化學(xué)反應(yīng)工程緒論2014-2-18

1、尚書勇化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程尚書勇尚書勇 博士博士 副教授副教授宜賓學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院宜賓學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院Chemical Reaction Engineering尚書勇聯(lián)系方式：聯(lián)系方式：(692534)宜賓宜賓QQ：814456328E-mail: 四川省學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人后備人選四川省學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人后備人選全國優(yōu)秀博士后全國優(yōu)秀博士后四川省青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人。四川省青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人。 河北工業(yè)大學(xué)河北工業(yè)大學(xué) 化學(xué)工程與工藝化學(xué)工程與工藝 本科本科四川大學(xué)四川大學(xué) 化學(xué)工程碩士化學(xué)工程碩士& 化學(xué)工藝博士化學(xué)工藝博士尚書勇尚書勇 博士博士

2、副教授副教授尚書勇化學(xué)化學(xué)工程工程與技術(shù)與技術(shù)n化學(xué)工程化學(xué)工程n化學(xué)工藝化學(xué)工藝n工業(yè)催化工業(yè)催化n應(yīng)用化工應(yīng)用化工n生物工程生物工程n制藥工程制藥工程n高分子科學(xué)高分子科學(xué)與工程與工程n化工機(jī)械化工機(jī)械（過程裝備（過程裝備與控制工程與控制工程n安全工程安全工程n材料工程材料工程n環(huán)境工程環(huán)境工程n能源工程能源工程nChemical Engineering is Why?化學(xué)化學(xué)n有機(jī)化學(xué)有機(jī)化學(xué)n無機(jī)化學(xué)無機(jī)化學(xué)n物理化學(xué)物理化學(xué)n分析化學(xué)分析化學(xué)n應(yīng)用化學(xué)應(yīng)用化學(xué)n高分子化學(xué)高分子化學(xué)n材料化學(xué)材料化學(xué)n環(huán)境化學(xué)環(huán)境化學(xué)n生物化學(xué)生物化學(xué)n制藥化學(xué)制藥化學(xué)nChemistry is Wh

3、y?Chem is try尚書勇學(xué)科素養(yǎng)學(xué)科素養(yǎng)n化工化工&化學(xué)是什么？前已述及化學(xué)是什么？前已述及！n如果能夠說出國內(nèi)外如果能夠說出國內(nèi)外20個(gè)化工大型生產(chǎn)基地，個(gè)化工大型生產(chǎn)基地，20個(gè)國內(nèi)外的研究基地，個(gè)國內(nèi)外的研究基地，50個(gè)國內(nèi)外的專家學(xué)者；個(gè)國內(nèi)外的專家學(xué)者；能夠?qū)λ鶎W(xué)的每一門課在整體人才培養(yǎng)中的作用能夠?qū)λ鶎W(xué)的每一門課在整體人才培養(yǎng)中的作用說個(gè)大概；對整個(gè)學(xué)科在社會上的地位和能解決說個(gè)大概；對整個(gè)學(xué)科在社會上的地位和能解決什么問題說個(gè)大概！到了研究生階段，則要求對什么問題說個(gè)大概！到了研究生階段，則要求對本研究方向的至少了解本研究方向的至少了解20個(gè)相關(guān)專家。這就表明個(gè)相

4、關(guān)專家。這就表明具備了初步的學(xué)科素養(yǎng)，畢竟你見了別人不能總具備了初步的學(xué)科素養(yǎng)，畢竟你見了別人不能總是那么的專業(yè)術(shù)語，能夠使用簡潔通俗的語言和是那么的專業(yè)術(shù)語，能夠使用簡潔通俗的語言和朋友交流或者介紹你的專業(yè)問題，那就說明具有朋友交流或者介紹你的專業(yè)問題，那就說明具有了一定的學(xué)科素養(yǎng)！了一定的學(xué)科素養(yǎng)！ 尚書勇Introduction to Chemical Reaction Engineering宜賓學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院宜賓學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院尚書勇Course DescriptionnThis course teaches students the fundamentals of chemic

5、al reactions, and the types of chemical reactor equipment used to carry out these reactions. Students learn about plug-flow and mixed-flow reactors and the mathematics that describe their behavior. nThey also learn how to maximize product yield by using the appropriate stream temperatures, flow rate

