青海大学化学反应工程绪论

1、青海大学化工学院青海大学化工学院绪绪 论论 化学反应工程的概念化学反应工程的概念 化学反应工程的研究对象、内容及任务化学反应工程的研究对象、内容及任务 化工生产中设备的分类化工生产中设备的分类 化学反应工程的研究方法化学反应工程的研究方法 化学反应工程的发展趋势化学反应工程的发展趋势 讲授范围及要求讲授范围及要求一、化学反应工程的概念一、化学反应工程的概念 化学反应工程是使化学反应实现工业化的技术科学。化学反应工程是使化学反应实现工业化的技术科学。 化学工业生产过程：化学工业生产过程： 包括物理变化和化学反应过程，化学反应是生产包括物理变化和化学反应过程，化学反应是生产过程的核心过程的核心 工

2、程学工程学(Engineering)的任务需要的任务需要定量计算。定量计算。虽然化工厂虽然化工厂中反应器的投资占总投资比例不一定很大，但要求的中反应器的投资占总投资比例不一定很大，但要求的计算精计算精度度却很高。却很高。N2 + 3H2 2NH3反应器反应器原料净化原料净化分离分离依据催化剂的要求依据催化剂的要求N2中脱中脱H2O,脱脱CO2H2 中脱中脱S,脱脱O2动力车间动力车间Utility依据反应产品依据反应产品组成来设计组成来设计反应器的计算精度反应器的计算精度 换热面积的计算精度换热面积的计算精度 它是决定其它设备的配置，决定总投资，总能耗的关键。它是决定其它设备的配置，决定总投资

3、，总能耗的关键。1、动力学：、动力学：研究动态过程进行的速率的科学。研究动态过程进行的速率的科学。 2、本征动力学：、本征动力学：又称化学动力学，是在理想条件下研究又称化学动力学，是在理想条件下研究化学反应进行的机理和反应物系组成、温度、压力等参数化学反应进行的机理和反应物系组成、温度、压力等参数对反应速率影响的动力学。对反应速率影响的动力学。 3、宏观反应动力学、宏观反应动力学:在工业规模的化学反应器中，化学反在工业规模的化学反应器中，化学反应过程与质量、热量及动量传递过程同时进行，研究这种应过程与质量、热量及动量传递过程同时进行，研究这种化学反应与物理变化综合过程的动力学称为宏观化学反应与

4、物理变化综合过程的动力学称为宏观反应反应动力动力学。学。 Na2SO4+2CNa2S+2CO2 反应器内发生的过程涉及多种学科反应器内发生的过程涉及多种学科,并有复杂的交互作用并有复杂的交互作用化学化学- 热力学热力学, 动力学动力学, 计量学计量学流体力学流体力学 传质和传热学传质和传热学控制与自动化控制与自动化催化化学催化化学只有清楚地了解只有清楚地了解,分析了各项物理化学过程的机理分析了各项物理化学过程的机理,经过合理的简化后经过合理的简化后,才能形成数学模型才能形成数学模型最后通过必要的数学工具表达出所要的结果最后通过必要的数学工具表达出所要的结果黑箱或黑箱或经验模型经验模型机理模型机

5、理模型在反应器设计中往往采用介于经验在反应器设计中往往采用介于经验和机理之间的是半经验模型和机理之间的是半经验模型,质量传递过程传质因素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 动量传递速率动量传递速率 热量传递速率热量传递速率化学反应化学反应 反应机理反应机理 反应速率反应速率 过程速率过程速率 工程放大工程放大 质量传递速率质量传递速率 物理变化物理变化 实验反应器实验反应器 工业反应器工业反应器 处理量处理量 工程优化工程优化 宏观反应动宏观反应动力学力学本征动力本征动力学学4 4、课程的性质和地位：、课程的性

6、质和地位： 化学反应工程化学反应工程是我校化学工程与工艺专业的专业是我校化学工程与工艺专业的专业基础课，是教育部颁发的基础课，是教育部颁发的普通高校本科专业目录和介普通高校本科专业目录和介绍绍中的化学工程与工艺专业必修的中的化学工程与工艺专业必修的4 4门主干课程之一；门主干课程之一；是国家工程教育专业认证标准规定的化工类专业的专业是国家工程教育专业认证标准规定的化工类专业的专业基础课；也是化学工程系重点建设的课程之一。基础课；也是化学工程系重点建设的课程之一。20052005年列为校级精品建设课程。年列为校级精品建设课程。20072007年确定为省级重点建设课程。年确定为省级重点建设课程。2

