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國家精品課程目 錄第一講 緒論第二講 化學(xué)動力學(xué)第三講 理想流動反應(yīng)器第四講 反應(yīng)器中的返混對反應(yīng)的影響第五講 氣固相催化反應(yīng)宏觀動力學(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)過程為研究對象，研究過程速率及其變化規(guī)律，宏觀動力學(xué)因素對化學(xué)反應(yīng)過程的影響，以實現(xiàn)工業(yè)反應(yīng)過程開發(fā)、設(shè)計、放大和操作的優(yōu)化。國家精品課程 學(xué)習(xí)本門課程，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算方法，運用科學(xué)思維方法， 增強(qiáng)提出問題、分析問題和解決問題的能力。 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），并以開發(fā)實例進(jìn)行分析，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用反應(yīng)工程方法論解決實際問題的能力國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)站國家精品課程第一講 緒 論一、研究對象工業(yè)反應(yīng)過程與反應(yīng)器 工廠中反應(yīng)過程是核心，反應(yīng)器是核心CH3OH 脫硫轉(zhuǎn)化壓縮合成精餾精甲醇 國家精品課程國家精品課程能源結(jié)構(gòu)的變遷石油煉制圖國家精品課程石油加工圖國家精品課程工業(yè)生產(chǎn)過程原料的預(yù)處理化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)產(chǎn)物的分

4、離與提純國家精品課程核心反應(yīng)器本身的投資也許只占整個生產(chǎn)裝置投資的很小一部分；反應(yīng)器通常是整個生產(chǎn)過程的核心，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）對整個裝置的投資和產(chǎn)品的生產(chǎn)成本往往會起到?jīng)Q定性的作用；在化工過程開發(fā)、設(shè)計中，反應(yīng)過程往往會受到特別的重視。國家精品課程 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)國家精品課程 固定床(甲醇合成、氨合成) 氣 移動床(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)國家精品課程反應(yīng)器動畫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： 專業(yè)基礎(chǔ)課 教學(xué)必修課 核心主干課國家精品課程 當(dāng)我們在開發(fā)一個新反應(yīng)過程時， 當(dāng)我們在設(shè)計一個新反應(yīng)裝備時， 當(dāng)我們在改造一個已投產(chǎn)的反應(yīng)過程時， 當(dāng)我們在強(qiáng)化一個已投

6、產(chǎn)的反應(yīng)裝備時，要定性與定量地考慮以下十個問題：反應(yīng)過程開發(fā)中應(yīng)重視的若干問題國家精品課程問題（一）化學(xué)熱力學(xué)各類化學(xué)反應(yīng)的平衡問題化學(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：計算KP、ym*!高壓，非理想性如何對理想體系的修正 （狀態(tài)方程）復(fù)合反應(yīng)如何確定獨立反應(yīng)與獨立反應(yīng)組

7、分?jǐn)?shù)。國家精品課程摩爾數(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：選取獨立反應(yīng)與獨立反應(yīng)組分舉例：CH4H2O CO+3H2 CH42H2O CO24H2國家精品課程問題（二） 化學(xué)動力學(xué)催化劑開發(fā)、動力學(xué)研究催化劑開發(fā)：用不用催化劑？ 用何種類型催化劑？ 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 鎳基催化劑國家精品課程動力學(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)級數(shù)n 在等溫管式反應(yīng)器中研究本征動力學(xué) 在內(nèi)循環(huán)無梯度反應(yīng)器中研究宏觀動力學(xué)舉例：合成甲醇 由實驗得出冪指數(shù)型與雙曲型動

