化学反应工程课件

绪论1.1概述RecycleProductsRawmaterialsPhysicalTreatmentstepsPhysicalTreatmentstepsChemicalTreatmentsteps典型化工过程(Typicalchemicalpocess)1.1.1什么是化学反应工程化学工程学科体系的基本内容：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），是过程工程共同的现象，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。PI特点有三个方面：原料产品、加工过程、增加产量

化学反应工程，是化学工程学科的一个分支。简称反应工程。

化学反应工程，顾名思义，是一门研究化学反应的工程问题的学科。即：研究化学反应如何在工业上实现的科学。

化学反应工程涉及的范围有哪些：

1.1.2化学反应工程（CRE）学科历史化学工程发展史及化学反应工程学科的形成第一阶段：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。1.1.2化学反应工程（CRE）学科历史生产硫酸1.1.2化学反应工程（CRE）学科历史第二阶段：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。20世纪初，英国的Davis,美Walker,Lewis等提出了“化学工程”的概念，发展成为以“单元操作”（unitoperations）为基本研究内容的化学工程学。第一次综合。FritzHaber(1868-1934)

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1.1.2化学反应工程（CRE）学科历史第三阶段：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：即，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。1.1.2化学反应工程（CRE）学科历史美国Bird等编写了《传递现象》这部历史性的著作TransportPhenomenaALandmarkinChemicalEngineeringEducation1.1.2化学反应工程（CRE）学科历史1.1.2化学反应工程（CRE）学科历史荷兰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。1.1.2化学反应工程（CRE）学科历史

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——流体输送，蒸馏，干燥等专管物理工序。

单元过程——磺化，水解，加氢等专管化学反应工序。1937年，丹克莱尔较系统的阐述了“扩散，流体流动和传热对化学反应收率的影响”，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。）1.1.2化学反应工程（CRE）学科历史40年代，第二次世界大战，三个重要的过程开发研究工作：流化床催化裂化--汽油丁苯橡胶乳液聚合--（汽车）轮胎曼哈顿计划--原子弹（气体扩散提炼浓缩铀U238）1947年，出版了两本书:霍根（Hougen）和华生（waston）--《化学过程原理》法兰克--卡明涅斯基--《化学动力学中的扩散与传热》总结了化学反应与传递现象之间的相互关系。探讨了反应器设计问题。为学科的形成起了一定的作用。1.1.2化学反应工程（CRE）学科历史五十年代，石油化工迅猛发展，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"三传"同时结合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"，"反应器稳定性"，"微观混合"，"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。会上正式提出了"化学反应工程学"的概念。1.1.2化学反应工程（CRE）学科历史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-l、g-l-s反应器、生化反应工程等方面的专著。1979年，我国派代表参加了国际化学反应工程会议（以张有衡为团长）。80年代以后，反应工程的理论与方法已日臻完善与丰富。随着高技术的发展与应用，如微电子器件的加工、光导纤维的生产、新材料与生物技术等，向我们提出了新的研究课题。使反应工程的研究进入了一个新的阶段。我国化学工程与技术学科的发展中里程碑1935年8月我国化工的先驱吴蕴初先生建成上海天利氮气厂生产出液氨,吴先生还创办了天厨味精厂(1923),天原电化厂(1929)和天盛陶器厂(1934),以及范旭东在天津创办的永利碱厂,这些化工原料的生产推动了我国化学工业的发展.合成氨工业的巨大成功推动了化学工业迅速发展,也带动了一系列化学工程基础理论工作,如化工热力学、化学工艺学、工业催化等。氨合成催化剂的研究与改进已经尝试10万多个配方,至今仍是催化界研究的方向。ThebranchesofChemicalReactionEngineeringCatalyzedReactionEngineeringPolymerizationReactionEngineeringHigh-temperatureReactionEngineeringBiochemicalReactionEngineeringEnvironmentalReactionEngineering1.1.3化学反应工程的基本任务建立化学反应过程的动力学模型和传质模型选择反应器型式以满足不同类型的反应特点和传质要求计算反应器大小，以满足一定的产量和转化率的要求确定反应器的最佳操作条件，提高反应过程的经济效益研究反应器的动态特点，保证操作稳定和开、停车的顺利1.1.4化学反应工程（CRE）研究对象及内容研究对象是工业规模的化学反应过程。