7、0102010年列为青海大学年列为青海大学2 2类建设课程。类建设课程。20122012年授予校级精品课程。年授予校级精品课程。二、化学反应工程的研究对象、内容及任务二、化学反应工程的研究对象、内容及任务1、研究对象：、研究对象：工业反应、工业反应过程及工业反应器。工业反应、工业反应过程及工业反应器。2、研究内容：、研究内容：以有关化学工业生产过程为背景，研究化学以有关化学工业生产过程为背景，研究化学反应与传递过程相互作用的基本规律，用以考察、解释、反应与传递过程相互作用的基本规律，用以考察、解释、处理实际工程问题，指导反应器的设计、放大和优化。处理实际工程问题，指导反应器的设计、放大和优化。

8、3、任务：、任务：（1）研究化学反应与传递过程相互作用的基本规律，得到）研究化学反应与传递过程相互作用的基本规律，得到适合不同类型反应的反应器。适合不同类型反应的反应器。（2）反应器的分析和设计。）反应器的分析和设计。（3）反应过程的优化：投资少、效率高、生产强度大、产）反应过程的优化：投资少、效率高、生产强度大、产品质量好。品质量好。 设计最佳化设计最佳化反应器体积最小，投资少。反应器体积最小，投资少。 操作最佳化操作最佳化管理、控制最佳化，最佳操作参数。管理、控制最佳化，最佳操作参数。（4）反应器的工程放大：）反应器的工程放大： 对现成的生产工艺，进行生产规模放大；对现成的生产工艺，进行生

9、产规模放大； 新产品研发：小试新产品研发：小试中试中试扩大试验；扩大试验；反应过程开发放大方法反应过程开发放大方法 逐级经验放大法逐级经验放大法 相似放大法相似放大法 数学模型放大法数学模型放大法冷模实验获取数学模型的传递参数冷模实验获取数学模型的传递参数三、化工生产中设备的分类三、化工生产中设备的分类 任何化工产品的生产是通过一定的工艺过程实现的。任何化工产品的生产是通过一定的工艺过程实现的。工艺过程是指从原料到制得产品的全过程。工艺过程是指从原料到制得产品的全过程。 每个化工产品的工艺过程是不同的，但有共同的特点：每个化工产品的工艺过程是不同的，但有共同的特点：1. 1.工艺过程是由设备、

10、管道、阀门和控制仪表组成的。工艺过程是由设备、管道、阀门和控制仪表组成的。2. 2.化工设备分为两大类。化工设备分为两大类。1 1）不含化学反应的设备）不含化学反应的设备2 2）化学反应器）化学反应器1 1 、不含化学反应的设备、不含化学反应的设备 这类设备中没有发生化学反应，只改变物料的状态、物这类设备中没有发生化学反应，只改变物料的状态、物理性质，不改变其化学性质。理性质，不改变其化学性质。 鼓风机、泵、换热器、冷却塔和贮槽等设备中没有化学鼓风机、泵、换热器、冷却塔和贮槽等设备中没有化学反应发生，只有物理过程，是不含化学反应的设备。反应发生，只有物理过程，是不含化学反应的设备。 在鼓风机和

11、泵中只有能量的转换，从电能转换成机械能，在鼓风机和泵中只有能量的转换，从电能转换成机械能，输送物料；在换热器和冷却塔中只改变物料的温度，物料输送物料；在换热器和冷却塔中只改变物料的温度，物料的化学性质没有起变化；贮槽只是起贮存物料作用。的化学性质没有起变化；贮槽只是起贮存物料作用。2 2 、化学反应器、化学反应器 在这类设备中发生了化学反应，通过化学反应改变了物料在这类设备中发生了化学反应，通过化学反应改变了物料的化学性质。的化学性质。 化工生产过程是由物理过程和化学反应过程组成的。化工化工生产过程是由物理过程和化学反应过程组成的。化工设备分为设备分为“物理型物理型”和化学反应器两大类。在化学

12、反应器中和化学反应器两大类。在化学反应器中发生化学反应，由原料转换成产物，是化工生产的核心设备。发生化学反应，由原料转换成产物，是化工生产的核心设备。 用来实现化学变化的设备，过程工业中的核心装置，用来实现化学变化的设备，过程工业中的核心装置，其性能对生产过程的影响举足轻重。其性能对生产过程的影响举足轻重。“化学反应工程化学反应工程”的研究对象是工业规模的化学反应器。的研究对象是工业规模的化学反应器。常见反应器常见反应器 裂解炉裂解炉 搅拌釜式反应器搅拌釜式反应器 多釜串联反应器多釜串联反应器 气液相塔式反应器气液相塔式反应器 固定床反应器固定床反应器 流化床反应器流化床反应器 气液固三相反应

