、传质和 化学反应的反应过程及反应器；因次论、相似论不再适用：化学过程和物理过程并存时，由于化学反应为体积过程，传递过程为面积过程，化学相似和

14、物理相似不可能同时满足。怎么办？国家精品课程数学模型法机理模型：反映了过程的本质可外推经验模型：是由实验数据回归得到不宜大幅度外推国家精品课程国家精品课程流体通过固定床的流动国家精品课程国家精品课程理想的数学模拟放大国家精品课程改进的数学模拟放大国家精品课程实验室反应装置国家精品课程工业反应装置国家精品课程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国家精品课程 小型热模与大型冷模相结合 反应因素与传递因素相结合 数学模型与试验数据相结合 过程简化与过程优化相结合 国家精品课程

15、化学反应工程反应工艺开发之斧反应装备设计之模反应过程放大之桥Axe开拓性Model实践性Bridge综合性国家精品课程四、研究目的优化！ 一定x下，使VRMin(如：多个CSTR串联)一定VR下，使XMAX(如：反应器)使催化剂寿命MAX(如：最佳进口温度)使主产物收率MAX，选择性MAX能耗最低经济效益最大不同提法，操作条件不同；最合理提法，经济效益最大国家精品课程国家精品课程国家精品课程国家精品课程 G. E. Davis十九世纪八十年代首先提出化学工程的概念 W. H. Walker，W. K. Lewis, W. H. McAdams 1920年完成化工原理初稿，1923年正式出版 单

16、元操作学科建立 在20世纪30年代以前，化学工程学的研究主要集中在传热、传质和动量传递的所谓化工单元操作上，基本上属于物理过程。五、化学反应工程的演绎过程国家精品课程1937年，德国科学家在出版的“Der Chemie Ingeniem”专著中提到扩散、流动与传递对化学反应收率的影响；1947年，前苏联学者在所著的“化学动力学的扩散和传递”中，论述了扩散、流动与传热等对化学反应的影响；1947年，Hougen & Watson在“Chemical Process Principles”中阐述了化学动力学与催化作用；40年代后，原子能工业的发展提出了高倍率放大反应器的问题；50年代后石油化工的发

17、展使反应规模不断扩大，促进了化学反应特性与传递特性的研究；第一届欧洲化学反应工程讨论会（阿姆斯特丹，1957年）宣布化学反应工程学科诞生；60年代，数学模型化在化学反应工程中日益深入；70年代后，大量专著出现国家精品课程George E. Davis (1850 -1906) In 1880 he proposed formation of a Society of Chemical Engineers in London In 1887 he presented a series of 12 lectures on the operation of chemical processes (n

18、ow called unit operations) at the Manchester Technical School.In 1901 he published a Handbook of Chemical Engineering“.国家精品课程History of Chemical Reaction Engineering (CRE)Reaction engineering first arose as a discipline to meet the needs of the rapidly growing petroleum, petrochemical and chemical industry in the 1940s and 1950s. (1957: First symposium on CRE, at the 12th Meeting of the European Federation of Chemical Engineering.)1953: Danckwerts(UK) publishes his paper on Continuous Flow Systems -Distribution of Resid