化学反应工程简介

1、1,化学反应工程 (Chemical reaction engineering, CRE),2,第一章 绪论,教材： 朱炳辰 主编，化学反应工程（第四版），化学工业出版社，2007 参考资料： 郭锴，唐小恒，周绪美编，化学反应工程，化学工业出版社； 陈甘棠主编，化学反应工程，高等教育出版社。,3,Chemical Reaction Engineering, by Levenspiel O. Elements of Chemical Reaction Engineering, by Scott Fogler,第一章 绪论,4,学科地位及历史 研究对象及内容 研究方法,第一章 绪论,5,化学反应工

2、程化学工程学科的一个分支，以工业反应过程为主要研究对象，以反应技术的开发、反应过程的优化和反应器设计为主要目的的一门新兴工程学科。 研究对象工业反应过程，研究过程速率及其变化规律、传递规律及其对化学反应的影响。,课程的任务和基本要求,化工热力学 反应动力学 传递过程理论 化工单元操作,6,反应器的开发 设计 放大 优化操作,目的,化学 石油化学 生物化学 医药 冶金 轻工,应用,课程的任务和基本要求,大庆炼化厂区鸟瞰图,7,（1）牢固掌握基本概念、基本原理以及反应器分析和设计所用的基本关系式； （2）较深入地了解各种类型反应器的特点、性能和适用范围，掌握固定床催化反应器等几种重要反应器的化工设

3、计计算方法； （3）掌握工业反应器设计的一般方法和程序； （4）较深刻地理解数学模型和模拟方法的基本原理和实质； （5）具备一定的工程应用能力。,学习要求,8,基本内容,第一章 绪论 第二章均相反应动力学 第三章理想反应器 第四章非理想流动 第五章气固催化反应动力学 第六章反应器设计的一般原则和方法 第七章固定床反应器 第八章流化床反应器 第九章其它多相反应器,9,过程工程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）,学科体系的基本内容与地位,三传一反,动量传递 热量传递 质量传递 化学反应,10,对“化学工程”概念的拓展。 “过程工业”（

4、process industry）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、化学加工过程相联系的工业部门，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、生物技术、医药、食品、造纸等工业部门。 PI的特点：原料产品、加工过程、增加产量,过程工程（process engineering),11,教学时数分配,第一章3学时 第二章7学时 第三章9学时 第四章8学时 第五章6学时 第六章3学时 第七章5学时 第八章6学时 第九章4学时 总学时 51学时,12,第一阶段：古代的化学生产（17世纪以前） 古代化学具有实用和经验的特点，尚

5、未形成理论体系、是化学的萌芽时期；尚未形成有规模的化学加工实践。,发展简史,实用化学,炼丹和炼金,医药化学,冶金化学,生产硫酸,13,第二阶段：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20世纪初，出现了载入化工发展史册的合成氨的工业生产。,20世纪初，英国的Davis,美Walker,Lewis等提出了“化学工程”的概念，发展成为以“单元操作” （unit operations）为基本研究内容的化学工程学。,Fritz Haber (1868 - 1934),发展简史,14,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

6、，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，这就要求在反应技术和反应器设计方面作出重大努力。 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“化学反应工程”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有完整理论体系的全面学科。,发展简史,15,1947年霍根与华生合著的化工过程原理第三分册中论述了动力学和催化过程。 50年代，有一系列重要的研究论文发表于化学工程科学杂志，对反应器内部发生的若干种重要的、影响反应结果的传递过程，如返混、停留时间分布、微观混合、反应器的稳定性等进行研究，获得了丰硕的成果。,发展简史,16,美国Bir

7、d等编写了传递现象 （ Transport Phenomena ）这部历史性的著作,发展简史,17,发展简史,荷兰van Krevelen提出“化学反应工程”的概念。 1957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：Micro- and Macro- Kinetics 化学工业（石油化学工业）的发展，生产趋于大型化，对化学反应过程的开发和反应器的可靠设计提出迫切要求； 化学反应动力学和化工单元操作的理论和实践有了深厚的基础； 数学模型方法和大型电子计算机的应用为反应工程理论研究提拱有效的方法和工具。,18,50年代末到60年代初S.M.华拉斯的化

8、工动力学，O.列文斯比尔的化学反应工程等，使学科体系大体形成。 1981年，化学反应工程正式进入我国化工高等教育。,发展简史,集总方法 聚合反应工程 电化学反应工程 生化反应工程 冶金化学反应工程,新的分支,19,以工业规模进行的化学反应的规律。 化学动力学研究浓度和温度对反应速度的影响的科学。 （1）影响反应速度的各种因素以及如何获得最优的反应结果等问题。 （2）化学反应的速度和平衡的规律。,化学反应工程的研究内容,大庆炼化,20,化学反应的分类,按反应特性分类： 机理，可逆性，分子数，级数，热效应 按反应物系的相类特征分类： 均相；非均相（催化非催化），如 气固相催化反应，气液相反应。 按

