化学反应工程-第一章_绪论

1、1化学反应工程化学反应工程(Chemical reaction engineering, CRE)授课教师：李青云授课教师：李青云2第一章第一章 绪论绪论教材：教材：朱炳辰朱炳辰 主编，化学反应工程（第四主编，化学反应工程（第四版），化学工业出版社，版），化学工业出版社，2002007 7参考资料：参考资料：郭锴，唐小恒，周绪美编，化学郭锴，唐小恒，周绪美编，化学反应工程，化学工业出版社；反应工程，化学工业出版社；陈甘棠主编，化学反应工程，高陈甘棠主编，化学反应工程，高等教育出版社。等教育出版社。 3第一章第一章 绪论绪论4n学科地位及历史学科地位及历史n研究对象及内容研究对象及内容n研究方法

2、研究方法第一章第一章 绪论绪论5化学反应工程化学反应工程化学工程学科的一个化学工程学科的一个分支，分支，以工业反应过程为主要研究对象，以工业反应过程为主要研究对象，以反应技术的开发、反应过程的优化和以反应技术的开发、反应过程的优化和反应器设计为主要目的的一门新兴工程反应器设计为主要目的的一门新兴工程学科。学科。研究对象研究对象工业反应过程，研究过程工业反应过程，研究过程速率及其变化规律、传递规律及其对化速率及其变化规律、传递规律及其对化学反应的影响。学反应的影响。 课程的任务和基本要求课程的任务和基本要求 化工热力学化工热力学反应动力学反应动力学传递过程理论传递过程理论化工单元操作化工单元操作

3、6反应器的开发反应器的开发设计设计放大放大优化操作优化操作目的目的化学化学石油化学石油化学生物化学生物化学医药医药冶金冶金轻工轻工应用应用课程的任务和基本要求课程的任务和基本要求 大庆炼化厂区鸟瞰图大庆炼化厂区鸟瞰图 7（1 1）牢固掌握基本概念、基本原理以及反应器分析和设计）牢固掌握基本概念、基本原理以及反应器分析和设计所用的基本关系式；所用的基本关系式；（2 2）较深入地了解各种类型反应器的特点、性能和适用范）较深入地了解各种类型反应器的特点、性能和适用范围，掌握固定床催化反应器等几种重要反应器的化工设计计围，掌握固定床催化反应器等几种重要反应器的化工设计计算方法；算方法；（3 3）掌握工

4、业反应器设计的一般方法和程序；）掌握工业反应器设计的一般方法和程序；（4 4）较深刻地理解数学模型和模拟方法的基本原理和实质；）较深刻地理解数学模型和模拟方法的基本原理和实质；（5 5）具备一定的工程应用能力。）具备一定的工程应用能力。 学习要求学习要求8基本内容基本内容第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 均相反应动力学均相反应动力学 第三章第三章 理想反应器理想反应器 第四章第四章 非理想流动非理想流动 第五章第五章 气固催化反应动力学气固催化反应动力学 第六章第六章 反应器设计的一般原则和方法反应器设计的一般原则和方法 第七章第七章 固定床反应器固定床反应器第八章第八章 流化床反应器流化床

5、反应器 第九章第九章 其它多相反应器其它多相反应器 9n过程工程过程工程以传递过程及化学反应工程为核心的学科体以传递过程及化学反应工程为核心的学科体系（包括化工热力学、化工单元过程、分离工程、化工系系（包括化工热力学、化工单元过程、分离工程、化工系统工程等）统工程等）学科体系的基本内容与地位学科体系的基本内容与地位三传一反三传一反动量传递动量传递热量传递热量传递质量传递质量传递化学反应化学反应10n对对“化学工程化学工程”概念的拓展。概念的拓展。n“过程工业过程工业”（process industry）化学工程学在发展化学工程学在发展过程中不断向科技新领域渗透拓展，应用对象已经涵盖了过程中不断

6、向科技新领域渗透拓展，应用对象已经涵盖了所有与物质的物理、化学加工过程相联系的工业部门，包所有与物质的物理、化学加工过程相联系的工业部门，包括石油炼制、化学工业、能源工业、航空、军事、冶金、括石油炼制、化学工业、能源工业、航空、军事、冶金、环保工业、建材、印染、生物技术、医药、食品、造纸等环保工业、建材、印染、生物技术、医药、食品、造纸等工业部门。工业部门。nPI的特点：原料产品、加工过程、增加产量的特点：原料产品、加工过程、增加产量过程工程（过程工程（process engineering)11第一阶段：古代的化学生产（第一阶段：古代的化学生产（17世纪以前）世纪以前）古代化学具有实用和经验

