化学工程与工艺专业任务

化学工程与工艺专业任务第一页，共三十页，2022年，8月28日化学工程与工艺专业任务研究工业规模化工过程的规律，开发和改进化工生产过程。开发：新产品、新工艺改进：对已有过程和产品进行改造，以求最优化。化学反应工程就是研究化学反应的工程问题，工业规模的反应器第二页，共三十页，2022年，8月28日反应工程在化学工程与工艺专业中的地位：

主干课程

既是一门专业课，同时，也是一门具有普遍指导意义的基础性工程学科，它和工程实际密切相关，具有很强的理论性和应用性。

要求：1.严格；2.课前预习；课堂上积极，记笔记；课后复习；课下独立完成作业；3.有问题随时交流；对授课有意见或建议随时提出。第三页，共三十页，2022年，8月28日参考资料化学反应工程（第四版）朱炳辰化学反应工程（第三版）陈甘棠第四页，共三十页，2022年，8月28日化学反应工程

第一章绪论第二章均相反应动力学基础第三章釜式反应器第四章管式反应器第五章停留时间分布与反应器的流动模型第六章多相系统中的化学反应与传递现象第七章多相催化反应器的设计与分析第五页，共三十页，2022年，8月28日化学反应工程第一章绪论第六页，共三十页，2022年，8月28日

第一章绪论第一节化学反应工程第二节转化率、收率和选择性第三节化学反应器的类型第四节反应器的操作方式第五节反应器的设计与基本过程第六节工业反应器的放大第七页，共三十页，2022年，8月28日化学工业生产过程包括如下三个组成部分：

第①和③两部分属于单元操作的研究范围；而②部分是化学反应工程的研究对象，是生产过程的核心。

原料预处理化学反应过程产物的分离与提纯原料产物副产物未反应原料循环1、化工过程一、化学反应工程第八页，共三十页，2022年，8月28日2、反应工程与其他学科的关系第九页，共三十页，2022年，8月28日3、反应工程的基本任务1）建立化学反应过程的动力学模型和传质模型；2）选择反应器型式以满足不同类型的反应特点和传质要求；3）计算反应器的大小以满足一定的产量和转化率的要求；4）确定反应器的最佳操作条件，提高反应过程的经济效益；5）研究反应器的动态特点，保证操作稳定和开、停车顺利。第十页，共三十页，2022年，8月28日4、化学反应工程的研究内容反应动力学和反应器设计与分析。（1）反应动力学--研究化学反应进行的机理和速率，如反应模式、速率方程及反应活化能等。其中速率方程可表示为：r=f（T、C、P）（本征动力学和宏观动力学）（2）反应器设计与分析--研究反应器内上述因素的变化规律，找出最优工况和适宜的反应器型式和尺寸。第十一页，共三十页，2022年，8月28日5、反应工程的评价指标------过程优化在一定的约束条件下，确定最佳的决策变量，获得一定的优化目标。决策变量结构变量---反应器的型式和结构尺寸操作方式----间歇、连续、半间歇工艺条件----温度、浓度、时间、催化剂、压力优化目标经济指标---成本、利润、生产费用技术指标---转化率、选择性、收率（反应速率）约束条件：优化过程受到各种因素约束，如生产能力、产品质量、三废排放、设备材料的耐热性、易燃易爆体系等。第十二页，共三十页，2022年，8月28日6、反应工程学的发展史第十三页，共三十页，2022年，8月28日第十四页，共三十页，2022年，8月28日

二、化学反应的分类第十五页，共三十页，2022年，8月28日三、化学反应器的类型按反应器工作原理来分,可以概括为以下几种类型：

种类特点应用范围管式反应器长度远大于管径,内部没有任何构件多用于均相反应过程釜式反应器高度与直径比约为2-3内设搅拌装置和档板均相、多相反应过程均可塔式

(填料塔板式塔)高度远大于直径，内部设有填料、塔板等以提高相互接触面积用于多相反应过程第十六页，共三十页，2022年，8月28日

种类特点应用范围固定床底层内部装有不动的固体颗粒，固体颗粒可以是催化剂或是反应物用于多相反应系统流化床反应过程中反应器内部有固体颗粒的悬浮和循环运动，提高反应器内液体的混合性能多相反应体系，可以提高传热速率移动床固体颗粒自上而下作定向移动与反应流体逆向接触用于多相体系，催化剂可以连续再生滴流床是固定反应器的一种，但反应物还包括气液两种属于固定床的一种，用于使用固体催化剂的气液反应过程第十七页，共三十页，2022年，8月28日

反应器的类型和特点第十八页，共三十页，2022年，8月28日四、反应器的操作方式一、间歇操作:1）一次性投料，卸料。反应物系参数(浓度或组成等)随时间变化。

2）没有物料流入，也没有物料流出，因此不存在物料流动。3）整个反应过程都是在恒容下进行的。

4）反应器几乎都是釜式反应器。

5）适用于品种多、批量小的产品。如医药工业。第十九页，共三十页，2022年，8月28日二、连续操作:1）原料连续不断加入,产物连续不断引出。

2）多属于定（常）态操作。反应器内物料浓度及温度都不随时间变化。3）连续反应器适用于大规模生产。产品质量稳定，劳动生产率高，易实现自动化管理生产。但要改变产品品种十分困难。4）所有反应器均可采用连续操作。三、半连续(或半间歇)操作兼有以上两种过程的特点，情况比较复杂。第二十页，共三十页，2022年，8月28日反应器的操作方式间歇操作(batchreactor,BR)连续操作釜式反应器(continuousstirredtankreactor,CSTR)

连续操作管式反应器(PFreactor)第二十一页，共三十页，2022年，8月28日PVC悬浮聚合－－－间歇反应釜第二十二页，共三十页，2022年，8月28日五、反应器设计的基本过程反应器设计的基本内容一般包括：

（1）选择合适的反应器型式（2）确定最佳操作条件（3）根据操作负荷和规定的转化程度，

确定反应器的体积。

第二十三页，共三十页，2022年，8月28日

这三个式子是相互耦联的,需要同时求解。具体的作法,将在以后的各个章节中详细阐述。

要完成上述任务，需要使用下列三类基本设计方程：物料衡算式(描述浓度变化)--连续性方程能量衡算式(描述温度变化)动量衡算式(描述压力变化)Vr=f(T,P,C)T,P,C随时间或位置而变

第二十四页，共三十页，2022年，8月28日质量衡算：（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）热量衡算：（输入的热量）＝(输出的热量)＋(反应热)＋(累积的热量)反应器设计的基本方程（1）确定变量；（2）选择控制体积第二十五页，共三十页，2022年，8月28日

采用逐级放大法费时费力，但采用数学模型放大法时，往往由于缺乏对过程的深刻认识而告失败。目前实际的反应器放大介于两者之间，既有数学模型放大法的理论分析又加入经验处理方法。可以预测，数学模型放大法将逐步取代现有的经验和半经验方法，成为反应器放大法的主流。

目前使用的化学反应器放大法有：（1）逐级经验放大法（主要靠经验）（2）数学模型法。可以提高放大倍数，缩短开发周期（3）半经验放大法六、工业反应器的放大第二十六页，共三十页，2022年，8月28日实验室规模实验小型试验中间试验大型冷模试验工厂设计建立化学模型考察物理过程对反应的影响建立物理模型检验并修正模型考察催化剂性能考察设备腐蚀情况数学模型法的步骤第二十七页，共三十页，2022年，8月28日1、反应进度七、基本概念规定：反应物的化学计量系数取负值，生成