化學反應工程：第一講 緒論

1、化學反應工程Chemical Reaction Engineering國家精品課程目 錄第一講 緒論第二講 化學動力學第三講 理想流動反應器第四講 反應器中的返混對反應的影響第五講 氣固相催化反應宏觀動力學第六講 氣固相催化反應器第七講 流固相非催化反應及反應器國家精品課程大綱介紹 化學反應工程是以工業(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(xiàn)工業(yè)反應過程開發(fā)、設計、放大和操作的優(yōu)化。國家精品課程 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

2、出闡述反應工程理論思維方法，重點討論影響反應結果的工程因素 （如返混、混合、熱穩(wěn)定性和參數靈敏性等），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能力國家精品課程必備教材朱炳辰主編，化學反應工程（第四版），化學工業(yè)出版社2007. 8 丁百全等，化學反應工程例題與習題，化學工業(yè)出版社 2001. 6參考教材O.Levenspiel，Chemical Reaction Engineering3rd edition 化學工業(yè)出版社，2002. 8 J.M.Smith，Chemical Engineering Kinetics3rd edition McGraw-Hill Book

3、 Company , 1981(3) 張濂等，化學反應工程原理 華東理工大學出版社 2007. 8 (4) H. Scott Fogler,化學反應工程原理,4th edition， 化學工業(yè)出版社，2006年10月(5) 梁斌等， 化學反應工程,科學出版社，2003. 11國家精品課程考試化學反應工程教學進度表 華東理工大學精品課程網站國家精品課程第一講 緒 論一、研究對象工業(yè)反應過程與反應器 工廠中反應過程是核心，反應器是核心CH3OH 脫硫轉化壓縮合成精餾精甲醇 國家精品課程國家精品課程能源結構的變遷石油煉制圖國家精品課程石油加工圖國家精品課程工業(yè)生產過程原料的預處理化學反應反應產物的分

4、離與提純國家精品課程核心反應器本身的投資也許只占整個生產裝置投資的很小一部分；反應器通常是整個生產過程的核心，反應器的操作狀態(tài)（主要是反應的轉化率和選擇性）對整個裝置的投資和產品的生產成本往往會起到決定性的作用；在化工過程開發(fā)、設計中，反應過程往往會受到特別的重視。國家精品課程 根據原料、工藝及產品的不同，可選擇不同的反應器及反應的方式。國家精品課程 氣相 管式(NONO2，石腦油高熱裂解)均 液 管式(一些聚合反應)相 釜式(多數精細化工反應)(聚合反應) 相 塔式(NH3、CO2尿素)國家精品課程 固定床(甲醇合成、氨合成) 氣 移動床(煤氣化、礦石燃燒) 固 流化床(石油裂解、丙烯氨氧化

5、) 氣流床(煤氣化) 二相 攪拌釜(有機化工苯氯化) 氣 填料塔(脫碳、硫) 液 板式塔(脫碳、硫) 湍球塔(脫硫)非均相 液 釜式(酸介、堿介) 固 塔式 塔式(碳化塔) 三相 淤漿床(石油加氫、煤加氫) 涓流床(丁炔二醇加氫)國家精品課程反應器動畫CSTR列管式固定床反應器多段式固定床反應器氣液攪拌釜式反應器氣液內環(huán)流反應器氣液外環(huán)流反應器 PBR單段式固定床反應器二、化學反應工程研究及教學內容 化學反應工程的課程定位： 專業(yè)基礎課 教學必修課 核心主干課國家精品課程 當我們在開發(fā)一個新反應過程時， 當我們在設計一個新反應裝備時， 當我們在改造一個已投產的反應過程時， 當我們在強化一個已投

6、產的反應裝備時，要定性與定量地考慮以下十個問題：反應過程開發(fā)中應重視的若干問題國家精品課程問題（一）化學熱力學各類化學反應的平衡問題化學平衡：反應的平衡常數？ 反應的平衡轉化率？判斷反應的方向與限度! 判斷反應過程的可行性! 低壓下理想溶液（氣體）單一反應 高壓下非理想溶液（氣體）單一反應 低壓下理想溶液（氣體）復合反應 高壓下非理想溶液（氣體）復合反應國家精品課程舉例：CO2H2 CH3OH CO23H2 CH3OHH2O摩爾數減少的可逆放熱反應，定性：必須高壓下進行，低溫下有利平衡。定量：計算KP、ym*!高壓，非理想性如何對理想體系的修正 （狀態(tài)方程）復合反應如何確定獨立反應與獨立反應組

