反应工程概论 教材 南京工业大学专用1

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硅酸盐反应工程

南京工业大学

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第一章绪论

第一节硅酸盐反应工程学的范畴和任务

一、反应工程学的研究对象及特点（1）反应工程学的形成及发展简况

众所周知，硅酸盐产品的种类繁多，原料多样，故生产工艺各不一致，但是，从工程角度来看，硅酸盐、冶金和化工生产过程具有共同特点。他们都属于化工类型的生产过程，其中都包含处理物理变化和化学变化的操作。例如，破碎、除尘、枯燥、过滤、分开、筛分、滚动、和传热等与物理变化过程有关的操作，称为“单元操作〞，而将氧化、还原、燃烧、分解、烧结等与化学变化过程有关的操作，成为“单元反应〞或“单元过程〞。在工业生产中，人们把由若干个“单元操作〞和“单元反应〞组成的生产流程称为生产过程。

早先，人们分别孤立地研究化工生产过程中的“单元操作〞和“单元反应〞的规律，二者各自向前发展。后来在工业生产实践中发现，同一个化学反映，即使在完全一致的温度、压力和反应时间的条件下，由于反应器的类型或规模不同，可以产生很不一致的反应结果，这是由于在工业规模的反应器中，化学反应不仅受到化学动力学和化学热力学因素的制约，而且受到流体滚动、传热和传质等各种物理过程的影响，各种影响因素错综繁杂。因此，在确定工业反应过程的操作条件。设计反应设备或控制反应过程时就需要综合考察化学反应和物理传递过程的规律。由此观点出发，从被世纪三十年代开始的将近二十年内，逐渐形成了化学反应工程学的概念。

三十年代，人们在生产时间中开始认识到“单元操作〞和“单元反应〞之间并非毫无联系的孤立现象，而是存在着密切的相互作用的关系。1937年G·Damkohle首先在Derchmieingenleur第三卷中提出扩散、滚动和传热对于化学反应影响的论述，成为化学动力学发到到“工程技术〞阶段的标志。此后，对于反应器内化学因素和物理因素相互作用的研究日益发展。

四十年代，随着生产技术及设备的更新和生产规模的大型化，对于反应过程开发和反应器设计提出了迫切的要求。同时，化学动力学、单元操作，特别是滚动、传热和传质方面的理论研究和试验技术也取得了较大进展，促使流化床催化裂化反应、丁苯橡胶的聚合反应和曼哈顿计划等三个重要的过程开发研究工作获得了巨大成功，引起了人们很大震动，纷纷注意研究单元操作理论，并以越来越繁杂的数学表达式来定量描述单元设备的操作性能。此外，还普遍开展了化学应用数学的研究，发表了不少专门著作。O.A.Hougen和K.M.Watson出版的关于反应动力学的著作成为第一本可供教学的书籍。所有都对化学反应工程学的形成起了推动作用。

五十年代，人们送长期的实践中进一步认识到，大多数的“单元操作〞的基本规律都属于广义的“速率过程〞，可以归纳为动量传递、质量传递和热量传递，即所谓“三传〞。任何一个工业规律的化学反应过程都与“三传〞有关，必需把化学反应与“三传〞结合起来分析。所谓“三传一反〞就构成为反应工程的技术。另外，这期间又提出了诸如“返混〞、“反应器稳定性〞和“微观混合〞等重要的新概念，指明白进一步研究的方向，在对化学反应动力学和传递过程两方面的研究都取得了重要进展，积累了一定的实践经验和理论研究成果的基础上，加上计算机技术的迅速发展，为把工业反应装置中的化学反应与传递过程规律结合起来进行解析和处理提供了可能。因此，在五十年代末，根据不同化学反应的特性，结合不同类型反应装置的性能进行解析和处理，加以系统整理归纳，就形成了一门年轻的新工程学科——化学反应工程学。在1957年召开的第一次欧洲化学反应工程会议上正式确定了这个名称。从1960年出版以后，每四年举行一次欧洲化学反应工程会议，而自1970年举行的第一次国际化学反应工程探讨会后，每两年举行一次，有力地推动了这门学科的迅速发展。

