化學(xué)反應(yīng)過程課件 第一章 緒論

化學(xué)反應(yīng)工程教師：王波中國石油大學(xué)（華東）第一章緒論無論是化學(xué)工業(yè)還是冶金、石油煉制和能源加工等工業(yè)過程，均采用化學(xué)方法將原料加工成為有用的產(chǎn)品。生產(chǎn)過程包括如下三個組成部分：

第①和③兩部分屬于單元操作的研究范圍；而②部分是化學(xué)反應(yīng)工程的研究對象，是生產(chǎn)過程的核心?；瘜W(xué)反應(yīng)工程廣泛地應(yīng)用了化工熱力學(xué)、化學(xué)動力學(xué)、流體力學(xué)、傳遞動力學(xué)、生物學(xué)等方面的研究成果，使之不同于其它化學(xué)工程領(lǐng)域、近五十年來才發(fā)展為一門系統(tǒng)的學(xué)科。化學(xué)反應(yīng)工程的目的是將實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)可靠地移植到工業(yè)生產(chǎn)，并且根據(jù)所確定的反應(yīng)與預(yù)期生產(chǎn)能力對反應(yīng)器的形狀、尺寸及操作方式進(jìn)行設(shè)計。第一節(jié)化學(xué)反應(yīng)工程

一化學(xué)反應(yīng)工程的研究對象化學(xué)反應(yīng)工程是化學(xué)工程學(xué)科的一個重要分支，主要包括兩個方面的內(nèi)容，即反應(yīng)動力學(xué)和反應(yīng)器設(shè)計分析。

反應(yīng)動力學(xué)--研究化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的機(jī)理和速率，以獲得工業(yè)反應(yīng)器設(shè)計與操作所需的動力學(xué)信息，如反應(yīng)模式、速率方程及反應(yīng)活化能等

其中速率方程可表示為：

ri=f（Cat、Ci、T、P)

其中，ri為某一組分的反應(yīng)速率，Cat代表催化劑、Ci

代表濃度，T、Pi為溫度和分壓。

反應(yīng)器設(shè)計分析:研究反應(yīng)器內(nèi)上述因素的變化規(guī)律，找出最優(yōu)工況和適宜的反應(yīng)器型式和尺寸。

二

反應(yīng)過程的舉例反應(yīng)過程可能包括：

反應(yīng)物、產(chǎn)物的擴(kuò)散過程（內(nèi)外擴(kuò)散）+表面反應(yīng)過程。就整個反應(yīng)器而言，如反應(yīng)器內(nèi)的濃度和溫度隨位置變化，需將化學(xué)反應(yīng)與傳遞現(xiàn)象綜合起來考慮。涉及:物理現(xiàn)象-傳遞現(xiàn)象(熱量、動量和質(zhì)量傳遞過程)化學(xué)現(xiàn)象-化學(xué)反應(yīng)

概括為“三傳一反”三化學(xué)反應(yīng)工程作用對于化學(xué)產(chǎn)品和加工過程的開發(fā)、反應(yīng)器的設(shè)計放大起著重要的作用。運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)工程知識可以：

-提高反應(yīng)器的放大倍數(shù)，減少試驗(yàn)和開發(fā)周期。

-對現(xiàn)有反應(yīng)裝置操作工況進(jìn)行優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率。

-開發(fā)環(huán)境友好的綠色生產(chǎn)路線和工藝。反應(yīng)工程應(yīng)用–乙烯生產(chǎn)石腦油或乙烷蒸汽裂解制乙烯

高溫管式反應(yīng)器反應(yīng)工程應(yīng)用-煙霧治理煙霧形成原因和模擬-煤炭燃燒-機(jī)動車尾氣排放-光化學(xué)煙霧反應(yīng)工程應(yīng)用-三元催化尾氣治理

整體式反應(yīng)器反應(yīng)工程應(yīng)用-藥物代謝動力學(xué)反應(yīng)工程可用于描述藥物和機(jī)體相互作用四化學(xué)反應(yīng)的分類

常見化學(xué)反應(yīng)分類方法

例如：為一氣固催化反應(yīng)五化學(xué)反應(yīng)工程的建立過程化學(xué)反應(yīng)工程是建立在數(shù)學(xué)、物理及化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科上而又有自己特點(diǎn)的應(yīng)用學(xué)科分支，是化學(xué)工程學(xué)科的組成部分，從學(xué)科建立至今，經(jīng)歷了一個漫長的過程。按操作方式：間歇操作、連續(xù)操作、半連續(xù)；