8、力學(xué)方程 甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化 由實驗得出動力學(xué)方程國家精品課程問題（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？ 非理想流動反應(yīng)器的停留時間分布。 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）國家精品課程問題（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題，燃 燒熱量的優(yōu)化使用。 國家精品課程問題（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)重影響宏觀動力學(xué) 國家精品課程問題（六） 流體流動與反應(yīng)之間的關(guān)系反應(yīng)器內(nèi)流體的均布問題反應(yīng)器減低阻力問題舉例：合成甲醇 軸向流動反應(yīng)器 徑向流動反應(yīng)器甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化 幾百根爐管的氣體均布問題。國家精品課程顯示圖片1-1顯示圖片1-2問題（七） 復(fù)合反應(yīng)體系的選擇率與收率瞬時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)的活化能來選擇反應(yīng)溫度？如何根據(jù)主副反應(yīng)的級數(shù)來選擇反應(yīng)器？國家精品課程問題（八）反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型理想流動模型與非理想流動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 非理想流動模型中的擴(kuò)散模型國家精品課程問題（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)量還是追求長運轉(zhuǎn)周期舉例：合成甲醇 冷管型塔20000h-1，管殼型塔8000h-1國家精品課程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。 控制靈敏點溫度與床層熱點溫度及熱點位置。 操作負(fù)荷適應(yīng)性 問題（十） 反應(yīng)器的穩(wěn)定性,操作靈敏性,操作適應(yīng)性國家精品課程教學(xué)內(nèi)容1 均相反應(yīng)的動力學(xué)基礎(chǔ)主要內(nèi)容：反應(yīng)速率；動力學(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). 國家精品課程教學(xué)內(nèi)容3 停留時間分布與非理想流動模型主要內(nèi)容：停留時間分布（概念，實驗測定，統(tǒng)計特征）； 非理想流動的n種模型.國家精品課程教學(xué)內(nèi)容4 非均相反應(yīng)動力學(xué)主要內(nèi)容：氣-固相催化反應(yīng)本征動力學(xué)； 氣-固相催化反應(yīng)宏觀動力學(xué)； 催化劑的粒內(nèi)、粒外有效因子； 非催化流-固相反應(yīng)動力學(xué)； 氣液相反應(yīng)動力學(xué).國家精品課程教學(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.國家精品課程 教學(xué)內(nèi)容7流動反應(yīng)器中流體的混合與返混反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性反應(yīng)動力學(xué)的實驗測定國家精品課程三. 化學(xué)反應(yīng)工程的開發(fā)方法國家精品課程國家精品課程對于化工原理單元操作：主要研究涉及流動、傳熱、傳質(zhì)等物理過程及其設(shè)備選型；主要研究方法因次論、相似論國家精品課程對于化學(xué)反應(yīng)工程主要研究同時存在流動、傳熱、傳質(zhì)和 化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)過程及反應(yīng)器；因次論、相似論不再適用：化學(xué)過程和物理過程并存時，由于化學(xué)反應(yīng)為體積過程，傳遞過程為面積過程，化學(xué)相似和

14、物理相似不可能同時滿足。怎么辦？國家精品課程數(shù)學(xué)模型法機(jī)理模型：反映了過程的本質(zhì)可外推經(jīng)驗?zāi)Ｐ停菏怯蓪嶒灁?shù)據(jù)回歸得到不宜大幅度外推國家精品課程國家精品課程流體通過固定床的流動國家精品課程國家精品課程理想的數(shù)學(xué)模擬放大國家精品課程改進(jìn)的數(shù)學(xué)模擬放大國家精品課程實驗室反應(yīng)裝置國家精品課程工業(yè)反應(yīng)裝置國家精品課程反應(yīng)過程的開發(fā)方法反應(yīng)過程 反應(yīng)熱力學(xué)計算小型熱模大型冷模 催 化 劑 操作條件 本征動力學(xué) 宏觀動力學(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)模型與試驗數(shù)據(jù)相結(jié)合 過程簡化與過程優(yōu)化相結(jié)合 國家精品課程

15、化學(xué)反應(yīng)工程反應(yīng)工藝開發(fā)之斧反應(yīng)裝備設(shè)計之模反應(yīng)過程放大之橋Axe開拓性Model實踐性Bridge綜合性國家精品課程四、研究目的優(yōu)化！ 一定x下，使VRMin(如：多個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)效益最大國家精品課程國家精品課程國家精品課程國家精品課程 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)和動量傳遞的所謂化工單元操作上，基本上屬于物理過程。五、化學(xué)反應(yīng)工程的演繹過程國家精品課程1937年，德國科學(xué)家在出版的“Der Chemie Ingeniem”專著中提到擴(kuò)散、流動與傳遞對化學(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)動力學(xué)的擴(kuò)散和傳遞”中，論述了擴(kuò)散、流動與傳熱等對化學(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（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，大量專著出現(xiàn)國家精品課程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