化学反应工程课件

青海大学化工学院

化学反应工程主讲教师：赵启文、党力

2021/10/10星期日1绪论化学反应工程的概念化学反应工程的研究对象、内容及任务化工生产中设备的分类化学反应工程的研究方法化学反应工程的发展趋势讲授范围及要求2021/10/10星期日2一、化学反应工程的概念化学反应工程是使化学反应实现工业化的技术科学。化学工业生产过程：原料→净化→反应→分离→产品。

包括物理变化和化学反应过程，化学反应是生产过程的核心。

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工程学(Engineering)的任务需要定量计算。虽然化工厂中反应器的投资占总投资比例不一定很大，但要求的计算精度却很高。N2+3H22NH3反应器分离Utility原料净化依据催化剂的要求N2中脱H2O,脱CO2H2中脱S,脱O2动力车间依据反应产品组成来设计反应器的计算精度>换热面积的计算精度

它是决定其它设备的配置，决定总投资，总能耗的关键。2021/10/10星期日42021/10/10星期日51、动力学：研究动态过程进行的速率的科学。

2、本征动力学：又称化学动力学，是在理想条件下研究化学反应进行的机理和反应物系组成、温度、压力等参数对反应速率影响的动力学。

3、宏观反应动力学:在工业规模的化学反应器中，化学反应过程与质量、热量及动量传递过程同时进行，研究这种化学反应与物理变化综合过程的动力学称为宏观反应动力学。

2021/10/10星期日6反应器内发生的过程涉及多种学科,并有复杂的交互作用化学------热力学,动力学,计量学流体力学

传质和传热学控制与自动化催化化学只有清楚地了解,分析了各项物理化学过程的机理,经过合理的简化后,才能形成数学模型最后通过必要的数学工具表达出所要的结果黑箱或经验模型机理模型在反应器设计中往往采用介于经验和机理之间的是半经验模型,2021/10/10星期日7质量传递过程－传质因素2021/10/10星期日8质量传递过程－传质因素R边缘反应物浓度高中央反应物浓度低此处反应较快2021/10/10星期日9

动量传递速率热量传递速率化学反应反应机理反应速率过程速率工程放大质量传递速率物理变化实验反应器工业反应器

处理量工程优化

宏观反应动力学本征动力学2021/10/10星期日104、课程的性质和地位：

《化学反应工程》是我校化学工程与工艺专业的专业基础课，是教育部颁发的《普通高校本科专业目录和介绍》中的化学工程与工艺专业必修的4门主干课程之一；是国家工程教育专业认证标准规定的化工类专业的专业基础课；也是化学工程系重点建设的课程之一。2005年列为校级精品建设课程。

2007年确定为省级重点建设课程。

2010年列为青海大学2类建设课程。

2012年授予校级精品课程。2021/10/10星期日11二、化学反应工程的研究对象、内容及任务1、研究对象：工业反应、工业反应过程及工业反应器。2、研究内容：以有关化学工业生产过程为背景，研究化学反应与传递过程相互作用的基本规律，用以考察、解释、处理实际工程问题，指导反应器的设计、放大和优化。2021/10/10星期日123、任务：（1）研究化学反应与传递过程相互作用的基本规律，得到适合不同类型反应的反应器。（2）反应器的分析和设计。（3）反应过程的优化：投资少、效率高、生产强度大、产品质量好。设计最佳化——反应器体积最小，投资少。操作最佳化——管理、控制最佳化，最佳操作参数。2021/10/10星期日13（4）反应器的工程放大：对现成的生产工艺，进行生产规模放大；新产品研发：小试——中试——扩大试验；2021/10/10星期日14反应过程开发放大方法逐级经验放大法相似放大法数学模型放大法

