化學(xué)反應(yīng)工程：第一講 緒論

1、化學(xué)反應(yīng)工程Chemical Reaction Engineering國(guó)家精品課程目 錄第一講 緒論第二講 化學(xué)動(dòng)力學(xué)第三講 理想流動(dòng)反應(yīng)器第四講 反應(yīng)器中的返混對(duì)反應(yīng)的影響第五講 氣固相催化反應(yīng)宏觀動(dòng)力學(xué)第六講 氣固相催化反應(yīng)器第七講 流固相非催化反應(yīng)及反應(yīng)器國(guó)家精品課程大綱介紹 化學(xué)反應(yīng)工程是以工業(yè)規(guī)模的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程為研究對(duì)象，研究過(guò)程速率及其變化規(guī)律，宏觀動(dòng)力學(xué)因素對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的影響，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)反應(yīng)過(guò)程開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、放大和操作的優(yōu)化。國(guó)家精品課程 學(xué)習(xí)本門(mén)課程，學(xué)生應(yīng)牢固地掌握化學(xué)反應(yīng)工程中最基本的原理和計(jì)算方法，運(yùn)用科學(xué)思維方法， 增強(qiáng)提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。 課程教學(xué)將突

2、出闡述反應(yīng)工程理論思維方法，重點(diǎn)討論影響反應(yīng)結(jié)果的工程因素 （如返混、混合、熱穩(wěn)定性和參數(shù)靈敏性等），并以開(kāi)發(fā)實(shí)例進(jìn)行分析，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用反應(yīng)工程方法論解決實(shí)際問(wèn)題的能力國(guó)家精品課程必備教材朱炳辰主編，化學(xué)反應(yīng)工程（第四版），化學(xué)工業(yè)出版社2007. 8 丁百全等，化學(xué)反應(yīng)工程例題與習(xí)題，化學(xué)工業(yè)出版社 2001. 6參考教材O.Levenspiel，Chemical Reaction Engineering3rd edition 化學(xué)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(xué)反應(yīng)工程原理 華東理工大學(xué)出版社 2007. 8 (4) H. Scott Fogler,化學(xué)反應(yīng)工程原理,4th edition， 化學(xué)工業(yè)出版社，2006年10月(5) 梁斌等， 化學(xué)反應(yīng)工程,科學(xué)出版社，2003. 11國(guó)家精品課程考試化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)進(jìn)度表 華東理工大學(xué)精品課程網(wǎng)站國(guó)家精品課程第一講 緒 論一、研究對(duì)象工業(yè)反應(yīng)過(guò)程與反應(yīng)器 工廠中反應(yīng)過(guò)程是核心，反應(yīng)器是核心CH3OH 脫硫轉(zhuǎn)化壓縮合成精餾精甲醇 國(guó)家精品課程國(guó)家精品課程能源結(jié)構(gòu)的變遷石油煉制圖國(guó)家精品課程石油加工圖國(guó)家精品課程工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程原料的預(yù)處理化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)產(chǎn)物的分

4、離與提純國(guó)家精品課程核心反應(yīng)器本身的投資也許只占整個(gè)生產(chǎn)裝置投資的很小一部分；反應(yīng)器通常是整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的核心，反應(yīng)器的操作狀態(tài)（主要是反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性）對(duì)整個(gè)裝置的投資和產(chǎn)品的生產(chǎn)成本往往會(huì)起到?jīng)Q定性的作用；在化工過(guò)程開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)中，反應(yīng)過(guò)程往往會(huì)受到特別的重視。國(guó)家精品課程 根據(jù)原料、工藝及產(chǎn)品的不同，可選擇不同的反應(yīng)器及反應(yīng)的方式。國(guó)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(yīng))相 釜式(多數(shù)精細(xì)化工反應(yīng))(聚合反應(yīng)) 相 塔式(NH3、CO2尿素)國(guó)家精品課程 固定床(甲醇合成、氨合成) 氣 移動(dòng)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(jī)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(guó)家精品課程反應(yīng)器動(dòng)畫(huà)CSTR列管式固定床反應(yīng)器多段式固定床反應(yīng)器氣液攪拌釜式反應(yīng)器氣液內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器氣液外環(huán)流反應(yīng)器 PBR單段式固定床反應(yīng)器二、化學(xué)反應(yīng)工程研究及教學(xué)內(nèi)容 化學(xué)反應(yīng)工程的課程定位： 專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課 教學(xué)必修課 核心主干課國(guó)家精品課程 當(dāng)我們?cè)陂_(kāi)發(fā)一個(gè)新反應(yīng)過(guò)程時(shí)， 當(dāng)我們?cè)谠O(shè)計(jì)一個(gè)新反應(yīng)裝備時(shí)， 當(dāng)我們?cè)诟脑煲粋€(gè)已投產(chǎn)的反應(yīng)過(guò)程時(shí)， 當(dāng)我們?cè)趶?qiáng)化一個(gè)已投