13、器气液固三相反应器3.3.化学反应器特点化学反应器特点1 1）包含有传递过程和化学反应过程，两者不可分割。）包含有传递过程和化学反应过程，两者不可分割。2 2）客观存在的工程因素造成物料的流况不同，其结果之一）客观存在的工程因素造成物料的流况不同，其结果之一是物料的停留时间不同。是物料的停留时间不同。3 3）基于化学反应器的特点，传统的研究方法）基于化学反应器的特点，传统的研究方法-经验归纳经验归纳法已不适用于化学反应过程。化学反应工程的研究方法法已不适用于化学反应过程。化学反应工程的研究方法是数学模拟方法（数学模型方法）。是数学模拟方法（数学模型方法）。四、化学反应工程的研究方法四、化学反应

14、工程的研究方法 理论方法，实验方法，数值计算方法理论方法，实验方法，数值计算方法 半理论半经验方法，数学模拟方法半理论半经验方法，数学模拟方法 理论方法局限性：不能应付物性参数复杂，边界条件复杂理论方法局限性：不能应付物性参数复杂，边界条件复杂的工程化学反应系统。的工程化学反应系统。 传统的经验法的局限性：不能应付数量众多、强烈交互的传统的经验法的局限性：不能应付数量众多、强烈交互的系统参数。系统参数。反应器由反应器由“逐级经验放大逐级经验放大”“数模放大数模放大” 的转变至今仍很困难的转变至今仍很困难1 1 、数学模拟方法、数学模拟方法 数学模拟方法过程如下，由四部分组成。数学模拟方法过程如

15、下，由四部分组成。真实过程真实过程数学模型数学模型简化模型简化模型模型计算模型计算实验检验实验检验实际应用实际应用修改修改1）2）3）4）2 2、数学模拟方法原则、数学模拟方法原则 1 1）数学模拟方法的核心是对真实过程的简化以及简化模型）数学模拟方法的核心是对真实过程的简化以及简化模型和真实过程的等效程度。和真实过程的等效程度。 2 2）针对真实过程可以按不同程度的要求简化成不同的简化）针对真实过程可以按不同程度的要求简化成不同的简化模型，对于某一真实过程可以有不同的简化模型。模型，对于某一真实过程可以有不同的简化模型。 3 3）简化模型。数学模型和数学方法是相互联系的，应力求）简化模型。数

16、学模型和数学方法是相互联系的，应力求数学方法简单，便于数学模型的实际应用。数学方法简单，便于数学模型的实际应用。 4 4）数学模拟方法的基础：）数学模拟方法的基础：（1 1）积累实践经验或者实验数据；）积累实践经验或者实验数据；（2 2）学习掌握基础数学模型。）学习掌握基础数学模型。3 3、简化模型的要求：、简化模型的要求：（1）不失真；）不失真；（2）能满足应用的要求；）能满足应用的要求；（3）能适应当前实验条件，以便进行模型鉴别和参数估值；）能适应当前实验条件，以便进行模型鉴别和参数估值；（4）能适应现有计算机的能力；）能适应现有计算机的能力；4 4 、基础数学模型基础数学模型 1 1）化

17、学动力学模型：排除传递过程因素后描述化学反应速化学动力学模型：排除传递过程因素后描述化学反应速率、物料温度和浓度的数学关系。传统上是物理化学的率、物料温度和浓度的数学关系。传统上是物理化学的研究领域，侧重于研究反应机理；化学反应工程侧研究领域，侧重于研究反应机理；化学反应工程侧 重于重于表达三者的数学关系，而直接加以应用。表达三者的数学关系，而直接加以应用。 2 2）流动模型：描述物料在反应器内的流动状况。）流动模型：描述物料在反应器内的流动状况。 理想模型：平推流，全混流。理想模型：平推流，全混流。 非理想模型：轴向混合模型，多级串联全混流模型，组非理想模型：轴向混合模型，多级串联全混流模型

