反應工程基礎往屆課件chap0

反應工程基礎

ElementsofChemicalReactionEngineering教師：工物館308A程易，,62794468

助教：工物館315西顏彬航，（化83）王文坦，（化81，82）本節(jié)課內(nèi)容課程說明反應工程基礎－緒論

反應工程的內(nèi)涵和課程內(nèi)容從國際反應工程會看反應工程前沿課程說明開課對象：本科大三學生總課時：64學時學分：4課程性質(zhì)：必修課（專業(yè)基礎課）授課語言：中文講課，英文課件或中英結合上課時間、地點：周一下午，13:30－15:05，工物館422

周四上午，09:50－11:25，工物館422教學安排第1－11周：程易

第7(or8)周：期中考試（開卷）第11－16周：程易

6月6日節(jié)假日第17－18周：期末考試（開卷）4月4日，5月2日節(jié)假日教材和參考書H.ScottFogler,

ElementsofChemicalReactionEngineeringOctaveLevenspiel,ChemicalReactionEngineeringOctaveLevenspiel,ChemicalReactorOmnibook陳甘棠，化學反應工程（第三版）李紹芬，反應工程（第二版）朱炳辰，化學反應工程朱開宏，袁渭康，化學反應工程分析OctaveLevenspiel2008AIChEAnnualMeetingTheWorld’sLargestFlyingCreaturesEverwonderwhythedinosaursbecameextinct?Ihavetheanswer.

H.ScottFogler,ElementsofChemicalReactionEngineering（4th）教學輔助材料：H.ScottFogler，化學反應工程（原著第三版），李術元，朱建華譯學習輔助CD資料（H.ScottFogler）

講義PPT（英文）－程易講義PPT（中文）－助教

電子版圖書：Fogler,ElementsofChemicalReactionEngineering(4th)Levenspiel,ChemicalReactionEngineering(3rd)李術元，朱建華，化學反應工程（原著第三版）

課程的幾個教學環(huán)節(jié)課堂教學（＋習題課）

作業(yè)－習題與編程

考試（開卷）

期中，期末

成績

作業(yè)（30％）

期中考試（30％）

期末考試（40％）

答疑：雙周，周一，晚9:00－10:00，工物館336.2007年《反應工程基礎》成績分布（化41，42，43＋補修）91人92人期中考試（17滿分）期末考試2008年《反應工程基礎》成績分布（化51，52，53＋補修）期中考試期末考試87人87人2009年《反應工程基礎》成績分布（化61，62，63＋補修）期中考試期末考試81人81人顏彬航：；王文坦，；化學反應工程

緒論AboutreactionengineeringReactionengineeringisthedisciplinethatquantifiestheinteractionsoftransportphenomenaandkineticsinrelatingreactorperformancetooperatingconditionsandfeedvariables.

Thisquantificationrequiresathoroughunderstandingofthemicroscale(molecularlevelofscrutiny),mesoscale(transport-kineticeventsonacatalyst-particlelevel)andmacroscale(reactordesignincontextofprocessandplantdesign).

Itisthefieldthatdealswithchemicallyreactivesystemsofengineeringsignificance.Chemicalreactionengineeringresultsinageneralmethodologyusefulinapproachingavarietyofsystems(chemical,biochemical,biological,electrochemical)whereengineeringofreactionsisneeded;i.e.,wherethecause-and-effectrelationsimpartedbyreactionsandobservedinsmalllaboratoryvesselsneedtobe“scaledup”tocommercialproduction.化學工程：創(chuàng)新的源頭物質(zhì)傳遞與轉化能量傳遞與轉化信息傳遞與轉化石油化工，煤化工，天然氣化工精細化工，日用化工生物化工，材料化工，制藥資源化工環(huán)境化工...歷史輝煌

－制造業(yè)的基礎與創(chuàng)新的源頭20年代 合成氨－現(xiàn)代化工的起始：農(nóng)業(yè)，炸藥40年代 石油催化裂化：汽車工業(yè)50年代 深層發(fā)酵：抗生素制藥業(yè)60年代 乙烯裂解：三大合成材料70年代 有機硅，高純硅：硅材料工業(yè)80年代 人工臟器，動植物細胞培養(yǎng)：生物醫(yī)學

工程90年代 納米管，超分子組裝納米－亞微米材料：

復合，多功能材料2000年...能源、資源、環(huán)境、生物、制藥、材料典型的化工生產(chǎn)過程環(huán)節(jié)

