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1、化学反应工程,第一章 绪论,天津大学化工学院反应工程教研组,化学反应工程定义化学反应和反应器的分类 化学工程与化学工程师 反应工程学的历史及发展 反应工程的用途 相关概念 反应器的类型与操作方式 反应器设计的基本方程化学反应工程的基本研究方法及工业反应器的设计方法,本章内容,化学反应工程学是一门研究涉及化学反应的工程问题的学科。对于已经在实验室中实现的化学反应，如何将其在工业规模实现是化学反应工程学的主要任务。为了这一目标，化学反应工程学不仅研究化学反应速率与反应条件之间的关系，即化学反应动力学，而且，着重研究传递过程对化学反应速率的影响；研究不同类型反应器的特点及其与化学反应结果之间的关系。
2、,工业规模的化学反应较之实验室规模要复杂得多，在实验室规模上影响不大的质量和热量传递因素，在工业规模可能起着主导作用。在工业反应器中既有化学反应过程，又有物理过程。物理过程与化学过程相互影响，相互渗透，有可能导致工业反应器内的反应结果与实验室规模大相径庭。,工业反应器中对反应结果产生影响的主要物理过程是：(1)由物料的不均匀混合和停留时间不同引起的传质过程；(2)由化学反应的热效应产生的传热过程；(3)多相催化反应中在催化剂微孔内的扩散与传热过程。这些物理过程与化学反应过程同时发生。,从本质上说，物理过程不会改变化学反应过程的动力学规律，即反应动力学规律不因为物理过程的存在而发生变化。但是流体
3、流动、传质、传热过程会影响实际反应场所的温度和参与反应的各组分浓度在空间上的分布，最终影响到反应的结果。,化学反应和反应器的分类,化学反应和反应器的分类方法很多，常按下列四种方法进行分类。一、按反应系统涉及的相态分类，分为1 均相反应，包括气相均相反应和液相均相反应。2 非均相反应，包括气固相，气液相，气液固相反应等。,二、按操作方式分类，分为1 间歇操作，是指一批物料投入反应器后，经过一定时间的反应再取出的操作方法。2 连续操作，指反应物料连续地通过反应器的操作方式。3 半连续操作，指反应器中的物料，有一些是分批地加入或取出，而另一些则是连续流动通过反应器。,三、按反应器型式来分类，分为1
4、管式反应器，一般长径比大于302 槽式反应器，一般高径比为133 塔式反应器，一般高径比在330之间,四、按传热条件分类，分为1 等温反应器，整个反应器维持恒温，这对传热要求很高。2 绝热反应器，反应器与外界没有热量交换，全部反应热效应使物料升温或降温。3 非等温、非绝热反应器，与外界有热量交换，但不等温。,化学工程与化学工程师,化学工程与化学化学工程师与化学家化学工程师的具体任务与目标 解决实际问题 追求效率最大化 追求资源利用最大化 经济评价指标,Engineering&Engineers,Solve practical problemsScientists solve the probl
5、ems they can,but Engineers try to solve the problems they have to;Problem-orientedSolve practical problems efficientlyEngineers do for a penny what any fool can do for a pound.Solve practical problems efficiently with limited resourcesWillingness to make estimates and assumptionsMust be constantly a
6、ware of the difference between the idealized conditions under which the basic knowledge was obtained and the real conditions of their design and its environmentFearless,embraces new challenges,Engineering&Engineer,Quantitative reasoningReadiness to face open-end questionA habit of visualizing the so
7、lutionInvent,Hamlet was created;The telephone was invented;Structure of DNA was discovered,Whether you believe you can,or whether you believe you cant,you are absolutely right!Henry Ford,Chemical Engineering,I shall use the phrase of Chemical Engineering Science to mean the aspects of science develo
8、ped by chemical engineers for their own purpose in field not covered by other branch of technology.P.V Danckwerts,Education:Winchester College;Balliol College,Oxford University;Massachusetts Institute of Technology.BA(chemistry)Oxon,1938;SM(Chemical Engineering Practice),MIT,1948;MA Cantab 1948.Held
9、 a post in the small chemical company of Fullers Earth Union Ltd,Redhill,1939-1940.,Trends in ChemE and Chem.Industry,Diversified application areasRelying on broader and deeper science knowledge,Chemical EngineeringUnit OperationsTransport processesReaction Engineering,Fundamental Sciences,PhysicsCh
10、emistryBiologyMathematics,Applications,EnergyInorganic IndustryPetrochemicalsBiochemicalsPharmaceuticalsMaterialsElectronics,Trends in ChemE and Chem.Industry,Globalization:CompetitionJob SecurityThe ability to find another jobSpeed is the keySustainability:energy and environmental,Requirement for C