18、，组合模型等。合模型等。 3 3）传递模型：描述物料间质量、热量和动量传递过程。例）传递模型：描述物料间质量、热量和动量传递过程。例如气液相间的双膜论、溶质渗透论和表面更新论等。如气液相间的双膜论、溶质渗透论和表面更新论等。 4 4）宏观动力学模型：是化学动力学模型、传递模型以及流）宏观动力学模型：是化学动力学模型、传递模型以及流动模型的综合，是化学反应工程的重要内容之一。动模型的综合，是化学反应工程的重要内容之一。 五五 、化学反应工程的发展趋势、化学反应工程的发展趋势 1901 1901 英英 DavisDavis化学工程手册化学工程手册 提出单元操作概念提出单元操作概念 1913 191

19、3 德德 哈伯博施法高压合成氨技术产业化哈伯博施法高压合成氨技术产业化 1920 1920 美美MITMIT成立第一个化工系成立第一个化工系W.K.W.K.刘易斯任系主任刘易斯任系主任 1922 1922 德德Winkler Winkler 炉流化床煤气化炉炉流化床煤气化炉 1931 1931 丁苯橡胶、氯丁橡胶投产丁苯橡胶、氯丁橡胶投产 1940 1940 美国美国FCCFCC炼油开发成功，成为石油化工的起点炼油开发成功，成为石油化工的起点 1957 1957 欧洲第一届反应工程会议，提出反应工程学概念欧洲第一届反应工程会议，提出反应工程学概念 化学工程学科，是在化学工程学科，是在1919世

20、纪后期随着大规模制造化学工业产品的生世纪后期随着大规模制造化学工业产品的生产过程的发展而诞生的。产过程的发展而诞生的。18801880年，年，“化学工程化学工程”第一次被英国学者第一次被英国学者Gearge E.DavisGearge E.Davis正式提出。正式提出。 1888 1888年，美国麻省理工学院开设了第一个以年，美国麻省理工学院开设了第一个以“化学工程化学工程”命名的课命名的课程，标志着化学工程学科的诞生。程，标志着化学工程学科的诞生。19201920年，美国麻省理工学院，成立了年，美国麻省理工学院，成立了世界上第一个化学工程系，开始了化工专业人才的培养。世界上第一个化学工程系，

21、开始了化工专业人才的培养。 1927 1927年年4 4月浙江大学设立了中国第一个化工系，开始了国内化工专业月浙江大学设立了中国第一个化工系，开始了国内化工专业人才的培养。人才的培养。 青海大学青海大学19781978年成立化工系开始了省内化工专业人才的培养。截止年成立化工系开始了省内化工专业人才的培养。截止目前我国共有目前我国共有300300多所高校开办化工类专业点多所高校开办化工类专业点445445个。个。、化化学学工工程程发发展展史史及及化化学学反反应应工工程程学学科科的的形形成成1 1 化学工程学科体系的基本内容：化学工程学科体系的基本内容： 化学工程共同的现象，可概括为化学工程共同的

22、现象，可概括为“三传一反三传一反”，即动，即动量传递、热量传递、质量传递及化学反应，其学科形成了量传递、热量传递、质量传递及化学反应，其学科形成了以传递过程及化学反应工程为核心的学科体系（包括化工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、化工系统工程等）热力学、化工单元过程、分离工程、化工系统工程等）过程工程 过程工程（过程工程（process engineering)的概念是对的概念是对“化学工程化学工程”概念的拓展。化学工程学在发展过程中不断向科技新领域概念的拓展。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所有与物质的物理、化

23、学渗透拓展，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，这个部门称为加工过程相联系的工业部门，这个部门称为“过程工业过程工业”（process industry），包括石油炼制、化学工业、能源），包括石油炼制、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、造纸等工业部门。技术、医药、食品、造纸等工业部门。 特点有三个方面：原料产品、加工过程、增加产值特点有三个方面：原料产品、加工过程、增加产值第一阶段：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） 这一时期经历了实用

24、化学、炼丹和炼金、医药化学和这一时期经历了实用化学、炼丹和炼金、医药化学和冶金化学等时期。早期化学知识来源于人类的生产和生活冶金化学等时期。早期化学知识来源于人类的生产和生活实践。同时在人类对自然界万物的本原构成的探索中，诞实践。同时在人类对自然界万物的本原构成的探索中，诞生了古代朴素的元素观。古代化学具有实用和经验的特点，生了古代朴素的元素观。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；另一方面，尚未尚未形成理论体系、是化学的萌芽时期；另一方面，尚未形成有规模的化学加工实践。形成有规模的化学加工实践。生产硫酸生产硫酸 第二阶段：近代化学工业从十八世纪末开始，以硫酸，硝第

