化学工程基础1-2绪论等

1、化学反应工程,Company Logo,1791年法国科学家N.吕布兰以食盐为原料建厂，制得纯碱，标志着化学工业的诞生。,化学工业的诞生,第一节 绪 论,Company Logo,用海盐与硫酸反应，生成硫酸钠，再与石灰石和煤一起煅烧（900-1000）而成纯碱。 17911793年，建成了第一座工厂。这一发明很快得到了广泛应用。此法沿用了一个世纪左右，直到19世纪末才由索尔维法所取代。他的主要著作有结晶技术等。,Company Logo,索尔维制碱法,Company Logo,第五届索尔维会议,索尔维,Company Logo,侯氏制碱法,第一，揭开了索尔维法的秘密; 第二，创立了中国人自己的

2、制碱工艺侯氏制碱法; 第三，他为发展小化肥工业所做的贡献。,Company Logo,反应工程概念的提出,20世纪30年代，丹克莱尔(Damhohler)论述了扩散、流体流动和传热对反应器产率的影响奠定了基础,梯尔(Thiele)和史尔多维奇对扩散反应问题作了开拓性的工作,40年代末，霍根(Hougen)和华生(Waston)著作化学过程原理 法兰克-卡明聂斯基著作化学动力学中的扩散与传热问世,1957年，荷兰阿姆斯特丹第一次欧洲反应工程会议确立了化学反应工程的名称,Company Logo,无论是化学工业还是冶金、石油炼制和能源加工等工业过程，需采用化学方法将原料加工成为有用的产品。生产过程

3、包括如下三个组成部分：,第和两部分属于单元操作的研究范围；而部分是化学反应工程的研究对象，是生产过程的核心。,1.1化学反应工程,8,Company Logo,1.1.1 化学反应工程的研究对象,化学反应工程是化学工程学科的一个分支，通常简称为反应工程。其内容可概括为两个方面，即反应动力学和反应器设计与分析。 反应动力学 主要研究化学反应进行的机理和速率，以获得进行工业反应器的设计和操作所必需的动力学知识，如反应模式、速率方程及反应活化能等等。 反应器设计与分析 研究反应器内各因素的变化规律，找出最优工况和反应器的最好型式，以获得最大的经济效益。对象：工业规模化学反应过程及其设备的共同规律,C

4、ompany Logo,化学反应动力学是研究反应本身的规律，与反应器内各局部的状况有关，而反应器的设计与分析考虑的是反应器的总体的性态。所以可以说反应动力学从点上着眼，而反应器的设计与分析则从面上（体上）着手。,注意：,10,Company Logo,1.1.2 化学反应的分类,无论是自然界还是实际生产过程中，存在各种各样的化学反应，通常为了便于研究和应用，将化学反应进行分类。,11,Company Logo,1.2.3 反应工程与其它学科的关系,Company Logo,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,化学,反应动力学,计量化学,最优化技术,放大 设计,

5、Company Logo,.反应动力学： 阐明化学反应速度与各项物理因素之间的定量关系。,.催化剂： 一般属于化学或工艺范畴。但也牵涉到许多工程上的问题。如粒内的传热、微孔中的扩散、催化剂制备时各阶段操作条件对催化剂活性结构的影响、催化剂的活化和再生等。,.化学热力学： 主要是确定物系的各种物性常数，分析反应的可能性和可能达到的程度等。,14,Company Logo,.传递工程： 装置中的动量传递、热量传递和质量传递问题。,.工程控制： 一项反应技术的实施有赖于适当的操作控制。为此需要了解关于反应过程的动态特性和有关的最优化问题，不过应当注意的是对于反应装置而言是最优化的条件，未必与整个生产

6、系统最优化所要求的条件相一致。,.化学工艺： 主要是设备型式、操做方式和流程。,15,Company Logo,1.2 相关概念,一、体积 反应器体积V：反应器内部空间 反应器有效体积VR： 反应器内实际进行化学反应的区域 注：釜式反应器进行液相反应时 V VR,16,Company Logo,17,Company Logo,二、 时间,1.反应时间 tr,间歇反应器：,停留时间 t：,经历的时间,物料,产品,t = tr,连续流动反应器,各质点 t 不同,停留时间分布,平均停留时间,Company Logo,3. 平均停留时间,qV 物料在反应器中的体积流量，m3s-1,恒容过程,qV,0

