化學反應工程緒論介紹

1、1化學反應工程化工學院王捷2化學反應工程(Chemical Reaction Engineering) 化學反應工程（CRE）是以工業(yè)規(guī)模的化學反應過程為研究對象，研究過程速率及其變化規(guī)律，宏觀動力學因素對化學反應過程的影響，以實現工業(yè)反應過程開發(fā)、設計、放大和操作的優(yōu)化的一門學科。3教學目的 學習本門課程，學生應牢固地掌握化學反應工程中最基本的原理和計算方法，運用科學思維方法，增強提出問題、分析問題和解決問題的能力。課程教學將突出闡述反應工程理論思維方法，重點討論氣固相催化反應本征動力學、宏觀動力學及反應器中的混合及對反應的影響，并以開發(fā)實例進行分析，培養(yǎng)學生應用反應工程方法論解決實際問題的

2、能力。4學時安排（學時安排（40學時學時+16學時實驗）學時實驗） 緒論緒論 2 2學學時時 第一章第一章 應用化學反應動力學及反應器設計基礎應用化學反應動力學及反應器設計基礎 1010學學時時 第二章第二章 氣氣- -固相催化反應本征及宏觀動力學固相催化反應本征及宏觀動力學 6 6學學時時 第三章第三章 釜式及均相管式反應器釜式及均相管式反應器 1010學學時時 第四章第四章 反應器中的混合及對反應的影響反應器中的混合及對反應的影響 8 8學學時時 第五章第五章 固定床氣固定床氣- -固相催化反應工程固相催化反應工程 2 2學學時時 復習考試復習考試 2 2學學時時5教材及參考書 選用教材：

3、化學反應工程（第四版），朱炳辰，化學工業(yè)出版社 主要參考書：化學反應工程，陳甘棠，化學工業(yè)出版社；化學反應工程（第二版），朱炳辰，化學工業(yè)出版社67網絡資源 合肥工業(yè)大學精品課程 8/organ/cre/ 華東理工大學精品課程 7/files/hxfygc/CRE_index.htm 河北科技大學精品課程 http:/ 齊齊哈爾大學網絡課程 09/jpk07/fygc/index.htm 南京工業(yè)大學精品課程 http:/ 沈陽工業(yè)大學精品課程 http:/ 一、化學反應工程的學科歷史一、化

4、學反應工程的學科歷史 二、化學反應工程的研究對象及內容二、化學反應工程的研究對象及內容 三、化學反應工程的研究方法三、化學反應工程的研究方法 四、化學反應工程的學習目的四、化學反應工程的學習目的 五、化學反應工程與其他學科的關系五、化學反應工程與其他學科的關系9第一階段：古代的化學生產（第一階段：古代的化學生產（17世紀以前）世紀以前） 這一時期經歷了實用化學、煉丹和煉金、醫(yī)藥化學和冶金化學等時期。早期化學知識來源于人類的生產和生活實踐。同時在人類對自然界萬物的本原構成的探索中，誕生了古代樸素的元素觀。古代化學具有實用和經驗的特點，尚未形成理論體系、是化學的萌芽時期；另一方面，尚未形成有規(guī)模的

5、化學加工實踐。一、化學反應工程的學科歷史一、化學反應工程的學科歷史10古代生產硫酸方法古代生產硫酸方法11第二階段：近代化學工業(yè)（第二階段：近代化學工業(yè)（18世紀末至世紀末至20世紀初）世紀初） 以硫酸，硝酸，純堿的工業(yè)規(guī)模的生產過程為開端，至20世紀初，出現了載入化工發(fā)展史冊的合成氨的工業(yè)生產。 Fritz Haber (1868 - 1934) 規(guī)模的擴大要求人們對生產過程的規(guī)律有更為透徹的了解，需要既懂工程又熟悉化學知識，促使工程與化學相結合。12 第三階段：現代化學工業(yè)（二戰(zhàn)前后）第三階段：現代化學工業(yè)（二戰(zhàn)前后） 在以石油和天然氣為主要原料的化學工業(yè)中，各種催化反應被廣泛應用，這就要

