反应工程绪论

化学反应工程

张兴法徐超绪论化工生产中设备的分类《化学反应工程》任务化学反应器的特点数学模拟方法《化学反应工程》的作用《化学反应工程》基本内容《化学反应工程》与其他学科的关系主要参考文献学习要点一、化工生产中设备的分类化工产品是人类活动的必需品，千家万户的衣、食、住、行离不开化工产品；化工产品是国民经济建设的基础产品，直接为工农业生产提供基本保障，国民经济的可持续发展离不开化工产品；化工产品是国防建设的重要支柱。目前在传统的化工领域和新技术领域都有急需解决的问题。化学工程基础理论将应用于新技术领域并得到发展。一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。工艺过程是指从原料到制得产品的全过程。图1是以天然气或石脑油为原料生产合成氨的工艺过程。图2是以乙烯为原料生产乙醛的工艺过程。每个化工产品的工艺过程是不同的，但有共同的特点：1.工艺过程是由设备、管道、阀门和控制仪表组成的。2.化工设备分为两大类。1）不含化学反应的设备2）化学反应器一段炉；二段炉；变换炉；脱碳塔；甲烷化炉；合成塔。气化炉；换热器；图1合成氨工艺流程图合成氨生产主要化学反应一段炉：CH4+H2OCO2+4H2二段炉：CH4+H2O=CO+3H2变换炉：CO+H2OH2+CO2脱碳塔：CO2+K2CO3+H2O2KHCO3甲烷化炉：CO+3H2=CH4+H2O合成塔：3H2+N22NH3乙烯氧化生成乙醛反应：C2H4+0.5O2=CH3CHO图2乙烯氧化制乙醛氧气乙烯鼓泡反应器除沫分离器粗乙醛贮槽10％粗乙醛去火炬焚烧一化工生产中设备的分类每个化工产品的工艺过程是不同的，但有共同的特点：1.工艺过程是由设备、管道、阀门和控制仪表组成的。2.化工设备分为两大类。1）不含化学反应的设备2）化学反应器一化工生产中设备的分类1）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，物料的化学性质没有起变化；贮槽只是起贮存物料作用。一化工生产中设备的分类2）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的化学性质。图中的一段炉、二段炉、变换炉、甲烷化炉、合成塔、鼓泡反应器等都是化学反应器。物料在反应器中发生了化学反应，物料的化学性质起了变化。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“物理型”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。“化学反应工程”的研究对象是工业规模的化学反应器。二《化学反应工程》任务“化学反应工程学”于50年代初形成，是化学工程学的一个分支（以下简称化学反应工程）。1957年召开了第一届欧洲化学反应工程会议，会议确定了化学反应工程的研究内容和任务。“化学反应工程是化学工程的一个部分，它是科学的一个分支，它还处在发展阶段。它的目的在于控制工业规模的化学转化率并最终达到恰当和成功的反应器设计。有各种因素对反应器设计起着重要作用，如流动现象、质量和热量传递以及反应动力学。首先必须对这些因素了解，工业规模反应器的开发只能从上述因素间的关系和相互作用中得到了解”。化学反应工程的任务是研究化学反应器中质量和热量的传递过程、物料流动状况和反应动力学，最终目的是设计计算化学反应器。三化学反应器的特点1.示例1考察CO变换反应：CO+H2OCO2+H2反应在固定床变换炉中进行，变换炉中装有固体催化剂。1)反应过程（1）CO、H2O由气相主体到达颗粒外表面；（2）CO、H2O由颗粒外表面到达颗粒内表面；（3）CO、H2O在颗粒内表面上起反应；（4）CO2、H2由颗粒内表面到达颗粒外表面；（5）CO2、H2由颗粒外表面到达气相主体。CO,H2OCO2,H2AB⑴(4)⑵(5)气－固相催化反应反应步骤CA外表面微孔三化学反应器的特点2）.反应特点（1）CO和H2O的反应区在催化剂颗粒的内表面上，整个反应过程包含传递过程和化学反应过程，相互交织在一起，不可分割。（2）CO和H2O在变换炉中的停留时间不同。考察CO和H2O在变换炉中的流动状况。变换炉直径较大，气体容易发生偏流，在同一截面上流速分布不均匀；在变换炉中存在“死区”。这些客观存在的工程因素改变了物料的流动状况，其结果之一是同时进入变换炉的CO和H2O在变换炉中的停留时间不同。三化学反应器的特点2.示例2