11、hemE Education,VersatilityBe PracticalUse fundamental theories and knowledge to solve practical problemsMulti-scale analysis and SynthesisAnalysis of complex systemComprehensive usage of a broad range of knowledge,Chemical Reactor:Definition,General:An equipment or device that serves to conduct chem
12、ical reactions,i.e.convert molecules from one form to another,Narrowed:Chemical conversion is performed for the purpose of producing or eliminating pre-determined molecular compound(s)Purpose:making or eliminating Control:safe,selectivity,performance optimization,1.2 Chemical Reactor:ScaleMulti-scal
13、e Analysis,James Wei,Chem.Eng.Sci.,59(2004),1641-1651,Reactor Design,Design taskType SizeOperation conditionsScale-upProcedureInitial estimationSelectionDesign calculation,20世纪30年代-丹克莱尔(Damhhler)-梯尔(Thiele)和史尔多维奇()扩散、流体流动和传热对反应器产率的影响，奠定了化学反应工程基础20世纪40年代末-霍根(Hougen)和华生(Waston)法兰克-卡明斯基(-),1 反应工程学的历史及发
14、展,化学反应与传递现象的相互关系,萌芽阶段：20世纪30年代，丹克莱尔在当时实验数据十分贫乏的情况下，较系统地论述了扩散、流体流动和传热对反应器产率的影响，为化学反应工程奠定了基础。初步形成：1957年，欧洲几个国家从事反应工程这一领域研究工作的学者在荷兰的阿姆斯特丹召开的一次学术会议上首次使用化学反应工程一词，这标志着该学科的初步形成。成熟阶段：60年代石油化工的大发展，生产的日趋大型化和单机化，以及原料加工的不断发展加速了反应工程学科的发展使其进入黄金时代并日趋成熟。新的契机：80年代以后，随着高技术的发展和应用，如微电子器件的加工、光导纤维生产、新材料以及生物技术等，向化学反应工程工作者
15、提出了新的研究课题，使化学反应工程形成新的分支，如生化反应工程、聚合反应工程等，扩大了化学反应工程的研究领域，从而使化学反应工程的研究进入了一个碌慕锥巍,1957年-首次使用“化学反应工程”术语 Amsterdam，ESCRE,60年代-快速发展期 石油化工的大发展 计算机的发展与应用 80年代-形成新的分支：生化反应工程 聚合反应工程 电化学反应工程,1 反应工程学的历史及发展,International Symposia on Chemical Reaction Engineering(ISCRE),2 反应工程的用途、作用、研究内容,反应动力学 反应模式 速率方程 活化能 反应器的设计与
16、分析 各因素（T,P,c）的变化规律 最佳工况,3 化学反应的转化率和收率,3.1 反应进度,3.2 转化率 X,注意：按关键组分计 反应物的起始态,3 化学反应的转化率和收率,3.3 收率 Y与选择性S,3 化学反应的转化率和收率,进入SO2氧化器的气体组成（摩尔分数）为：SO2:3.07%;SO3:4.6%;O2:8.44%;N2:83.89%离开反应器的气体中SO2的含量为1.5%，试计算SO2的转化率。,例1,3 化学反应的转化率和收率,丁二烯是制造合成橡胶的重要原料。制取丁二烯的工业方法之一是将正丁烯和空气及水蒸气的混合气体在磷钼铋催化剂上进行氧化脱氢。除生成丁二烯的主反应外，还有许
17、多副反应，如生成酮、醛及有机酸的反应。反应在温度350、压力0.2026MPa下进行。得到反应前后的物料组成如下。根据表中的数据计算正丁烯的转化率、丁二烯的收率和反应的选择性。,例2,反应前后物料组成,4 反应器的类型,重油的催化裂化流化床反应器,搅拌釜式反应器,邻二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反应器,乙苯加氢气液塔式反应器,轻油裂解制乙烯管式非催化反应器,4 反应器的类型,管式反应器,釜式反应器,4 反应器的类型,塔式反应器,板式塔,填料塔,4 反应器的类型,固定床反应器,流化床反应器,床式反应器,4 反应器的类型,移动床反应器,滴流床反应器,浆态床反应器,4 反应器的类型,5 反应器的操作方
18、式,A,B,5 反应器的操作方式,间歇操作(batch reactor,BR),连续操作(continuous stirred tank reactor,CSTR),连续操作(PFR reactor),质量衡算：（关键组分i 的输入速率）（i 的输出速率）（i 的转化速率）（i 的累积速率）热量衡算：（输入的热量）（输出的热量）（反应热）（累积的热量）动量衡算：（输入的动量）（输出的动量）（动量消耗）（累积的动量）,6 反应器设计的基本方程,6 反应器设计的基本方程,控制体积：可以把反应速度视为定值的最大空间范围,状态变量：浓度（质量衡算）温度（能量衡算）压力（动量衡算）,自变量：时间 空间,
19、*定态过程：无时间变量,化学反应工程的基本研究方法,化学反应工程的基本研究方法是数学模型法。数学模型法是对复杂的难以用数学全面描述的客观实体，人为地做某些假定，设想出一个简化模型，并通过对简化模型的数学求解，达到利用简单数学方程描述复杂物理过程的目的。,1建立简化物理模型对复杂客观实体，在深入了解基础上，进行合理简化，设想一个物理过程(模型)代替实际过程。简化必须合理，即简化模型必须反映客观实体，便于数学描述和适用。,2建立数学模型依照物理模型和相关的已知原理，写出描述物理模型的数学方程及其初始和边界条件。3用模型方程的解讨论客体的特性规律,利用数学模型解决化学反应工程问题,基本步骤为：1小试研究化学反应规律；2大型冷模实验研究传递过程规律；3利用计算机或其它手段综合反应规律和传递规律，预测大型反应器性能，寻找优化条件；4热模实验检验数学模型的等效性。,7 工业反应器的放大,实验室规模实验,小型试验,中间试验,大型冷模试验,工厂设计,建立化学模型,考察物理过程对反应的影响,建立物理模型,检验并修正模型考察催化剂性能考察设备腐蚀情况,数学模型法的步骤,