7、物料在反应器中进口处的体积流量，,m3s-1,qV = qV,0,Company Logo,4. 空间时间 ,定义：,(s),注：,（1）适用于连续流动系统,（2） qV,0 进口状态计的物料体积流量，,（3） 表示反应器生产能力大小,m3s-1,物理意义：反应器处理与反应体积相等量的物料所需要的时间,Company Logo,5. 空间速度SV,(时间)-1,反应器生产能 力,SV ，,物理意义：指定状态下，单位时间，单位反应体积所能 处理的物料量。,Company Logo,1. 混合,同一时刻进入反应器的物料之间的掺和,（三）混合与返混,2. 返混, 不同停留时间的物料之间的混合; 泛指

8、不同时间进入系统的物料之间的混合 ； 也指在连续过程中与主流方向相反的运动所造成的物料混合。,Company Logo,3. 连续流动反应器内,完全不返混, 活塞流流动,特点：,各质点停留时间相同,完全返混, 全混流,特点：,t = 0，,t ，,t 0 ,部分返混, 非理想流动,Company Logo,（四）微观混合与宏观混合,微观混合,物料在分子尺度上混合,分子扩散,宏观混合,物料在质点（或微团）尺度上混合,分子状态的均匀分散,涡流扩散,与流体流动有关,Company Logo,1.3 化学反应器的类型,二、按相态分类 均相(气相、液相)； 非均相(气液相、气固相、液液相)。,一、按反应

9、装置的结构型式分类 .管式反应器；.塔式反应器；.釜式反应器； .固定床反应器；.移动床反应器；.流化床等。,25,Company Logo,三、按传热情况分类,2.间壁传热反应操作,3.直接传热反应操作 .混合式 .蒸发式 .蓄热式 .内热式,1.绝热反应操作,26,Company Logo,1.4化学反应器的操作方式,1 分批(或称间歇)式操作 2 连续式操作 3 半分批(或称半连续)式操作,27,Company Logo,28,Company Logo,29,Company Logo,串连釜式反应器,30,Company Logo,31,Company Logo,固定床反应器,32,Co

10、mpany Logo,33,Company Logo,循环流化床反应器,返回,34,Company Logo,图1.3-2 绝热型反应操作,返回,35,Company Logo,图1.3-3 外部热交换型反应操作,36,Company Logo,图1.3-5 内部热交换型反应操作,37,Company Logo,图1.3-6 混合反应操作,38,Company Logo,图1.3-7 蒸发式反应操作,39,Company Logo,40,Company Logo,41,Company Logo,返回,42,Company Logo,1.5 反应器设计的基本方程,反应器设计最基本的内容是： (1

11、).选择合适的反应器型式 (2).确定最佳的操作条件 (3).针对所选定的反应器型式，根据所确定的操作条件，计算完成规定的生产任务所需的反应体积。,反应体积是指进行化学反应的空间，由此确定反应器的主要尺寸。是反应器设计的核心内容。,43,Company Logo,反应器设计的基本方程：,建立这三类方程的依据分别是质量守恒定律、能量守恒定律和动量守恒定律。,描述浓度变化的物料衡算式，或称连续方程。 描述温度变化的能量衡算式，或称能量方程。 描述压力变化的动量衡算式。,44,Company Logo,物料衡算式,能量衡算式,动量衡算式,即： 输入输出消耗积累,45,Company Logo,工业上

12、逐级经验放大，就是通过小型反应器进行工艺试验，优选出操作条件和反应器型式，确定所能达到的技术经济指标。据此再设计和制造规模稍大一些的装置，进行所谓模型试验。根据模型试验的结果，再将规模增大，进行中间试验，由中间试验的结果，放大到工业规模的生产装置。如果放大倍数太大而无把握时，往往还要进行多次不同规模的中间试验，然后才能放大到所要求的工业规模。这种放大方法的主要依据是实验。,1.6 工业反应器的放大,一、逐级经验放大法,46,Company Logo,二 、数学模型法 用数学式来表达各参数间的关系，简称数学模型。,在化学反应工程中，数学模型主要包括：,47,Company Logo,(1)实验室