考察脱硫反应。

反应在吸收塔中进行。1）反应过程（1）H2S由气相主体到达气-液相界面；（2）H2S由气-液相界面进入液相；（3）H2S和NH4OH在液相中反应生成NH4HS和H2O。液相气相相界面三化学反应器的特点2）.反应特点（1）脱硫反应的反应区在液相内。整个反应过程包含传递过程和化学反应过程，相互交织在一起，不可分割。（2）H2S的停留时间不同考察H2S在吸收塔中的流动状况。吸收塔内的填料是乱堆的，气体通道的截面积大小不规则，流速不均匀，同样也有“死区”。这些工程因素使同时进入吸收塔的H2S所经历的流动过程不同，其结果之一是在塔内的停留时间不同。三化学反应器的特点

3.化学反应器特点1）包含有传递过程和化学反应过程，两者不可分割。2）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。3）基于化学反应器的特点，传统的研究方法----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是数学模拟方法（数学模型方法）。四数学模拟方法1数学模拟方法数学模拟方法过程如下，由四部分组成。真实过程数学模型简化模型模型计算实验检验实际应用修改1）2）3）4）四数学模拟方法1数学模拟方法

1）将复杂的真实过程合理地抽象简化成简化模型，该简化模型等效于真实过程。这是数学模拟方法的核心。例如水在园管中的流动过程可以简化成平推流模型或者扩散模型。2）对简化模型进行数学描述，得到简化模型的数学关系式，即数学模型。3）采用一定的数学方法求解数学模型，得到数值解或者解析解，供研究用。4）通过实验检验数学模型是否正确，修正或者确定简化模型，直到供实际应用。四数学模拟方法2数学模拟方法原则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和真实过程的等效程度。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模型，对于某一真实过程可以有不同的简化模型。3）简化模型。数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。4）数学模拟方法的基础：（1）积累实践经验或者实验数据；（2）学习掌握基础数学模型。四数学模拟方法3基础数学模型1）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研究领域，侧重于研究反应机理；化学反应工程侧重于表达三者的数学关系，而直接加以应用。2）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。非理想模型：轴向混合模型，多级串联全混流模型，组合模型等。3）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。4）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。五《化学反应工程》的作用1.改进和强化现有的反应技术和设备；2.开发新技术、新设备； 3.指导和解决反应器的放大问题；4.指导实现反应过程的最优化操作。六《化学反应工程》基本内容绪论第一章气固相催化反应本征动力学第二章气固相催化反应宏观动力学第五章气固相催化反应工程第三章理想流动反应器第四章反应器中的混合及对反应的影响第六章气液反应及反应器第八章流固相非催化反应第七章气液固三相反应工程第十章生物反应工程第九章聚合反应工程第十一章电化学反应工程第十二章实验室反应器七《化学反应工程》与其他学科的关系

化学反应工程广泛的综合应用化学动力学、化工热力学、流体力学、传热、传质及化工工艺等基础理论和专业知识，设计和优化工业反应器。化学反应工程和其他学科的关系如图1所示。化学反应工程的主要基础课程是高等数学、计算机技术、物理化学、化工原理、传递工程、化工热力学和化工工艺等。

八主要参考文献

1.朱炳辰.化学反应工程（第二版）.化学工业出版社，1998.（现用教材为第三版，属21世纪教材）2.陈甘棠.化学反应工程（第二版）.化学工业出版社,1989.3.李绍芬.化学与催化反应工程（第二版）.化学工业出版社，1988年.4.袁渭康等.化学反应工程分析.华东理工大学出版社，1996年.5.Levenspiel.O.ChemicalReactionEngineering,3rdEdition.JohnWiley,NewYork,1998.八主要参考文献

6.F.S.Fogler.ElementsofChemicalReactionEngineering,3rdEdition.Pretice-Hall,1992.7.Smith.J.M.ChemicalEngineeringKinetics,3rdEdition.McGraw-Hill,1981.8.Carberry.J.J.ChemicalandCatalyticalReact