反應工程概論 教材 南京工業(yè)大學專用1

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硅酸鹽反應工程

南京工業(yè)大學

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第一章緒論

第一節(jié)硅酸鹽反應工程學的范疇和任務

一、反應工程學的研究對象及特點（1）反應工程學的形成及發(fā)展簡況

眾所周知，硅酸鹽產品的種類繁多，原料多樣，故生產工藝各不一致，但是，從工程角度來看，硅酸鹽、冶金和化工生產過程具有共同特點。他們都屬于化工類型的生產過程，其中都包含處理物理變化和化學變化的操作。例如，破碎、除塵、枯燥、過濾、分開、篩分、滾動、和傳熱等與物理變化過程有關的操作，稱為“單元操作〞，而將氧化、還原、燃燒、分解、燒結等與化學變化過程有關的操作，成為“單元反應〞或“單元過程〞。在工業(yè)生產中，人們把由若干個“單元操作〞和“單元反應〞組成的生產流程稱為生產過程。

早先，人們分別孤立地研究化工生產過程中的“單元操作〞和“單元反應〞的規(guī)律，二者各自向前發(fā)展。后來在工業(yè)生產實踐中發(fā)現，同一個化學反映，即使在完全一致的溫度、壓力和反應時間的條件下，由于反應器的類型或規(guī)模不同，可以產生很不一致的反應結果，這是由于在工業(yè)規(guī)模的反應器中，化學反應不僅受到化學動力學和化學熱力學因素的制約，而且受到流體滾動、傳熱和傳質等各種物理過程的影響，各種影響因素錯綜繁雜。因此，在確定工業(yè)反應過程的操作條件。設計反應設備或控制反應過程時就需要綜合考察化學反應和物理傳遞過程的規(guī)律。由此觀點出發(fā)，從被世紀三十年代開始的將近二十年內，逐漸形成了化學反應工程學的概念。

三十年代，人們在生產時間中開始認識到“單元操作〞和“單元反應〞之間并非毫無聯系的孤立現象，而是存在著密切的相互作用的關系。1937年G·Damkohle首先在Derchmieingenleur第三卷中提出擴散、滾動和傳熱對于化學反應影響的論述，成為化學動力學發(fā)到到“工程技術〞階段的標志。此后，對于反應器內化學因素和物理因素相互作用的研究日益發(fā)展。

四十年代，隨著生產技術及設備的更新和生產規(guī)模的大型化，對于反應過程開發(fā)和反應器設計提出了迫切的要求。同時，化學動力學、單元操作，特別是滾動、傳熱和傳質方面的理論研究和試驗技術也取得了較大進展，促使流化床催化裂化反應、丁苯橡膠的聚合反應和曼哈頓計劃等三個重要的過程開發(fā)研究工作獲得了巨大成功，引起了人們很大震動，紛紛注意研究單元操作理論，并以越來越繁雜的數學表達式來定量描述單元設備的操作性能。此外，還普遍開展了化學應用數學的研究，發(fā)表了不少專門著作。O.A.Hougen和K.M.Watson出版的關于反應動力學的著作成為第一本可供教學的書籍。所有都對化學反應工程學的形成起了推動作用。

五十年代，人們送長期的實踐中進一步認識到，大多數的“單元操作〞的基本規(guī)律都屬于廣義的“速率過程〞，可以歸納為動量傳遞、質量傳遞和熱量傳遞，即所謂“三傳〞。任何一個工業(yè)規(guī)律的化學反應過程都與“三傳〞有關，必需把化學反應與“三傳〞結合起來分析。所謂“三傳一反〞就構成為反應工程的技術。另外，這期間又提出了諸如“返混〞、“反應器穩(wěn)定性〞和“微觀混合〞等重要的新概念，指明白進一步研究的方向，在對化學反應動力學和傳遞過程兩方面的研究都取得了重要進展，積累了一定的實踐經驗和理論研究成果的基礎上，加上計算機技術的迅速發(fā)展，為把工業(yè)反應裝置中的化學反應與傳遞過程規(guī)律結合起來進行解析和處理提供了可能。因此，在五十年代末，根據不同化學反應的特性，結合不同類型反應裝置的性能進行解析和處理，加以系統整理歸納，就形成了一門年輕的新工程學科——化學反應工程學。在1957年召開的第一次歐洲化學反應工程會議上正式確定了這個名稱。從1960年出版以后，每四年舉行一次歐洲化學反應工程會議，而自1970年舉行的第一次國際化學反應工程探討會后，每兩年舉行一次，有力地推動了這門學科的迅速發(fā)展。