13、规模试验，这一步骤包括新产品的合成，新型催化剂的开发和反应动力学的研究等等。 (2)小型试验。反应器的结构与将来工业装置要使用的相接近。目的在于考察物理过程、工业原料对化学反应的影响。 (3)大型冷模试验，目的是探索传递过程的规律。 (4)中间试验，一是对数学模型的检验与修正，二要对催化剂的寿命、使用过程中的活性变化进行考察，研究设备材料在使用过程中的腐蚀情况等。 (5)计算机试验，这一步贯穿在前述四步之中，对各步的试验结果进行综合与寻优，检验和修正数学模型。,数学模型法步骤：,48,Company Logo,一、反应进度,第二节 化学反应体系的量,1Al 2A2 SAS0,或,式中：Ai表示

14、i组分，i为i组分的计量系数。,化学计量方程 化学计量方程表示各反应物、生成物在反应过程中量的变化关系的方程。一个由S个组分参于的反应体系，其计量方程可写成：,49,Company Logo,.反应物的计量系数为负，反应产物的计量系数为正。 .仅表示由于反应引起的各反应物之间量的变化关系， 与反应的实际历程无关。 .计量系数之间不应含有除1以外的任何公因子。 .用个计量方程即可描述各反应组分之间量变化关系的 反应称之为单一反应；必须用两个(或更多)计量方程才 能确定各反应组分在反应时量变化关系的反应，称为复 合反应。,注意，按此方法写出的计量方程:,50,Company Logo,不论对哪个组

15、分，其值均是一致的，且恒为正数。,定义：各组分在反应前后的摩尔数的变化量与计量系数的比 值称为反应进度,反应进度,51,Company Logo,定义：单位时间、单位反应体积、某组分的摩尔数变化 量称为该组分的反应速率。,例,二、 化学反应速率,反应物,(2.1),产物,(2.2), 对反应物dn/dt0, 按不同组分计算的反应速率数值上不等，因此一定要注明反应速率是按哪一个组分计算的,52,Company Logo,反应物的转化量与反应产物的生成量符合计量关系：,(2.3),各反应组分的反应速率之间的关系：,(2.2),比反应速率定义式可写为：,(2.4),53,Company Logo,当

16、反应过程中反应物系体积恒定时,(2.6),根据,54,Company Logo,反应速率以关键组分转化率表示：,注意：,一个化学反应只有一个反应速率，就是以反应程度表示的反应速率。而rA，rB等都是以各反应物或生成物表示的该物质的消耗或生成速率。这些速率可能在数值上等于该反应的反应速率，但具有不同的意义。,55,Company Logo,56,其他形式,Company Logo,定义：对于关键组分A的转化率 xA,注意：若进料中各反应组分的含量比不同于其计量系数之 比时，各个组分的转化率是不同的。,三、转化率 x,式中：nA0，nA分别表示组分A在反应前和反应后的摩尔数。,57,Company

17、 Logo,关键组分A,其它反应组分i,对于任何反应组分i均有,58,Company Logo,说明： 转化率是针对反应物而言的。 如果反应物不只一种，根据不同反应物计算所得的转化率数值可能是不一样的，按哪种反应物来计算转化率都是可以的。 通常选择不过量或价值最高的反应物计算转化率。这样的组分称为关键组分或着眼组分。 按关键组分计算的转化率，最大值为100。 计算起始状态的选择: 对于连续反应器，一般以反应器进口处原料的状态作为起始状态； 间歇反应器则以反应开始时的状态为起始状态。 当数个反应器串联使用时，往往以进入第一个反应器的原料组成作为计算基准。,59,Company Logo,四、收率

18、与选择性,产物R收率YR,收率定义：,60,Company Logo,选择性定义：,转化率、收率和选择性的关系,61,Company Logo,注意： 转化率X只能说明总的结果，即共反应了多少反应物；选择性S说明反应了的反应物中生成目的产物的比例；收率Y说明在反应过程中，生成目的产物的原料占投入反应物的比例。,62,Company Logo,五、等温变容反应系统,Company Logo,则：,定义：,A 的物理意义：,每转化1molA，引起体系总物质量的变化,当：,A 0,体积；,体积,恒容,A 0,A = 0,Company Logo,二、气体体积,等T、P 过程,Company Logo,三、变容系统的cA、yA、pA,Company Logo,四、变容系统反应速率式：,平均停留时间,Company Logo,例1. 气相反应：A 3R 在等温等压反应器中进行。原料含A 85 %，其余