6、s, and catalysts, as well as the correct reactor size and type when designing reactor equipment. nThe course also covers different types of reactions and their mechanisms, and how reactors behave when linked together in a multipart process. 尚書勇Course goalsn1. To provide students with a clear underst

7、anding of chemical reaction engineering. n2. To provide students the basic concepts of the circumstances arising in multi-component reaction systems. n3. To provide students with the ability to analyze experimental data and discriminate among candidate reaction mechanisms. n4. To learn how to deal w

8、ith reactions occurring in multi-phase systems (such as reactions coupled with separations). 尚書勇Course goalsn5. To develop systematic problem solving (both analytical and numerical) skills and improve confidence. n6. To learn how to formulate complex reactor analysis and design problems and work in

9、an interactive environment to solve these. n7. To develop and promote critical thinking (justification for results) and creative thinking (open-ended problems) among students. 尚書勇Prerequisitesn1. Advanced mathematics n2. Physical Chemistry n3. Thermodynamics and transport phenomenon n4. Chemical Eng

10、ineering Principle n5. Material and energy balances Mathematical skills needed for this courseqAlgebraic manipulationqDifferentiation and integrationqAlgebraic equation, differential equationnNumerical solution VS analytic solutionqOptimizationnFunctions extremum, curve fittingqEngineering software:

11、 Mat lab, Maple, mathematic尚書勇Chemical Reaction Engineering (CRE)nHistoryqReaction engineering first arose as a discipline to meet the needs of the rapidly growing petroleum, petrochemical and chemical industry in the 1940s and 1950s.nWhat is Chemical Reaction EngineeringqChemical Engineering, Chemi

12、stry + EngineeringqReaction Engineering, Reaction + EngineeringqCRE deals with chemically reactive systems of engineering significanceqChemical reaction engineering is the discipline that quantifies the interactions of transport phenomena and reaction kinetics in relating reactor performance to oper

13、ating conditions and feed variables.尚書勇Even hippos like Chemical Reaction Engineering. 尚書勇CRE Applications: Reducing SMOG by Catalytic Converter尚書勇So, what do we expect to learn in CRE?nIn CRE, we will develop a general methodology useful in approaching a variety of reaction systemsnChemical Kinetic

14、s & Chemical Reactor Design will be the heart of this course.nChemical kineticsqDeals with how fast a reaction proceeds (reaction rates).qDeals with mechanism of reaction.qDeals with the effects of P,T, composition and catalysts on reaction rates.nReactor designqDeals with size of reactorqDeals

15、with type/configuration of reactorqInvolves consideration of heat and mass transfer.尚書勇References 李紹芬李紹芬反應(yīng)工程反應(yīng)工程第三版北京：化學(xué)工業(yè)出版社，第三版北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013TextbookS. Fogler. Elements of Chemical Reaction Engineering, 3nd Ed. 李術(shù)元，朱建華譯李術(shù)元，朱建華譯化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程第三第三版北京：化學(xué)工業(yè)出版社，版北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004/

16、cre/O. Levenspiel, Chemical Reaction Engineering, 3rd Ed. Wiley 陳敏恒，袁渭康陳敏恒，袁渭康工業(yè)反應(yīng)過程的開發(fā)方法工業(yè)反應(yīng)過程的開發(fā)方法北京：北京：化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社陳甘棠化學(xué)反應(yīng)工程北京：化學(xué)工業(yè)出版社陳甘棠化學(xué)反應(yīng)工程北京：化學(xué)工業(yè)出版社朱炳辰朱炳辰化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程第三版北京：化學(xué)工業(yè)出版第三版北京：化學(xué)工業(yè)出版社，社，2001尚書勇化學(xué)工業(yè)的發(fā)展歷程化學(xué)工業(yè)的發(fā)展歷程化學(xué)反應(yīng)工程地位化學(xué)反應(yīng)工程地位n第一階段：古代的化學(xué)生產(chǎn)（第一階段：古代的化學(xué)生產(chǎn)（17世紀(jì)以前）世紀(jì)以前）q實(shí)用化學(xué)、煉丹和煉金、醫(yī)藥化學(xué)