綜上所述，化學反應工程學是一門設計化學熱力學、化學動力學、化學工藝學、傳遞工程、工程控制、應用數學和計算機等多學科知識的全新的工程學科，具有高度的綜合性和廣泛的基礎性。他和其他學科及技術的關系入圖（1—1—1）所示?；瘜W反應工程學問世以來取得了令人注目的發(fā)展，它為工業(yè)生產中的大量問題提供了厚實、方法和理論，這些理論和方法在實踐中又得到了進一步的發(fā)展和完善，成為指導生產事件的有力工具。因此，反應工程學迅速滲透到不同的工業(yè)生產領域，出現了諸如“催化反應工程〞、“聚合反應工程〞、“無機化工反應工程〞、“冶金反應工程〞等。國外也有把冶金、硅酸鹽工

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業(yè)等設計高溫的工程問題納入“高溫反應工程〞一起加以研究的。將化學反應工程學的理論、方法和概念應用到硅酸鹽工程中，旨在研究高溫化學反應過程及其反應裝置的工程規(guī)律，為技術開發(fā)、工程放大和最優(yōu)化等提供理論指導，這就形成了一門新的專業(yè)基礎課——硅酸鹽反應工程學。

(2)硅酸鹽反應工程學的研究對象及特點

如前所述,硅酸鹽生產具有化工過程的特點,例如,各種硅酸鹽制品的成品或半成品都必需在窯爐內進行煅燒。燒成過程實質上是在窯爐內進行燃料燃燒、氣體滾動和傳熱過程的同時，使原料或坯體完成繁雜的高溫化學反應過程。因此，化學反應工程學的問世，引起硅酸鹽工程技術人員愈來愈大的興趣。近年來已經開始逐步采用它的理論、方法和概念來研究窯爐的熱工理論，指導優(yōu)化設計和優(yōu)化操作以及新型反應器或預熱器的開發(fā)研究。盡管這方面的研究工作尚處于起步階段，但是硅酸鹽反應工程學作為硅酸鹽工程學的重要組成部分，它符合學科的發(fā)展方向，有著廣闊的發(fā)展前景。

硅酸鹽反映工程學的研究對象是以工業(yè)規(guī)模進行的硅酸鹽高溫化學反應過程及其反應裝置。它以化學反應動力學和化學熱力學、流體滾動、傳熱和傳質、工程熱力學和系統工程等方面的理論為基礎，摸索硅酸鹽工業(yè)生產過程中的物理化學變化規(guī)律，指導生產實踐。

硅酸鹽生產具有高、非均相和反應過程極其繁雜的特點，因此至今還有大量理論問題沒有很好地解決，深入開展硅酸鹽反應工程學的理論研究和工程實踐是一項既艱難又有意義的工作。

圖1-1-1化學反應工程學和其它學科以及技術的關系二、反應工程學的任務及主要內容

硅酸鹽反應工程學是硅酸鹽工程學的重要組成部分，它針對硅酸鹽生產過程的特點，主要研究以氣固反應為主的高溫反應過程，以完成下述任務為目標：

1．改進和加強硅酸鹽工廠現有的生產技術和設備，降低消耗，提高效率；2．研究開發(fā)新技術和新設備；

3．指導反應過程開發(fā)中的工程放大；4．實現反應過程及其裝置的最優(yōu)化；

5．發(fā)展和逐步完善硅酸鹽反應工程學的理論和方法。

根據上述任務，本課程主要內容由兩大部分組成，第一部分為工業(yè)反應動力學，包括均相反應和非

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均相反應，主要介紹化學反應本身的特性和反應過程的普遍性規(guī)律。因此，其次章“工業(yè)反應動力學〞在書中占有重要地位。其次部分為反應裝置，其中第三章“反應裝置的操作解析法〞主要介紹“返混〞現象，“停留時間分布〞等概念和方法，并且探討了幾種典型的滾動模型，為把化學反應和傳遞過程規(guī)律綜合起來研究提供了理論和方法。第四章“固定床反應器〞、第五章“流化床反應器〞和第六章“回轉式反應器〞分別介紹了三種類型的反應裝置的特性，著重闡述了不同反應裝置內物理傳遞過程的規(guī)律和滾動特性，以及數學模型。最終，在第七章“反應器設計〞中介紹了有關工程放大和最優(yōu)化的基本概念和方法。