综上所述，化学反应工程学是一门设计化学热力学、化学动力学、化学工艺学、传递工程、工程控制、应用数学和计算机等多学科知识的全新的工程学科，具有高度的综合性和广泛的基础性。他和其他学科及技术的关系入图（1—1—1）所示。化学反应工程学问世以来取得了令人注目的发展，它为工业生产中的大量问题提供了厚实、方法和理论，这些理论和方法在实践中又得到了进一步的发展和完善，成为指导生产事件的有力工具。因此，反应工程学迅速渗透到不同的工业生产领域，出现了诸如“催化反应工程〞、“聚合反应工程〞、“无机化工反应工程〞、“冶金反应工程〞等。国外也有把冶金、硅酸盐工

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业等设计高温的工程问题纳入“高温反应工程〞一起加以研究的。将化学反应工程学的理论、方法和概念应用到硅酸盐工程中，旨在研究高温化学反应过程及其反应装置的工程规律，为技术开发、工程放大和最优化等提供理论指导，这就形成了一门新的专业基础课——硅酸盐反应工程学。

(2)硅酸盐反应工程学的研究对象及特点

如前所述,硅酸盐生产具有化工过程的特点,例如,各种硅酸盐制品的成品或半成品都必需在窑炉内进行煅烧。烧成过程实质上是在窑炉内进行燃料燃烧、气体滚动和传热过程的同时，使原料或坯体完成繁杂的高温化学反应过程。因此，化学反应工程学的问世，引起硅酸盐工程技术人员愈来愈大的兴趣。近年来已经开始逐步采用它的理论、方法和概念来研究窑炉的热工理论，指导优化设计和优化操作以及新型反应器或预热器的开发研究。尽管这方面的研究工作尚处于起步阶段，但是硅酸盐反应工程学作为硅酸盐工程学的重要组成部分，它符合学科的发展方向，有着广阔的发展前景。

硅酸盐反映工程学的研究对象是以工业规模进行的硅酸盐高温化学反应过程及其反应装置。它以化学反应动力学和化学热力学、流体滚动、传热和传质、工程热力学和系统工程等方面的理论为基础，摸索硅酸盐工业生产过程中的物理化学变化规律，指导生产实践。

硅酸盐生产具有高、非均相和反应过程极其繁杂的特点，因此至今还有大量理论问题没有很好地解决，深入开展硅酸盐反应工程学的理论研究和工程实践是一项既艰难又有意义的工作。

图1-1-1化学反应工程学和其它学科以及技术的关系二、反应工程学的任务及主要内容

硅酸盐反应工程学是硅酸盐工程学的重要组成部分，它针对硅酸盐生产过程的特点，主要研究以气固反应为主的高温反应过程，以完成下述任务为目标：

1．改进和加强硅酸盐工厂现有的生产技术和设备，降低消耗，提高效率；2．研究开发新技术和新设备；

3．指导反应过程开发中的工程放大；4．实现反应过程及其装置的最优化；

5．发展和逐步完善硅酸盐反应工程学的理论和方法。

根据上述任务，本课程主要内容由两大部分组成，第一部分为工业反应动力学，包括均相反应和非

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均相反应，主要介绍化学反应本身的特性和反应过程的普遍性规律。因此，其次章“工业反应动力学〞在书中占有重要地位。其次部分为反应装置，其中第三章“反应装置的操作解析法〞主要介绍“返混〞现象，“停留时间分布〞等概念和方法，并且探讨了几种典型的滚动模型，为把化学反应和传递过程规律综合起来研究提供了理论和方法。第四章“固定床反应器〞、第五章“流化床反应器〞和第六章“回转式反应器〞分别介绍了三种类型的反应装置的特性，着重阐述了不同反应装置内物理传递过程的规律和滚动特性，以及数学模型。最终，在第七章“反应器设计〞中介绍了有关工程放大和最优化的基本概念和方法。