7、分數。國家精品課程摩爾數增加的可逆吸熱反應，定性：必須低壓，高溫下進行定量：選取獨立反應與獨立反應組分舉例：CH4H2O CO+3H2 CH42H2O CO24H2國家精品課程問題（二） 化學動力學催化劑開發(fā)、動力學研究催化劑開發(fā)：用不用催化劑？ 用何種類型催化劑？ 催化劑的活性組份，助催化劑，載體？ 催化劑的制備方法？舉例：合成甲醇 80年代前鋅鉻催化劑 80年代后銅基催化劑甲烷蒸汽轉化 鎳基催化劑國家精品課程動力學研究：反應速率的溫度效應活化能E 反應速率的濃度效應反應級數n 在等溫管式反應器中研究本征動力學 在內循環(huán)無梯度反應器中研究宏觀動力學舉例：合成甲醇 由實驗得出冪指數型與雙曲型動

8、力學方程 甲烷蒸汽轉化 由實驗得出動力學方程國家精品課程問題（三） 反應器選型PFR？CSTR？選取何種反應器：間歇反應或連續(xù)反應？ 平推流或全混流？ 非理想流動反應器的停留時間分布。 舉例：合成甲醇 平推流固定床反應器 （三相淤漿床反應器是新研究開發(fā)的方向）甲烷蒸汽轉化 外加熱管式爐（平推流固定床）國家精品課程問題（四） 傳熱與反應之間的關系微觀：催化劑粒內與粒外的傳熱問題宏觀：放熱與供熱 反應熱的回收與利用舉例：合成甲醇 （微觀）催化劑顆粒等溫 （宏觀）移走反應熱使過程接近最佳溫度曲線 反應熱的有效利用和床層的徑向導熱甲烷蒸汽轉化 （微觀）催化劑顆粒非等溫 （宏觀）燃燒一部分天然氣供給反應

9、熱 每一根爐管受熱均勻問題，燃 燒熱量的優(yōu)化使用。 國家精品課程問題（五） 傳質與反應之間的關系微觀：催化劑顆粒粒內、粒外有效因子宏觀：反應器尺度上的混和和返混舉例：合成甲醇 （微觀）粒內傳質影響宏觀速率甲烷蒸汽轉化（微觀）粒內、粒外傳質嚴重影響宏觀動力學 國家精品課程問題（六） 流體流動與反應之間的關系反應器內流體的均布問題反應器減低阻力問題舉例：合成甲醇 軸向流動反應器 徑向流動反應器甲烷蒸汽轉化 幾百根爐管的氣體均布問題。國家精品課程顯示圖片1-1顯示圖片1-2問題（七） 復合反應體系的選擇率與收率瞬時選擇率與平均選擇率單程收率與總收率舉例：合成甲醇 銅基催化劑收率鋅鉻催化劑收率合成二甲

10、醚 漿態(tài)床收率固定床收率如何根據主副反應的活化能來選擇反應溫度？如何根據主副反應的級數來選擇反應器？國家精品課程問題（八）反應器的數學模型理想流動模型與非理想流動模型一維模型與二維模型擬均相模型與非均相模型舉例：合成甲醇管殼式反應器 二維模型甲烷蒸汽轉化管式爐 非理想流動模型中的擴散模型國家精品課程問題（九）操作條件優(yōu)化溫度？壓力？組分濃度？空速？溫度可逆放熱反應的最佳溫度曲線舉例：合成甲醇 均溫型反應器甲烷蒸汽轉化 高溫型反應器壓力能量最優(yōu)化舉例：合成甲醇 等壓合成甲烷蒸汽轉化 2.03.0 Mpa 國家精品課程組分濃度由原料路線決定舉例：合成甲醇 煤或天然氣為原料甲烷蒸汽轉化 水碳比空速追

11、求產量還是追求長運轉周期舉例：合成甲醇 冷管型塔20000h-1，管殼型塔8000h-1國家精品課程CSTR與PFR的操作穩(wěn)定性。操作靈敏性與反應操作參數的控制舉例：合成甲醇 管殼型甲醇合成塔的最大移熱溫差，最小冷卻 介質溫度與最大管徑限制。 控制靈敏點溫度與床層熱點溫度及熱點位置。 操作負荷適應性 問題（十） 反應器的穩(wěn)定性,操作靈敏性,操作適應性國家精品課程教學內容1 均相反應的動力學基礎主要內容：反應速率；動力學方程；溫度效應； 濃度效應；可逆反應；平行反應； 串連反應；變溫變容反應.國家精品課程教學內容2理想反應器（間歇反應器，平推流反應器，全混流反應器）主要內容：間歇反應器；半間歇反