冷模实验获取数学模型的传递参数2021/10/10星期日15三、化工生产中设备的分类

任何化工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。每个化工产品的工艺过程是不同的，但有共同的特点：1.工艺过程是由设备、管道、阀门和控制仪表组成的。2.化工设备分为两大类。1）不含化学反应的设备2）化学反应器2021/10/10星期日162021/10/10星期日171、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。鼓风机、泵、换热器、冷却塔和贮槽等设备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，从电能转换成机械能，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。2021/10/10星期日182、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。化工生产过程是由物理过程和化学反应过程组成的。化工设备分为“物理型”和化学反应器两大类。在化学反应器中发生化学反应，由原料转换成产物，是化工生产的核心设备。用来实现化学变化的设备，过程工业中的核心装置，其性能对生产过程的影响举足轻重。“化学反应工程”的研究对象是工业规模的化学反应器。2021/10/10星期日19常见反应器裂解炉搅拌釜式反应器多釜串联反应器气液相塔式反应器固定床反应器流化床反应器气液固三相反应器2021/10/10星期日203.化学反应器特点1）包含有传递过程和化学反应过程，两者不可分割。2）客观存在的工程因素造成物料的流况不同，其结果之一是物料的停留时间不同。3）基于化学反应器的特点，传统的研究方法----经验归纳法已不适用于化学反应过程。化学反应工程的研究方法是数学模拟方法（数学模型方法）。2021/10/10星期日21四、化学反应工程的研究方法理论方法，实验方法，数值计算方法半理论半经验方法，数学模拟方法理论方法局限性：不能应付物性参数复杂，边界条件复杂的工程化学反应系统。传统的经验法的局限性：不能应付数量众多、强烈交互的系统参数。反应器由“逐级经验放大”→“数模放大”的转变至今仍很困难2021/10/10星期日221、数学模拟方法

数学模拟方法过程如下，由四部分组成。真实过程数学模型简化模型模型计算实验检验实际应用修改1）2）3）4）2021/10/10星期日232、数学模拟方法原则

1）数学模拟方法的核心是对真实过程的简化以及简化模型和真实过程的等效程度。

2）针对真实过程可以按不同程度的要求简化成不同的简化模型，对于某一真实过程可以有不同的简化模型。

3）简化模型。数学模型和数学方法是相互联系的，应力求数学方法简单，便于数学模型的实际应用。

4）数学模拟方法的基础：（1）积累实践经验或者实验数据；（2）学习掌握基础数学模型。2021/10/10星期日243、简化模型的要求：（1）不失真；（2）能满足应用的要求；（3）能适应当前实验条件，以便进行模型鉴别和参数估值；（4）能适应现有计算机的能力；2021/10/10星期日254、基础数学模型

1）化学动力学模型：排除传递过程因素后描述化学反应速率、物料温度和浓度的数学关系。传统上是物理化学的研究领域，侧重于研究反应机理；化学反应工程侧重于表达三者的数学关系，而直接加以应用。

2）流动模型：描述物料在反应器内的流动状况。理想模型：平推流，全混流。非理想模型：轴向混合模型，多级串联全混流模型，组合模型等。

2021/10/10星期日263）传递模型：描述物料间质量、热量和动量传递过程。例如气液相间的双膜论、溶质渗透论和表面更新论等。

4）宏观动力学模型：是化学动力学模型、传递模型以及流动模型的综合，是化学反应工程的重要内容之一。2021/10/10星期日27

五、化学反应工程的发展趋势

1901英Davis«化学工程手册»提出单元操作概念

1913德哈伯－博施法高压合成氨技术产业化

1920美MIT成立第一个化工系W.K.刘易斯任系主任

1922德Winkler炉流化床煤气化炉

1931丁苯橡胶、氯丁橡胶投产

1940美国FCC炼油开发成功，成为石油化工的起点

1957欧洲第一届反应工程会议，提出反应工程学概念2021/10/10星期日28

化学工程学科，是在19世纪后期随着大规模制造化学工业产品的生产过程的发展而诞生的。1880年，“化学工程”第一次被英国学者GeargeE.Davis正式提出。

1888年，美国麻省理工学院开设了第一个以“化学工程”命名的课程，标志着化学工程学科的诞生。1920年，美国麻省理工学院，成立了世界上第一个化学工程系，开始了化工专业人才的培养。

1927年4月浙江大学设立了中国第一个化工系，开始了国内化工专业人才的培养。

青海大学1978年成立化工系开始了省内化工专业人才的培养。截止目前我国共有300多所高校开办化工类专业点445个。2021/10/10星期日291、化学工程发展史及化学反应工程学科的形成化学工程学科体系的基本内容：

