化學(xué)反應(yīng)工程緒論介紹

1、1化學(xué)反應(yīng)工程化工學(xué)院王捷2化學(xué)反應(yīng)工程(Chemical Reaction Engineering) 化學(xué)反應(yīng)工程（CRE）是以工業(yè)規(guī)模的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程為研究對(duì)象，研究過(guò)程速率及其變化規(guī)律，宏觀動(dòng)力學(xué)因素對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的影響，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)反應(yīng)過(guò)程開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、放大和操作的優(yōu)化的一門(mén)學(xué)科。3教學(xué)目的 學(xué)習(xí)本門(mén)課程，學(xué)生應(yīng)牢固地掌握化學(xué)反應(yīng)工程中最基本的原理和計(jì)算方法，運(yùn)用科學(xué)思維方法，增強(qiáng)提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。課程教學(xué)將突出闡述反應(yīng)工程理論思維方法，重點(diǎn)討論氣固相催化反應(yīng)本征動(dòng)力學(xué)、宏觀動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器中的混合及對(duì)反應(yīng)的影響，并以開(kāi)發(fā)實(shí)例進(jìn)行分析，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用反應(yīng)工程方法論解決實(shí)際問(wèn)題的

2、能力。4學(xué)時(shí)安排（學(xué)時(shí)安排（40學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)+16學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)）學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)） 緒論緒論 2 2學(xué)學(xué)時(shí)時(shí) 第一章第一章 應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 1010學(xué)學(xué)時(shí)時(shí) 第二章第二章 氣氣- -固相催化反應(yīng)本征及宏觀動(dòng)力學(xué)固相催化反應(yīng)本征及宏觀動(dòng)力學(xué) 6 6學(xué)學(xué)時(shí)時(shí) 第三章第三章 釜式及均相管式反應(yīng)器釜式及均相管式反應(yīng)器 1010學(xué)學(xué)時(shí)時(shí) 第四章第四章 反應(yīng)器中的混合及對(duì)反應(yīng)的影響反應(yīng)器中的混合及對(duì)反應(yīng)的影響 8 8學(xué)學(xué)時(shí)時(shí) 第五章第五章 固定床氣固定床氣- -固相催化反應(yīng)工程固相催化反應(yīng)工程 2 2學(xué)學(xué)時(shí)時(shí) 復(fù)習(xí)考試復(fù)習(xí)考試 2 2學(xué)學(xué)時(shí)時(shí)5教材及參考書(shū) 選用教材：

3、化學(xué)反應(yīng)工程（第四版），朱炳辰，化學(xué)工業(yè)出版社 主要參考書(shū)：化學(xué)反應(yīng)工程，陳甘棠，化學(xué)工業(yè)出版社；化學(xué)反應(yīng)工程（第二版），朱炳辰，化學(xué)工業(yè)出版社67網(wǎng)絡(luò)資源 合肥工業(yè)大學(xué)精品課程 8/organ/cre/ 華東理工大學(xué)精品課程 7/files/hxfygc/CRE_index.htm 河北科技大學(xué)精品課程 http:/ 齊齊哈爾大學(xué)網(wǎng)絡(luò)課程 09/jpk07/fygc/index.htm 南京工業(yè)大學(xué)精品課程 http:/ 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)精品課程 http:/ 一、化學(xué)反應(yīng)工程的學(xué)科歷史一、化

4、學(xué)反應(yīng)工程的學(xué)科歷史 二、化學(xué)反應(yīng)工程的研究對(duì)象及內(nèi)容二、化學(xué)反應(yīng)工程的研究對(duì)象及內(nèi)容 三、化學(xué)反應(yīng)工程的研究方法三、化學(xué)反應(yīng)工程的研究方法 四、化學(xué)反應(yīng)工程的學(xué)習(xí)目的四、化學(xué)反應(yīng)工程的學(xué)習(xí)目的 五、化學(xué)反應(yīng)工程與其他學(xué)科的關(guān)系五、化學(xué)反應(yīng)工程與其他學(xué)科的關(guān)系9第一階段：古代的化學(xué)生產(chǎn)（第一階段：古代的化學(xué)生產(chǎn)（17世紀(jì)以前）世紀(jì)以前） 這一時(shí)期經(jīng)歷了實(shí)用化學(xué)、煉丹和煉金、醫(yī)藥化學(xué)和冶金化學(xué)等時(shí)期。早期化學(xué)知識(shí)來(lái)源于人類(lèi)的生產(chǎn)和生活實(shí)踐。同時(shí)在人類(lèi)對(duì)自然界萬(wàn)物的本原構(gòu)成的探索中，誕生了古代樸素的元素觀。古代化學(xué)具有實(shí)用和經(jīng)驗(yàn)的特點(diǎn)，尚未形成理論體系、是化學(xué)的萌芽時(shí)期；另一方面，尚未形成有規(guī)模的