6、產(chǎn)的反應(yīng)裝備時(shí)，要定性與定量地考慮以下十個(gè)問(wèn)題：反應(yīng)過(guò)程開(kāi)發(fā)中應(yīng)重視的若干問(wèn)題國(guó)家精品課程問(wèn)題（一）化學(xué)熱力學(xué)各類(lèi)化學(xué)反應(yīng)的平衡問(wèn)題化學(xué)平衡：反應(yīng)的平衡常數(shù)？ 反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率？判斷反應(yīng)的方向與限度! 判斷反應(yīng)過(guò)程的可行性! 低壓下理想溶液（氣體）單一反應(yīng) 高壓下非理想溶液（氣體）單一反應(yīng) 低壓下理想溶液（氣體）復(fù)合反應(yīng) 高壓下非理想溶液（氣體）復(fù)合反應(yīng)國(guó)家精品課程舉例：CO2H2 CH3OH CO23H2 CH3OHH2O摩爾數(shù)減少的可逆放熱反應(yīng)，定性：必須高壓下進(jìn)行，低溫下有利平衡。定量：計(jì)算KP、ym*!高壓，非理想性如何對(duì)理想體系的修正 （狀態(tài)方程）復(fù)合反應(yīng)如何確定獨(dú)立反應(yīng)與獨(dú)立反應(yīng)組

7、分?jǐn)?shù)。國(guó)家精品課程摩爾數(shù)增加的可逆吸熱反應(yīng)，定性：必須低壓，高溫下進(jìn)行定量：選取獨(dú)立反應(yīng)與獨(dú)立反應(yīng)組分舉例：CH4H2O CO+3H2 CH42H2O CO24H2國(guó)家精品課程問(wèn)題（二） 化學(xué)動(dòng)力學(xué)催化劑開(kāi)發(fā)、動(dòng)力學(xué)研究催化劑開(kāi)發(fā)：用不用催化劑？ 用何種類(lèi)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(zhuǎn)化 鎳基催化劑國(guó)家精品課程動(dòng)力學(xué)研究：反應(yīng)速率的溫度效應(yīng)活化能E 反應(yīng)速率的濃度效應(yīng)反應(yīng)級(jí)數(shù)n 在等溫管式反應(yīng)器中研究本征動(dòng)力學(xué) 在內(nèi)循環(huán)無(wú)梯度反應(yīng)器中研究宏觀動(dòng)力學(xué)舉例：合成甲醇 由實(shí)驗(yàn)得出冪指數(shù)型與雙曲型動(dòng)

8、力學(xué)方程 甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化 由實(shí)驗(yàn)得出動(dòng)力學(xué)方程國(guó)家精品課程問(wèn)題（三） 反應(yīng)器選型PFR？CSTR？選取何種反應(yīng)器：間歇反應(yīng)或連續(xù)反應(yīng)？ 平推流或全混流？ 非理想流動(dòng)反應(yīng)器的停留時(shí)間分布。 舉例：合成甲醇 平推流固定床反應(yīng)器 （三相淤漿床反應(yīng)器是新研究開(kāi)發(fā)的方向）甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化 外加熱管式爐（平推流固定床）國(guó)家精品課程問(wèn)題（四） 傳熱與反應(yīng)之間的關(guān)系微觀：催化劑粒內(nèi)與粒外的傳熱問(wèn)題宏觀：放熱與供熱 反應(yīng)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(yīng)熱使過(guò)程接近最佳溫度曲線 反應(yīng)熱的有效利用和床層的徑向?qū)峒淄檎羝D(zhuǎn)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(yīng)