化学反应工程的中心内容是深入认识有关工业反应器的操作和设计所必需的理论知识。工业反应器里的化学反应过程是同时伴随物理变化的复杂过程。物理变化概括为三种传递过程化学反应也可进行分类二者的交联：宏观动力学动量传递过程－流动因素A→BA热量传递过程－传热因素A→BA质量传递过程－传质因素质量传递过程－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宏观动力学化学反应速率是化学动力学研究的主要内容。反应器里的物质产生和消失的总速率，不仅与反应本身的速率（动力学）有关，还受物理过程（三传）的制约。包括相际相内的三种传递过程、流动状态等等因素在内的反应的总速率，就是宏观动力学。相反的情况，称为本征（微观）动力学。区别：“点”的局部速率，宏观区域的速率。1.2化学反应的分类按反应特性分类：机理，可逆性，分子数，级数，热效应按反应物系的相类特征分类：均相；非均相（催化非催化），如气固相催化反应，气液相反应。按反应过程的条件分类：温度，压力，操作方式1.2化学反应的分类

1.3工业化学反应器的分类现代大型化工厂的外貌特征：厂房毗连，设备庞大，高塔林立，管道纵横。设备和管道交错复杂。其中，化学反应器是化工厂的核心设备。用来实现化学变化的设备－－反应器化工设备1.3工业化学反应器的分类按反应物料的相态进行分类，可有均相反应器和非均相反应器两大类。按反应物料流型进行分类，可大约将反应器分为平推流，全混流，非理想流动反应器三大类。1.3工业化学反应器的分类

1.3.1管式反应器

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。1.3.2釜式反应器

又称反应釜，搅拌反应器

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。1.3.2釜式反应器1.3.2釜式反应器各种搅拌桨的形式

1.3.2釜式反应器搅拌釜的各种换热形式1.3.3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。1.3.3塔式反应器无论哪一种塔式反应器，两种流体可以成逆流，也可以并流操作

1.3.3塔式反应器环流反应器（视频）

1.3.4固定床反应器

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。根据换热方式不同,可分为三种型式：

(1)换热式固定床反应器

结构型式类似于列管式换热器。

管内装填催化剂，反应物料自上而下通过床层；管间为载热体，与管内物料进行换热，以维持所需的温度条件。列管式固定床反应器1.3.4固定床反应器

(2)绝热式固定床反应器

床层与外界没有热量交换。

结构简单，造价低廉，但适用热效应不大或催化剂对温度要求不高的反应。重要过程：丙烯氧化制丙烯酸乙炔HCl制氯乙烯乙烯环氧化制环氧乙烷烃类加氢乙苯脱氢制苯乙烯煤气化…绝热式固定床反应器1.3.4固定床反应器(3)自热式固定床反应器

以冷的原料作为载热体，使冷原料本身预热到反应所需的温度，然后进入床层进行反应。使用前提：放热反应，热量大致平衡。自热式固定床反应器

1.3.5流化床反应器（视频）

特征：反应器内固体粒子可以象流体一样被流化起来。适用于气固，液固，气液固反应。如：催化剂快速失活需立即再生的：催化裂化装置强放热反应：丙烯氨氧化，萘氧化，丁烯氧化脱氢固相加工反应：黄铁矿，闪锌矿的焙烧，石灰石的煅烧等流化床反应器1.3.6移动床反应器（视频）

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：催化剂需要连续再生的催化反应、固相加工反应。

1.3.7滴流床反应器（视频）

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：液固及气液固三相反应。如石油馏份加氢精制、脱硫等。

优点：液体不需要加热变成气体，节省能源。

1.3.8鼓泡塔反应器+简单+传质好(射流入口)+低剪切

(气升式)+短扩散距离低催化剂空速高返混-中等传热能力1.4化学反应器的操作方式

1.4.1间歇操作（分批操作）

--间歇反应器（BR）

特点：1）是一个非定态反应过程。反应器内物料组成随时间而变。

2）没有物料流入，也没有物料流出，因此不存在物料流动。

3）整个反应过程都是在恒容下进行的。

4）反应器几乎都是釜式反应器。

5）适用于品种多、批量小的产品。如医药工业。1.4.2连续操作

连续操作——连续反应器（流动反应器）

原料连续地流入反应器，反应产物也连续地从反应器中流出。（连续进，连续出）

所有反应器均可采用连续操作。

特点：

1）多属于定（常）态操作。反应器内物料浓度及温度都不随时间变化,但随位置而变。

2）连续反应器适用于大规模生产。它产品质量稳定，劳动生产率高，易实现自动化管理生产。但要改变产品品种十分困难。1.4.3半连续(半间歇)操作

原料与产物只要其中有一种为连续流入或流出，而其余则为分批加入或卸出，这样的操作方式——半连续操作。1.5化学反应工程（CRE）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：数学模拟方法与相关学科的关系：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。相似法，因次分析1.5化学反应工程（CRE）研究方法