17、和冶金化學(xué)等。實(shí)用化學(xué)、煉丹和煉金、醫(yī)藥化學(xué)和冶金化學(xué)等。n第二階段：近代化學(xué)工業(yè)第二階段：近代化學(xué)工業(yè)q十八世紀(jì)末始，以硫酸，硝酸，純堿的工業(yè)生產(chǎn)為開端，十八世紀(jì)末始，以硫酸，硝酸，純堿的工業(yè)生產(chǎn)為開端，至至20世紀(jì)初，出現(xiàn)了載入史冊的合成氨工業(yè)生產(chǎn)。世紀(jì)初，出現(xiàn)了載入史冊的合成氨工業(yè)生產(chǎn)。q第一次綜合第一次綜合:20世紀(jì)初，英國的世紀(jì)初，英國的Davis,美美Walker,Lewis等等提出了提出了“化學(xué)工程化學(xué)工程”的概念，發(fā)展成為以的概念，發(fā)展成為以“單元操作單元操作” （unit operations）為基本研究內(nèi)容的化學(xué)工程學(xué)。）為基本研究內(nèi)容的化學(xué)工程學(xué)。n第三階段：現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)

18、（二戰(zhàn)前后）第三階段：現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)（二戰(zhàn)前后）“三傳一反三傳一反”。q第二次綜合第二次綜合:從動量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞的角度深從動量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞的角度深入研究化工生產(chǎn)的物理變化過程，以及從入研究化工生產(chǎn)的物理變化過程，以及從“化學(xué)反應(yīng)工化學(xué)反應(yīng)工程程”的角度來研究化工生產(chǎn)的化學(xué)過程。的角度來研究化工生產(chǎn)的化學(xué)過程。尚書勇化學(xué)反應(yīng)工程的建立過程化學(xué)反應(yīng)工程的建立過程 n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

19、至今已有近百年歷史。分，從學(xué)科建立至今已有近百年歷史。 時(shí)時(shí) 間間標(biāo)志性成果標(biāo)志性成果代表人物代表人物20世紀(jì)世紀(jì)30年代年代（萌芽階段萌芽階段）對擴(kuò)散、流體流動和傳遞反應(yīng)過對擴(kuò)散、流體流動和傳遞反應(yīng)過程影響的深刻認(rèn)識程影響的深刻認(rèn)識丹克來爾丹克來爾(Damhohler)梯爾（梯爾（Thiele）史爾多維奇史爾多維奇20世紀(jì)世紀(jì)40年代年代（系統(tǒng)化系統(tǒng)化） 化學(xué)過程原理化學(xué)過程原理和和化學(xué)動力化學(xué)動力學(xué)中的擴(kuò)散與傳熱學(xué)中的擴(kuò)散與傳熱出現(xiàn)，對出現(xiàn)，對學(xué)科形成奠定了基礎(chǔ)學(xué)科形成奠定了基礎(chǔ) 霍根（霍根（Hougen）華生（華生（Waston） 20世紀(jì)世紀(jì)50年代年代（學(xué)科確立學(xué)科確立） 學(xué)科確立，

20、學(xué)科第一次國際性的學(xué)科確立，學(xué)科第一次國際性的學(xué)術(shù)會議在歐洲召開，第一次學(xué)術(shù)會議在歐洲召開，第一次使用了使用了化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程這一術(shù)語這一術(shù)語丹克沃茨丹克沃茨 Dankwerts泰勒（泰勒（Taylor）烈文斯彼）烈文斯彼爾爾 (Levenspiel)尚書勇化學(xué)反應(yīng)工程的建立過程化學(xué)反應(yīng)工程的建立過程時(shí)間時(shí)間標(biāo)志性成果標(biāo)志性成果人物人物20世紀(jì)世紀(jì)60年代年代(學(xué)科發(fā)展?fàn)畲髮W(xué)科發(fā)展?fàn)畲?石油化工的發(fā)展要求生產(chǎn)的大進(jìn)化，產(chǎn)品石油化工的發(fā)展要求生產(chǎn)的大進(jìn)化，產(chǎn)品的多樣化和深加工促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)研究和生產(chǎn)的多樣化和深加工促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)研究和生產(chǎn)實(shí)際的結(jié)果，產(chǎn)品研發(fā)周期縮短實(shí)際的結(jié)果，產(chǎn)品研發(fā)周期縮短

