化学工程讲义

主讲：张颖Email:zhzhying@化学反应工程基础ElementsofChemicalReactionEngineering1教材：化学工程基础，北京大学，北京大学出版社，2008参考书目：化学工程基础，武汉大学，高等教育出版社ElementsofChemicalReactionEngineering,

H.ScottFoglerThirdEdition2ContentsIntroductionSection1ElementsofChemicalKineticsSection2IndustrialReactorsSection3DesignforIdealHomogeneousReactorsSection4Non-idealflowintheReactorsSection5Gas-solidCatalyticReactionsSection6Gas-solidCatalysisReactors3Introduction

1、ChemicalReactionEngineeringChemicalEngineering动量传递热量传递质量传递以传递过程和反应动力学为基础，以反应技术的开发、反应过程的优化和反应器设计为主要研究内容，探讨如何在工业规模的反应器中实现有经济价值的化学反应。是所有工业化学品生产的核心。（TransportsandReaction）PrinciplesofChemicalEngineering

（上世纪初）（或单元操作、化工过程及设备、化工传递过程学）ChemicalReactionEngineering（上世纪50年代）（andReactors）4二、工业规模的化学反应过程实验室反应多在理想条件下进行工业反应器中实际进行的过程包括化学反应，伴随有各种物理过程，如热量的传递、物质的流动、混合和传递等，这些传递过程显著地影响着反应的最终结果，这就是工业规模下的反应过程的特征。5工业生产的复杂性举例1、传热设备，如反应釜：

传热面

2rH（r：半径

H：高）

传热体积

r2H

如r10，则

V100，S10如r10，H10，则

V1000，S100主视俯视传热面2、反应器中非理想流动状态6三、化学反应工程学的发展20世纪30年代德国科学家丹克莱尔在当时实验数据十分贫乏的情况下,较系统地论述了扩散、流体流动和传热对反应器产率的影响，为化学反应工程奠定了基础，40年代末期，霍根和华生的著作《化学过程原理》及前苏联学者弗兰克—卡明涅斯基的著作《化学动力学中的扩散与传热》相继问世，总结了化学反应与传递现象的相互关系，探讨了反应器设计的问题，对化学反应工程学的发展起到了巨大的推动作用。1957年荷兰阿姆斯特丹举行的欧洲第一届化学反应工程会议上，正式确定了“化学反应工程学”这一学科的名称。60年代石油化工的大发展，生产日趋大型化以及原料深加工向化学反应工程领域提出了一系列的课题，加速了这一学科的发展。特别是后来计算机的应用，解决了不少复杂的反应器设计与控制问题。80年代后，随着高新技术的发展和应用（如微电子器件、光导纤维、新材料及生物技术的应用等），扩大了化学工程的研究领域，形成了一些新的学科分支，如生化反应工程、聚合物反应工程、电化学反应工程等，将化学反应工程的研究推到了一个崭新的阶段。7四、化学反应工程学研究的内容通过深入地研究，掌握传递过程的动力学和化学动力学共同作用的基本规律，从而改进和深化现有的反应技术和设备，降低能耗，提高效率。开发新的技术和设备。指导和解决反应过程开发中的放大问题。实现反应过程的最优化。8五、化学反应工程学与相关学科的关系化学反应工程9六、化学反应工程学的研究方法在化学反应工程中，需要建立数学模型，主要包括：（1）、动力学方程式

对于均相反应，可采用本征速率方程式；对于非均相反应，一般采用宏观速率方程式。（2）、物料衡算式流入量=流出量+反应消耗量+累积量（3）、热量衡算式

物料带入热=物料带出热+反应热+与外界换热+累积热（4）、动量衡算式输入动量=输出动量+动量损失（5）、参数计算式主要是指物性参数、传递参数及热力学等计算公式。10七、从实验室研究到工业化生产实验室研究小型模拟试验模型试验（冷模、热模、计算机模拟）中间工厂试验概念设计技术经济评价基础设计工程设计和建立生产装置（工程研究）（过程研究）111.1反应速率

反应速率是指单位量的反应体系中反应进度随时间的变化率。对于均相反应，某组分i在单位时间、单位反应体积内因反应所消耗或生成的物质的量，如果在反应过程中体积是恒定的，也就是恒容过程。则上式可写成：第一节化学反应动力学基础r—化学反应速率，mol∙m-3∙s-1。

正号----表示产物的生成速率；负号----表示反应物的消耗速率12各组分的反应速率为：各组分反应速率之间的关系：13对于非均相反应，如气-固相催化反应过程：（1）若以固体催化剂表面积Sc为基准，反应物消耗速率为：（2）若以固体催化剂质量mc为基准，反应物消耗速率为：（3）若以固体催化剂堆积体积Vc为基准，反应物消耗速率为：14根据实验研究发现：均相反应的速度取决于物料的浓度和温度，这种关系可以用幂函数的形式表示，就是动力学方程式：k----反应速率表观常数，可以根据阿伦尼乌斯（Arrhenius）方程求得：化学反应过程进行的快慢可以以化学反应速率的大小来衡量。SvanteAugustArrhenius(19thFebruary1859–2ndOctober1927)wasaSwedishscientist,originallyaphysicist,butoftenreferredtoasachemist,andoneofthefoundersofthescienceofphysicalchemistry.TheArrheniusequation,lunar

crater

ArrheniusandtheArrheniusLabsatStockholmUniversityarenamedafterhim.15对于连续流动系统，转化率则以下式表示：对于等温、恒容反应，可以用浓度表示：1.2转化率表明反应的深度对于间歇系统161.3反应的选择性表明反应的方向aApP

（目的产物）qQ

（副产物）反应的选择性是指生成主产物所消耗的关键组分与发生反应消耗关键组分量之比，或者生成的目的产物量与已转化的关键反应物量之比。171.4收率反映原料利用率的综合指标生成目的产物的量比加入反应物的量收率、转化率与选择性之间的关系为：有时也用质量收率表示：181.5等温变容反应系统若以反应物A为计算基础，则有化学反应物种初始量变化量剩余量

(mol)(mol)(mol)ABCDI(惰性)总量化学计量表191.5.1化学膨胀因子当τ=0时反应物A在气相中的摩尔分数为：当τ=τ时反应物A在气相中的摩尔分数为：对于恒温恒压过程，还可以有：pA，0为反应物的起始分压cA，0为反应物的起始浓度20则：A完全反应所引起的摩尔数变化加入反应器中的总摩尔数对于气相反应系统，通常可近似认为符合理想气体定律，即：在反应初始时有：1.5.2膨胀率是以组分A为基准的膨胀率21一、反应器的分类

1、按反应物料的相态分类：反应器的种类反应类型设备的结构形式反应特性均相气相

液相燃烧、裂解中和、硫化、水解管式釜式无相界面，反应速率只与温度或浓度有关非均相气-液相液-液相气-固相液-固相固-固相气-液-固相氧化、氯化、加氢磺化、硝化、烷基化燃烧、还原、固相催化还原、离子交换水泥制造加氢裂解、加氢硫化釜式、塔式釜式、塔式固定床、流化床釜式、塔式回转筒式固定床、流化床有相界面，实际反应速率与相界面大小及相间扩散速率有关第二节工业反应器222、按反应器的结构型式分类

结构型式适用的相态应用举例反应釜液相，气-液相液-液相，液固相药物的合成、染料、中间体合成、树脂合成管式气相，液相轻质油裂解，高压聚乙烯鼓泡塔气-液相，气-液-固相变换气的碳化，苯的烷基化，二甲苯的氧化固定床气-固相SO