7、的特点，尚未形成理论体系、是古代化学具有实用和经验的特点，尚未形成理论体系、是化学的萌芽时期；尚未形成有规模的化学加工实践。化学的萌芽时期；尚未形成有规模的化学加工实践。发展简史发展简史实用化学实用化学炼丹和炼金炼丹和炼金医药化学医药化学冶金化学冶金化学12n第二阶段：近代化学工业从十八世纪末开始，以硫酸，硝第二阶段：近代化学工业从十八世纪末开始，以硫酸，硝酸，纯碱的工业规模的生产过程为开端，至酸，纯碱的工业规模的生产过程为开端，至20世纪初，出世纪初，出现了载入化工发展史册的合成氨的工业生产。现了载入化工发展史册的合成氨的工业生产。n20世纪初，英国的世纪初，英国的Davis,美美Walke

8、r,Lewis等提出了等提出了“化学工化学工程程”的概念，发展成为以的概念，发展成为以“单元单元操作操作” （unit operations）为基）为基本研究内容的化学工程学。本研究内容的化学工程学。Fritz Haber (1868 - 1934)发展简史发展简史13第三阶段：现代化学工业（二战前后），在原料路线，第三阶段：现代化学工业（二战前后），在原料路线，技术和设备方面都有巨大的变化和进步，在以石油和天技术和设备方面都有巨大的变化和进步，在以石油和天然气为主要原料的化学工业中，各种催化反应被广泛应然气为主要原料的化学工业中，各种催化反应被广泛应用，这就要求在反应技术和反应器设计方面作出

9、重大努用，这就要求在反应技术和反应器设计方面作出重大努力。力。n从动量传递、热量传递质量传递的角度深入研究化工生从动量传递、热量传递质量传递的角度深入研究化工生产的物理变化过程，以及从产的物理变化过程，以及从“化学反应工程化学反应工程”的角度来的角度来研究化工生产的化学过程。从而使化学工程学科上升为研究化工生产的化学过程。从而使化学工程学科上升为一门具有完整理论体系的全面学科。一门具有完整理论体系的全面学科。发展简史发展简史141947年年霍根与华生合著的霍根与华生合著的化工过程原理化工过程原理第三分册中第三分册中论述了动力学和催化过程。论述了动力学和催化过程。50年代，有一系列重要的研究论文

10、发表于年代，有一系列重要的研究论文发表于化学工程科学化学工程科学杂志，对反应器内部发生的若干种重要的、影响反应结果的杂志，对反应器内部发生的若干种重要的、影响反应结果的传递过程，如返混、停留时间分布、微观混合、反应器的稳传递过程，如返混、停留时间分布、微观混合、反应器的稳定性等进行研究，获得了丰硕的成果。定性等进行研究，获得了丰硕的成果。 发展简史发展简史15 发展简史发展简史16发展简史发展简史荷兰荷兰van Krevelen提出提出“化学反应工程化学反应工程”的概念。的概念。1957年，阿姆斯特丹，第一届欧洲化学反应工程会议，年，阿姆斯特丹，第一届欧洲化学反应工程会议， van Kreve

11、len作首篇综合性报告：作首篇综合性报告：Micro- and Macro- Kinetics化学工业（石油化学工业）的发展，生产趋于大型化，对化化学工业（石油化学工业）的发展，生产趋于大型化，对化学反应过程的开发和反应器的可靠设计提出迫切要求；学反应过程的开发和反应器的可靠设计提出迫切要求；化学反应动力学和化工单元操作的理论和实践有了深厚的基化学反应动力学和化工单元操作的理论和实践有了深厚的基础；础；数学模型方法和大型电子计算机的应用为反应工程理论研究数学模型方法和大型电子计算机的应用为反应工程理论研究提拱有效的方法和工具。提拱有效的方法和工具。 1750年代末到年代末到60年代初年代初S.