21、20世紀(jì)世紀(jì)80年代到年代到90年代中期年代中期(學(xué)科交叉和新學(xué)科交叉和新技術(shù)運(yùn)用技術(shù)運(yùn)用)計(jì)算機(jī)和徽電子技術(shù)普遍應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)計(jì)算機(jī)和徽電子技術(shù)普遍應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器的精確控制問題。通過與其它學(xué)科的交器的精確控制問題。通過與其它學(xué)科的交駐形成了一系列新的交叉學(xué)科。此外駐形成了一系列新的交叉學(xué)科。此外,反反應(yīng)與分離過程的結(jié)合出現(xiàn)了多功能反應(yīng)器應(yīng)與分離過程的結(jié)合出現(xiàn)了多功能反應(yīng)器 20世紀(jì)世紀(jì)90年代末年代末到到21世紀(jì)初世紀(jì)初（非傳統(tǒng)反應(yīng)工非傳統(tǒng)反應(yīng)工程的出現(xiàn)程的出現(xiàn)）環(huán)境保護(hù)意識的深厚感情對化學(xué)反應(yīng)工程環(huán)境保護(hù)意識的深厚感情對化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)科提出了新的要求、新的環(huán)境友好、原學(xué)科提出了新的要求、

22、新的環(huán)境友好、原子經(jīng)濟(jì)的綠色反應(yīng)工藝的出現(xiàn)，對能源開子經(jīng)濟(jì)的綠色反應(yīng)工藝的出現(xiàn)，對能源開發(fā)和存放利用的貢獻(xiàn)發(fā)和存放利用的貢獻(xiàn) 尚書勇化學(xué)反應(yīng)工程研究范疇化學(xué)反應(yīng)工程研究范疇n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，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(gè)組成部分：程包括如下三個(gè)組成部分： n第第和和兩部分屬于單元操作的研究范圍；而兩部分屬于單元操作的研究范圍；而部分是化部分是化學(xué)反應(yīng)工程的研究對象，是生產(chǎn)過程的核心。學(xué)反應(yīng)工程的研究對象，是生產(chǎn)過程的核心。n圖圖

23、1.1典型的化學(xué)加工過程典型的化學(xué)加工過程尚書勇化學(xué)反應(yīng)工程作用化學(xué)反應(yīng)工程作用 n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(jì)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(jì)放大起著重要的作用。運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)工程知識可放大起著重要的作用。運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)工程知識可以：以：q提高反應(yīng)器的放大倍數(shù)，減少試驗(yàn)和開發(fā)周期；提高反應(yīng)器的放大倍數(shù)，減少試驗(yàn)和開發(fā)周期；q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；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；q開發(fā)環(huán)境友好的綠色生產(chǎn)路線和工藝。開發(fā)環(huán)境友好的綠色生產(chǎn)路線和工藝。尚書勇反應(yīng)過程的舉例反應(yīng)過程的舉例 n一般來說反應(yīng)過程包括一般來說反應(yīng)過程包括: q物理現(xiàn)

24、象物理現(xiàn)象-傳遞現(xiàn)象傳遞現(xiàn)象(熱量、動量和能量傳遞過程熱量、動量和能量傳遞過程)q化學(xué)現(xiàn)象化學(xué)現(xiàn)象-化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)n概括為概括為三傳一反三傳一反。例如：對于反應(yīng)過程。例如：對于反應(yīng)過程n實(shí)際的反應(yīng)過程可能包括：實(shí)際的反應(yīng)過程可能包括：q反應(yīng)物、產(chǎn)物的擴(kuò)散過程（內(nèi)外）反應(yīng)物、產(chǎn)物的擴(kuò)散過程（內(nèi)外）+表面反應(yīng)過程表面反應(yīng)過程q無論對于放熱過程，還是吸熱過程，催化劑與反應(yīng)物氣體存在溫差無論對于放熱過程，還是吸熱過程，催化劑與反應(yīng)物氣體存在溫差q就整個(gè)反應(yīng)器而言，如反應(yīng)器內(nèi)的濃度和溫度隨位置變化，需將化就整個(gè)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。學(xué)反應(yīng)與傳