1.5.1反应器设计最基本的内容：

选择合适的反应器型式确定最佳操作条件计算反应体积，确定主要尺寸。

反应体积的确定，是反应器设计的核心内容。

反应体积的大小，是由反应组成的反应速率决定的。反应速率快，完成同样的产量所需体积就小。但反应速率又取决于反应物的浓度、压力和反应温度。而反应器内反应物的浓度，压力和温度又随反应时间或位置而变。因此，在反应器内反应速率是不断变化着的。为了确定反应体积，就要找出这些物理量在反应器内变化的数学关系式。即反应器设计的基本方程。1.5化学反应工程（CRE）研究方法数学模拟方法:用数学方式来模拟工业反应过程。基础：数学模型分析，抽象，简化物理模型，数学模型实验，数据处理模型参数抽象简化的要求：（1）不失真（2）满足应用要求（3）适应现有的实验条件（4）适应现有的计算能力

1.5化学反应工程（CRE）研究方法1.5.2化学反应工程的基础定量的数学描述是反应工程的基本方法，其数学模型可包括：

动力学方程式物料衡算（连续性方程）热量衡算动量衡算参数计算三传一反1.5化学反应工程（CRE）研究方法

反应器设计的基本方程：

物料衡算式——描述器内浓度变化Ci=f(t,l)热量衡算式——描述器内温度变化T=T(t,l)动量衡算式——描述器内压力变化P=P(t,l)动力学方程式——描述器内反应速率ri=r(T,C)参数计算式——计算某些物性参数

三种衡算式，依据各自的守恒定律，其模式为：

输入=输出+消耗+累积

1.6工业反应器的放大

随着生产规模的增大，反应器尺寸也要相应增大，但究竟要增到多大，才能达到预期的效果——工业反应器的放大问题。

这是一个十分重要而又十分困难的化学工程问题。因为化学加工过程与物理加工过程不同，不仅有量变，还有质变。因此以相似理论和因次分析为基础的相似放大法对反应器放大无能为力。1.6.1逐级经验放大法

如果放大倍数很大，又无把握时，往往还要进行多次规模不同的中试。因此逐级经验放大既费事又费钱。

放大的主要依据是实验，是每种规模的宏观实验结果，是经验性的，难以做到高倍数放大。

1.6.2数学模型方法

是60年代发展起来的一种比较理想的反应器放大方法。

步骤：

1)实验室规模实验：新产品的合成、新型cat.的开发、反应动力学。侧重过程的化学反面，属于基础性工作。

2)小型试验：仍属于实验室规模，但比上一步大，且反应器结构大体上与将来工业装置相接近。如采用列管式固定床反应器时，可采用单管试验。

目的：考察物理过程对化学反应的影响，工业原料的影响等等。

1.6.2数学模型方法

3)大型冷模试验：用空气，水，砂（废催化剂）代替反应原料中的（g-l-s三相）；用玻璃，有机玻璃等代替钢材。

目的：考察传递过程规律。

因为化学反应过程总是受到传递过程的影响，而传递过程的影响总是随着设备规模的改变而改变。

4)中试：不但规模增大，且在流程与设备形式上都与生产车间十分接近。

目的：(1)对数学模型进行检验与修正。为设计大厂提供有用的信息。(2)对催化剂的寿命，活性，设备的腐蚀情况等进行考察。（因为这些项目的考察往往要经历很长的时间。）

5)计算机模拟计算试验：这一步贯穿在上述四步之中。对各步的试验结果进行综合与寻优，检验和修正数学模型，预测下一阶段的反应器性能，最终建立能预测大型反应器工况的数学模型，完成大型反应器的设计。1.6.2数学模型方法数学模型法应用实例：

对于某些具体反应也许不需要经过那么多个实验阶段。如美国Goodrich公司，用丙烯二聚生产异戊二烯，没有经过中试，直接由小试结果放大而成，放大倍数高达170