9、熱 每一根爐管受熱均勻問(wèn)題，燃 燒熱量的優(yōu)化使用。 國(guó)家精品課程問(wèn)題（五） 傳質(zhì)與反應(yīng)之間的關(guān)系微觀：催化劑顆粒粒內(nèi)、粒外有效因子宏觀：反應(yīng)器尺度上的混和和返混舉例：合成甲醇 （微觀）粒內(nèi)傳質(zhì)影響宏觀速率甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化（微觀）粒內(nèi)、粒外傳質(zhì)嚴(yán)重影響宏觀動(dòng)力學(xué) 國(guó)家精品課程問(wèn)題（六） 流體流動(dòng)與反應(yīng)之間的關(guān)系反應(yīng)器內(nèi)流體的均布問(wèn)題反應(yīng)器減低阻力問(wèn)題舉例：合成甲醇 軸向流動(dòng)反應(yīng)器 徑向流動(dòng)反應(yīng)器甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化 幾百根爐管的氣體均布問(wèn)題。國(guó)家精品課程顯示圖片1-1顯示圖片1-2問(wèn)題（七） 復(fù)合反應(yīng)體系的選擇率與收率瞬時(shí)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(jù)主副反應(yīng)的活化能來(lái)選擇反應(yīng)溫度？如何根據(jù)主副反應(yīng)的級(jí)數(shù)來(lái)選擇反應(yīng)器？國(guó)家精品課程問(wèn)題（八）反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型理想流動(dòng)模型與非理想流動(dòng)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(yīng)器 二維模型甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化管式爐 非理想流動(dòng)模型中的擴(kuò)散模型國(guó)家精品課程問(wèn)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(yīng)的最佳溫度曲線舉例：合成甲醇 均溫型反應(yīng)器甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化 高溫型反應(yīng)器壓力能量最優(yōu)化舉例：合成甲醇 等壓合成甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化 2.03.0 Mpa 國(guó)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(zhuǎn)化 水碳比空速追

11、求產(chǎn)量還是追求長(zhǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)周期舉例：合成甲醇 冷管型塔20000h-1，管殼型塔8000h-1國(guó)家精品課程CSTR與PFR的操作穩(wěn)定性。操作靈敏性與反應(yīng)操作參數(shù)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(zhì)溫度與最大管徑限制。 控制靈敏點(diǎn)溫度與床層熱點(diǎn)溫度及熱點(diǎn)位置。 操作負(fù)荷適應(yīng)性 問(wèn)題（十） 反應(yīng)器的穩(wěn)定性,操作靈敏性,操作適應(yīng)性國(guó)家精品課程教學(xué)內(nèi)容1 均相反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)主要內(nèi)容：反應(yīng)速率；動(dòng)力學(xué)方程；溫度效應(yīng)； 濃度效應(yīng)；可逆反應(yīng)；平行反應(yīng)； 串連反應(yīng)；變溫變?nèi)莘磻?yīng).國(guó)家精品課程教學(xué)內(nèi)容2理想反應(yīng)器（間歇反應(yīng)器，平推流反應(yīng)器，全混流反應(yīng)器）主要內(nèi)容：間歇反應(yīng)器；半間歇反

12、應(yīng)器； 平推流反應(yīng)器；循環(huán)流動(dòng)平推流反應(yīng)器； 全混流反應(yīng)器；多釜串聯(lián)； 平推流與全混流反應(yīng)器中進(jìn)行的平行反應(yīng)和串連反應(yīng). 國(guó)家精品課程教學(xué)內(nèi)容3 停留時(shí)間分布與非理想流動(dòng)模型主要內(nèi)容：停留時(shí)間分布（概念，實(shí)驗(yàn)測(cè)定，統(tǒng)計(jì)特征）； 非理想流動(dòng)的n種模型.國(guó)家精品課程教學(xué)內(nèi)容4 非均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)主要內(nèi)容：氣-固相催化反應(yīng)本征動(dòng)力學(xué)； 氣-固相催化反應(yīng)宏觀動(dòng)力學(xué)； 催化劑的粒內(nèi)、粒外有效因子； 非催化流-固相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)； 氣液相反應(yīng)動(dòng)力學(xué).國(guó)家精品課程教學(xué)內(nèi)容5 固定床反應(yīng)器主要內(nèi)容：固定床中的傳遞過(guò)程； 絕熱床反應(yīng)器； 換熱式固定床反應(yīng)器； 固定床反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型（擬均相與非均相模型，一維與二維模型）