25、遞現(xiàn)象綜合起來考慮。23/42242223( )Ne Al OCHH OCOHCHH O gCOH O 主副 尚書勇化學(xué)反應(yīng)工程的研究對象化學(xué)反應(yīng)工程的研究對象 n化學(xué)反應(yīng)工程是化學(xué)工程學(xué)科的一個(gè)重要分支，主要包括化學(xué)反應(yīng)工程是化學(xué)工程學(xué)科的一個(gè)重要分支，主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容，即兩個(gè)方面的內(nèi)容，即反應(yīng)動力學(xué)反應(yīng)動力學(xué)和和反應(yīng)器設(shè)計(jì)分析反應(yīng)器設(shè)計(jì)分析。q反應(yīng)動力學(xué)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)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(jì)與操作所需的動力學(xué)知識和信息，如反應(yīng)模式、速率方程及器設(shè)計(jì)與操作所需的動力學(xué)知識和信息，如反應(yīng)模式、速率方程及反應(yīng)活化能等反應(yīng)活化

26、能等其中速率方程可表示為：其中速率方程可表示為：（對于一定的反應(yīng)物系）而言（對于一定的反應(yīng)物系）而言隨時(shí)間、空間變化；其中，隨時(shí)間、空間變化；其中，r為反應(yīng)系統(tǒng)為反應(yīng)系統(tǒng)中某一組分的反應(yīng)速率，中某一組分的反應(yīng)速率， 代表濃度的矢量，代表濃度的矢量，P為系統(tǒng)的總壓。為系統(tǒng)的總壓。q反應(yīng)器設(shè)計(jì)分析反應(yīng)器設(shè)計(jì)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。況和適宜的反應(yīng)器型式和尺寸。n注意注意：化學(xué)反應(yīng)是研究反應(yīng)本身的規(guī)律，與反應(yīng)器內(nèi)各局：化學(xué)反應(yīng)是研究反應(yīng)本身的規(guī)律，與反應(yīng)器內(nèi)各局部的狀況有關(guān)，反應(yīng)器設(shè)計(jì)則是反應(yīng)器總體的性態(tài)。所

27、以部的狀況有關(guān)，反應(yīng)器設(shè)計(jì)則是反應(yīng)器總體的性態(tài)。所以可以說反應(yīng)動力學(xué)從點(diǎn)上著眼，而反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與分析則可以說反應(yīng)動力學(xué)從點(diǎn)上著眼，而反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與分析則從面上（體上）著手。從面上（體上）著手。,rf T C PC尚書勇 基本概念基本概念轉(zhuǎn)化率、收率和選擇性轉(zhuǎn)化率、收率和選擇性 n反應(yīng)進(jìn)度反應(yīng)進(jìn)度 n對于反應(yīng)：對于反應(yīng)：n例如：例如：0ABRABR3224546NHONOH O23246450NOH ONHO3224,4,6,5.NONHH OO 0,0,0RAB0000ABRABRABRABRnnnnnn 尚書勇 轉(zhuǎn)化率、收率和選擇性轉(zhuǎn)化率、收率和選擇性 n轉(zhuǎn)化量為：轉(zhuǎn)化量為： 000:AAB

28、BRRABRnnnnnn000AABBRRABRnnnnnn 0000000000AABBRRABRnnnnnnn或者或者n從而有：從而有： 即為即為反應(yīng)進(jìn)度反應(yīng)進(jìn)度尚書勇轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率 X-針對反應(yīng)物而言針對反應(yīng)物而言n定義：定義：該反應(yīng)物的初始量某一反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化量Xn注意：注意：q如果反應(yīng)物不只是一種，針對不同反應(yīng)物計(jì)算出來為如果反應(yīng)物不只是一種，針對不同反應(yīng)物計(jì)算出來為X是不一樣的是不一樣的q關(guān)鍵組分（著眼組分）為不過量、貴重的組分（相對而關(guān)鍵組分（著眼組分）為不過量、貴重的組分（相對而言）言）q針對關(guān)鍵組分計(jì)算，可使針對關(guān)鍵組分計(jì)算，可使X最大到最大到100%q計(jì)算基準(zhǔn)：起始狀態(tài)選擇問題