化學反應是整個過程的核心純化反應分離反應分離循環(huán)原料產(chǎn)品中間產(chǎn)品循環(huán)化學工程的知識結構化學工程反應工程反應器設計及放大分離工程精餾萃取吸收過濾……系統(tǒng)工程過程工程系統(tǒng)優(yōu)化……化工生產(chǎn)的核心ChemicalReactionEngineering化學動力學（chemicalkinetics）:

化學反應速率（chemicalreactionrates）

化學反應機理（reactionmechanisms）

化學反應工程

(CRE):

化學動力學（chemicalkinetics）

反應器設計（reactordesign）安全（safe）＋經(jīng)濟（efficient

economical）反應器的選擇和設計傳遞工程化學工藝反應工程過程解析技術開發(fā)反應器設計工藝流程設備傳遞化學工程控制熱、動力學過程控制催化劑優(yōu)化學科體系：集物理、化學、數(shù)學與工程于一體學科特點：交叉中心小圓為本課的內(nèi)容。外環(huán)為反應工程的學科基礎。重疊處為因交叉而形成的新學科?；瘜W反應工程的學科體系化學反應工程（陳甘棠）化學反應工程的學科特點化學原理與物理原理交叉 分離過程－熱力學，流體力學，傳熱學，傳質(zhì)學 反應過程－原子重排，工藝學，反應動力學 熱力學，流體力學，傳熱學，傳質(zhì)學反應動力學與傳遞學的非線性耦合

多尺度關連三傳三轉能量的傳遞和轉化物質(zhì)的傳遞和轉化信息的傳遞和轉化分子尺度亞微觀尺度（納米聚團）介觀尺度設備尺度宏觀尺度（滴/泡/粒）（軸向/徑向）（設備集成）燕山石化乙烯裂解爐多尺度現(xiàn)象：時間和空間多尺度化學反應工程的范疇化學熱力學：分析反應的可能性和可能達到的程度反應動力學：反應速率和機理【舉例】

反應適宜的條件、反應器結構型式、反應器尺寸、處理能力等等催化劑設備型式、操作方法和流程傳遞過程...例：反應動力學控制的過程甲烷裂解制乙炔

1500C，乙炔不穩(wěn)定，易分解為碳和氫氣解決方案

超短接觸（毫秒級）反應

及時淬冷*熱力學可行，速率太慢，實際不可行*熱力學難以實現(xiàn)，但是動力學控制實現(xiàn)催化劑特殊手段特殊手段案例：人工合成金剛石常規(guī)：靜高壓工藝，熱力學平衡態(tài)，需要1600～1800K，6萬大氣壓的高溫高壓條件微波等離子體化學氣相沉積工藝，以甲烷和氫氣為原料，在低于0.1大氣壓，450C條件下可成功合成金剛石反應工程問題實例合成氨/尿素石油催化裂化煤裂解/氣化天然氣制合成氣、制氫納米材料制備有機化工/精細化工CO2轉化...熱力學動力學（催化劑）衡算：物料和能量流體力學傳遞工程放大體現(xiàn)反應工程基本原理和范疇化學反應過程分類例：按相態(tài)分均相反應非均相反應

氣－液：鼓泡柱（bubblecolumn）氣－固：固定床，流化床液－液：液－固：滴流床（tricklebed）氣－液－固：漿態(tài)床（slurrybed）

W.P.M.vanSwaaij,ChemEngJ,90(2002)25-45例：工業(yè)氣固催化反應器的變遷W.P.M.vanSwaaij,ChemEngJ,90(2002)25-45滴流床（Ticklebed）通道內(nèi)流型整體型催化劑反應器（Monolith）鼓泡柱（BubbleColumn）InformationneededtopredictwhatareactorcandoReactorInputOutputPerformanceequationRelatesinputtooutputContactingpattern

orhowmaterialsflowthroughandcontacteachotherinthereactor

Kineticsorhowfastthingshappen.Ifveryfast,thenequilibriumtellswhatwillleavethereactor.Ifnotsofast,thentherateofchemicalreaction,andmaybeheatandmasstransfertoo,willdeterminewhatwillhappen.反應器的分類管式反應器，L>30d，管式易放大但不易大型化，只能連續(xù)操作釜式反應器，L=1~3d，釜式應用最廣，靈活，適用不同操作方式塔式反應器，L=3~30d，塔式適宜大型化，只宜連續(xù)操作（一）按特征尺寸分（二）按操作方式分I.間歇操作，batch特點：靈活，適于量小，多種過程交替，質(zhì)量不穩(wěn)，效率低。II.連續(xù)操作，continuous定常態(tài)，存在停留時間分布，適于大規(guī)模過程。III.半連續(xù)操作，semi-batch精細化工過程，具有動態(tài)行為，控制、操作復雜A+BA+BRBA（三）按換熱方式分絕熱式

