高等反应工程第一章

1、化学反应工程 Chemical Reaction Engineering 化学工程学院 主讲教师：王承学 主要内容： Chapter 1: Overview of Chemical Reaction Engineering (绪论) Chapter 2: Kinetics of Homogeneous Reactions (均相反应动力学) Chapter 3: Design for ideal flow Homogeneous Reactors (理想均相反应器设计) Chapter 4: Design for non-ideal flow Homogeneous Reactors (非理想

2、流动均相反应器设计） The packed bed Reactor and Fluidized Reactors (固定床和流化床反应器) Chapter 6: Design for Gas-Solid Catalytic Reactions (气固催化反应器设计) Chapter 5: Kinetics of Gas-Solid Catalytic Reactions (气固催化反应动力学) Chapter 1 Overview of Chemical Reaction Engineering (绪论) 1-1 研究对象和任务(Object and Mission) 一 对象（objects

3、） 粗乙炔 (过量) 甲醛水溶液 丙炔醇(副产物) 缓 冲 缸 离心分离器 分离A 分离B 反应器 纯丁炔二醇 (主产物) 分离塔 物理过程 purification 化学过程 reaction 物理过程 separation 核心装置(center equipment) 循环(recycle) 原料 产物 products Raw materials 244222 )(2OHHCHCOCH上图反应方程式: 二 任务(Problems to be solved, contents to be studied.) a. 改进和强化现有的反应器; (Improvement) b. 开发新的反应技术

4、和设备； (Design) c. 反应器的放大； (Enlargement) d. 选择最佳操作条件,实现最佳控制； (Optimum) 化学反应工程学： 研究工业规模下进行化学反应的规 律或工程反应器原理的一门学科。 发展和完善反应工程理论。 (Development) 1-2 化学反应分类及影响因素 (classification and variables) 一 相关概念 1.均相与非均相 均 相：以单一分子状态分散的相态。 非均相：以两种或两种以上分子状 态分散的相态。 非 催 化 (Non-catalytic) 催 化 (Catalytic) 均 相 Homogeneous 气相（燃

5、烧,卤化） 液相（酯化，硝化，磺化 等） 液相均相催化 （酸催化，酶催化，微生物 反应） 非 均 相 Heterogeneou s 气固相（煤燃烧，矿石煅 烧） 气液相（碱H2O吸收CO2， 硝酸等生产） 液固相（高沸点有机物与 酸的反应） 气-液-固相 CO2(g)+H2O(l)+NaOH(l) - NaHCO3(s) 气固相（乙烯加氢，氧化， 合成氨，甲醇）* 液体酸催化的气液和气相反 应 液固相（催化的液相反应和 酸催化的液固相） 气-液-固相 （液相加氢和氧化） 2.基元反应与非基元反应 基元反应（elementary reactions）： 反应的基元步骤，反应速率式与化学式对应。

6、BA K 对于基元反应：反应级数=分子数 （整数） A A A kC dt dC r w 非基元反应（non-elementary reactions）： 有两个及以上的基元步骤，反应速率式与化 学式并无相对应关系。 RBA K 3 . 16 . 0 BA A A CCK dt dC r 对于非基元反应：反应级数分子数 （整数，正数，负数，分数） 二 反应分类 1、简单反应（single reactions） （包括基元和非基元反应） 2、复杂反应（multiple reactions） 一个动力学方程可确定的反应 多于一个动力学方程能确定的反应 RBA a. 连串（series reacti

7、ons） SRA R S A SBR RBA SRA: b. 平行（parallel reactions） c. 平行-连串（series and parallel reactions） parallel series R S B : 三. 影响因素 均相系统 （实验室） ： （T，P，Ci） 非均相系统(工业上） ： （T，P，Ci）+相间传质及（T，Ci ）分布 气膜 灰分层 反应表面 未反 应核 催化 剂 气膜 实 验 室工 业 上 传 质 Mass-transfer C均一 C 不均一 传 热 Heat-transfer T均一T 不均一 时间分布 R T D t均一t 不均一 非均相

8、+工业放大因素,使问题更复杂 三个分布（C，T，t）主要与反应器结构有关， 还与流动条件有关。 工业反应的影响因素： T，C，t，类型（相态），传质，传热， 停留时间分布，反应器结构，操作条件等。 1-3 研究方法数学模型法 （Model Method） 2. 经验放大 (速度较慢，周期较长) 实验室 模拟实验 小生产 大生产 工业化 1. 因次分析与相似论（只适用物理过程 eg:传质与传热）, 3.实验技术 测试技术与计算机的发展给数学模型法提 供了有利的条件，可使放大倍数大大提高。 模型建立过程： （1）简化复杂研究对象，给出物理模型； （2）用守恒原理建立数学模型 ； （物料衡算，热量衡

9、算，动量衡算） （3）用实验数据定模型参数； （4）用放大的实验数据检验模型参数； （5）用该模型设计工业反应器。 明确 任务 检验 模型 简化建立 物理模型 确定模型 参数 应用 修 正 说 明： a. 要 有速度方程（即动力学方程）, 要力求准 确； b. 要有相关的传递参数和物性参数； c. 要有相关的热力学参数； （反应热，平衡常数，比热等） d. 要有合理的边界条件和起始条件； （微分或差分方程） e守恒式： 进入 流出 反应 积累 Mass balance： 进入i的量 = 流出i的量 + 反 应i的量 + i积累的量 Heat balance： 传出热量 + 物料升温的热量 = 反应放出热量（放热） 1-4 反应速率定义 一般： 基准的选择要对ri的计算方便，适用，简化。 基准 1)( dt dN basistime formedimol r i i 流 体：Gas and Liquid Basis = V 流-固系统：Gas-Liquid-Solid Basis = W or Vs or S 亦可选用反应器体积Vr（任何系统） 因此： V* ri = W* ri = S* ri” = Vs* ri” = Vr* ri” r ri ri” ri” ri” 是针对V，W，S，Vs和Vr的定义。 其生成项为正，消耗项为负。 其数量级为10-41010(mol i /s