化学反应工程与工艺基础

1、化学反应工程和技术基础，主讲人：镇海工作单位：化工学院化学系办公室位置：3#-215(问答位置)响应时间：-嗯？成绩评价：平时占20%(作业出席)，期末占80%，主要参考书：1，精细化学反应工程基础讲义2，王军反应工程大连理工大学出版社，2004 3，朱炳辰化学反应工程，化学工业出版社，22在日本做过这样的分析，如果机械制造产业的技术密集型指数为100，化学工业为248，化工化学的药物和涂料的指数分别为340和279化工化学技术密集的原因是技术开发成功率低，时间长，成本高。微化学特性，微化学物质多样化，少量批量反映主要是采用间歇生产方式，定期更新微化学物质的制造和液相反应过程的品种。要适应精细

2、化工生产的特点，企业必须具备根据市场需求调节生产力和品种的灵活性。发达国家从20世纪50年代末开始，抛弃了单一产品、单一工艺、装置单一功能的落后生产方式，广泛采用多种综合生产过程和多用途生产设备，取得了良好的经济效益。20世纪80年代从单一产品、单一流程、单元运行的生产设备发展到“灵活”系统。以精细化学为特征的多种染料品种为5232个，其中公布了化学结构的有1536个。国外有5000多种表面活性剂，日本产洋化学工业公司在生产1500种化学反应时，经常会出现平行反应、串行反应、可逆反应、连锁反应等复合反应。一种反应会产生多种异构，与副产品生成反应物质上状态多样化相结合，在精密化学生产中遇到异种材

3、料系统较少，异构材料系统反应介质腐蚀性高的技术密集型精细化学品作为商品综合功能出现的技术开发成功率低，时间长，成本高，与精密化学及化学反应工程的关系，美国在20世纪60年代开发有价值的精细化工产品的平均时间为5年，花费了300万美元。开发宝贵的精细化工产品的平均时间为10 12年，品种开发和开发目前在世界各国进行，尤其是工业发达国家开发精细化工产品的主题更是如此。精细化学品的制造在化学反应器中进行，因此作为精细化工产品的开发，首先了解化学反应工程的知识。必须考虑流体流动、传质、传热等化学过程和物理过程对精细化工过程的影响。与化学反应动力学直接相关的三个重要物理量是温度、浓度和时间。反应堆内的温

4、度分布、浓度分布及停留时间分布对化学反应过程的实现具有决定性作用。新产品研发过程是反应器的研究过程，通过调节温度、浓度和停留时间实现生产过程，保证产品质量，提高产品产量。因此，必须从本质上分析、设计、混合、传质、传热等物理过程和化学反应过程进行统一研究，才能将精密化学物质的研究成果扩大到工业生产所需的规模，这是从事工程科学研究必须解决的重要课题。，物理处理过程，物理处理过程，化学反应过程，原料，产品，循环物流，典型化学过程，单位操作，单位操作，流程的核心，1.1化学反应工程的类别和任务1，化学反应工程开发概述开始主要是然后解决化学反应工程放大问题。化学工程领域的发展促进了反应工程领域的发展。首

5、先是单位操作，然后是反应工程领域。系统工程领域的开发要求反应技术和反应器设计方面可以适应系统以实现优化目标；非线性复合因素相关反应工程的分支，2，化学反应工程的类别和任务化学反应工程：研究化学反应工程问题的领域。化学反应工程研究对象：将化学反应与反应器的工程问题、化学反应特性(character istics of chemical reaction)和反应器装置特性相结合的学术系统。化学反应工程研究确定化学工艺：化学热力学、化学反应动力学、催化剂准备工艺和反应条件、反应工艺路线、工艺和设备。输送工程：反应器中的流体流动、混合、传热、传质；系统工程：反应过程的动态特性和反应系统的控制和相关优化

6、问题；化学反应工程和相关领域之间的联系：化学热力学：确定系统的各种物性常数、反应的可行性和可实现性等。反应动力学：反应器的选择、设计和工作方法的选择取决于对“反应动力学特性”(character istics of reaction kinetics)的认识。示例：乙烯分解；环氧乙烷氧化；氨催化剂开发等。输送项目：流量和混合直接影响温度和浓度分布，最终影响离解装置物料的配置。装置的“三电”非常复杂，在尺寸扩大时“三电”也会发生变化，产生“放大效果”，因此要想很好地解决装置的放大效果，就必须对反应器内流体的三电(传热、传质、动量传递)有很清楚的理解。系统工程：反应装置最佳的条件不一定是整个系统的

