化学反应工程绪论

1、1蔡旺锋蔡旺锋办公室：办公室：20-518电话：电话：27890041Email：2第一章第一章 绪论绪论1.11.1、化学反应工程研究内容与发展历史、化学反应工程研究内容与发展历史1.21.2、化学反应的转化率和收率、化学反应的转化率和收率1.31.3、化学反应器的类型、化学反应器的类型1.41.4、化学反应器的操作方式、化学反应器的操作方式1.51.5、反应器设计的基本方程、反应器设计的基本方程1.61.6、工业反应器的放大、工业反应器的放大3反应工程反应工程反应动力学反应动力学反应器设计与分析反应器设计与分析本征动力学本征动力学宏观动力学宏观动力学理想条件下研究化学反应进行的机理与反应物

2、系组成、温度、压力等参数对反应速率的影响。主要决定于化学反应本身描述反应器内浓度、温度和压力变化的设计方程研究化学反应进行的机理与速率反应器选型、反应器体积计算、反应器操作参数确定等流体流动过程描述反应过程与质量、热量和动量传递的相互作用一、一、反应工程反应工程课程研究内容及相互关系课程研究内容及相互关系4A分分子子吸吸附附态态A分分子子吸吸附附态态P分分子子P分分子子1234567AP ggPA本征动力学与宏观动力学本征动力学与宏观动力学反应产物反应产物P的外扩散的外扩散 7反应产物反应产物P的内扩散的内扩散 6反应产物反应产物P的脱附的脱附 5表面反应表面反应 4本本征征动动力力学学反应物

3、反应物A的吸附的吸附 3反应物反应物A的内扩散的内扩散 2反应物反应物A的外扩散的外扩散 1宏宏观观动动力力学学 5二、二、反应工程反应工程的历史与发展的历史与发展n 20世纪世纪30年代：丹克莱尔、梯尔和史尔多维奇年代：丹克莱尔、梯尔和史尔多维奇n 40年代末：霍根、华生和法兰克年代末：霍根、华生和法兰克-卡明涅斯基卡明涅斯基l反应工程反应工程的发展历史的发展历史l反应工程反应工程的发展趋势的发展趋势 80 80年代年代 - - 形成新的分支形成新的分支19571957年年 - - 首次使用首次使用“化学反应工程化学反应工程”术语术语 60年代年代 - 快速发展期快速发展期化学反应与传递现象

4、及流体流动的相互关系化学反应与传递现象及流体流动的相互关系61.3 1.3 反应器的类型反应器的类型管式反应器（*）釜式反应器（*）塔式反应器固定床反应器（*）流化床反应器移动床反应器滴流床反应器71.41.4、化学反应器的操作方式、化学反应器的操作方式间歇间歇操作操作连续连续操作操作半间歇半间歇操作操作操作操作方式方式描描述述特特点点反应原料一次装反应原料一次装入反应器，反应入反应器，反应过程中无进料和过程中无进料和出料出料反应过程中反反应过程中反应原料和产物应原料和产物分别连续加入分别连续加入和输出反应器和输出反应器间歇与间歇与连续操连续操作之外作之外物系组成随时物系组成随时间而变间而变多

5、数情况下可多数情况下可视为恒容视为恒容操作灵活，适操作灵活，适于小规模生产于小规模生产物系组成不随时物系组成不随时间但随位置而变间但随位置而变适于大规模、机适于大规模、机械自动化操作械自动化操作产品质量好，劳产品质量好，劳动强度小动强度小兼具间兼具间歇和连歇和连续操作续操作的某些的某些特点特点81.51.5、反应器设计的基本方程、反应器设计的基本方程 反应器设计的基本内容反应器设计的基本内容建立反应参数如转化率、建立反应参数如转化率、收率、选择性和生产能收率、选择性和生产能力等与反应器尺寸、操力等与反应器尺寸、操作方式、反应时间等之作方式、反应时间等之间的关系。间的关系。 反应器型式选择反应器

6、型式选择 反应器最佳操作条件确反应器最佳操作条件确定定 反应体积（尺寸）计算反应体积（尺寸）计算反应器设计方程建立的步骤反应器设计方程建立的步骤选择反选择反应变量应变量确定控确定控制体积制体积建立质量、热量建立质量、热量和动量恒算方程和动量恒算方程9质量衡算：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）VrMdVr质量、热量和动量恒算方程质量、热量和动量恒算方程热量衡算：热量衡算：（输入的热量） （输出的热量）+ （反应热）（累积的热量）动量恒算：动量恒算：（输入的动量） （输出的动量）+ （消耗的动量）（累积的热量）101.6 1.6 工业反应器的

7、放大工业反应器的放大11一、一、经验归纳法经验归纳法 对化学反应过程适应性不强：反应与传质对化学反应过程适应性不强：反应与传质传热、流体流动状况、反应速率与温度的传热、流体流动状况、反应速率与温度的非线形性。非线形性。 将实验数据用因次分析和相似方法整理获将实验数据用因次分析和相似方法整理获得经验关联式；得经验关联式； 主要用于研究物理变化的单元操作，如管主要用于研究物理变化的单元操作，如管道内流体流动的压力降、气液两相传热传道内流体流动的压力降、气液两相传热传质等；质等；12二、数学模型法二、数学模型法 n 反应工程主要研究方法，在反应器放大反应工程主要研究方法，在反应器放大过程中作用显著；

