化學(xué)工程講義

主講：張穎Email:zhzhying@化學(xué)反應(yīng)工程基礎(chǔ)ElementsofChemicalReactionEngineering1教材：化學(xué)工程基礎(chǔ)，北京大學(xué)，北京大學(xué)出版社，2008參考書(shū)目：化學(xué)工程基礎(chǔ)，武漢大學(xué)，高等教育出版社ElementsofChemicalReactionEngineering,

H.ScottFoglerThirdEdition2ContentsIntroductionSection1ElementsofChemicalKineticsSection2IndustrialReactorsSection3DesignforIdealHomogeneousReactorsSection4Non-idealflowintheReactorsSection5Gas-solidCatalyticReactionsSection6Gas-solidCatalysisReactors3Introduction

1、ChemicalReactionEngineeringChemicalEngineering動(dòng)量傳遞熱量傳遞質(zhì)量傳遞以傳遞過(guò)程和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，以反應(yīng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)、反應(yīng)過(guò)程的優(yōu)化和反應(yīng)器設(shè)計(jì)為主要研究?jī)?nèi)容，探討如何在工業(yè)規(guī)模的反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的化學(xué)反應(yīng)。是所有工業(yè)化學(xué)品生產(chǎn)的核心。（TransportsandReaction）PrinciplesofChemicalEngineering

（上世紀(jì)初）（或單元操作、化工過(guò)程及設(shè)備、化工傳遞過(guò)程學(xué)）ChemicalReactionEngineering（上世紀(jì)50年代）（andReactors）4二、工業(yè)規(guī)模的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)多在理想條件下進(jìn)行工業(yè)反應(yīng)器中實(shí)際進(jìn)行的過(guò)程包括化學(xué)反應(yīng)，伴隨有各種物理過(guò)程，如熱量的傳遞、物質(zhì)的流動(dòng)、混合和傳遞等，這些傳遞過(guò)程顯著地影響著反應(yīng)的最終結(jié)果，這就是工業(yè)規(guī)模下的反應(yīng)過(guò)程的特征。5工業(yè)生產(chǎn)的復(fù)雜性舉例1、傳熱設(shè)備，如反應(yīng)釜：

傳熱面

2rH（r：半徑

H：高）

傳熱體積

r2H

如r10，則

V100，S10如r10，H10，則

V1000，S100主視俯視傳熱面2、反應(yīng)器中非理想流動(dòng)狀態(tài)6三、化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的發(fā)展20世紀(jì)30年代德國(guó)科學(xué)家丹克萊爾在當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)十分貧乏的情況下,較系統(tǒng)地論述了擴(kuò)散、流體流動(dòng)和傳熱對(duì)反應(yīng)器產(chǎn)率的影響，為化學(xué)反應(yīng)工程奠定了基礎(chǔ)，40年代末期，霍根和華生的著作《化學(xué)過(guò)程原理》及前蘇聯(lián)學(xué)者弗蘭克—卡明涅斯基的著作《化學(xué)動(dòng)力學(xué)中的擴(kuò)散與傳熱》相繼問(wèn)世，總結(jié)了化學(xué)反應(yīng)與傳遞現(xiàn)象的相互關(guān)系，探討了反應(yīng)器設(shè)計(jì)的問(wèn)題，對(duì)化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用。1957年荷蘭阿姆斯特丹舉行的歐洲第一屆化學(xué)反應(yīng)工程會(huì)議上，正式確定了“化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)”這一學(xué)科的名稱(chēng)。60年代石油化工的大發(fā)展，生產(chǎn)日趨大型化以及原料深加工向化學(xué)反應(yīng)工程領(lǐng)域提出了一系列的課題，加速了這一學(xué)科的發(fā)展。特別是后來(lái)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，解決了不少?gòu)?fù)雜的反應(yīng)器設(shè)計(jì)與控制問(wèn)題。80年代后，隨著高新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用（如微電子器件、光導(dǎo)纖維、新材料及生物技術(shù)的應(yīng)用等），擴(kuò)大了化學(xué)工程的研究領(lǐng)域，形成了一些新的學(xué)科分支，如生化反應(yīng)工程、聚合物反應(yīng)工程、電化學(xué)反應(yīng)工程等，將化學(xué)反應(yīng)工程的研究推到了一個(gè)嶄新的階段。7四、化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)研究的內(nèi)容通過(guò)深入地研究，掌握傳遞過(guò)程的動(dòng)力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)共同作用的基本規(guī)律，從而改進(jìn)和深化現(xiàn)有的反應(yīng)技術(shù)和設(shè)備，降低能耗，提高效率。開(kāi)發(fā)新的技術(shù)和設(shè)備。指導(dǎo)和解決反應(yīng)過(guò)程開(kāi)發(fā)中的放大問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過(guò)程的最優(yōu)化。8五、化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系化學(xué)反應(yīng)工程9六、化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的研究方法在化學(xué)反應(yīng)工程中，需要建立數(shù)學(xué)模型，主要包括：（1）、動(dòng)力學(xué)方程式

對(duì)于均相反應(yīng)，可采用本征速率方程式；對(duì)于非均相反應(yīng)，一般采用宏觀速率方程式。（2）、物料衡算式流入量=流出量+反應(yīng)消耗量+累積量（3）、熱量衡算式

物料帶入熱=物料帶出熱+反應(yīng)熱+與外界換熱+累積熱（4）、動(dòng)量衡算式輸入動(dòng)量=輸出動(dòng)量+動(dòng)量損失（5）、參數(shù)計(jì)算式主要是指物性參數(shù)、傳遞參數(shù)及熱力學(xué)等計(jì)算公式。10七、從實(shí)驗(yàn)室研究到工業(yè)化生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室研究小型模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)（冷模、熱模、計(jì)算機(jī)模擬）中間工廠試驗(yàn)概念設(shè)計(jì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工程設(shè)計(jì)和建立生產(chǎn)裝置（工程研究）（過(guò)程研究）111.1反應(yīng)速率