化学工程共同的现象，可概括为“三传一反”，即动量传递、热量传递、质量传递及化学反应，其学科形成了以传递过程及化学反应工程为核心的学科体系（包括化工热力学、化工单元过程、分离工程、化工系统工程等）2021/10/10星期日30过程工程过程工程（processengineering)的概念是对“化学工程”概念的拓展。化学工程学在发展过程中不断向科技新领域渗透拓展，应用对象已经涵盖了所有与物质的物理、化学加工过程相联系的工业部门，这个部门称为“过程工业”（processindustry），包括石油炼制、化学工业、能源工业、航空、军事、冶金、环保工业、建材、印染、生物技术、医药、食品、造纸等工业部门。特点有三个方面：原料产品、加工过程、增加产值2021/10/10星期日31第一阶段：古代的化学生产（17世纪以前）

这一时期经历了实用化学、炼丹和炼金、医药化学和冶金化学等时期。早期化学知识来源于人类的生产和生活实践。同时在人类对自然界万物的本原构成的探索中，诞生了古代朴素的元素观。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；另一方面，尚未形成有规模的化学加工实践。生产硫酸2021/10/10星期日32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20世纪初，出现了载入化工发展史册的合成氨的工业生产。

规模的扩大要求人们对生产过程的规律有更为透彻的了解，需要既懂工程又熟悉化学知识促使工程与化学相结合.20世纪初，提出了“化学工程”的概念，发展成为以“单元操作”为基本研究内容的化学工程学。第一次综合。2021/10/10星期日33

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力。尤其是在生产规模日益大型化的趋势下，其影响就更大了，促使化学工程学科形成了第二次理论综合：

从动量传递、热量传递、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“化学反应工程”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为一门具有完整理论体系的全面学科。三传一反。2021/10/10星期日34荷兰vanKrevelen提出“化学反应工程”的概念，意在系统深入地研究伴有物理过程即传递现象的化学反应过程。1957年，阿姆斯特丹，第一届欧洲化学反应工程会议，vanKrevelen作首篇综合性报告：Micro-andMacro-Kinetics1981年，化学反应工程正式进入我国化工高等教育。2021/10/10星期日352、发展现状

20世纪50年代后反应工程成为一独立学科，我国70年代后逐渐开设这门课。经过约半个世纪的发展，目前它已形成了自己完整的学科体系，有特色的理论基础和有效的实验方法，以及关于处理复杂实际反应系统的指导思想等。

化工设计，放大广泛采用精确计算工具。“Aspen”2021/10/10星期日363、存在的问题：*

化学反应工程的理论几乎都是建立在最简单的反应体系的简化假定之上，这些简化假定与复杂的实际过程相去甚远，原因一方面目前还没有足以把实际反应体系进行详尽描述的能力，另一方面也不见得一定要做到这一点。*反应过程的非线性性质是化学反应工程中表现得非常突出的一个问题，有时不但不能外推，甚至连内插都可能有问题。2021/10/10星期日37

4、发展趋势：

*由过程导向性学科向产品导向性学科发展：化学工程

过程工程产品工程

*考察现象的时空尺度向两极发展。

设备尺度液滴、气泡、小颗粒尺度

纳米、分子簇尺度分子、原子尺度。

2021/10/10星期日38*研究重点：大宗化学品的制备技术各种专用品的制备技术。

*研究领域：化工化工与材料科学、生物工程、环境工程等多学科的交叉领域。2021/10/10星期日39反应工程的尺度环境保护资源消耗可持续发展2021/10/10星期日405、反应工程与其它学科的关系反应工程

化工热力学工程控制传递过程催化剂化学工艺流体力学稳定性反应动力学计量化学最优化技术放大设计2021/10/10星期日41六、讲授范围及要求1）教材第五版全书共9章，是面向化学工程与石油加工，有机化工，无机化工，精细化工，煤化工及化工冶金等工业过程，讨论工业生产中宏观反应过程的普遍规律；2）教材的主线是化学反应与动量、质量、热量传递交互作用的共性归纳的宏观反应工程；