8、过程中作用显著；n包括本征（化学）动力学模型、传质传包括本征（化学）动力学模型、传质传热模型热模型宏观动力学模型；讨论整个宏观动力学模型；讨论整个反应器时，宏观动力学模型包括流体流反应器时，宏观动力学模型包括流体流动模型在内；动模型在内；n 反应器的复杂性使得即使采用数学模型反应器的复杂性使得即使采用数学模型研究方法，反应器设计、优化和放大具研究方法，反应器设计、优化和放大具有很大的困难性。如流动反应器内流体有很大的困难性。如流动反应器内流体和固体运动状况；多孔催化剂及固相反和固体运动状况；多孔催化剂及固相反应物内的宏观反应过程。应物内的宏观反应过程。131 1、数学模型方法的作用、数学模型方

9、法的作用 n 进行方案比较、操作参数的优化；进行方案比较、操作参数的优化；n 扩大实验结果的范围，预测实验以外的扩大实验结果的范围，预测实验以外的操作区间；操作区间；n 在实验范围内进行预测；在实验范围内进行预测；n 工程放大时较能抓住事物本质，获得更工程放大时较能抓住事物本质，获得更大的放大倍数。大的放大倍数。142、数学模型方法的局限性、数学模型方法的局限性n 物理模型不能全面反映事物的本质，物理模型不能全面反映事物的本质，可能带来失真；可能带来失真；n 实际过程太复杂，模型建立需要简化；实际过程太复杂，模型建立需要简化；n 物理模型获得数学模型求解复杂性；物理模型获得数学模型求解复杂性；

10、n 数学模型方法需要与实验相结合。数学模型方法需要与实验相结合。153 3、数学模型的简化原则、数学模型的简化原则 简化模型是否失真，需要通过实验进行简化模型是否失真，需要通过实验进行检验和修正。检验和修正。 不失真，与应用相适应；不失真，与应用相适应； 能适应当前的实验条件，以便进行模型能适应当前的实验条件，以便进行模型鉴别和参数估值；鉴别和参数估值； 能适应现有计算机的能力；能适应现有计算机的能力；164、数学模型放大方法的一般步骤、数学模型放大方法的一般步骤实验室规模的试验实验室规模的试验小型试验小型试验大型冷膜试验大型冷膜试验中间试验中间试验l计算机试验计算机试验l数学模型数学模型工业

11、规模反应器工业规模反应器171.21.2、化学反应的转化率、收率和选择性、化学反应的转化率、收率和选择性1 1、 反应进度反应进度RBARBA CBARRBBAAnnnnnn:000CRRBBBAAAnnnnnn000iiinn0Mjjijiinn10存在多个反应时存在多个反应时182. 2. 转化率转化率（X）该反应物的起始量某一反应物的转化量X单程转单程转化率与化率与全程转全程转化率化率定义：某一反应物转化的百分率或分率。定义：某一反应物转化的百分率或分率。 表示一个反应进行的程度。表示一个反应进行的程度。0Q0Ac0QQrReactor12RBARBA00iiinnnX0iin19例题例

12、题1.1合成聚氯乙烯所用的单体氯乙烯，合成聚氯乙烯所用的单体氯乙烯，多由乙炔和氯化氢以氯化汞为催化剂合成多由乙炔和氯化氢以氯化汞为催化剂合成得到，反应式如下得到，反应式如下通常反应原料中氯化氢过量通常反应原料中氯化氢过量10%10%。若反应。若反应器出口中氯乙烯摩尔分数为器出口中氯乙烯摩尔分数为90%90%，试分别，试分别计算乙炔和氯化氢的转化率。计算乙炔和氯化氢的转化率。CHClCHHClHC222203. 收率收率(Y)与选择性与选择性(S)关键组分的起始量反应产物的生成量关键组分的起始量关键组分量生成目的产物所消耗的RAYl摩尔收率与质量收率摩尔收率与质量收率l单程收率与全程收率单程收率

13、与全程收率C2H4+12O2H2CCH2OC2H4+ 3O22CO2+2H2O0Q0Ac0QQr12C2H4+12O2H2CCH2OC2H4+ 3O22CO2+2H2O21关键组分的转化量关键组分量生成目的产物所消耗的S关键组分的起始量关键组分量生成目的产物所消耗的Y该反应物的起始量某一反应物的转化量XSXY 关键组分的起始量关键组分的转化量关键组分的转化量关键组分量生成目的产物所消耗的YSX22例题例题1.2 在银催化剂上进行乙烯氧化生产在银催化剂上进行乙烯氧化生产环氧乙烷，进入催化剂中各种气体的摩尔环氧乙烷，进入催化剂中各种气体的摩尔数分别为数分别为C2H4 15%，O2 7%，CO2 10%， Ar 12%，其余为，其余为N2。反应器。反应器出口气体含出口气体含C2H4和和O2分别为分别为13.1和和4.8%。试计算乙烯的转化率、环氧乙烷。试计算乙烯的转化率、环氧乙烷收率和反应选择性。收率和反应选择性。C2H4+12O2H2CCH2OC2H4+ 3O22CO2+2H2O2