9、反应过程的条件分类： 温度，压力，操作方式,22,动量传递过程流动因素,AB,A,23,热量传递过程传热因素,AB,A,24,质量传递过程传质因素,25,质量传递过程传质因素,R,边缘反应物浓度高 中央反应物浓度低,此处反应较快,26,(1)间歇操作的搅拌釜 批次生产，用于处理液相系统、多品种、小批量的制药、染料等的生产。,工业反应器型式,27,(2)连续操作的搅拌釜 用于均相或非均相的液相系统，如聚合反应等。多釜连续操作、多釜串联操作。 (3)管式反应器 多用于大规模的气相或液相反应，如石油气裂解用的裂解炉,工业反应器型式,(4)固定床反应器 在管子中充填有固体颗粒催化剂，气相反应物通过催化

10、剂床层而进行气相催化反应，如气相醋酸和乙烯通过含有钯的催化剂床层生成气相的醋酸乙烯。,(5)流化床反应器（沸腾床） 固体催化剂颗粒小，当反应气体通过床层时，使催化剂颗粒处于不断的运动中，俗称石油工业中的催化裂化反应器。,29,（6)鼓泡床反应器。用于气液非均相反应过程的反应器。如乙醛与氧气通过含有醋酸锰的醋酸溶液生成醋酸的反应。,工业反应器型式,浆态反应器 滴流床反应器 移动床反应器,其他型式,30,（1）反应体积V进行反应场所的体积。 如果反应在液相进行，就要用液相的体积；反之就要用气相的体积（或界面区的体积）,工业反应器的参数,工业反应器,温度分布,浓度分布,时间分布,y,x,z,31,（

11、2）浓度：在气液反应中，浓度指液相中B的浓度和溶解于液相中的A的浓度。在同一时刻在反应器的不同部位，A的浓度不同。 （3）温度：在反应器中心处与釜壁处温度存在差异。 （4）时间： 在连续操作的反应器，平均的停留时间是否等于反应时间呢?,工业反应器的参数,A,B,C,32,处理反应工程的问题需要具备三个方面的知识： (1)化学反应的规律主要是物理化学的领域，着重研究反应的历程和机理；化学反应工程着重于反应速率规律的定量描述。 (2)传递过程的规律一般化学工程的领域； (3)上述两者的结合能力。,知识准备,总结,实践,33,新的反应过程的开发,工程阶段 反应器的选型 操作条件的选择 反应器的工程设

12、计,化学阶段 发现和认识新的化学反应,现场工作 反应器操作不正常的原因 化学方面(如催化剂活 性变化) 传递过程方面,34,研究方法,一般的化学工程问题，藉助相似论和因次论指导下的实验，综合性地予以解决。 例如：换热器中传热系数，它不是从基础理论出发去寻找有关因素之间的数学关系，再经过数学方程的运算而求解，而是通过实验测定归纳成经验的相似准数的关系式予以确定的。,换热器,35,化学反应工程中，有化学过程，又有物理过程。实验的纳果，只能还原应用于该实验条件本身，既没有普遍性，也不能转用于实验条件之外的其它情况。 小实验的结果，不能应用于大型装置。,研究方法,兰州石油化工,36,数学模型,数学模型

13、：将复杂的研究对象合理地简化成某个模型，与原过程(或称原型)近似地等效的或当量的。 以该简化模型进行数学描述，所得的数学关系式即为原型近似等效的数学模型，然后通过求解或进行数值运算而研究其特性。 数字模型方法的核心对复杂对象的简化。,37,数学模型数学模拟方法的基础，数学模型的基础是对过程多种影响因素的分析或称为物理模型。,数学模型,处理问题的性质,化学动力学模型 流动模型 传递模型 宏观动力学模型。,数学模型,38,数学模拟放大方法,39,学习方法,1抓反应类型、挖掘物理因素、归结于最终目标 评定反应结果优劣的标准为下列二个主要因素： (1)反应的速率直接影响到反应器的大小尺寸(或催化剂等的用量)从而关系到投资费用。对一个特定的反应器，速率往往体现为转化率，它是表明反应的深度即反应原料转化的百分率的。 (2)反应的选择性表明反应的方向，即反应的物料以多高的百分率转化为目的产品。,40,2. 要着重于基本概念的掌握，力求达到清晰、严格、准确。 3. 要明确考察问题中的不同尺度和不同立场。 化学反应本身是以分子尺度进行的，属于微观动力学。 传递过程比如气泡、液滴和固体颗粒的运动，都是比分子尺度大得多的尺度，属于宏观动力学。,学习方法,41,本课程综