29、（分母部分的計(jì)量）計(jì)算基準(zhǔn)：起始狀態(tài)選擇問題（分母部分的計(jì)量）q單程轉(zhuǎn)化率和全程轉(zhuǎn)化率的區(qū)別單程轉(zhuǎn)化率和全程轉(zhuǎn)化率的區(qū)別尚書勇轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率 X-針對反應(yīng)物而言針對反應(yīng)物而言對于連續(xù)反應(yīng)器，進(jìn)口處的狀態(tài)對于連續(xù)反應(yīng)器，進(jìn)口處的狀態(tài)間歇反應(yīng)器，開始反應(yīng)時(shí)的狀態(tài)間歇反應(yīng)器，開始反應(yīng)時(shí)的狀態(tài)串聯(lián)使用的反應(yīng)器，進(jìn)入第一個(gè)反應(yīng)器的原料串聯(lián)使用的反應(yīng)器，進(jìn)入第一個(gè)反應(yīng)器的原料為準(zhǔn)這樣有利于計(jì)算和比較為準(zhǔn)這樣有利于計(jì)算和比較 使用的原則：使用的原則：尚書勇轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率 X-針對反應(yīng)物而言針對反應(yīng)物而言n如圖所示的甲醇合成流程簡圖，生產(chǎn)中采用循環(huán)操作，一如圖所示的甲醇合成流程簡圖，生產(chǎn)中采用循環(huán)操作，一部分未能

30、轉(zhuǎn)化的原料重新返回合成塔。由于存在未完全轉(zhuǎn)部分未能轉(zhuǎn)化的原料重新返回合成塔。由于存在未完全轉(zhuǎn)化反應(yīng)物的循環(huán)，在計(jì)算全程轉(zhuǎn)化率時(shí)，計(jì)算基準(zhǔn)為新鮮化反應(yīng)物的循環(huán)，在計(jì)算全程轉(zhuǎn)化率時(shí)，計(jì)算基準(zhǔn)為新鮮原料進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)到離開所達(dá)到的轉(zhuǎn)化率。而單程轉(zhuǎn)化率原料進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)到離開所達(dá)到的轉(zhuǎn)化率。而單程轉(zhuǎn)化率是一次性從反應(yīng)器進(jìn)入到離開所達(dá)到的轉(zhuǎn)化率。兩者相比是一次性從反應(yīng)器進(jìn)入到離開所達(dá)到的轉(zhuǎn)化率。兩者相比較，全程轉(zhuǎn)化率必定大于單程轉(zhuǎn)化率。較，全程轉(zhuǎn)化率必定大于單程轉(zhuǎn)化率。尚書勇收率與選擇性收率與選擇性對反應(yīng)產(chǎn)物而言對反應(yīng)產(chǎn)物而言n收率定義：收率定義：n注意注意:q對于單一反應(yīng)對于單一反應(yīng) Y=X(關(guān)鍵組分關(guān)鍵

31、組分)(無論用哪種產(chǎn)物計(jì)算結(jié)果無論用哪種產(chǎn)物計(jì)算結(jié)果均是如此均是如此)；對于復(fù)雜反應(yīng)；對于復(fù)雜反應(yīng) YX。q收率也有單程和全程之分（循環(huán)物料系統(tǒng)）；收率也有單程和全程之分（循環(huán)物料系統(tǒng)）；q無論是收率還是選擇性，還有其它的定義無論是收率還是選擇性，還有其它的定義(結(jié)果不一樣，結(jié)果不一樣，但說明同樣的問題但說明同樣的問題)；q轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率X只能說明總的結(jié)果，只能說明總的結(jié)果，Y說明在轉(zhuǎn)化的反應(yīng)物件成說明在轉(zhuǎn)化的反應(yīng)物件成目的比例，評價(jià)復(fù)合反應(yīng)，還有選擇性目的比例，評價(jià)復(fù)合反應(yīng)，還有選擇性S，其定義為，其定義為ARY反應(yīng)產(chǎn)物的生產(chǎn)量生成反應(yīng)產(chǎn)物所消耗的關(guān)鍵組分量關(guān)鍵組分起始量關(guān)鍵組分的起始量尚書勇

32、收率與選擇性收率與選擇性對反應(yīng)產(chǎn)物而言對反應(yīng)產(chǎn)物而言該反應(yīng)物的初始量某一反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化量X已轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵組分量關(guān)鍵組分量生成目的產(chǎn)物所消耗的S)(個(gè)如果不目的產(chǎn)物不是一對于同一產(chǎn)物SXY Y 生成反應(yīng)產(chǎn)物所消耗的關(guān)鍵組分量關(guān)鍵組分的起始量尚書勇化學(xué)反應(yīng)器的類型化學(xué)反應(yīng)器的類型 種類種類特點(diǎn)特點(diǎn)應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍管式反應(yīng)器管式反應(yīng)器長度遠(yuǎn)大于管徑長度遠(yuǎn)大于管徑,內(nèi)部沒有任何構(gòu)件內(nèi)部沒有任何構(gòu)件多用于均相反應(yīng)過程多用于均相反應(yīng)過程釜式反應(yīng)器釜式反應(yīng)器高度與直徑比約為高度與直徑比約為2-3內(nèi)設(shè)攪拌裝置內(nèi)設(shè)攪拌裝置和檔板和檔板均相、多相反應(yīng)過程均均相、多相反應(yīng)過程均可可塔式塔式 (填料填料塔板式塔塔板式塔)