反應(yīng)速率是指單位量的反應(yīng)體系中反應(yīng)進(jìn)度隨時(shí)間的變化率。對(duì)于均相反應(yīng)，某組分i在單位時(shí)間、單位反應(yīng)體積內(nèi)因反應(yīng)所消耗或生成的物質(zhì)的量，如果在反應(yīng)過(guò)程中體積是恒定的，也就是恒容過(guò)程。則上式可寫(xiě)成：第一節(jié)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)r—化學(xué)反應(yīng)速率，mol?m-3?s-1。

正號(hào)----表示產(chǎn)物的生成速率；負(fù)號(hào)----表示反應(yīng)物的消耗速率12各組分的反應(yīng)速率為：各組分反應(yīng)速率之間的關(guān)系：13對(duì)于非均相反應(yīng)，如氣-固相催化反應(yīng)過(guò)程：（1）若以固體催化劑表面積Sc為基準(zhǔn)，反應(yīng)物消耗速率為：（2）若以固體催化劑質(zhì)量mc為基準(zhǔn)，反應(yīng)物消耗速率為：（3）若以固體催化劑堆積體積Vc為基準(zhǔn)，反應(yīng)物消耗速率為：14根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：均相反應(yīng)的速度取決于物料的濃度和溫度，這種關(guān)系可以用冪函數(shù)的形式表示，就是動(dòng)力學(xué)方程式：k----反應(yīng)速率表觀常數(shù)，可以根據(jù)阿倫尼烏斯（Arrhenius）方程求得：化學(xué)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行的快慢可以以化學(xué)反應(yīng)速率的大小來(lái)衡量。SvanteAugustArrhenius(19thFebruary1859–2ndOctober1927)wasaSwedishscientist,originallyaphysicist,butoftenreferredtoasachemist,andoneofthefoundersofthescienceofphysicalchemistry.TheArrheniusequation,lunar

crater

ArrheniusandtheArrheniusLabsatStockholmUniversityarenamedafterhim.15對(duì)于連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)化率則以下式表示：對(duì)于等溫、恒容反應(yīng)，可以用濃度表示：1.2轉(zhuǎn)化率表明反應(yīng)的深度對(duì)于間歇系統(tǒng)161.3反應(yīng)的選擇性表明反應(yīng)的方向aApP

（目的產(chǎn)物）qQ

（副產(chǎn)物）反應(yīng)的選擇性是指生成主產(chǎn)物所消耗的關(guān)鍵組分與發(fā)生反應(yīng)消耗關(guān)鍵組分量之比，或者生成的目的產(chǎn)物量與已轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵反應(yīng)物量之比。171.4收率反映原料利用率的綜合指標(biāo)生成目的產(chǎn)物的量比加入反應(yīng)物的量收率、轉(zhuǎn)化率與選擇性之間的關(guān)系為：有時(shí)也用質(zhì)量收率表示：181.5等溫變?nèi)莘磻?yīng)系統(tǒng)若以反應(yīng)物A為計(jì)算基礎(chǔ)，則有化學(xué)反應(yīng)物種初始量變化量剩余量

(mol)(mol)(mol)ABCDI(惰性)總量化學(xué)計(jì)量表191.5.1化學(xué)膨脹因子當(dāng)τ=0時(shí)反應(yīng)物A在氣相中的摩爾分?jǐn)?shù)為：當(dāng)τ=τ時(shí)反應(yīng)物A在氣相中的摩爾分?jǐn)?shù)為：對(duì)于恒溫恒壓過(guò)程，還可以有：pA，0為反應(yīng)物的起始分壓cA，0為反應(yīng)物的起始濃度20則：A完全反應(yīng)所引起的摩爾數(shù)變化加入反應(yīng)器中的總摩爾數(shù)對(duì)于氣相反應(yīng)系統(tǒng)，通?？山普J(rèn)為符合理想氣體定律，即：在反應(yīng)初始時(shí)有：1.5.2膨脹率是以組分A為基準(zhǔn)的膨脹率21一、反應(yīng)器的分類(lèi)

1、按反應(yīng)物料的相態(tài)分類(lèi)：反應(yīng)器的種類(lèi)反應(yīng)類(lèi)型設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式反應(yīng)特性均相氣相

液相燃燒、裂解中和、硫化、水解管式釜式無(wú)相界面，反應(yīng)速率只與溫度或濃度有關(guān)非均相氣-液相液-液相氣-固相液-固相固-固相氣-液-固相氧化、氯化、加氫磺化、硝化、烷基化燃燒、還原、固相催化還原、離子交換水泥制造加氫裂解、加氫硫化釜式、塔式釜式、塔式固定床、流化床釜式、塔式回轉(zhuǎn)筒式固定床、流化床有相界面，實(shí)際反應(yīng)速率與相界面大小及相間擴(kuò)散速率有關(guān)第二節(jié)工業(yè)反應(yīng)器222、按反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式分類(lèi)

結(jié)構(gòu)型式適用的相態(tài)應(yīng)用舉例反應(yīng)釜液相，氣-液相液-液相，液固相藥物的合成、染料、中間體合成、樹(shù)脂合成管式氣相，液相輕質(zhì)油裂解，高壓聚乙烯鼓泡塔氣-液相，氣-液-固相變換氣的碳化，苯的烷基化，二甲苯的氧化固定床氣-固相SO