25、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。 规模的扩大要求人们对生产过程的规律有更为透彻的规模的扩大要求人们对生产过程的规律有更为透彻的了解，需要既懂工程又熟悉化学知识促使工程与化学相结了解，需要既懂工程又熟悉化学知识促使工程与化学相结合合.20世纪初，提出了世纪初，提出了“化学工程化学工程”的概念，发展成为以的概念，发展成为以“单元操作单元操作” 为基本研究内容的化学工程学。第一次综合。为基本研究内容的化学工

26、程学。第一次综合。 第三阶段：现代化学工业（二战前后），在原料路线，技术第三阶段：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，在以石油和天然气为主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用，这就要求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重大努力。尤其是在生产在反应技术和反应器设计方面作出重大努力。尤其是在生产规模日益大型化的趋势下，其影响就更大了，促使化学工程规模日益大型化的趋势下，其影响就更大了，促使化学工程学科形成了第二次理论综合：学科形成了第二次理论综合： 从动量

27、传递、热量传递、质量传递的角度深入研究化工从动量传递、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，以及从生产的物理变化过程，以及从“化学反应工程化学反应工程”的角度来研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一门具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。有完整理论体系的全面学科。 三传一反。三传一反。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，意在系统的概念，意在系统深入地研究伴有物理过程即传递现象的化学反应过程。深入地研究伴有物理过程即传递现象的化学反应过程。1957年，阿姆斯特丹，第一届欧洲化

28、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 Krevelen作首篇综合性报告：作首篇综合性报告：Micro- and Macro- Kinetics1981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。、2020世纪世纪5050年代后反应工程成为一独立学科，我国年代后反应工程成为一独立学科，我国7070年年代后逐渐开设这门课代后逐渐开设这门课。经过约半个世纪的发展，目前它已形。经过约半个世纪的发展，目前它已形成了自己完整的学科体系，有特色的理论基础和有效的实验成了自己完整的学科体系，有特色的理论基础和有效的实验方法，以及关于处理复

29、杂实际反应系统的指导思想等方法，以及关于处理复杂实际反应系统的指导思想等 化工设计，放大广泛采用精确计算工具化工设计，放大广泛采用精确计算工具 - “ Aspen”、* 化学反应工程的理论几乎都是建立在最简单的反应体系的简化学反应工程的理论几乎都是建立在最简单的反应体系的简化假定之上，这些简化假定与复杂的实际过程相去甚远，原因化假定之上，这些简化假定与复杂的实际过程相去甚远，原因一方面目前还没有足以把实际反应体系进行详尽描述的能力，一方面目前还没有足以把实际反应体系进行详尽描述的能力，另一方面也不见得一定要做到这一点。另一方面也不见得一定要做到这一点。反应过程的非线性性质是化学反应工程中表现得

30、非常突出的一反应过程的非线性性质是化学反应工程中表现得非常突出的一个问题，有时不但不能外推，甚至连内插都可能有问题。个问题，有时不但不能外推，甚至连内插都可能有问题。、* 由过程导向性学科向产品导向性学科发展：由过程导向性学科向产品导向性学科发展：化学工程化学工程 过程工程过程工程 产品工程产品工程考察现象的时空尺度向两极发展。考察现象的时空尺度向两极发展。 设备尺度设备尺度 液滴、气泡、小颗粒尺度液滴、气泡、小颗粒尺度 纳米、分子簇尺度纳米、分子簇尺度 分子、原子尺度。分子、原子尺度。 *研究重点：研究重点：大宗化学品的制备技术大宗化学品的制备技术 各种专用品的各种专用品的制备技术。制备技术。 *研究领域：研究领域：化工化工 化工与材料科学、生物工程、环化工与材料科学、生物工程、环境工程等多学科的交叉领域。境工程等多学科的交叉领域。反应工程的尺度环境保护资源消耗可持续发展5 5、反应工程与其它学科的关系、反应工程与其它学科的关系反应工程 化工热力学工程控制传递过程催化剂化学工艺流体力学稳定性反应动力学计量化学最优化技术最优化技术放大设计六、六、讲授范围及要求讲授范围及要求1）教材第五版全书共）教材第五版全书共9章，是面向化学工程与石油加工，有章，是面向化学工程与石油加工，有机化工，无机化工，精细化工，煤