33、高度遠(yuǎn)大于直徑，內(nèi)部設(shè)有填料、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塔板等以提高相互接觸面積用于多相反應(yīng)過程用于多相反應(yīng)過程固定床固定床底層內(nèi)部裝有不動的固體顆粒，固底層內(nèi)部裝有不動的固體顆粒，固體顆?？梢允谴呋瘎┗蚴欠磻?yīng)物體顆粒可以是催化劑或是反應(yīng)物用于多相反應(yīng)系統(tǒng)用于多相反應(yīng)系統(tǒng)流化床流化床反應(yīng)過程中反應(yīng)器內(nèi)部有固體顆粒反應(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)的懸浮和循環(huán)運(yùn)動，提高反應(yīng)器內(nèi)液體的混合性能液體的混合性能多相反應(yīng)體系，可以提多相反應(yīng)體系，可以提高傳熱速率高傳熱速率移動床移動床固體顆粒自上而下作定向移動與反固體顆粒自上而下作定向移動與反應(yīng)流體逆

34、向接觸應(yīng)流體逆向接觸用于多相體系，催化劑用于多相體系，催化劑可以連續(xù)再生可以連續(xù)再生滴流床滴流床是固定反應(yīng)器的一種，但反應(yīng)物還是固定反應(yīng)器的一種，但反應(yīng)物還包括氣液兩種包括氣液兩種屬于固定床的一種，用屬于固定床的一種，用于使用固體催化劑的氣于使用固體催化劑的氣液反應(yīng)過程液反應(yīng)過程尚書勇化學(xué)反應(yīng)器的類型化學(xué)反應(yīng)器的類型尚書勇反應(yīng)器的操作方式反應(yīng)器的操作方式n間歇操作：間歇操作：一次性投料卸料。反應(yīng)物系參數(shù)一次性投料卸料。反應(yīng)物系參數(shù)( (濃度組成等濃度組成等) )隨時(shí)間變化。隨時(shí)間變化。n連續(xù)操作：連續(xù)操作：原料不斷加入，產(chǎn)物不斷引出，物系參數(shù)均不隨時(shí)間變化。原料不斷加入，產(chǎn)物不斷引出，物系參數(shù)

35、均不隨時(shí)間變化。n半連續(xù)半連續(xù)( (或半間歇或半間歇) )：兼有以上兩種過程的特點(diǎn)，情況比較復(fù)雜。兼有以上兩種過程的特點(diǎn)，情況比較復(fù)雜。尚書勇反應(yīng)器的操作方式反應(yīng)器的操作方式尚書勇反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程n反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容一般包括：反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容一般包括：q選擇合適的反應(yīng)型式選擇合適的反應(yīng)型式 q確定最佳操作條件確定最佳操作條件 q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)器的體積和尺寸尺寸 n要完成上述任務(wù)，需要使用下列三類基本設(shè)計(jì)方要完成上述任務(wù)，需要使用下列三類基本設(shè)計(jì)方程：程：q物料衡算式物料衡算式(描述濃度變化描述

36、濃度變化) 連續(xù)性方程連續(xù)性方程 q能量衡算式能量衡算式(描述溫度變化描述溫度變化) q動量衡算式動量衡算式(描述壓力變化描述壓力變化) n三個(gè)式子是相互耦聯(lián)的，需要同時(shí)求解。具體的三個(gè)式子是相互耦聯(lián)的，需要同時(shí)求解。具體的作法，將在以后的各個(gè)章節(jié)中詳細(xì)闡述。作法，將在以后的各個(gè)章節(jié)中詳細(xì)闡述。 尚書勇反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程n注意：注意：n如何確定變量如何確定變量q物料衡算中，用關(guān)鍵組分的濃度作為因變量，也可以用轉(zhuǎn)化率物料衡算中，用關(guān)鍵組分的濃度作為因變量，也可以用轉(zhuǎn)化率 X 或或產(chǎn)率產(chǎn)率 Y 以及分壓等；以及分壓等；q熱量和動量衡算，用溫度熱量和動量衡算，用溫度 T 和壓力