5、化學(xué)加工實(shí)踐。一、化學(xué)反應(yīng)工程的學(xué)科歷史一、化學(xué)反應(yīng)工程的學(xué)科歷史10古代生產(chǎn)硫酸方法古代生產(chǎn)硫酸方法11第二階段：近代化學(xué)工業(yè)（第二階段：近代化學(xué)工業(yè)（18世紀(jì)末至世紀(jì)末至20世紀(jì)初）世紀(jì)初） 以硫酸，硝酸，純堿的工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)過(guò)程為開(kāi)端，至20世紀(jì)初，出現(xiàn)了載入化工發(fā)展史冊(cè)的合成氨的工業(yè)生產(chǎn)。 Fritz Haber (1868 - 1934) 規(guī)模的擴(kuò)大要求人們對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的規(guī)律有更為透徹的了解，需要既懂工程又熟悉化學(xué)知識(shí)，促使工程與化學(xué)相結(jié)合。12 第三階段：現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)（二戰(zhàn)前后）第三階段：現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)（二戰(zhàn)前后） 在以石油和天然氣為主要原料的化學(xué)工業(yè)中，各種催化反應(yīng)被廣泛應(yīng)用，這就要

6、求在反應(yīng)技術(shù)和反應(yīng)器設(shè)計(jì)方面作出重大努力。尤其是在生產(chǎn)規(guī)模日益大型化趨勢(shì)的影響下，促使化學(xué)工程學(xué)科形成了一次理論綜合：即從動(dòng)量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞的角度深入研究化工生產(chǎn)的物理變化過(guò)程，以及從“化學(xué)反應(yīng)工程”的角度來(lái)研究化工生產(chǎn)的化學(xué)變化過(guò)程。從而使化學(xué)工程學(xué)科上升為一門(mén)具有完整理論體系的全面學(xué)科。131957年，在荷蘭的阿姆斯特丹，召開(kāi)了第一屆歐洲化學(xué)反應(yīng)工程會(huì)議，Van Krevelen作首篇綜合性報(bào)告：Micro- and Macro-Kinetics，提出“化學(xué)反應(yīng)工程”的概念，意在系統(tǒng)深入地研究伴有物理過(guò)程即傳遞現(xiàn)象的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。標(biāo)志著該學(xué)科的初步形成。1981年，化學(xué)反應(yīng)工程正

7、式進(jìn)入我國(guó)化工高等教育。14二、化學(xué)反應(yīng)工程二、化學(xué)反應(yīng)工程的的研究對(duì)象及內(nèi)容研究對(duì)象及內(nèi)容 研究對(duì)象：工業(yè)規(guī)模的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。 中心內(nèi)容：是深入認(rèn)識(shí)有關(guān)工業(yè)反應(yīng)器的操作和設(shè)計(jì)所必需的理論知識(shí)。了解其中其中的物理和化學(xué)變化的復(fù)雜過(guò)程，即“三傳一反”。 三傳：動(dòng)量傳遞 熱量傳遞 質(zhì)量傳遞 一反：化學(xué)反應(yīng) 宏觀動(dòng)力學(xué)與本征動(dòng)力學(xué) 化學(xué)反應(yīng)器 15動(dòng)量傳遞過(guò)程流動(dòng)因素 ABA0tAACC e0ACACB16熱量傳遞過(guò)程傳熱因素 ABA0ACAC0ERTkk eAArkCB17質(zhì)量傳遞過(guò)程傳質(zhì)因素18質(zhì)量傳遞過(guò)程傳質(zhì)因素R邊緣反應(yīng)物濃度高中央反應(yīng)物濃度低此處反應(yīng)較快19宏觀動(dòng)力學(xué)與本征動(dòng)力學(xué) 在工業(yè)規(guī)

