天津大學(xué)工業(yè)化學(xué)基礎(chǔ)第三章第一節(jié)概述課件

化學(xué)反應(yīng)工程及反應(yīng)器7/22/2023第一節(jié)概述

1反應(yīng)工程在化學(xué)工程學(xué)科中的地位2反應(yīng)工程的范疇和任務(wù)3反應(yīng)工程的研究方法4化學(xué)反應(yīng)過程分類

7/22/2023一、反應(yīng)工程在化學(xué)工程學(xué)科中的地位1、化學(xué)工程的主要研究?jī)?nèi)容化學(xué)方法加工原料的預(yù)處理進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)產(chǎn)物的分離與提純反應(yīng)工程單元操作（三傳）單元操作（三傳）進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)7/22/2023

化學(xué)反應(yīng)工程：把化學(xué)反應(yīng)和工程中的問題統(tǒng)一起來研究，研究反應(yīng)器的設(shè)計(jì)放大和過程最優(yōu)化，便形成了化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)，是化學(xué)工程學(xué)科的一個(gè)重要組成部分，是關(guān)于如何在工業(yè)規(guī)模上實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)過程，以期最有效地把原料轉(zhuǎn)化為盡可能多的目標(biāo)產(chǎn)品，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益，滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)需要的一門學(xué)科。凡是涉及物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)變化的過程都屬化學(xué)反應(yīng)的范疇，故而廣義的化學(xué)反應(yīng)工程涉及面十分廣闊，諸如無機(jī)化工、有機(jī)化工、精細(xì)化工、高分子化工、冶金工程、環(huán)保工程、生物化工等等。在許多發(fā)達(dá)國(guó)家，化學(xué)工業(yè)及與之相關(guān)的工業(yè)已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占主要地位的產(chǎn)業(yè)部門。所以研究化學(xué)反應(yīng)過程的放大規(guī)律，具有十分重要的意義

7/22/2023在現(xiàn)代化大規(guī)模連續(xù)操作的化工廠中，化學(xué)反應(yīng)器約占生產(chǎn)設(shè)備總投資的15％－20％，分離設(shè)備的投資占生產(chǎn)設(shè)備總投資的大部分。但是反應(yīng)器設(shè)計(jì)的優(yōu)劣、反應(yīng)結(jié)果的好壞，常常是決定整個(gè)生產(chǎn)過程效益的關(guān)鍵所在。在現(xiàn)代生產(chǎn)體系中，社會(huì)分工較細(xì)，一個(gè)工廠的產(chǎn)品常常又是另一個(gè)工廠的原料，所以構(gòu)成化工產(chǎn)品成本的諸因素中，原料所占的比重常常是決定性的。如何在一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過程中，最大限度地利用原料生產(chǎn)出最多的目標(biāo)產(chǎn)品，就成為至關(guān)重要的因素，而這一問題正是化學(xué)反應(yīng)工程所要研究解決的。

7/22/20232、反應(yīng)工程概念的提出20世紀(jì)30年代，丹克萊爾(Damhohler)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——奠定了基礎(chǔ)梯爾(Thiele)和史爾多維奇對(duì)擴(kuò)散反應(yīng)問題作了開拓性的工作40年代末，霍根(Hougen)和華生(Waston)著作《化學(xué)過程原理》法蘭克-卡明聶斯基著作《化學(xué)動(dòng)力學(xué)中的擴(kuò)散與傳熱》問世1957年，荷蘭阿姆斯特丹第一次歐洲反應(yīng)工程會(huì)議——確立了化學(xué)反應(yīng)工程的名稱7/22/2023二、化學(xué)反應(yīng)工程的范疇和任務(wù)化學(xué)工藝反應(yīng)器中流體流動(dòng)、混合傳熱和傳質(zhì)化學(xué)催化劑經(jīng)濟(jì)學(xué)優(yōu)化工程控制反應(yīng)過程分析設(shè)備結(jié)構(gòu)及參數(shù)控制化學(xué)熱力學(xué)與反應(yīng)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)過程動(dòng)態(tài)特性與反應(yīng)系統(tǒng)測(cè)量和控制7/22/20231化學(xué)反應(yīng)工程研究范疇工業(yè)規(guī)模的化學(xué)反應(yīng)過程是比較復(fù)雜的，既有化學(xué)反應(yīng)過程、又有物理過程。物理過程與化學(xué)過程相互影響、相互滲透，必然影響化學(xué)反應(yīng)效果。工業(yè)反應(yīng)器中主要的物理過程有：①流體的返混和不均勻流動(dòng)；②傳質(zhì)過程；③傳熱過程。這些物理過程與化學(xué)反應(yīng)過程同時(shí)發(fā)生。從本質(zhì)上說，物理過程不改變反應(yīng)過程的動(dòng)力學(xué)規(guī)律，即反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律不因?yàn)槲锢磉^程的存在而發(fā)生變化。但是流體流動(dòng)、傳質(zhì)、傳熱過程會(huì)影響實(shí)際反應(yīng)場(chǎng)所的溫度和濃度在時(shí)間、空間上的分布，從而影響反應(yīng)的最終結(jié)果。從學(xué)科角度講，化學(xué)反應(yīng)規(guī)律屬化學(xué)動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，物理過程規(guī)律屬化學(xué)工程領(lǐng)域?；瘜W(xué)反應(yīng)工程學(xué)實(shí)際上是這兩個(gè)學(xué)科的匯合，即物理過程和化學(xué)過程兩者結(jié)合，產(chǎn)生新的、有趣的現(xiàn)象，從這些現(xiàn)象中引伸出重要的反應(yīng)工程理論。正是這些理論指導(dǎo)工業(yè)反應(yīng)過程的開發(fā)，即選擇適宜的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、型式、操作方式和工藝條件等。