37、和壓力 P 作為因變量；作為因變量；q自變量有時(shí)間和空間兩類，定態(tài)過程不隨時(shí)間變化，可能只有空間自變量有時(shí)間和空間兩類，定態(tài)過程不隨時(shí)間變化，可能只有空間自變量。自變量。n控制體的選擇控制體的選擇(根據(jù)具體情況而定根據(jù)具體情況而定)q原則上，反應(yīng)速率為定值時(shí)選最大可能的空間，如在原則上，反應(yīng)速率為定值時(shí)選最大可能的空間，如在CSTR和和PFR中的情況完全不同。中的情況完全不同。n計(jì)算方程（通式）：計(jì)算方程（通式）：(輸入輸入)(輸出輸出)+(消耗消耗)+(累積累積)n實(shí)際應(yīng)用過程中，有些項(xiàng)可能不存在，需要簡化。實(shí)際應(yīng)用過程中，有些項(xiàng)可能不存在，需要簡化。尚書勇工業(yè)反應(yīng)器的放大工業(yè)反應(yīng)器的放大n

38、問題的提出：問題的提出：q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，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(shí)保持物理和化學(xué)相似。主要原因是無法同時(shí)保持物理和化學(xué)相似。n目前使用的化學(xué)反應(yīng)器放大法有：目前使用的化學(xué)反應(yīng)器放大法有：q逐級經(jīng)驗(yàn)放大法（主要靠經(jīng)驗(yàn)）；逐級經(jīng)驗(yàn)放大法（主要靠經(jīng)驗(yàn)）；q數(shù)學(xué)模型法?？梢蕴岣叻糯蟊稊?shù)，縮短時(shí)間；數(shù)學(xué)模型法?？梢蕴岣叻糯蟊稊?shù)，縮短時(shí)間；q半經(jīng)驗(yàn)放大法，半經(jīng)驗(yàn)放大法，n采用逐級放大法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，

39、但采用數(shù)學(xué)模型放大法時(shí)，往采用逐級放大法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，但采用數(shù)學(xué)模型放大法時(shí)，往往由于缺乏對過程的深刻認(rèn)識而告失敗。目前實(shí)際的反應(yīng)往由于缺乏對過程的深刻認(rèn)識而告失敗。目前實(shí)際的反應(yīng)器放大介于兩者之間，既有數(shù)學(xué)模型放大法的理論分析又器放大介于兩者之間，既有數(shù)學(xué)模型放大法的理論分析又加入經(jīng)驗(yàn)處理方法?？梢灶A(yù)測，隨著人們對反應(yīng)過程基本加入經(jīng)驗(yàn)處理方法。可以預(yù)測，隨著人們對反應(yīng)過程基本規(guī)律的認(rèn)識不斷加深，數(shù)學(xué)模型放大法將逐步取代現(xiàn)有的規(guī)律的認(rèn)識不斷加深，數(shù)學(xué)模型放大法將逐步取代現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)方法，成為反應(yīng)器放大法的主流。經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)方法，成為反應(yīng)器放大法的主流。 尚書勇Lab. ExperimentS

40、mall Scale ExperimentMedium Scale ExperimentChemical ModelPhysical ModelDesign for industrial reactor預(yù)測實(shí)驗(yàn)預(yù)測對比尚書勇 化學(xué)反應(yīng)工程研究的主體仍然是化學(xué)反應(yīng)本身，而反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)工程研究的主體仍然是化學(xué)反應(yīng)本身，而反應(yīng)器只不過是提供實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的客觀環(huán)境，化學(xué)反應(yīng)本身是器只不過是提供實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的客觀環(huán)境，化學(xué)反應(yīng)本身是第一性的，是內(nèi)因，而反應(yīng)器是客體，是外因。第一性的，是內(nèi)因，而反應(yīng)器是客體，是外因。 動力學(xué)是代表過程的本質(zhì)性的因素，而裝置的結(jié)構(gòu)、型動力學(xué)是代表過程的本質(zhì)性的因素，而裝置的結(jié)構(gòu)