按流體流動方式：理想流動、非理想流動

理想流動反應(yīng)器是反應(yīng)器設(shè)計、操作的基礎(chǔ)，是我們這門課學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，包括間歇釜、全混流和活塞流反應(yīng)器。實(shí)際工程反應(yīng)器形式很多，但都可以應(yīng)用理想流動反應(yīng)器設(shè)計原理結(jié)合非理想流動實(shí)際情況加以解決。第二節(jié)化學(xué)反應(yīng)器的類型一

反應(yīng)器的操作方式間歇操作:一次性投料，卸料。反應(yīng)物系參數(shù)(濃度或組成等)隨時間變化。連續(xù)操作:原料不斷加入,產(chǎn)物不斷引出,反應(yīng)器內(nèi)物系參數(shù)均不隨時間變化。半連續(xù)(或半間歇)兼有以上兩種過程的特點(diǎn)，情況比較復(fù)雜。二理想反應(yīng)器

間歇釜式反應(yīng)器（BatchReactor）

全混流反應(yīng)器(MixedFlowReactor)

活塞流反應(yīng)器(Plug(FlowReactor)間歇釜式反應(yīng)器全混流反應(yīng)器活塞流反應(yīng)器(a)管式反應(yīng)器(b)移動床反應(yīng)器(c)機(jī)械攪拌漿態(tài)床反應(yīng)器(d)循環(huán)式漿態(tài)反應(yīng)器(e)半連續(xù)漿態(tài)床反應(yīng)器(f)固定床鼓泡床反應(yīng)器(g)滴流床反應(yīng)器(h)規(guī)整填料塔反應(yīng)器(i)噴霧塔式反應(yīng)器(j)板式塔反應(yīng)器(k)鼓泡塔反應(yīng)器(l)氣液攪拌釜式反應(yīng)器常見工業(yè)反應(yīng)器類型種類特點(diǎn)應(yīng)用范圍管式反應(yīng)器長度遠(yuǎn)大于管徑,內(nèi)部沒有任何構(gòu)件多用于均相反應(yīng)過程釜式反應(yīng)器高度與直徑比約為2-3內(nèi)設(shè)攪拌裝置和檔板均相、多相反應(yīng)過程均可塔式(填塔板式塔)高度遠(yuǎn)大于直徑，內(nèi)部設(shè)有填料、塔板等以提高相互接觸面積用于多相反應(yīng)過程固定床底層內(nèi)部裝有不動的固體顆粒，固體顆?？梢允谴呋瘎┗蚴欠磻?yīng)物用于多相反應(yīng)系統(tǒng)流化床反應(yīng)過程中反應(yīng)器內(nèi)部有固體顆粒的懸浮和循環(huán)運(yùn)動，提高反應(yīng)器內(nèi)液體的混合性能多相反應(yīng)體系，可以提高傳熱速率移動床固體顆粒自上而下作定向移動與反應(yīng)流體逆向接觸用于多相體系，催化劑可以連續(xù)再生滴流床是固定反應(yīng)器的一種，但反應(yīng)物還包括氣液兩種屬于固定床的一種，用于使用固體催化劑的氣液反應(yīng)過程

第三節(jié)反應(yīng)器的設(shè)計與基本過程反應(yīng)器設(shè)計的基本內(nèi)容一般包括：選擇合適的反應(yīng)型式確定最佳操作條件根據(jù)操作負(fù)荷和規(guī)定的轉(zhuǎn)化程度，確定反應(yīng)器的體積和尺寸要完成上述任務(wù)，需要使用下列三類基本設(shè)計方程：物料衡算式(描述濃度變化)--連續(xù)性方程能量衡算式(描述溫度變化)動量衡算式(描述壓力變化)這三個式子是相互耦聯(lián)的,需要同時求解。具體的作法,將在以后的各個章節(jié)中詳細(xì)闡述。第四節(jié)工業(yè)反應(yīng)器的放大問題的提出：

在造船、筑壩等很多領(lǐng)域上相似理論和因次分析為基準(zhǔn)的相似放大法是非常有效的，但相似放大法在化學(xué)反應(yīng)器放大方面則無能為力，主要原因是無法同時保持物理和化學(xué)相似。目前使用的化學(xué)反應(yīng)器放大法有：

逐級經(jīng)驗(yàn)放大法（主要靠經(jīng)驗(yàn)）

數(shù)學(xué)模型法?？梢蕴岣叻糯蟊稊?shù)

半經(jīng)驗(yàn)放大法采用逐級放大法費(fèi)時費(fèi)力，但采