7/22/2023化學(xué)熱力學(xué)——討論反應(yīng)進(jìn)行的方向和限度，平衡問題

如：計(jì)算反應(yīng)的平衡常數(shù)和平衡轉(zhuǎn)化率反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——闡明化學(xué)反應(yīng)速率與各種物理因素（溫度、濃度、壓力和催化劑等）之間的關(guān)系

影響反應(yīng)速率的內(nèi)因——決定能否實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵所在7/22/2023反應(yīng)器中流體流動(dòng)、混合傳熱與傳質(zhì)——影響反應(yīng)速率的外因如：非均相反應(yīng)、氣固反應(yīng)、催化劑表面的擴(kuò)散與吸附等——“放大效應(yīng)“產(chǎn)生的直接原因設(shè)備結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)如：反應(yīng)器的種類（管式、釜式、流化床、固定床等）、操作方式（連續(xù)、分批）——考慮經(jīng)濟(jì)上的合理性7/22/2023反應(yīng)過程動(dòng)態(tài)特性與反應(yīng)系統(tǒng)測(cè)量和控制——工業(yè)生產(chǎn)的必須條件，人為不能達(dá)到例如：對(duì)于一放熱反應(yīng)進(jìn)料溫度高反應(yīng)速率快放熱不及時(shí)溫度升高反應(yīng)加快溫度過高爆炸——自動(dòng)控溫裝置7/22/20232、反應(yīng)工程的任務(wù)

創(chuàng)新與選擇最適宜反應(yīng)器型式

新工藝、新產(chǎn)品開發(fā)確定最優(yōu)工藝條件傳統(tǒng)技術(shù)改造估算反應(yīng)器尺寸大小優(yōu)化操作目標(biāo)：?jiǎn)挝辉O(shè)備容積的反應(yīng)器處理能力大目的產(chǎn)物單一性大安全,穩(wěn)定核心——復(fù)雜系統(tǒng)的工程放大7/22/20231)改進(jìn)和強(qiáng)化現(xiàn)有反應(yīng)技術(shù)和設(shè)備,使之優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低能耗；(2)開發(fā)新的反應(yīng)技術(shù)和設(shè)備；(3)利用實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)解決反應(yīng)過程中放大問題；(4)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程的最優(yōu)化；(5)不斷發(fā)展化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的理論和方法（6）化學(xué)反應(yīng)器的正確選型與合理設(shè)計(jì)7/22/20233、工業(yè)反應(yīng)的特點(diǎn)物性龐雜

多相（氣,液,固,超臨界,等離子,納米膠體） 溫度,壓力,粘度,重度,表面張力…變化幅度大非線性耦合

物理,化學(xué),生物學(xué)之間預(yù)測(cè)精度高生產(chǎn)規(guī)模大

250萬T/年－1000萬T/年催化裂化（ф10m,H=70m) 30萬T/年－100萬T/年乙烯裂解 30萬T/年合成氨－52萬T/年尿素 100m3－300m3

聚合釜,120m長(zhǎng)循環(huán)管聚丙稀7/22/2023高低并列的提升管FCC裝置7/22/2023南充煉廠FCC裝置7/22/2023GrassrootsFCCunitunderconstructioninMexicoColdflowmodelofKelloggdensephasecatalystcooler7/22/20237/22/20237/22/202380萬噸/年加氫裂化裝置7/22/20237/22/20237/22/20237/22/202345萬噸/年乙烯裂解球罐7/22/2023釜式反應(yīng)器7/22/2023環(huán)管反應(yīng)器7/22/20237/22/2023三、反應(yīng)工程的研究方法1、模型化方法建立數(shù)學(xué)模型參數(shù)計(jì)算式動(dòng)力學(xué)方程式物料、熱量、動(dòng)量衡算式求解數(shù)學(xué)模型的計(jì)算方法計(jì)算機(jī)軟件的實(shí)現(xiàn)及計(jì)算結(jié)果7/22/20232、試驗(yàn)的方法設(shè)備傳遞過程模型的測(cè)定如：大型冷模測(cè)定無法計(jì)算的參數(shù)的測(cè)定如：熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、催化劑等的參數(shù)數(shù)學(xué)模擬的檢驗(yàn)測(cè)定即：數(shù)學(xué)模擬結(jié)果用實(shí)驗(yàn)測(cè)定可否應(yīng)用7/22/2023基礎(chǔ)試驗(yàn)測(cè)定擬定過程模型用計(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)算過程的基本設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模擬放大示意圖7/22/2023四、化學(xué)反應(yīng)過程分類按操作方式分類間歇操作連續(xù)操作半連續(xù)操作按反應(yīng)器除熱方式分類絕熱式7/22/2023自熱式冷激式T℃

相變式T℃

間壁換熱式7/22/2023按反應(yīng)物相態(tài)分類非催化反應(yīng)催化反應(yīng)均相反應(yīng)大部分氣相反應(yīng)大部分液相反應(yīng)快速反應(yīng)（燃燒等）膠體反應(yīng)酶和微生物反應(yīng)非均相反應(yīng)煤燃燒，礦石焙燒氣－液吸收反應(yīng)煉鐵，濕法冶金合成氨，硝酸，硫酸煉油，合成材料單體7/22/2023對(duì)于A+B→R反應(yīng)過程，反應(yīng)器的三種操作方法和反應(yīng)物及產(chǎn)物的濃度的變化，如圖所示。間歇釜式半連續(xù)釜式連續(xù)流動(dòng)釜式連續(xù)流動(dòng)管式