12、應器； 平推流反應器；循環(huán)流動平推流反應器； 全混流反應器；多釜串聯(lián)； 平推流與全混流反應器中進行的平行反應和串連反應. 國家精品課程教學內容3 停留時間分布與非理想流動模型主要內容：停留時間分布（概念，實驗測定，統(tǒng)計特征）； 非理想流動的n種模型.國家精品課程教學內容4 非均相反應動力學主要內容：氣-固相催化反應本征動力學； 氣-固相催化反應宏觀動力學； 催化劑的粒內、粒外有效因子； 非催化流-固相反應動力學； 氣液相反應動力學.國家精品課程教學內容5 固定床反應器主要內容：固定床中的傳遞過程； 絕熱床反應器； 換熱式固定床反應器； 固定床反應器數學模型（擬均相與非均相模型，一維與二維模型）

13、.國家精品課程教學內容6 其它多相反應器（流化床反應器，氣液反應器，氣液固三相反應器）主要內容：流化床反應器； 氣-液相反應器； 氣-液-固三相反應器.國家精品課程 教學內容7流動反應器中流體的混合與返混反應器的熱穩(wěn)定性反應動力學的實驗測定國家精品課程三. 化學反應工程的開發(fā)方法國家精品課程國家精品課程對于化工原理單元操作：主要研究涉及流動、傳熱、傳質等物理過程及其設備選型；主要研究方法因次論、相似論國家精品課程對于化學反應工程主要研究同時存在流動、傳熱、傳質和 化學反應的反應過程及反應器；因次論、相似論不再適用：化學過程和物理過程并存時，由于化學反應為體積過程，傳遞過程為面積過程，化學相似和

14、物理相似不可能同時滿足。怎么辦？國家精品課程數學模型法機理模型：反映了過程的本質可外推經驗模型：是由實驗數據回歸得到不宜大幅度外推國家精品課程國家精品課程流體通過固定床的流動國家精品課程國家精品課程理想的數學模擬放大國家精品課程改進的數學模擬放大國家精品課程實驗室反應裝置國家精品課程工業(yè)反應裝置國家精品課程反應過程的開發(fā)方法反應過程 反應熱力學計算小型熱模大型冷模 催 化 劑 操作條件 本征動力學 宏觀動力學 反 應 器 型 式數學模型 中 試 工業(yè)示范裝置工程參數國家精品課程 小型熱模與大型冷模相結合 反應因素與傳遞因素相結合 數學模型與試驗數據相結合 過程簡化與過程優(yōu)化相結合 國家精品課程

15、化學反應工程反應工藝開發(fā)之斧反應裝備設計之模反應過程放大之橋Axe開拓性Model實踐性Bridge綜合性國家精品課程四、研究目的優(yōu)化！ 一定x下，使VRMin(如：多個CSTR串聯(lián))一定VR下，使XMAX(如：反應器)使催化劑壽命MAX(如：最佳進口溫度)使主產物收率MAX，選擇性MAX能耗最低經濟效益最大不同提法，操作條件不同；最合理提法，經濟效益最大國家精品課程國家精品課程國家精品課程國家精品課程 G. E. Davis十九世紀八十年代首先提出化學工程的概念 W. H. Walker，W. K. Lewis, W. H. McAdams 1920年完成化工原理初稿，1923年正式出版 單

16、元操作學科建立 在20世紀30年代以前，化學工程學的研究主要集中在傳熱、傳質和動量傳遞的所謂化工單元操作上，基本上屬于物理過程。五、化學反應工程的演繹過程國家精品課程1937年，德國科學家在出版的“Der Chemie Ingeniem”專著中提到擴散、流動與傳遞對化學反應收率的影響；1947年，前蘇聯(lián)學者在所著的“化學動力學的擴散和傳遞”中，論述了擴散、流動與傳熱等對化學反應的影響；1947年，Hougen & Watson在“Chemical Process Principles”中闡述了化學動力學與催化作用；40年代后，原子能工業(yè)的發(fā)展提出了高倍率放大反應器的問題；50年代后石油化工的發(fā)

17、展使反應規(guī)模不斷擴大，促進了化學反應特性與傳遞特性的研究；第一屆歐洲化學反應工程討論會（阿姆斯特丹，1957年）宣布化學反應工程學科誕生；60年代，數學模型化在化學反應工程中日益深入；70年代后，大量專著出現(xiàn)國家精品課程George E. Davis (1850 -1906) In 1880 he proposed formation of a Society of Chemical Engineers in London In 1887 he presented a series of 12 lectures on the operation of chemical processes (n

18、ow called unit operations) at the Manchester Technical School.In 1901 he published a Handbook of Chemical Engineering“.國家精品課程History of Chemical Reaction Engineering (CRE)Reaction engineering first arose as a discipline to meet the needs of the rapidly growing petroleum, petrochemical and chemical industry in the 1940s and 1950s. (1957: First symposium on CRE, at the 12th Meeting of the European Federation of Chemical Engineering.)1953: Danckwerts(UK) publishes his paper on Continuous Flow Systems -Distribution of Resid