12、M.华拉斯的华拉斯的化工动力学化工动力学，O.列文斯比尔的列文斯比尔的化学反应工程化学反应工程等，使学科体系大体形成。等，使学科体系大体形成。1981年，化学反应工程正式进入我国化工高等教育。年，化学反应工程正式进入我国化工高等教育。发展简史发展简史集总方法集总方法聚合反应工程聚合反应工程电化学反应工程电化学反应工程生化反应工程生化反应工程冶金化学反应工程冶金化学反应工程新的分支新的分支18以工业规模进行的化学反应的规律。以工业规模进行的化学反应的规律。化学动力学化学动力学研究浓度和温度对反研究浓度和温度对反应速度的影响的科学。应速度的影响的科学。（1 1）影响反应速度的各种因素以及如）影响反

13、应速度的各种因素以及如何获得最优的反应结果等问题。何获得最优的反应结果等问题。（2 2）化学反应的速度和平衡的规律。）化学反应的速度和平衡的规律。化学反应工程的研究内容化学反应工程的研究内容大庆炼化大庆炼化19化学反应的分类化学反应的分类n按反应特性分类：按反应特性分类：机理，可逆性，分子数，级数，热效应机理，可逆性，分子数，级数，热效应n按反应物系的相类特征分类：按反应物系的相类特征分类：均相；非均相（催化非催化），如均相；非均相（催化非催化），如气固相催化反应，气液相反应。气固相催化反应，气液相反应。n按反应过程的条件分类：按反应过程的条件分类：温度，压力，操作方式温度，压力，操作方式21

14、动量传递过程流动因素动量传递过程流动因素nABAArCA0tAACC e0ACAC22热量传递过程传热因素热量传递过程传热因素nABA0ACAC0ERTkk eAArkC23质量传递过程传质因素质量传递过程传质因素24质量传递过程传质因素质量传递过程传质因素R边缘反应物浓度高边缘反应物浓度高中央反应物浓度低中央反应物浓度低此处反应较快此处反应较快25( (1)1)间歇操作的搅拌釜间歇操作的搅拌釜 批次生产批次生产，用于处理液相系统、用于处理液相系统、多品种、小批量的制药、染料等多品种、小批量的制药、染料等的生产。的生产。 工业反应器型式工业反应器型式26( (2)2)连续操作的搅拌釜连续操作的

15、搅拌釜用于均相或非均相的液相用于均相或非均相的液相系统，如聚合反应等。多系统，如聚合反应等。多釜连续操作、多釜串联操釜连续操作、多釜串联操作。作。( (3)3)管式反应器管式反应器 多用于大规模的气相或多用于大规模的气相或液相反应，如石油气裂解液相反应，如石油气裂解用的裂解炉用的裂解炉工业反应器型式工业反应器型式( (4)4)固定床反应器固定床反应器 在管子中充填有固体颗粒催化剂，在管子中充填有固体颗粒催化剂，气相反应物通过催化剂床层而进行气相反应物通过催化剂床层而进行气相催化反应，如气相醋酸和乙烯气相催化反应，如气相醋酸和乙烯通过含有钯的催化剂床层生成气相通过含有钯的催化剂床层生成气相的醋酸

16、乙烯。的醋酸乙烯。( (5)5)流化床反应器（流化床反应器（沸腾床沸腾床） 固体催化剂颗粒小，当反应气体通固体催化剂颗粒小，当反应气体通过床层时，使催化剂颗粒处于不断过床层时，使催化剂颗粒处于不断的运动中，俗称的运动中，俗称石油工业中的石油工业中的催化裂化反应器。催化裂化反应器。28 （6)6)鼓泡床反应器。用于气液鼓泡床反应器。用于气液非均相反应过程的反应器。如乙非均相反应过程的反应器。如乙醛与氧气通过含有醋酸锰的醋酸醛与氧气通过含有醋酸锰的醋酸溶液生成醋酸的反应。溶液生成醋酸的反应。工业反应器型式工业反应器型式浆态反应器浆态反应器滴流床反应器滴流床反应器移动床反应器移动床反应器其他型式其他

17、型式2929釜式反应器釜式反应器 又称反应釜，搅拌反应器反应釜，搅拌反应器特征特征: :反应器高度与直径相当或稍高。 釜内设有搅拌装置和挡板。 常带夹套或釜内放置蛇管，传热以维持釜内所需温度。 适用于液相均相反应、气液反应、液液反应、液固反应、气液固三相反应。 30303131各种搅拌桨的形式 3232搅拌釜的各种换热形式 3333塔式反应器塔式反应器 特征：反应器高度为直径的数倍以至十几倍。 内部常设置能增加两相接触的构件，如填料，筛板等。 适用于两种流体相反应的过程。如气液反应、液液反应。3434无论哪一种塔式反应器，两种流体可以成逆流，也可以并流操作 3535环流反应器 3636固定床反