8、模的化學(xué)反應(yīng)器中，化學(xué)反應(yīng)過(guò)程與質(zhì)量、熱量及動(dòng)量傳遞過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，這種化學(xué)反應(yīng)與物理變化的綜合，稱(chēng)為宏觀反應(yīng)過(guò)程宏觀反應(yīng)過(guò)程。 研究宏觀反應(yīng)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)稱(chēng)為宏觀動(dòng)力學(xué)宏觀動(dòng)力學(xué)。 本征（微觀）動(dòng)力學(xué)本征（微觀）動(dòng)力學(xué)，即化學(xué)動(dòng)力學(xué)，是在理想條件下研究化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的機(jī)理和反應(yīng)物系組成、溫度、壓力等參數(shù)，不包括傳遞過(guò)程及反應(yīng)器結(jié)構(gòu)等參數(shù)對(duì)反應(yīng)速率的影響。 區(qū)別：在于是否考慮反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和操作條件。20高低并列的提升管FCC裝置21南充煉廠FCC裝置22Grassroots FCC unit under construction in MexicoCold flow model of Kellogg

9、dense phase catalyst cooler23242580萬(wàn)噸/年加氫裂化裝置2627282945萬(wàn)噸/年乙烯裂解球罐30釜式反應(yīng)器31環(huán)管反應(yīng)器323334三、化學(xué)反應(yīng)工程的研究方法三、化學(xué)反應(yīng)工程的研究方法1）經(jīng)驗(yàn)歸納法）經(jīng)驗(yàn)歸納法 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用因次分析和相似方法處理而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用因次分析和相似方法處理而得到經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。得到經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。局限性：局限性：不能應(yīng)付物性參數(shù)復(fù)雜，邊界條件復(fù)雜的工程化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)。在面對(duì)化學(xué)反應(yīng)工程涉及的多種影響參數(shù)和參數(shù)之間的復(fù)雜關(guān)系時(shí)，傳統(tǒng)的因次分析和相似方法已不能反映化學(xué)反應(yīng)工程的基本規(guī)律。應(yīng)用：應(yīng)用：管道壓力降、對(duì)流傳熱、氣液兩相傳質(zhì)35 2 2）數(shù)

10、學(xué)模擬法）數(shù)學(xué)模擬法 用數(shù)學(xué)方式來(lái)模擬工業(yè)反應(yīng)過(guò)程各參數(shù)之間的關(guān)系。用數(shù)學(xué)方式來(lái)模擬工業(yè)反應(yīng)過(guò)程各參數(shù)之間的關(guān)系。 基礎(chǔ)：數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)：數(shù)學(xué)模型 分析，抽象，簡(jiǎn)化物理模型 數(shù)學(xué)模型 抽象簡(jiǎn)化的要求： （1）不失真 （2）滿(mǎn)足應(yīng)用要求 （3）適應(yīng)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件 （4）適應(yīng)現(xiàn)有的計(jì)算能力 數(shù)學(xué)模型按處理問(wèn)題的性質(zhì)可分為化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型、流動(dòng)模型、傳遞模型、宏觀動(dòng)力學(xué)模型。其中宏觀動(dòng)力學(xué)模型是綜合，也是本書(shū)所要討論的核心內(nèi)容。36經(jīng)驗(yàn)歸納法和數(shù)學(xué)模擬法的應(yīng)用反應(yīng)過(guò)程開(kāi)發(fā)放大方法： 相似放大法 經(jīng)驗(yàn)放大法 數(shù)學(xué)模擬放大法3738基礎(chǔ)試驗(yàn)測(cè)定擬定過(guò)程模型用計(jì)算機(jī)做方案研究制定模型測(cè)試方法及參數(shù)范圍小試中試比較測(cè)試結(jié)果與模型計(jì)算結(jié)果模型的放大 試驗(yàn)修正基礎(chǔ)模型用計(jì)算機(jī)做多方案及優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程的基本設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模擬放大示意圖數(shù)學(xué)模擬放大示意圖39四、化學(xué)反應(yīng)工程的學(xué)習(xí)目的四、化學(xué)反應(yīng)工程的學(xué)習(xí)目的 1. 改進(jìn)和強(qiáng)化現(xiàn)有的反應(yīng)技術(shù)和設(shè)備； 2. 開(kāi)發(fā)新技術(shù)、新設(shè)備； 3. 指導(dǎo)和解決反應(yīng)器的放大問(wèn)題； 4. 指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過(guò)程的最優(yōu)化操作。40五、化學(xué)反應(yīng)工程與其他學(xué)科的關(guān)系五、化學(xué)反應(yīng)工程與其他學(xué)科的關(guān)系 化學(xué)反應(yīng)工程廣泛的綜合應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)、化工熱力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱、傳質(zhì)及化工工藝等基礎(chǔ)理論和專(zhuān)業(yè)知識(shí)，設(shè)計(jì)和優(yōu)化工業(yè)反應(yīng)器?；瘜W(xué)反應(yīng)工程和其他學(xué)科的