1、1,化学反应工程 Chemical Reaction Engineering,聂 毅 教授 曲阜师范大学,2,化学反应工程简明教程 姜信真 西北大学出版社,参考书,3,作业两周收一次。 提倡并鼓励同学之间讨论作业，但最终应独立完成作业。 期末考试，120分钟闭卷，成绩占总成绩的70%，平时作业占30%。,作业与考试,4,处理工业规模的化学反应问题 解决涉及化学反应的工程问题 把已经在实验室中实现的化学反应在工业中实现,第一章 绪论,5,三传一反,乙炔,HCl,6,化工过程的两大方面：反应和分离 化学反应是化工过程的核心 炼油：催化裂化、铂重整、加氢 有机化工：医药、染料、塑料、橡胶、化纤 无机
2、化工：酸碱盐生产,1-1 研究对象与目的,7,一个化学反应能够在实验室实现，并不等于能够在工业上实现，只有将其在工业规模上实现，才能创造价值。 我们的任务: 改进和强化现有反应技术和设备 开发新的反应技术和设备 解决反应器放大问题 实现反应过程的最优化 完善反应工程学的理论与方法,8,一、研究对象：以工业规模进行的化学反应过程。 二、研究目的：实现工业反应过程的优化。,1、优化：就是要在一定的范围内，选择一组 合适的决策变量，使得“系统”对于某个评价标准来说达到最佳状态。,2、优化类型,设计优化,操作优化,9,（1）优化的经济目标,把生产成本或利润等看作唯一的优化目标，而把生产安全、产品质量、
3、三废排放等因素作为过程的约束条件，然后在规定的条件和范围内寻求最低的生产成本。,乙苯脱氢制取苯乙烯,10,以加工1吨乙苯为例,原料费用比例大小已成为现实工业生产过程先进性的标志之一,85.4%,11,（2）优化的技术目标反应速率，选择率，能量消耗,（3）决策变量结构变量，操作方式，工艺条件,结构变量：反应器型式与结构尺寸,12,常用工业反应器 factor,按相态：均相、非均相 按操作方式：连续操作、间歇操作、半连续操作 按反应器类型：管式反应器、釜式反应器、塔式反应器 按传热条件：等温反应器、绝热反应器、非等温非绝热反应器 按流体流动状态：理想流动反应器、非理想流动反应器,13,按物料聚集状
4、态分类的反应器,14,管式反应器,釜式反应器,15,16,列管式固定床反应器,流化床反应器,17,鼓泡塔反应器,固定床多段绝热反应器,18,间歇式、连续式和半连续式间歇操作:将原料按一定配比一次加入反应器，待反应达到一定要求后，一次卸出物料。连续操作:连续加入原料，连续排出反应产物。当操作达到定态时，反应器内任何位置上物料的组成、温度等状态参数不随时间而变化。半连续操作:也称为半间歇操作， 介于上述两者之间，通常是将一种反应物一次加入，然后连续加入另一种反应物。反应达到一定要求后，停止操作并卸出物料。如苯氯化,操作方式,19,20,间歇反应器的优点是设备简单，同一设备可用于生产多种产品，尤其适
5、合于医药、染料等工业部门小批量、多品种的生产。另外，间歇反应器中不存在物料的返混，对大多数反应有利。缺点是需要装卸料、清洗等辅助工序，产品质量不易稳定。,21,连续反应器的优点是产品质量稳定，易于操作控制。其缺点是连续反应器中都存在程度不同的返混，这对大多数反应皆为不利因素，应通过反应器合理选型和结构设计加以抑制。大规模生产应尽可能采用连续反应器。,22,对有两种以上原料的连续反应器，物料流向可采用并流或逆流。 对几个反应器组成的设备，还可采用错流加料,即一种原料依次通过各个反应器,另一种原料分别加入各反应器。 除流向外，还有原料是从反应器的一端(或两端)加入和分段加入之分。 分段加入指一种原
6、料由一端加入，另一种原料分成几段从反应器的不同位置加入，错流也可看成一种分段加料方式。采用什么加料方式，须根据反应过程的特征决定。,加料方式,23,主要指反应器的操作温度和操作压力。 温度是影响反应过程的敏感因素，必须选择 适宜的操作温度或温度序列，使反应过程在优化条件下进行。例如对可逆放热反应应采用先高后低的温度序列以兼顾反应速率和平衡转化率。,操作条件,24,反应器可在常压、加压或负压（真空）下操作。加压操作的反应器主要用于有气体参与的反应过程，提高操作压力有利于加速气相反应，对于总摩尔数减小的气相可逆反应,则可提高平衡转化率,如合成氨、合成甲醇等。提高操作压力还可增加气体在液体中的溶解度
7、，故许多气液相反应过程、气液固相反应过程采用加压操作，以提高反应速率，如对二甲苯氧化等。,25,一、化学反应过程1. 容积反应过程：反应在一定的容积中发生。2. 表面反应过程:反应在某一表面发生。,1.返混：早先进入并仍留在反应器内的物料同刚进入的新鲜物料相混合；或不同年龄质点的混合（时间逆向）。,二、物理过程,1-2 研究内容,26,27,由于操作方式的不同，物料的粒子在反应器中停留的时间是不相同的。将液体原料A、B分别连续加入有搅拌的反应器中，而将反应后的物料C+D（其中也含未反应的A、B）连续不断引出，在这样的情况下，可能有的A刚进去就从出口出来，也可能有的A一直留在反应器内，B也是如此
8、，因而其在反应器内的停留时间就不同 。A、B都存在着一个停留时间分布（Residence Time Distribution）即RTD。由于停留时间与反应时间密切相关，因而对反应过程影响重大。,28,工业规模反应时，反应物是大量被送入化学反应器中进行反应。由于反应物量大，反应器空间也大，反应本身的特性等，不可避免的会在反应器中形成浓度的不均匀，也就是反应器内不可能象实验室研究中的烧瓶（或试管）内每一处的物料的浓度是一致的，会形成一个浓度分布（Concentration Distribution）CD,2. 传质,29,对于热效应显著的反应，如SO2催化转化为SO3。工业生产中是采用固定床催化反
9、应器。无论采取何种措施，催化剂床层的中心与边缘总是存在着2030的温度差，且催化剂本身表面与内部温度也有差别，这就存在着一个温度分布（Temperature Distribution）即TD,3.传热,30,31,1.本征动力学：研究反应分子间的反应机理和反应速率的化学反应动力学。2.宏观动力学：研究工业规模化学反应器中化学反应过程与质量、热量、动量传递过程同时进行的化学反应与物理变化过程综合的过程动力学。,三、本征动力学，宏观动力学,32,化学反应,反应规律,传递规律,反应器,反应结果,33,本课程与化学工程其它学科的关系,与以下课程有密切的联系 化工热力学 化工工艺学 传递过程（动量、热量、质量传递） 化学反应动力学化学反应工程是一门综合的学科，是把基础科学的成果应用到工业实践的科学。,