18、应器固定床反应器 n特征：特征：反应器内填充有固定不动的固体颗粒。 可以是催化剂，也可以是固体反应物。 适用于气固催化反应，固相加工反应，应用非常广泛。根据换热方式不同,可分为三种型式：(1)换热式固定床反应器结构型式类似于列管式换热器。管内装填催化剂，反应物料自上而下通过床层；管间为载热体，与管内物料进行换热，以维持所需的温度条件。列管式固定床反应器列管式固定床反应器3737 (2)绝热式固定床反应器 床层与外界没有热量交换。 结构简单，造价低廉，但适用热效应不大或催化剂对温度要求不高的反应。n重要过程：n丙烯氧化制丙烯酸n乙炔HCl制氯乙烯n乙烯环氧化制环氧乙烷n烃类加氢n乙苯脱氢制苯乙烯

19、n煤气化绝热式固定床反应器绝热式固定床反应器3838(3)自热式固定床反应器自热式固定床反应器以冷的原料作为载热体，使冷原料本身预热到反应所需的温度，然后进入床层进行反应。使用前提：放热反应，热量大致平衡。自热式固定床反应器自热式固定床反应器3939流化床反应器流化床反应器 n特征：特征：反应器内固体粒子可以象流体一样被流化起来。 n适用于气固，液固，气液固反应。如： n催化剂快速失活需立即再生的：催化裂化装置 n强放热反应：丙烯氨氧化，萘氧化，丁烯氧化脱氢 n固相加工反应：黄铁矿，闪锌矿的焙烧，石灰石的煅烧等404041414242移动床反应器移动床反应器 特征：特征：固体颗粒自反应器顶部连

20、续加入，自上而下移动，由底部卸出。反应流体与颗粒成逆流接触。适用：适用：催化剂需要连续再生的催化反应、固相加工反应。4343滴流床反应器滴流床反应器特征：特征：反应器内催化剂也是固定不动的。广义上的固定床反应器。适用：适用：液固及气液固三相反应。如石油馏份加氢精制、脱硫等。优点：优点：液体不需要加热变成气体，节省能源。4444鼓泡塔反应器+ + 简单简单+ + 传质好传质好 ( (射流入口射流入口) )+ + 低剪切低剪切 ( (气升式气升式) )+ + 短扩散距离短扩散距离-低催化剂空速低催化剂空速-高返混高返混- - 中等传热能力中等传热能力45高低并列的提升管FCC装置46南充炼厂FCC

21、装置47Grassroots FCC unit under construction in MexicoCold flow model of Kellogg dense phase catalyst cooler48495080万吨/年加氢裂化装置5152535445万吨/年乙烯裂解球罐55釜式反应器56环管反应器5758（1 1）反应体积）反应体积V V进行反应场所的体积。进行反应场所的体积。如果反应在液相进行，就要用液相的体积；反之就要如果反应在液相进行，就要用液相的体积；反之就要用气相的体积（用气相的体积（或界面区的体积或界面区的体积）工业反应器工业反应器的参数的参数工业反应器工业反应器

22、温度分布温度分布浓度分布浓度分布时间分布时间分布yxz59（2 2）浓度：在气液反应中，浓度指液相）浓度：在气液反应中，浓度指液相中中B B的浓度和溶解于液相中的的浓度和溶解于液相中的A A的浓度。在的浓度。在同一时刻在反应器的不同部位，同一时刻在反应器的不同部位，A A的浓度的浓度不同。不同。（3 3）温度：在反应器中心处与釜壁处温）温度：在反应器中心处与釜壁处温度存在差异。度存在差异。（4 4）时间：）时间： 在连续操作的反应器，平均在连续操作的反应器，平均的停留时间是否等于反应时间呢的停留时间是否等于反应时间呢? ? 工业反应器工业反应器的参数的参数ABC60处理反应工程的问题需要具备三

23、处理反应工程的问题需要具备三个方面的知识：个方面的知识：(1)(1)化学反应的规律化学反应的规律主要是物主要是物理化学的领域，着重研究反应的理化学的领域，着重研究反应的历程和机理；化学反应工程着重历程和机理；化学反应工程着重于反应速率规律的定量描述。于反应速率规律的定量描述。(2)(2)传递过程的规律传递过程的规律一般化学一般化学工程的领域；工程的领域；(3)(3)上述两者的结合能力。上述两者的结合能力。 知识准备知识准备总结总结实践实践61新的反应过程的开发新的反应过程的开发工程阶段工程阶段反应器的选型反应器的选型操作条件的选择操作条件的选择反应器的工程设计反应器的工程设计化学阶段化学阶段发