需要說明的是本教材考慮到硅酸鹽生產過程的特點，參照化學反應工程和冶金反應工程的模式，主要移植這兩本教材的內容編寫而成，鑒于硅酸鹽反應過程極其繁雜，在本專業(yè)領域內的反應工程理論研究和工程實踐均處于起步階段。因此這本教材暫時還缺少有關在硅酸鹽工程的應用實踐方面的內容，有待與日后不斷充實和完善。

其次節(jié)硅酸鹽反應工程學的研究方法

一、反應工程學的基本研究方法如前所述，在工業(yè)規(guī)模的反應器內進行的反應過程是受化學反應和物理反應傳遞過程規(guī)律共同制約的，它比單純的物理過程繁雜得多。在后一種狀況下，有些問題由于影響因素多，已經無法進行理論解析，例如，影響對流轉換熱的因素好多只能在相像理論指導下進行試驗測定，將試驗接滾歸納整理成準數方程式，由此方程式求出對流熱交換系數，這是一種試驗的綜合的方法，即經驗歸納法。在處理反應工程問題時則不能采用此種方法，由于反應器中化學過程和物理過程并存，多種影響因素及其交相作用繁雜。例如，化學反應與傳熱、傳質過程的相互交織，滾動狀況對反應物系濃度和溫度分布的影響，以及化學反應速率與溫度之間的非線形關系等。已經證明，不可能在滿足物理相像條件下同時滿足化學相像，即使做了試驗，也無法把試驗結果歸納成普遍適用的相像準數關聯式，試驗結果只能應用于試驗條件本身，即小試結果不能推廣應用于大型裝置，這就失去了試驗工作的意義。綜上所述，傳統的因次分析和相像方法確定對反應工程問題無能為力，必需采用與之不同的新的研究方法，這就是數學模型數字模擬法，簡稱數學模擬法。

反應工程學的基本研究方法是數學模擬法，可將該方法概述為：“通過深入的實踐和理論分析，在對反應過程的內在規(guī)律率有了較深刻的認識的基礎上，將繁雜的研究對象合理地簡化成與原過程（或稱原型）近似等效的或當量的物理模型，使用簡單明確的數學語言來描述該物理模型，所得到的數學關系式即為原型的一個近似等效的數學模型，利用該數學模型進行求解或數學計算，研究過程的特性，模擬實際反應過程。〞

數學模擬法起源于反應過程領域，反過來它的研究和進展又推動了反應過程學科的發(fā)展。隨著計算機的投入使用和計算技術的發(fā)展，到六十年代，數學模擬法有了迅速發(fā)展。進入七十年代，這種方法趨于成熟和普及。在解決諸如過程開發(fā)、過程方法、設計方案評比和最優(yōu)化等方面的問題顯示出無比的優(yōu)越性。在解決大規(guī)模和繁雜的工程技術問題方面的成功事例不斷證明這種方法可以獲得巨大的經濟效益，已經發(fā)展成為很有效的一種工程研究方法。在本書第七章“反應器設計〞中，結合工程放大和最優(yōu)化技術，簡要介紹了這種方法。

數學模擬法的基礎是數學模型，按所處理問題的性質，數學模型可范圍：化學動力學模型、滾動模型、傳遞模型及宏觀動力學模型。在本書各章中分別介紹了不同類型的數學模型。例如，在其次章在介紹均相反應的化學動力學模型后，著重探討了非均相反應的動力學模型，例如，縮核模型和縮粒模型，燃燒模型、分解模型等，這些模型都是從顆粒尺度進行考察的，并未設計反應器的類型及其滾動特性。在第三章則專門探討了典型的滾動模型，這就是為把考察的尺度從單顆粒放大到整個反應器提供了可能，在第四章～第六章中所出現的宏觀動力學模型就是包括了滾動模型在內的。綜上所述，從研究方法來看，本課程的內容安排也是從易到難，從簡單到繁雜逐步深入的。

二、本課程的教學要求

“硅酸鹽反應工程〞系硅酸鹽工程專業(yè)的四年制本科大學生必修的一門專業(yè)基礎課。

鑒于講授和學習本課程需要具有流體滾動、氣—固兩相滾動、電子計算機和應用數學、傳熱學和

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燃燒學等方面的基礎知識，因此本課程應安排在“流體力學〞、“熱力工程〞和“粉體工程〞等諸門課程之后