外部換熱式

自熱式

冷激式

相變換熱式

冷汽化學科的任務對工程師

（1）選擇最合適的反應器型式（2）確定最佳操作方式和條件（3）估算反應器尺寸

對創(chuàng)新開發(fā)（1）根據(jù)反應工藝、反應動力學特征、新型催化

劑，進行新型反應器和反應方式的研發(fā)（2）新型操作方式的研發(fā)：如動態(tài)操作、耦合操作（3）工程放大方法的研究反應工程任務提出工藝路線,原料配方,工藝條件確定小型熱模,驗證工藝條件,動力學研究大型冷模,驗證反應器形式可行動力學方程表達式流動形式,混和模型,傳質(zhì),傳熱,參數(shù)分布數(shù)學模型：物衡…熱衡…熱力學提供：參數(shù)方程,物性計算機合成求解中間討論,驗證工業(yè)裝置模型修正工程研究工藝研究反應工程研究步驟AboutreactionengineeringReactionengineeringisthedisciplinethatquantifiestheinteractionsoftransportphenomenaandkineticsinrelatingreactorperformancetooperatingconditionsandfeedvariables.

Thisquantificationrequiresathoroughunderstandingofthemicroscale(molecularlevelofscrutiny),mesoscale(transport-kineticeventsonacatalyst-particlelevel)andmacroscale(reactordesignincontextofprocessandplantdesign).

Itisthefieldthatdealswithchemicallyreactivesystemsofengineeringsignificance.Chemicalreactionengineeringresultsinageneralmethodologyusefulinapproachingavarietyofsystems(chemical,biochemical,biological,electrochemical)whereengineeringofreactionsisneeded;i.e.,wherethecause-and-effectrelationsimpartedbyreactionsandobservedinsmalllaboratoryvesselsneedtobe“scaledup”tocommercialproduction.本課程的架構第一部分：理想反應器第二部分：非理想流動

第三部分

非均相催化和工業(yè)反應器

1.Molebalance2.Conversionandreactorsizing3.Ratelawsandstoichiometry4.Isothermalreactordesign5.Collectionandanalysisofratedata6.Multiplereaction7.Reactionmechanisms...8.Steady-statenon-isothermalreactordesign9.Residencetimedistribution(RTD)10.Modelsfornonidealreactors11.氣固催化動力學基礎

12.固定床反應器

13.流化床反應器

14.移動床反應器CH.1MolebalancesCH.2Conversion&reactorsizingCH.3Ratelaws&stoichiometryCH.4IsothermalreactordesignCH.5Collection&analysisofdataCH.6MultiplereactionsCH.7Mechanisms,bioreactions...CH.8SteadystateheateffectsCH.9UnsteadystateheateffectsCH.10Catalysis&catalyticreactorsCH.13ResidencetimedistributionCH.14NonidealreactorsCH.11ExternaldiffusionCH.12DiffusioninporouscatalystsMultiplereactionswithheateffectsFrameworkofFogler’sbookElementsofChemicalReactionEngineeringCREalgorithm:Molebalance+Ratelaws+Stoichiometry+Energybalance+CombineDesignofchemicalreactors,PFR,CSTR,Batch,Semibatch,PackedbedsAnalysisofratedata,laboratoryreactors,least-squaresanalysisModelingrealreactors,RTD,dispersion,segregationNonisothermaloperation,multiplesteadystatesMultiplereactionsMolebalancesRatelawsStoichiometryEnergybalancesDiffusionContacting從國際反應工程會看反應工程前沿ISCRE

InternationalSymposiaonChemicalReactionEngineering

IMRET

InternationalConferenceonMicro-reactionTechnologyAboutreactionengineeringReactionengineeringisthedisciplinethatquantifiestheinteractionsoftransportphenomenaandkineticsinrelatingreactorperformancetooperatingconditionsandfeedvariables.

Thisquantificationrequiresathoroughunderstandingofthemicroscale(molecularlevelofscrutiny),mesoscale(transport-kineticeventsonacatalyst-particlelevel)andmacroscale(reactordesignincontextofprocessandplantdesign).

Itisthefieldthatdealswithchemicallyreactivesystemsofengineeringsignificance.Chemicalreactionengineeringresultsinageneralmethodologyusefulinapproachingavarietyofsystems(chemical,biochemical,biological,electrochemical)whereengineeringofreactionsisneeded;i.e.,wherethecause-and-effectrelationsimpartedbyreactionsandobservedinsmalllaboratoryvesselsneedtobe“scaledup”tocommercialproduction.NamePlaceCountryYearESCRE1AmsterdamNetherlands1957ESCRE2Ams