13、.國(guó)家精品課程教學(xué)內(nèi)容6 其它多相反應(yīng)器（流化床反應(yīng)器，氣液反應(yīng)器，氣液固三相反應(yīng)器）主要內(nèi)容：流化床反應(yīng)器； 氣-液相反應(yīng)器； 氣-液-固三相反應(yīng)器.國(guó)家精品課程 教學(xué)內(nèi)容7流動(dòng)反應(yīng)器中流體的混合與返混反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定國(guó)家精品課程三. 化學(xué)反應(yīng)工程的開(kāi)發(fā)方法國(guó)家精品課程國(guó)家精品課程對(duì)于化工原理單元操作：主要研究涉及流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)等物理過(guò)程及其設(shè)備選型；主要研究方法因次論、相似論國(guó)家精品課程對(duì)于化學(xué)反應(yīng)工程主要研究同時(shí)存在流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)和 化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)過(guò)程及反應(yīng)器；因次論、相似論不再適用：化學(xué)過(guò)程和物理過(guò)程并存時(shí)，由于化學(xué)反應(yīng)為體積過(guò)程，傳遞過(guò)程為面積過(guò)程，化學(xué)相似和

14、物理相似不可能同時(shí)滿(mǎn)足。怎么辦？國(guó)家精品課程數(shù)學(xué)模型法機(jī)理模型：反映了過(guò)程的本質(zhì)可外推經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停菏怯蓪?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到不宜大幅度外推國(guó)家精品課程國(guó)家精品課程流體通過(guò)固定床的流動(dòng)國(guó)家精品課程國(guó)家精品課程理想的數(shù)學(xué)模擬放大國(guó)家精品課程改進(jìn)的數(shù)學(xué)模擬放大國(guó)家精品課程實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)裝置國(guó)家精品課程工業(yè)反應(yīng)裝置國(guó)家精品課程反應(yīng)過(guò)程的開(kāi)發(fā)方法反應(yīng)過(guò)程 反應(yīng)熱力學(xué)計(jì)算小型熱模大型冷模 催 化 劑 操作條件 本征動(dòng)力學(xué) 宏觀動(dòng)力學(xué) 反 應(yīng) 器 型 式數(shù)學(xué)模型 中 試 工業(yè)示范裝置工程參數(shù)國(guó)家精品課程 小型熱模與大型冷模相結(jié)合 反應(yīng)因素與傳遞因素相結(jié)合 數(shù)學(xué)模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合 過(guò)程簡(jiǎn)化與過(guò)程優(yōu)化相結(jié)合 國(guó)家精品課程

15、化學(xué)反應(yīng)工程反應(yīng)工藝開(kāi)發(fā)之斧反應(yīng)裝備設(shè)計(jì)之模反應(yīng)過(guò)程放大之橋Axe開(kāi)拓性Model實(shí)踐性Bridge綜合性國(guó)家精品課程四、研究目的優(yōu)化！ 一定x下，使VRMin(如：多個(gè)CSTR串聯(lián))一定VR下，使XMAX(如：反應(yīng)器)使催化劑壽命MAX(如：最佳進(jìn)口溫度)使主產(chǎn)物收率MAX，選擇性MAX能耗最低經(jīng)濟(jì)效益最大不同提法，操作條件不同；最合理提法，經(jīng)濟(jì)效益最大國(guó)家精品課程國(guó)家精品課程國(guó)家精品課程國(guó)家精品課程 G. E. Davis十九世紀(jì)八十年代首先提出化學(xué)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(xué)科建立 在20世紀(jì)30年代以前，化學(xué)工程學(xué)的研究主要集中在傳熱、傳質(zhì)和動(dòng)量傳遞的所謂化工單元操作上，基本上屬于物理過(guò)程。五、化學(xué)反應(yīng)工程的演繹過(guò)程國(guó)家精品課程1937年，德國(guó)科學(xué)家在出版的“Der Chemie Ingeniem”專(zhuān)著中提到擴(kuò)散、流動(dòng)與傳遞對(duì)化學(xué)反應(yīng)收率的影響；1947年，前蘇聯(lián)學(xué)者在所著的“化學(xué)動(dòng)力學(xué)的擴(kuò)散和傳遞”中，論述了擴(kuò)散、流動(dòng)與傳熱等對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響；1947年，Hougen & Watson在“Chemical Process Principles”中闡述了化學(xué)動(dòng)力學(xué)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(yīng)器的問(wèn)題；50年代后石油化工的發(fā)

17、展使反應(yīng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，促進(jìn)了化學(xué)反應(yīng)特性與傳遞特性的研究；第一屆歐洲化學(xué)反應(yīng)工程討論會(huì)（阿姆斯特丹，1957年）宣布化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)科誕生；60年代，數(shù)學(xué)模型化在化學(xué)反應(yīng)工程中日益深入；70年代后，大量專(zhuān)著出現(xiàn)國(guó)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(guó)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