24、现和认识新的发现和认识新的化学反应化学反应现场工作现场工作反应器操作不正常的原因反应器操作不正常的原因化学方面化学方面( (如催化剂活如催化剂活性变化性变化) )传递过程方面传递过程方面62研究方法研究方法 一般的化学工程问题，藉助相似一般的化学工程问题，藉助相似论和因次论指导下的实验，综合性地论和因次论指导下的实验，综合性地予以解决。予以解决。 例如：换热器中传热系数，它不是例如：换热器中传热系数，它不是从基础理论出发去寻找有关因素之间从基础理论出发去寻找有关因素之间的数学关系，再经过数学方程的运算的数学关系，再经过数学方程的运算而求解，而是通过实验测定归纳成经而求解，而是通过实验测定归纳成

25、经验的相似准数的关系式予以确定的。验的相似准数的关系式予以确定的。 换热器换热器63 化学反应工程中，有化化学反应工程中，有化学过程，又有物理过程。学过程，又有物理过程。实验的纳果，只能还原应实验的纳果，只能还原应用于该实验条件本身，既用于该实验条件本身，既没有普遍性，也不能转用没有普遍性，也不能转用于实验条件之外的其它情于实验条件之外的其它情况况。小实验的结果，不能应小实验的结果，不能应用于大型装置。用于大型装置。 研究方法研究方法兰州石油化工兰州石油化工 6464研究方法：理想化和模型化。理想化：对于实际反应器，通过理想化处理，抽象出某几种具有代表性的典型反应器，当然它们是理想反应器。理想

26、的反应器主要有三种：（1）理想间隙搅拌釜式反应器（2）理想连续搅拌釜式反应器（3）理想管式或塔式反应器化学反应工程的基本研究方法6565模型化：数学模型法就是用数学语言来表达反应过程中各个变量之间的关系。数学模型的建立方法可分为三种。一种是从过程机理出发推导得到的，称为机理模型或结构模型；另一种称为半经验模型，它是在对过程机理有一定了解的基础上结合实验数据得到的模型；最后一种是在完全不了解或不考虑过程机理的情况下，仅根据一定条件下的实验数据进行的数学关联，称为经验模型。在生物反应工程中，由于生物反应过程极为复杂，故多采用半经验模型成经验模型。6666n物理概念模型n数学模型n数学模拟方法 化学

27、反应工程的基本研究方法是数学模拟法。数学模拟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。6767数学模拟法n1建立简化物理模型n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。6868n2建立数学模型n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。n3用模型方程的解讨论客体的特性规律69数学模型分类：n（1）化学动力学模型n（2）流动模型n（3）传递模型n（4

28、）宏观反应动力学模型工业反应器中的宏观反应动力学模型是化学动力学模型、流动模型、传递模型的综合，是本门课程的核心内容。697070利用数学模型解决化学反应工程问题n基本步骤为：n1小试研究化学反应规律；n2大型冷模实验研究传递过程规律；n3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；n4热模实验检验数学模型的等效性。71数学模型数学模型 数学模型：将复杂的研究对象合数学模型：将复杂的研究对象合理地简化成某个模型，与原过程理地简化成某个模型，与原过程( (或称或称原型原型) )近似地等效的或当量的。近似地等效的或当量的。以该简化模型进行数学描述，所得的以该简化模

29、型进行数学描述，所得的数学关系式即为原型近似等效的数学数学关系式即为原型近似等效的数学模型，然后通过求解或进行数值运算模型，然后通过求解或进行数值运算而研究其特性。而研究其特性。数字模型方法的核心数字模型方法的核心对复杂对象对复杂对象的简化。的简化。72数学模型数学模型数学模拟方法的基础，数学模型的基础是对过数学模拟方法的基础，数学模型的基础是对过程多种影响因素的分析或称为物理模型程多种影响因素的分析或称为物理模型。数学模型数学模型处理问题的性质处理问题的性质化学动力学模型化学动力学模型流动模型流动模型传递模型传递模型宏观动力学模型。宏观动力学模型。数学模型数学模型73数学模拟放大方法数学模拟放大方法74学习方法学习方法1 1抓反应类型、挖掘物理因素、归结于最终目