7、优化。在这种情况下，反应装置只能根据系统优化目标工作，因此，必须了解反应过程的动态特性和相关优化问题。化学反应工程的任务：研究工业化学反应器的基本原理，分析反应器中进行的反应过程。结合特定的反应装置，使用物理、化学、工程和经济学的基本原理和规律，综合研究反应器的反应过程和传递过程，可以准确选择反应堆最合适的风格和最经济的化学过程路径和运行条件。对反应器进行了优化设计和优化控制，为工艺开发和反应器扩大提供了基础。化学反应工程概括为化学反应产业化的技术科学。1.2化学反应工程的基本方法化学反应工程研究方法：模型法。模型方法：利用数学模型分析和研究化学反应工程问题。数学模型：流程中各种变量之间的关系

8、的数学表示法。数学模型的建立不是要列出该过程的所有关系，没有主要和次要，而是要看成是适用的和可用的。数学模型的分类：机构模型-衍生自过程机制；经验模型(Mechanism Model) -从实验数据导出。，化学反应工程的数学模型：运动方程材料平衡方程热平衡方程。在试验模型的过程中，必须进行各种规模的反应器测试，反复试验模型，不断修改。可以用下图表示：动力学模型资料：描述过程反应速度快的数学模型。通常在实验室的小型设备上执行，以提供最基本的数据。流程模型数据传输：最好是依靠实验，尤其是大型冷却设备，使用生产设备中的数据。建立和整理材料平衡、热平衡、动量平衡计算等数学模型。一般原则：累积=输入输出

9、是将材料平衡、热平衡、化学反应速度计、化学反应速度计方程相结合的参数计算联立解决方案结果，提供反应装置的浓度分布和温度分布，是反应器设计的最基本问题，反应技术开发过程(2)反应条件的确定和确保这些条件的技术措施；(3)反应器工艺尺寸和结构的确定；(4)反应装置的优化。反应技术开发过程，开发阶段实验室实验研究预设计和评价中间工厂试验工业设备设计和评价工业生产和大型化，反应过程的扩大方法，(1)经验放大，但不知道原因。(2)类似的放大方法只对物理过程有效，在物理和化学作用兼备的反应过程中，一般不可能保持物理相似性，保持化学相似性。(3)准经验、准理论的一些分析方法，主要是人们的认识还不足，还不能使

10、过程理想化的模型，只进行局部或比较粗糙的模型，用比较适当的经验成分解决问题。(4)扩大数学模拟的方法是目前被认为更科学的方法，将生产技术建立在高技术水平上。1.3根据化学反应器的工作方式和结构类型工作方法分类：批量(或分批)工作：材料浓度和反应速度不变的过程。项目扩大问题比较简单(类似扩大)，生产弹性大，操作灵活。连续工作：适用于产量大、生产品种单一的情况。半布局(或半连续)操作：反应装置特定结构分类：大体可分为管、塔、水壶、固定层、流化床等类型。选择反应特性和设备特性的组合。按反应状态分类：同质：气相、液相；异质系统：气-液、液、气-固、液-固、固、气-液。常用工业反应器类型、工业生产中常用

11、反应器类型之一的均质管反应器。它大部分由宽高比大的圆形ATC组成，被命名为“管反应器”。常用于气相反应，也用于液相反应。釜搅拌反应器、釜搅拌反应器是另一种广泛使用的反应器。其形状特征是直径比管反应器小得多，因此其形状为“壶”或“锅”。茶壶反应器使用一定类型的填充刀片均匀混合茶壶的材质。常用于液体反应。固定床反应器，这是气固催化反应的典型设备。在反应器中，催化剂卵保持静止状态，称为固定床反应器。、塔式反应器、塔式反应器主要是两相流体反应系统、反应器设计内容、(1)反应器选择产业反应器类型有很大差异，在不同类型的反应器中，能量和物质的传递特性有很大差异。因此，根据给定反应系统的动态特性，有必要选择传递特性合适的反应装置。(2)反应堆结构设计和结构参数确定反应堆的整体布局和单个反应堆的内部结构取决于生产工作和选定的反应堆类型。确定反应器的数量、组合方法、反应器体积、纵横比、搅拌方法和强度、传热方法和传热面积。(3)确定反应器工艺参数，使反应系统处于最佳运行状态，获得最大经济效益。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方程、材料平衡方程式、热平衡方程式和动量平衡方程式材料平衡方程式基于质量守恒定律，计算反应器体积的基本方程式热平衡方程式基于能量守恒和转换定律。通过热平衡计算，反应器中温度的变化动量平衡计算公式可以根据动量守恒和转换规律计