需要说明的是本教材考虑到硅酸盐生产过程的特点，参照化学反应工程和冶金反应工程的模式，主要移植这两本教材的内容编写而成，鉴于硅酸盐反应过程极其繁杂，在本专业领域内的反应工程理论研究和工程实践均处于起步阶段。因此这本教材暂时还缺少有关在硅酸盐工程的应用实践方面的内容，有待与日后不断充实和完善。

其次节硅酸盐反应工程学的研究方法

一、反应工程学的基本研究方法如前所述，在工业规模的反应器内进行的反应过程是受化学反应和物理反应传递过程规律共同制约的，它比单纯的物理过程繁杂得多。在后一种状况下，有些问题由于影响因素多，已经无法进行理论解析，例如，影响对流转换热的因素好多只能在相像理论指导下进行试验测定，将试验接滚归纳整理成准数方程式，由此方程式求出对流热交换系数，这是一种试验的综合的方法，即经验归纳法。在处理反应工程问题时则不能采用此种方法，由于反应器中化学过程和物理过程并存，多种影响因素及其交相作用繁杂。例如，化学反应与传热、传质过程的相互交织，滚动状况对反应物系浓度和温度分布的影响，以及化学反应速率与温度之间的非线形关系等。已经证明，不可能在满足物理相像条件下同时满足化学相像，即使做了试验，也无法把试验结果归纳成普遍适用的相像准数关联式，试验结果只能应用于试验条件本身，即小试结果不能推广应用于大型装置，这就失去了试验工作的意义。综上所述，传统的因次分析和相像方法确定对反应工程问题无能为力，必需采用与之不同的新的研究方法，这就是数学模型数字模拟法，简称数学模拟法。

反应工程学的基本研究方法是数学模拟法，可将该方法概述为：“通过深入的实践和理论分析，在对反应过程的内在规律率有了较深刻的认识的基础上，将繁杂的研究对象合理地简化成与原过程（或称原型）近似等效的或当量的物理模型，使用简单明确的数学语言来描述该物理模型，所得到的数学关系式即为原型的一个近似等效的数学模型，利用该数学模型进行求解或数学计算，研究过程的特性，模拟实际反应过程。〞

数学模拟法起源于反应过程领域，反过来它的研究和进展又推动了反应过程学科的发展。随着计算机的投入使用和计算技术的发展，到六十年代，数学模拟法有了迅速发展。进入七十年代，这种方法趋于成熟和普及。在解决诸如过程开发、过程方法、设计方案评比和最优化等方面的问题显示出无比的优越性。在解决大规模和繁杂的工程技术问题方面的成功事例不断证明这种方法可以获得巨大的经济效益，已经发展成为很有效的一种工程研究方法。在本书第七章“反应器设计〞中，结合工程放大和最优化技术，简要介绍了这种方法。

数学模拟法的基础是数学模型，按所处理问题的性质，数学模型可范围：化学动力学模型、滚动模型、传递模型及宏观动力学模型。在本书各章中分别介绍了不同类型的数学模型。例如，在其次章在介绍均相反应的化学动力学模型后，着重探讨了非均相反应的动力学模型，例如，缩核模型和缩粒模型，燃烧模型、分解模型等，这些模型都是从颗粒尺度进行考察的，并未设计反应器的类型及其滚动特性。在第三章则专门探讨了典型的滚动模型，这就是为把考察的尺度从单颗粒放大到整个反应器提供了可能，在第四章～第六章中所出现的宏观动力学模型就是包括了滚动模型在内的。综上所述，从研究方法来看，本课程的内容安排也是从易到难，从简单到繁杂逐步深入的。

二、本课程的教学要求

“硅酸盐反应工程〞系硅酸盐工程专业的四年制本科大学生必修的一门专业基础课。

鉴于讲授和学习本课程需要具有流体滚动、气—固两相滚动、电子计算机和应用数学、传热学和

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燃烧学等方面的基础知识，因此本课程应安排在“流体力学〞、“热力工程〞和“粉体工程〞等诸门课程之后