6、求在反應技術和反應器設計方面作出重大努力。尤其是在生產規(guī)模日益大型化趨勢的影響下，促使化學工程學科形成了一次理論綜合：即從動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞的角度深入研究化工生產的物理變化過程，以及從“化學反應工程”的角度來研究化工生產的化學變化過程。從而使化學工程學科上升為一門具有完整理論體系的全面學科。131957年，在荷蘭的阿姆斯特丹，召開了第一屆歐洲化學反應工程會議，Van Krevelen作首篇綜合性報告：Micro- and Macro-Kinetics，提出“化學反應工程”的概念，意在系統(tǒng)深入地研究伴有物理過程即傳遞現象的化學反應過程。標志著該學科的初步形成。1981年，化學反應工程正

7、式進入我國化工高等教育。14二、化學反應工程二、化學反應工程的的研究對象及內容研究對象及內容 研究對象：工業(yè)規(guī)模的化學反應過程。 中心內容：是深入認識有關工業(yè)反應器的操作和設計所必需的理論知識。了解其中其中的物理和化學變化的復雜過程，即“三傳一反”。 三傳：動量傳遞 熱量傳遞 質量傳遞 一反：化學反應 宏觀動力學與本征動力學 化學反應器 15動量傳遞過程流動因素 ABA0tAACC e0ACACB16熱量傳遞過程傳熱因素 ABA0ACAC0ERTkk eAArkCB17質量傳遞過程傳質因素18質量傳遞過程傳質因素R邊緣反應物濃度高中央反應物濃度低此處反應較快19宏觀動力學與本征動力學 在工業(yè)規(guī)

8、模的化學反應器中，化學反應過程與質量、熱量及動量傳遞過程同時進行，這種化學反應與物理變化的綜合，稱為宏觀反應過程宏觀反應過程。 研究宏觀反應過程的動力學稱為宏觀動力學宏觀動力學。 本征（微觀）動力學本征（微觀）動力學，即化學動力學，是在理想條件下研究化學反應進行的機理和反應物系組成、溫度、壓力等參數，不包括傳遞過程及反應器結構等參數對反應速率的影響。 區(qū)別：在于是否考慮反應器結構和操作條件。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 cooler23242580萬噸/年加氫裂化裝置2627282945萬噸/年乙烯裂解球罐30釜式反應器31環(huán)管反應器323334三、化學反應工程的研究方法三、化學反應工程的研究方法1）經驗歸納法）經驗歸納法 實驗數據用因次分析和相似方法處理而實驗數據用因次分析和相似方法處理而得到經驗關聯式。得到經驗關聯式。局限性：局限性：不能應付物性參數復雜，邊界條件復雜的工程化學反應系統(tǒng)。在面對化學反應工程涉及的多種影響參數和參數之間的復雜關系時，傳統(tǒng)的因次分析和相似方法已不能反映化學反應工程的基本規(guī)律。應用：應用：管道壓力降、對流傳熱、氣液兩相傳質35 2 2）數

10、學模擬法）數學模擬法 用數學方式來模擬工業(yè)反應過程各參數之間的關系。用數學方式來模擬工業(yè)反應過程各參數之間的關系。 基礎：數學模型基礎：數學模型 分析，抽象，簡化物理模型 數學模型 抽象簡化的要求： （1）不失真 （2）滿足應用要求 （3）適應現有的實驗條件 （4）適應現有的計算能力 數學模型按處理問題的性質可分為化學動力學模型、流動模型、傳遞模型、宏觀動力學模型。其中宏觀動力學模型是綜合，也是本書所要討論的核心內容。36經驗歸納法和數學模擬法的應用反應過程開發(fā)放大方法： 相似放大法 經驗放大法 數學模擬放大法3738基礎試驗測定擬定過程模型用計算機做方案研究制定模型測試方法及參數范圍小試中試比較測試結果與模型計算結果模型的放大 試驗修正基礎模型用計算機做多方案及優(yōu)化設計計算過程的基本設計數學模擬放大示意圖數學模擬放大示意圖39四、化學反應工程的學習目的四、化學反應工程的學習目的 1. 改進和強化現有的反應技術和設備； 2. 開發(fā)新技術、新設備； 3. 指導和解決反應器的放大問題； 4. 指導實現反應過程的最優(yōu)化操作。40五、化學反應工程與其他學科的關系五、化學反應工程與其他學科的關系 化學反應工程廣泛的綜合應用化學動力學、化工熱力學、流體力學、傳熱、傳質及化工工藝等基礎理論和專業(yè)知識，設計和優(yōu)化工業(yè)反應器?；瘜W反應工程和其他學科的